川西彭州地区雷四段地层区域应力场分布规律及应用

欧彪, 吴雪锋, 彭红利, 刘其明, 钟敬敏, 李皋*

(1.中石化西南油气分公司工程技术研究院, 德阳 618000; 2.西南石油大学石油与天然气工程学院, 成都 610500)

地应力研究在油气勘探开发过程中有着十分重要的作用,研究结果可为地层三压力剖面的建立提供重要依据,同时为解决井壁失稳等问题奠定基础[1-3]。川西彭州地区中三叠统雷四段发现多个天然气藏,成为继普光和元坝气田之后的又一重要气田[4-6]。然而,区域地应力分布特征认识不清,卡钻、井壁失稳等问题频发。因此,开展彭州地区雷四段地应力研究是保证油气资源高效开发的重要工作。

目前根据试验方法测出来的地应力具有一定的离散性,测量结果不能用来表征区域地应力的分布规律[7-9]。同时,区域地应力分布规律还受到褶皱和断层等的影响。对此,相关研究者开展了在断层影响下地应力场分布规律的研究。李静等[10]利用COMSOL有限元软件确定了准噶尔盆地西部车排子地区石炭系地应力主要受断层走向、数量等因素的影响;王珂等[11]利用Ansys有限元软件建立地质模型,对大北气田进行了地应力场的数值模拟,得到了地应力场的展布规律和应力场对裂缝和产能的影响。徐珂等[12]对高深北区的三维应力场进行了预测,得到了影响地应力场的主要因素是断层与岩石力学参数。刘建等[13]根据单井的地应力特征、储层特点和岩石力学参数,建立了三维非均质地质模型,利用Ansys有限元软件得到了长6储层的地应力分布模型;梁利喜等[14]结合地质资料与构造模型建立了三维地质模型,再利用有限元方法反演了该地区的三维地应力场。川西彭州地区雷四段地层的断层发育规模大且数量多,通过有限元数值模拟方法能够弄清断层对地应力的影响,以及较为准确地获取区域应力场的分布规律。

现基于地震解释成果建立区域三维地质模型,通过室内实验和测井资料确定模型的岩石力学参数,运用有限元方法模拟川西彭州地区雷四段地应力场,得出应力场的分布规律,为井壁稳定性评价提供数据支撑。研究结果对彭州地区雷四段气藏高效开发具有现实意义。

1 区域地质背景

研究区主体位于龙门山前构造带南部,夹持于关口和彭县两条大规模逆断层之间[4],如图1所示。其中,彭县断层位于研究区东南翼,关口断层位于研究区西北翼,两者都呈北东走向[15]。此外,区域内还发育较多层间小断层,这些断层共同组成研究区网状输导体系。龙门山前构造带自印支晚期开始发育、燕山期进一步发展,最终在喜马拉雅时期定型,区域内发育金马—鸭子河和石羊场两个完整的次级局部构造,研究区处于高构造部位,有利于油气资源的储集。

图1 研究区位置及构造Fig.1 Location and structure of the study area

2 地应力场数值模拟

2.1 地质模型的建立

合理准确的地质模型是构造应力场数值模拟的关键。基于地震解释成果采用COMSOL软件构建了研究区域雷四段地层三维地质模型,如图2所示。该模型考虑了23条主要断层,研究区域从东北到西南约37 km,从西北到东南约13.7 km。为了减少边界效应对计算的影响,在模拟过程中,研究区域与覆盖层和基底隔离。

图2 川西彭州地区雷四段地层三维地质模型Fig.2 Three dimensional geological model of Lei-4 formation in Pengzhou area, western Sichuan

2.2 力学模型的建立

基于测井资料,利用式(1)、式(2)计算得到了川西彭州地区雷四段的动态岩石力学参数[16-17]。

(1)

(2)

