一种特低渗砂岩气藏地应力研究的新方法

樊爱彬

（中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津300450）

一种特低渗砂岩气藏地应力研究的新方法

樊爱彬

（中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津300450）

某构造位于海上大型凹陷，为低渗、特低渗气藏，天然气储量巨大。为了更好的进行低渗砂岩气藏的压裂储层改造，需要分析清地应力的大小和方向。采用成像测井钻井诱导缝和井壁崩落进行地应力方向的判断，并引入世界地应力库数据进行佐证，确定工区最大水平主应力为近东西向。采用测井密度、声波等资料计算三应力的大小，确定该区域属于正断层应力机制。摸清了该地区地应力方向和大小，并以单井为例，建立单井地应力模型。为优化射孔，规避断层和水体提供了技术指导，为后续水平井水平段部署提供了技术依据，对类似砂岩气藏的勘探开发有重要的指导意义。

地应力；世界应力库；成像测井；低渗

该构造为一低幅度背斜构造，其上部为完整背斜构造，下部为被断层复杂化的背斜构造，最大顶面构造面积86.3 km2，构造幅度最大为240 m。近几年通过三维地震资料，对该构造进行了详细的圈闭评价和低渗气藏潜力分析，主要油气来源为凹陷深部PH组暗色泥岩和煤系地层。钻探显示该区油气显示普遍，发育多套含气层段，砂体具有厚度大、分选好等特点。HG组下段位于埋深3 200 m～3 900 m，PH组埋深3 900 m～4 500 m或者更深，由于埋藏较深储层受压实作用影响较大，储层物性差。HG组下段孔隙度介于1.9%～14.7%，渗透率介于0.02 mD～1.65 mD；PH组孔隙度介于1.6%～11.9%，渗透率介于0.02 mD～0.65 mD，主要为低渗、特低渗储层。常规射孔、负压射孔、氮气气举等措施均难以实现低渗、特低渗气田的商业开发。为了实现低渗、特低渗气藏的商业开采，必须要进行储层压裂改造。

储层压裂改造的关键就是对地应力的研究，地应力不仅影响压裂裂缝的延伸方向、裂缝展布情况，也影响上下隔层对缝高的封隔遮挡能力，防止压裂缝上下串层，可见地应力研究是压裂储层改造高产、稳产的基础。通过调研，目前国内外常用岩心实验数据测量地应力大小，用多倾角测井资料计算地应力方向。岩心实验难以及时完成，海上钻井日费用较高难以实现。多倾角测井资料常受地层倒转、褶皱影响，难以准确计算地应力方向。笔者通过调研他人研究成果以及其他低渗气田勘探开发现状，形成了一种适合海上地应力研究的新方法。采用成像测井钻井诱导缝和井壁崩落数据来读取地应力方向，同时用世界地应力库中的地应力资料进一步佐证。采用声波测井、密度测井等资料及时计算地应力大小，增强时效性。该方法旨在摸清该构造的地应力大小和方向，为后期压裂储层改造、水平井井轨迹部署提供指导［1-4］。

1　成像测井识别地应力方位

目前常用的地应力方位求取方法是采用多倾角测井资料。由于多倾角测井收到地层倒转、褶皱等影响，所以采用成像测井资料进行地应力方位的计算［5］。

在低渗砂岩储层中成像测井主要应用钻井诱导缝和井壁崩落来确定地应力方位，由于地应力的影响钻井诱导缝的走向平行于最大水平主应力。钻井诱导缝常和井壁崩落一起出现，二者走向相差90°，即井壁崩落方位平行于最小水平主应力，垂直于最大水平主应力［6，7］。

钻井诱导缝从上至下呈“倒八字”形态。钻井诱导缝（见图1-a），井壁崩落（见图1-b），该工区以钻井诱导缝为主，井壁崩落较少。共识别钻井诱导张性裂缝550条（相对较多），平均方位N100/N280°（见图2-a）。共识别井壁崩落特征48个，统计平均方位为N12/ N192°（见图2-b）。诱导缝方位与井壁崩落方位基本垂直。

图1　a.钻井诱导缝，b.井壁崩落Fig.1 a.drilling induced crack，b.wellbore caving

2　区域地应力方位分析

为了进一步落实工区地应力方位，本次研究专门引用了世界应力库中的地应力资料来进一步研究该工区。

根据世界应力库分析该工区地应力方位与上述单井地应力方向研究结论基本一致，综合单井地应力方向研究成果及世界应力数据库数据，判断工区现今最大水平主地应力方位为N100/N280°，近东西方向。最小水平主应力为N10/N190°，为近南北向（见图3-a、3-b）。压裂缝延伸方向平行于最大水平主应力，为近东西向，这一结论为射孔优化、水平井部署提供了理论指导。

