徐深气田A区块岩石力学参数及地应力分析

吴云龙

中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院

0 引言

储层的岩石力学性质、地应力特征与储层中裂缝的分布情况有着密切关系，是油气田勘探、钻井完井工程、开发方案设计及储层保护与改造等方面的主要依据[1-3]。岩石力学性质可由岩石力学参数来表征，其参数的求取方法与应用受到国内外众多岩石力学专家的广泛关注[3-5]。地应力主要由地壳运动产生的构造应力、上覆岩层自身重量施加的静岩应力、孔隙流体压力以及热应力等组成，在地质学中主要关注的是构造应力与静岩应力[6-7]。其中，构造应力是指在静岩应力状态之上所附加的一种应力状态，是形成各种地质构造的主要作用力，而构造形变的强弱程度则由应力差控制。地应力方向的确定是当前地应力研究中的最为重要和实用的内容之一，在现今地应力场中，水平最大主应力方向控制着油气的主要渗流方向，且与天然裂缝发育情况有着密切关系[7-8]。

徐深气田A区块位于松辽盆地北部徐家围子断陷徐中构造带南部，下白垩统营城组储层主要发育营一段火山岩，构造整体表现为北高南低、中部高、东西两侧低，向南倾的鼻状构造，断裂主要分布在工区北部，且火山岩储层天然裂缝较为发育，平均原始地层压力为37.98 MPa，属于岩性—构造气藏。目前针对工区火山岩的岩石力学与地应力场等相关研究资料较为匮乏，为了更加准确掌握火山岩储层的岩石力学参数及明确地应力的方向与展布特征，为油田后期开发井网部署、水平井优化设计、压裂方案制定等方案提供依据，急需开展火山岩的岩石力学参数及地应力的相关研究。

1 岩石力学参数

岩石力学参数主要指岩石的弹性模量、泊松比、内聚力及内摩擦角等参数，反映了岩石在外力作用下所表现出的物理性质，其测量方法主要有2种：①静态法，测量岩石在载荷作用下的纵横向应变，然后计算力学参数；②动态法，利用测井曲线计算岩石力学参数。动态岩石力学参数和静态岩石力学参数在数值上是不同的，但二者具有一定的相关关系[9-10]。

1.1 静态岩石力学参数测试

本次测试的实验样品是取自徐深气田A区块深层营城组火山岩的岩心样品。岩石力学参数测试、波速各向异性测试以及声发射测试的样品是同一井相同深度的一组样品，共钻取样品20组，每组为1个大样（Ø100 mm×H50 mm）和8个小样（Ø25 mm×H50 mm），其中，角砾岩样品有3组，凝灰岩样品有11组，集块岩样品有2组，流纹岩样品有1组，砾岩样品有3组（沉积岩），典型岩心照片如图1所示。

岩石力学参数测试采用MTS岩石力学试验系统，将岩石样品制备成直径为25 mm，高度为50 mm的圆柱形试样（每组4个），选择10 MPa、20 MPa、30 MPa、37 MPa（目的层深度围压）4个等级围压，以0.05 MPa/s的加荷速度施加围压至预定围压值，并使围压在实验过程中始终保持为常数，设备加热系统将岩石加热至135 ℃，并保持温度恒定，以轴向变形0.002 mm/s的速度加轴压，直至试样破坏，读取数据采集系统采集的荷载和变形值。根据应力—应变曲线，可以计算出弹性模量和泊松比，计算公式如下：

式中σ表示主应力差，MPa；σ1表示轴压，MPa；σ3表示围压，MPa；E表示弹性模量，MPa；v表示泊松比，无量纲 ；（σ1-σ3）（50）表示主应力差 50%的应力值，MPa ；εl（50）表示在（σ1-σ3）（50）时的轴向应变，无量纲；（σ1-σ3）（50）表示在时的径向应变，无量纲。

图1 营城组火山岩典型岩心照片

内聚力C，MPa）与内摩擦角（单位°）的求取方式为：在剪应力与正应力坐标轴上以为圆心，以为半径绘制莫尔圆，然后做这些圆的公切线得到强度包络线，求出包络线的斜率m和在轴上的截距b，得到C=b，tan=m，求反切得到。