式中:Ed为动态弹性模量,GPa;μ为泊松比;ρ为岩石密度,g/cm3;Δtp为纵波时差,μs/m;Δts为横波时差,μs/m。

但是,在构造应力场数值模拟中,需要采用能够真实反映地层岩石力学性质的静态力学参数。根据室内岩石力学实验结果,确定了动静态弹性模量之间的转化关系,如图3所示。对此,以测井资料计算并转换得到的静态弹性模量以及岩石力学实验得到的密度和泊松比作为雷四段的岩石力学参数。断层带与地层之间存在差异,会影响数值模拟的结果,因此需要定义断层带的岩石力学参数。一般将断裂带定义为过渡带,其岩石力学参数与围岩有关。根据许多油田的实践,断裂带的泊松比稍大于对应的地层,弹性模量一般为周围介质的60%[18]。因此,确定模型的岩石力学参数如表1所示。

图3 动静态弹性模量转换关系Fig.3 Conversion relationship between dynamic and static elastic modulus

表1 模型设置的岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters set by the model

2.3 边界条件的确定

施加在模型边界上的作用力包括水平构造应力、上覆地层压力以及自身重力。模型的重力由岩石密度和重力加速度计算得到。同时,为了容易施加约束并消除边界效应,在研究区域外使用了边界载荷,从而将水平构造应力垂直施加到边界上。根据井壁崩落分析结果确定了最小水平主应力为近南北向,方位角为172°;最大水平主应力为近东西向,方位角为77°左右,由此可以确定模型边界载荷的方向。模型的深度方向为Z轴,向上为正,X轴指向东,Y轴指向北。经过反复试算确定了模型的边界条件,如图4所示,即在近东西向施加180 MPa压力,在近南北向施加130 MPa压力。同时,X、Y和Z方向的约束分别施加在模型的近东西、近南北和底部边界上。

图4 模型的边界条件Fig.4 Boundary conditions of the model

3 地应力场分布规律及应用

3.1 数值模拟结果验证

在分析研究区目的层地应力场分布规律前,需要对数值模拟结果进行验证。将数值模拟结果与研究区目的层实测的地应力大小进行对比,如表2所示。结果表明:最大水平主应力平均绝对百分比误差为6.41%,最小水平主应力平均绝对百分比误差8.35%,说明了本次数值模拟结果的准确度较高,可以进一步对川西彭州地区雷四段地应力场的分布规律展开分析。

3.2 地应力场分布规律

彭州地区雷四段地应力场分布如图5所示。从图5中可以看出,区域的西南部和背斜两翼构造深度较深,导致三向应力值相对较大,区域的中部属于背斜核部,构造深度较浅,其三向应力值相对较小。断层的存在会影响断层及周围的地应力分布,与断层相比,连续地层地应力展布稳定,断层区域发生了应力释放和岩石断裂,使得断层内应力值较小。由于断层扰动了周围地应力,使得断层周围的岩石发生了相应的变形但未破碎,在该区域出现了应力集中的现象。结合图中几处断层的交汇点可以发现,断层交汇点处的应力值更小。上述分析表明,区域应力场分布规律受构造深度和断层等多因素的影响。研究区中部背斜的差应力较高,区域东北部的差应力较低。在高差应力区域布置井位时,应该考虑井漏、失稳和套管损害等问题;在低差应力区域布置井位时,应该考虑压裂时储层非均质性的问题[17],根据差应力分布特征,有针对性地做好预防措施,提高油气开发的效率。

表2 数值模拟结果与实测结果对比Table 2 Inspection and comparison of horizontal principal stress numerical simulation results

进一步分析了有断层和无断层的区域地应力分布范围,如图6所示。从图6中可以看出,如果不考虑断层,最小水平主应力主要分布在110～130 MPa,最大水平主应力主要分布在150～180 MPa。然而,当考虑断层时,最小水平主应力中有19.2%的应力值小于110 MPa,最大水平主应力中有10%的应力值小于150 MPa。这说明了断层内的地应力发生了应力释放,导致区域水平主应力分布更加分散。此外,断层的存在使得最大水平主应力中大于180 MPa的百分比从1.8%增加到7.6%,而最小水平主应力中大于130 MPa的百分比从3.1%减少到1.2%,使得部分区域差应力增大,而在钻遇高差应力区域时需要注意井壁失稳等问题。