图2　a.钻井诱导缝方位统计，b.井壁崩落方位统计Fig.2 a.induced crack azimuth statistics，b.borehole caving azimuth statistics

图3　a.钻井诱导缝分布，b.区域地应力方位Fig.3 a.drilling induced crack distribution，b.regional ground stress orientation

3　地应力大小分析

通过成像测井以及世界应力库资料可以确定最大水平主地应力和最小水平主应力的方向，不能确定应力的大小。根据密度测井、声波测井等资料可以计算地应力的大小。根据声波测井、密度测井等资料计算杨氏模量、泊松比、内摩擦系数以及单轴强度等参数；根据密度积分法计算上覆岩层压力，根据欠压实理论计算地层孔隙压力；综合考虑上覆岩层压力、地层孔隙压力、构造应力三方面影响，结合地层漏失试验求取较准确的最小水平主应力［8，9］。最小水平主应力的计算采用如下公式进行计算：

其中：Shmin-最小水平主应力，MPa；Sυ-上覆岩层压裂，MPa；Pp-地层压力，MPa；E-杨氏模量，GPa；υ-泊松比，无因次；α-Biot系数，研究取值0.9；εx和εy属于构造应变，无因次，研究取值0.000 2和0.000 06。

该地区E3h7～E3h3的最小水平主应力压力系数是1.6～1.9。最大水平主应力大小的计算是在已知井壁破损情况、岩石强度等，就可反演模拟现今最大水平主应力的大小，通过模拟得到具有典型诱导张性裂缝特征深度处最大水平主应力的大小为2.05～2.2SG。根据密度积分计算该地区垂向应力大小为2.2～2.3SG。

根据上述计算结果绘制了A井单井地应力模型（见图4），该构造地应力满足垂向应力＞最大水平主应力＞最小水平主应力，属于正断层应力机制，与该区域地应力机制和断层性质吻合。根据压裂起缝机理，压裂后裂缝面总是垂直最小水平主应力，压裂裂缝面呈近东西走向。

所以在优选压裂层位的过程中要重点考虑井眼东西两侧距离断层或水体的距离，避免压穿断层或水体。如设计水平井进行分段压裂，水平段井轨迹应平行于最小水平主应力（水平段应近南北向展布），这样才能保证水平井分段压裂后形成最大的裂缝网络［10-13］。

图4　A井地应力模型Fig.4 A borehole stress model

4　结论

（1）采用成像测井和世界地应力库相结合的方法，可以准确得出工区地应力方向，最大水平主应力方位为N100/N280°，近东西向，最小水平主应力为N10/ N190°，近南北向。

（2）运用密度、声波等测井资料可计算地应力大小，计算结果显示，该地区垂向应力＞最大水平主应力＞最小水平主应力，属于正断层应力机制。

（3）压裂后裂缝向近东西方向延伸，优选压裂层时要考虑避开东西两侧的断层及水体，尝试沟通天然裂缝发育区。

（4）水平井水平段井轨迹应平行于最小水平主应力（近南北向），后期水平井分段压裂可最大范围的沟通储层，容易达到增产、稳产的目的。

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A new method to study crustal stress of extra-low permeability sandstone gas reservoir

FAN Aibin
（China Oilfield Services Limited，Tianjin 300450，China）

One structure has a huge reserves located in offshore low-permeability gas reservoir.In order to obtain a better fracturing effect on sandstone reservoirs，it needs to analyze the magnitude and direction of land stress.Using imaging logging crack and borehole caving is to determine stress direction and prove work area's maximum horizontal principal stress as near east-west direction in the world stress data library.This paper calculates three stress values，and determines region's normal faulting stress mechanisms by density and acoustic logging，etc.By finding out reservoirs'stress direction and magnitude this paper establishes single well model.The study will provide technical support on perforation optimization，avoiding faults and water invasion，which is of great importance on gas reservoirs'exploration and development.

ground stress；world stress library；imaging logging；low-permeability

TE375

A

1673-5285（2016）10-0015-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.10.004

2016－08-15

樊爱彬，男（1988-），综合地质工程师，2011年毕业于中国石油大学（北京）地质工程专业，一直从事低渗砂岩气藏压裂储层改造方面的地质油藏工艺研究工作，邮箱：fanaibin@163.com。