完成工区11口井营城组火山岩20组岩石力参数测试，主要分析37 MPa围压（目的层围压）的测试结果（表1），得知工区营城组火山岩的峰值强度介于236.83～531.85 MPa，平均值为425.40 MPa；弹性模量介于50.08～65.25 GPa，平均值为56.07 GPa；泊松比介于0.175～0.314，平均值为0.25；内聚力介于6.27～78.11 MPa，平均值为27.67 MPa；内摩擦角介于35.96°～53.75°，平均值为48.54°。火山岩的弹性模量随着围压的增加而增加，呈明显正相关关系（图2a），而泊松比随围压的增加无明显变化规律（图2b）。从不同岩性上来看，弹性模量为流纹岩最大，其次为角砾岩、凝灰岩及集块岩相当，砾岩最小，泊松比为流纹岩最大，集块岩次之，再次为砾岩与凝灰岩相当，角砾岩最小，可见火山岩中流纹岩的力学参数最大，其他岩性相差不大，测试中流纹岩只有1个样品，不具统计意义。从深度上来看，火山岩的弹性模量、泊松比、内摩擦角及内聚力均随着深度的增加有增大的趋势（图3）。

总之，火山岩的岩石力学参数受岩性、围压及深度等影响，整体表现为随着深度增加呈增大趋势；不同岩性之间岩石力学参数具有一定差异性，火山岩的力学参数相比砾岩较大，在相同施工条件下，火山岩压裂施工难度较砾岩大些。

1.2 动态岩石力学参数计算

根据弹性力学理论，利用阵列声波测井曲线中的纵、横波时差及密度资料，可求取岩石的动态弹性模量和动态泊松比，计算公式如下：

表1 静态岩石力学参数测试统计表（围压37 MPa）

图2 静态岩石力学参数与围压关系图

图3 静态岩石力学参数与深度关系图

式中Ed表示动态弹性模量，MPa；μd表示动态泊松比；表示vp纵波速度，m/µs；vps表示横波速度，m/µs；ρ表示密度，kg/m3。

公式（4）、（5）所求岩石弹性参数是动态的，反映的是地层在瞬间加载时的力学性质，与地下地层实际上长时间所受到的静载荷有一定差别[11]。

利用上式计算岩样的动态弹性参数，分析动静态岩石力学参数之间的相关关系。计算结果可知，工区营城组火山岩动态弹性模量介于35.81～84.28 GPa，平均值为62.21 GPa，动态泊松比介于0.166～0.267，平均值为0.216（表2），都属于正常范围。将样品的动静态岩石力学参数进行拟合分析，得出火山岩动静态弹性模量关系式（图4a）和动静态泊松比关系式（图4b）。结果表明徐深气田A区块营城组火山岩的静态弹性模量和动态弹性模量相关性一般，静态泊松比和动态泊松比相关性较差。

2 地应力特征

地应力是存在于地壳中的内应力，它是由地壳构造运动而引起的介质内部单位面积上的作用力[12]。地应力的方向是决定岩石中裂缝走向的主要因素，地应力的大小是决定岩石破裂延伸所需压力，准确的地应力参数对于火山岩气藏的勘探开发具有重要的意义[13-15]。

表2 动态岩石力学参数测试统计表

图4 动静态岩石力学参数拟合图

2.1 地应力方向

目前，确定地应力方向的研究方法较多，主要包括波速各向异性测试、有限元数值模拟法与微地震测量法，还可利用测井资料、天然地震资料以及天然裂缝走向确定应力方向[16-18]。笔者主要应用波速各项异性结合古地磁测试确定地应力方向，并用测井资料来评价地力方向，并对二者进行对比分析，为气田后期开发以及储层压裂改造等提供参考依据。