图7为川西彭州地区雷四段地层的主应力方向的分布特征。从图7中可以看出,最小水平主应力方向大致为近南北向,最大水平主应力方向主要为近东西向。但是,受断层影响,断层区域的地应力方向发生了较大程度的偏转,在断层的端部和交汇点发生较大的偏转,在断层中部偏转程度较小;同时地应力方向偏转还受断层走向的影响,断层走向越接近地应力方向,偏转程度越小。

图7 川西彭州地区雷四段地层水平主应力方向Fig.7 Horizontal principal stress direction of Lei-4 Formation in Pengzhou Area, Western Sichuan

为了深入了解川西彭州地区雷四段地层应力场分布特征,沿模型中部绘制了AB截线,如图8所示,该截线贯穿了六条断层,研究该截线上应力值大小的变化特征,更能清晰认识到断层对地应力值的影响规律。绘制了截线路径上的主应力分布,如图9所示,在无断层时,应力值主要受构造的影响;当存在断层时,区域整体的主应力值受到了扰动,其中较为明显的六条断层对应波谷,应力值急剧降低。

图8 川西彭州地区雷四段地层应力在截线(A-B)Fig.8 Formation stress of Lei-4 Member in Pengzhou Area, West Sichuan, at Section (A-B)

3.3 井壁稳定性分析

川西彭州地区雷四段储层钻探施工过程中井壁失稳现象频发,严重影响了雷四段气藏勘探开发进度。因此,结合川西彭州地区雷四段地应力分布特征,开展了井壁失稳性分析。以研究区7-1D井为例,对该井井壁稳定性进行了评价。7-1D井位于构造转换端,裂缝发育明显,钻井液密度为1.45～1.55 g/cm3,远低于破裂压力梯度2.3 MPa/100 m。根据地应力预测结果、岩石力学参数,采用库伦-摩尔强度准则,得到坍塌压力计算模型[19-20]为

(3)

(4)

式中:ρm为钻井液密度,g/cm3;C为岩石内聚力,MPa;φ为岩石内摩擦角,(°);η为非线性校正系数;Pp为地层压力,MPa;α为biot系数;H为井深,m;σH、σh分别为水平最大、最小主应力,MPa。

图9 川西彭州地区雷四段地层应力在截线(A-B)上的 水平主应力分布情况Fig.9 Horizontal principal stress distribution of Lei-4 Member stratum stress on section (A-B) in Pengzhou Area, West Sichuan

如图10所示,PZ7-1D井钻进方位为34°,雷四段位置的井斜角为78.12°,根据上述坍塌压力计算模型,结合地应力模拟结果、岩石力学参数,预测研究区雷四段坍塌压力为1.4 MPa/100 m。该井位于裂缝发育部分,钻井液沿裂缝流入地层,钻井液浸泡岩石,使得井周岩石强度降低,地层坍塌压力增大,超过了实际钻井液密度,导致井壁失稳坍塌。

根据PZ7-1D的钻井施工报告,雷四段地层的坍塌压力接近地层孔隙压力,沿最大水平主应力方向破裂压力低,坍塌压力高,井壁稳定性最好,应增加钻井液封堵性能,减小钻井液进入地层。因此,开展川西彭州地区雷四段的地应力分布规律研究,能为雷四段地层井壁稳定性评价提供指导意义。

图10 PZ7-1井坍塌压力随井斜和方位变化图Fig.10 Variation of collapse pressure of PZ7-1 well with well deviation and orientation

4 结论

(1)彭州地区雷四段地应力分布受构造位置和断层控制,研究区西南部和背斜两翼的应力较高,而中部背斜核部的应力较低;断裂带内部岩石较为破碎,应力得到释放,应力值最低;断裂带周围的岩石出现明显变形但未破碎,表现为应力集中状态。

(2)彭州地区雷四段最小水平主应力为近南北向,最大水平主应力为近东西向。断层区域的地应力方向发生了偏转,在断层端部和交汇点处偏转程度较大,在断层中部偏转程度较小,断层走向越接近地应力方向,应力方向偏转程度越小。

(3)结合地应力预测结果和岩石力学参数,对井壁稳定性进行评价,能及时采取预防措施来减少井下事故的发生,对钻井施工具有重要的指导意义。