基于主方向Kaiser效应的地应力测试技术

徐延涛，郭布民，邱守美，黄 杰，王绪性，王洪斌，陈 玲

（中海油田服务股份有限公司，天津 300450）

地应力是地壳中的岩体所处的应力状态[1]，对于油田合理注采开发、油井套损、水力压裂尤其是油田整体压裂方案等具有重要意义[2]。目前地应力预测技术主要有测井计算法、数值模拟法、地应力测量法等[3]。采用测井资料计算地应力方法[4-6]随着测井技术发展越来越完善，可以获取地应力方向、大小，并且能够得到沿着井筒的连续地应力剖面，但该方法需要实测地应力数据进行校正；地应力测量法又分为现场测量与室内测量，现场测量[7]应用最广泛的是水压致裂法，该方法无需岩石力学参数参与计算，测量结果可靠稳定，但成本相对较高；地应力室内测量[8-9]目前最常用的是差应变法与声发射法，常规测量方法实验工作量大、对岩心要求高，限制了地应力测量技术广泛应用。地应力数值模拟方法[10-13]综合利用地应力测量数据与测井计算成果回归分析得到三维空间应力场分布规律。本文首先通过岩石波速各向异性确定岩心最大、最小水平主应力方向，然后在水平主应力方向上钻取岩心进行Kaiser 声发射实验测量水平主应力大小，即主方向Kaiser 效应分析法，该方法在水平方向仅钻取2 块岩心即可进行实验，大幅度降低了对岩心长度的要求及实验工作量，有利于地应力室内测量方法的推广应用。

1 常规的声发射分析法

岩石在外部载荷作用下，微裂隙发生破坏和扩展，其部分能量以声波的形式释放出来，称为岩石的声发射现象[14]，也被称为Kaiser 声发射效应。

常规Kaiser 声发射需要在全直径钻井心柱上至少要取4 块岩心，见图1，垂向取1 块岩心，水平方向需要间隔45 度提取3 块岩心。分别对4 块岩心进行Kaiser声发射实验，然后根据弹性力学理论就可确定水平最大、最小主应力和垂向地应力。常规方法对岩心长度要求至少在15 cm 以上，且连续无裂纹，条件比较苛刻。

图1 常规声发射实验取心示意图

2 主方向Kaiser 效应分析法

主方向Kaiser 效应分析法的基本原理与常规Kaiser 效应分析法一致，但其首先利用岩心声波各向异性与主应力方向之间的关系简化了实验过程、降低了岩心的要求及实验工作量。

2.1 波速各向异性测试主应力方向

地层岩石是处在三向应力状态下的，当钻井取心时岩石脱离应力作用状态，将产生应力释放，在应力释放过程中岩石会产生许多十分微小的裂隙，这些微裂隙与卸载程度成比例。在最大水平地应力方向上岩心的松弛变形最大，由于岩心中微小裂隙的存在，将使声波在岩心的不同方向上传播的速度有明显的各向异性特征。岩石在原地层中所受应力大的方向上声波传播速度慢，反之在所受应力较小的方向上，声波传播速度则较快。测量时，在岩心的横截面上每间隔一定角度测量一组波速，通过测定不同方向（径向）的声波时差，确定最大水平主应力方向[15]。

本文提取海上某深层低渗气藏全直径岩心，长度6 cm，按照图2 标识线进行声波波速测量，测量结果见图3。

图2 岩心波速测量标识线

图3 岩心波速测量曲线

从图3 可以看出，波速最大的方向为135°，即为最小水平主应力方向；波速最小的方向为45°，即为最大水平主应力方向。需要说明一点：声波波速各向异性所测定的主应力方向仅为岩心相对方向。

2.2 主方向Kaiser 地应力测试

通过声波各向异性测得岩心主应力方向后，按照图4 方向钻取岩心，进行声发射Kaiser 实验，测量的地应力大小可表示为：

图4 主方向声发射实验取心示意图

式中：σH，σh－最大、最小水平地应力；σKH，σKh－最大、最小水平地应力方向上的Kaiser 点应力；pp－孔隙压力；α－有效应力系数。

测试结果见表1。

表1 声发射实验结果

2.3 小型测试压裂分析

利用该井小型测试压裂数据，见图5，通过压降曲线分析得到闭合压力，利用公式（2）及公式（3）计算得到最大、最小水平主应力[16]。

图5 小型测试压裂曲线

式中：P闭－裂缝闭合压力，MPa；Pr－裂缝重张压力，MPa。

主方向Kaiser 效应分析法与小型测试压裂测量结果对比，见表2。

由表2 可看出，主方向Kaiser 效应分析法与水力压裂的测量结果吻合较好，说明主方向Kaiser 效应分析法测量地应力是完全可行的，并且降低了对实验岩心的要求及实验工作量，为室内地应力测量提供了一套简易可行的新方法。

表2 不同地应力测试方法结果对比

3 结论

（1）在常规声发射分析法的基础上结合岩石波速各向异性与地应力方向的相关性原理，建立了一套室内地应力测量的新方法，即主方向Kaiser 效应分析法。实例研究表明该方法的测量精度满足要求，实验方案切实可行。

（2）主方向Kaiser 效应分析法根据岩石波速各向异性特征确定出的水平地应力方向来加工实验岩样，降低了对实验岩心的要求及实验工作量，具有推广应用价值。