波速各向异性测试采用RSM-SY5（T）非金属声波检测仪进行声波测试。将样品制作成直径100 mm，高50 mm的全直径岩心试样（每组1个），沿全直径岩心周长每隔15°划出声速测定标志线，利用声波检测仪将超声波探头紧贴于岩心侧面上，依次对准每条声速测定标志线，测定沿直径方向纵波传播所用时间，结合岩心直径计算纵波传播速度，依据纵波速度最大、最小值确定地应力相对方向。

古地磁岩心定向测试采用2G755-4KU-Channel超导磁力仪和交变退磁仪系统。岩样制备时首先在全直径岩心侧面上画一条平行于岩心轴线的标志线（岩心波速各向异性试验的0°标志线），并标好上下方向，将标志线延伸到岩心横截面上，然后在横截面上画几条与标志线箭头方向一致的平行线。将画有标志线的全直径岩心加工制成直径25 mm，高22 mm的标准试样（每组4个），再将端面上的平行标志线通过轴心绘于圆柱面上。用超导磁力仪逐一测量样品的天然剩磁，获得样品的天然剩磁数据，设置16个磁场强度（10，20，30，40，50，60，90，120，150，180，210，300，450，600，750 和900GS）进行交变退磁，并测量样品每一磁场强度对应的剩余磁性。测试结果采用F统计分析及磁偏角修正（工区地磁偏角为西偏10°），获得标志线方向。

波速各向异性测试结果可以用波速各向异性差异度来描述，大量实测结果表明，当波速各向异性差异度大于等于3%时，其反映为地应力作用所致[19]。由测试结果（表3）可知，工区样品波速各项异性差异度介于7.7%～49.07%，均大于3%，表明岩石的波速各向异性是由地应力释放而产生的。

波速各向异性测试确定出的水平最大主应力方向是相对于标志线的方向，结合古地磁定向确定的标志线的地理方位，最终确定出水平最大主应力的地理方位，结果见表3。对测量结果进行分析表明，工区营城组火山岩的水平最大主应力方向介于NE83.4～129.6°，平均值为NE106.1°，将测试结果制作成玫瑰花图投到平面上，分析认为工区各井地应力方向整体变化不大，一致性比较好，为近东西向（图5a）。

此外，对工区营城组16口井的测井资料进行处理分析，将结果制作成玫瑰花图投到平面上，得到现今水平最大主应力方向的分布情况（图5b）。结果表明，营城组水平最大主应力方向为近东西向，局部有一定差异，在工区北部A5井和A17井处水平最大主应力方向呈近东西向，中部稍有变化，表现为北东东—南西西向（A26井、A23井）、北西西—南东东向（A27井）、近东西向（A8井、A33井）均有，至南部又转为近东西向（A35井），其差异性成因与徐家围子断陷的徐中断裂发育有关。

波速各向异性测试与测井资料解释地应力方向结果基本一致，两者在A8井、A1井处方向完全一致，在A5井、A6井、A10井、A4井处方向相差很小小，综合以上研究认为工区营城组现今水平最大主应力方向为近东西向，取值为106.1°。

2.2 地应力大小

地应力大小确定有多种方法，主要包括试验测试法、压裂法、数值模拟法和测井资料计算法等，地应力测试是获得地应力大小的直接手段，理论上比其他方法具有更高的精度[20-22]。根据岩石对所受载荷的最大值具有“记忆”效应，将取自地下的岩样在实验室条件下单轴加载，测出岩石在受载过程中内部所发出的声波信号，在轴向加载过程中声发射信号突然增大的点（即Kaiser点）对应着的轴向应力就是沿该岩样钻取方向曾经承受过的最大压应力[23-24]，利用弹性理论可计算测点处的地应力大小。

实验设备主要由加载系统、声发射系统及计算机信息处理系统组成，加载系统为数字控制式电液伺服试验机RMT-150C岩石力学试验系统，声发射系统采用美国物理声学公司研制的DISP声发射测试系统。在全直径岩心上沿垂直于轴线水平面内增量为45°方向钻取3块岩样，沿轴线方向钻取1块岩样，加工成直径25 mm，高度50 mm的试样（每组4个）。设置基准线（标志线）定为0°方向，与此相间45°间隔的分别为45°、90°方向，安装岩样保证与探头紧密接触，设置RMT加载速度为0.000 5 m/s，声发射监测的采样间隔为50 μs，采集门槛为45 dB进行试验，同时采集所需数据，待岩样破坏后停止。

表3 营城组地应力方向测试结果统计表

图5 水平最大主应力方向示意图

由AE法求取应力值，根据Kaiser效应，由各个试件测得的应力值是加载方向的正应力分量，在水平面内满足以下测量方程：

式中σθ表示θ方向的正应力分量；σx，σy，σxy分别表示，以x，y为坐标轴的地应力分量。

因此以x轴为基准（0°方向），将θ岩样方向的3个测量值分别代入上式中，可以求取出σx，σy，σxy。根据弹性理论，用如下公式求取水平最大主应力（σH）和水平最小主应力（σh）：

测试结果见表4，工区营城组火山岩的水平最大主应力介于83.8～96.1 MPa，平均值为87.0 MPa，水平最小主应力在63.9～79.9 MPa之间，平均值为71.2 MPa。纵向上看，水平最大、最小主应力均随深度的增加而增大，主应力与深度相关关系式如图6所示，式中斜率为应力梯度，水平最大主应力梯度值为0.022 3 MPa/m（图6a），水平最小主应力梯度值为0.018 2 MPa/m（图6b）。

平面上看，水平最大主应力从研究区西南部到东北部逐渐减小，沿A12井—A20井—A11井—A3井—A2井呈分隔带，西南部明显高于东北部，高值区位于A6井处，低值区位于A9井处（图7a）。水平最小主应力整体变化不大，研究区南部和西部值较大，往中部逐渐减小，高值区位于A6井处，低值区位于A4井处（图7b）。

3 地应力与水平井优化设计

徐深气田A区块营城组火山岩储层以低孔、低渗为主，物性普遍较差，非均质性强，且单井自然产能低，属于致密气范畴，只有实施水平井开发，并配合大规模缝网压裂改造，才能获得较高产能。因此，在水平井部署过程中，水平井轨迹延伸方向设计应垂直于水平最大主应力方向，即以SN方向为主，且井网部署过程中应适当增加WE向井距以扩大井网控制范围。由于工区裂缝展布方向为北西向和北东向的共轭发育，与水平最大主应力方向存在一定的夹角，因此，在储层压裂改造过程中，施工压裂应大于水平主应力87 MPa，更易形成纵横交错的裂缝网络，增加储层连通性，进一步提高单井产量。

表4 营城组地应力大小测试结果统计表

图6 水平主应力与深度关系图

图7 水平主应力等值线图

4 结论

1）徐深气田A区块营城组火山岩的岩石力学参数明显高于沉积岩，且火山岩中不同岩性测得的实验参数存在差异性。静态岩弹性模量为50.08～65.25 GPa，泊松比为0.175～0.314，弹性模量随着围压的增加而增加，并且弹性模量、泊松比及内摩擦角随着深度的增加有增大的趋势。

2）基于纵横波速度，计算岩石动态弹性模量和泊松比，分析动静态岩石力学参数相关关系，结果表明，工区内火山岩动态弹性模量介于35.81～84.28 GPa，平均值为62.21 GPa，动态泊松比介于0.166～0.267，平均值为0.216。静态弹性模量和动态弹性模量相关性一般，静态泊松比和动态泊松比相关性较差。

3）波速各向异性结合古地磁测试结果表明，徐深气田A区块营城组水平最大主应力方向在NE 83.4°～129.6°，平均值为106.1°，地应力方向整体变化不大。此外，利用测井资料评价工区营城组现今水平主应力方向为近东西向，表明波速各向异性测试结果准确可靠。

4）徐深气田A区块营城组水平最大主应力介于83.8～96.1 MPa，水平最小主应力介于63.9～79.9 MPa。根据研究成果，该区部署水平井轨迹延伸方向设计应为SN方向，井网部署过程中应适当增加WE向井距以扩大井网控制范围，储层压裂改造过程中施工压裂应大于87 MPa，更易形成纵横交错的裂缝网络。