基于测井资料的地应力评价现状及前景展望

程道解，孙宝佃，成志刚，万金彬，王慧，张永浩

（中国石油集团测井有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

地应力分析能直观反映地应力场在纵向（不同深度和层位）上、平面上的变化规律，为钻井工程和油气藏开发提供基础信息，是钻井液密度配置、生产井注水方案设计、射孔压裂规模及参数选取、产层出砂预测等工作的重要参考依据。随着油气勘探领域不断拓展，致密油、煤层气、致密气以及页岩气大量非常规研究对象日益受到重视，水平井、压裂等工程问题和需求空前突出，对地应力的研究提出了更多更高的要求。地下一定深度以下地应力目前没有经济可行的实测方法，而测井资料在油田勘探开发中应用广泛，前期的研究积累为利用测井资料研究地应力提供了科学的思路［1］。如何整合并改善方法，结合地区实验资料，提高精度，形成有效可行的技术，取得可靠的评价效果，是当前的主要问题和努力方向。

1 测井评价地应力的现状

1.1 地应力方向评价

基于测井资料的地应力方向评价主要依靠带有方位信息的测井资料，包括微电阻率电成像、井周声波成像、阵列声波等资料。电、声成像评价地应力方向的基本原理为应力不均衡导致的井壁崩落、应力释放缝、水力压裂缝等破坏响应与最大最小主应力方位存在相关性，通过获取井周图像，拾取裂缝并识别裂缝性质，即可实现地应力方向评价［2－4］。阵列声波测井评价地应力方向的基本原理为通过检测横波分裂产生的快慢横波时差与方位，实现井周各向异性计算，进而获得垂向缝走向。导致各向异性的因素较多，实际应用中多采用水力压裂前后的阵列声波测井资料对比研究确定压裂缝及其方位。

1.2 地应力大小计算

通常基于理论模型开展地应力大小计算。一般的非挤压性盆地中，地层的垂向主应力就是重力垂向应力，等于上覆地层压力p0。该类地区主要采用密度测井的积分估算出垂向主应力

式中，σV为总垂向压力；DTV为垂直深度；g为重力加速度；O为偏移值；ρb为体积密度。

在计算垂向主应力的基础上，根据各向同性物体的广义虎克定律以及应力附加分量得到描述三向地应力的模型，进而计算最大最小水平主应力［5－8］。对于挤压性盆地，可采取通过泥岩测井段深度域上响应的特征规律建立经验模型的办法［9］。

不同地质条件下地层中三向应力存在状态及规律不同，这就需要采用不同的应力模型根据垂直应力计算水平主应力。各种模型基本是以垂向主应力、孔隙应力和岩层泊松比、弹性模量等信息为基础，分别根据不同的理论假设计算水平最大最小主应力。常见的地应力模型有多种孔弹性水平应变模型、双轴应变模型、莫尔 －库仑（Mohr－Coulomb）应力模型等［1，5－6，10］。常用的模型为

式中，σH、σh分别为水平最大、最小主应力；μ为静态泊松比；α为有效应力系数；pp为地层压力；σx、σy分别为x、y方向上附加应力分量。

1.3 地应力评价的主要验证技术

地应力评价的验证技术主要为水力压裂微地震监测方法。破裂压力作为地应力研究的重要应用之一，其实际测量值反过来可以刻度地应力计算中的附加应力分量的大小［11－12］。水力压裂微地震监测资料［13－14］一方面可以有效确定初始破裂压力大小；另一方面可以合理统计出压裂缝方位，获得延伸长度，是目前地应力评价最重要的验证手段［6］。

水力压裂资料结合压裂后阵列声波测井资料、地面充电电位法压裂检测资料［15］、基于套管变形的地区应力反演结果［16］也可作为验证地应力评价效果的常用手段。

2 影响地应力评价精度的问题分析

2.1 准确判定裂缝性质的问题

钻井施工及后期作业产生的规律裂缝能够反映地应力的方位［4，9，17］。常见的非天然裂缝有压裂缝（重泥浆压裂、水力致裂）、应力释放缝、钻具诱导缝。一般而言，钻具诱导缝与地应力关系较小，压裂缝走向反映最大水平主应力方向，应力释放缝在最小水平主应力方向上共轭发育，是井眼崩落的前兆。在一定深度以下（500m）由于垂向主应力相对较大，压裂缝在电声成像资料上表现为180°相位差的2条近垂向缝。应力释放缝在储层段理论上为4条90°相位差的近垂向共轭缝，在泥岩段表现为应力释放和泥岩水化诱导的井眼垮塌。压裂缝与应力释放缝虽然理论上较为容易区分，但是对于实际情况可能存在大量原生裂缝的地层如何与原生有效缝区分开来，准确判定裂缝性质，为地应力评价提供基础认识等问题，仍需要多种资料结合以及一定的经验因素。

2.2 水平附加分量确定问题

地应力水平附加分量用来描述构造作用、热效应等对水平方向上应力非均衡造成的影响。通常对于这种影响采取2个正交的独立变量描述，如σx、σy。上述分量无法通过直接测量和实验获得，故测井地应力评价中通常采用水力压裂和井眼崩落2个边界条件求解水平附加分量［5，17］。

谢刚［5］详细介绍了该方法的一种典型实现过程。通过程序实现和实际资料处理，发现该方法存在3点不足。

（1）对资料要求较多，需要同时测有阵列声波、电成像资料，多数研究区难以满足该要求。

（2）在垂向距离造成的水平附加分量变化可以忽略的范围内，在电成像资料上要同时找到重泥浆压裂井段（高泥浆密度）和井壁崩落（低泥浆密度）井段，几乎无法完成。

（3）井壁崩落与井眼垮塌要严格区分，前者是应力失衡在脆性岩石中发生的剪切破坏（应力释放缝发育的结果），后者则更多与泥岩水化膨胀等因素有关；由于泥岩水化后其抗剪强度存在不确定性，实际应用中只能采用井壁崩落／应力释放缝发育井段作为刻度标准。

2.3 岩石力学参数的实验确定问题

实验表明，岩石的波速、动静态弹性参数、力学抗张、抗剪强度在不同温度、不同围压条件下存在相应的变化规律［18］。而目前多数计算方法都是采取固定经验值的办法，与实际情况存在较大误差。

由于实验选取的多为完整无裂缝岩样，而地下实际岩石可能存在原生软弱面（小断层、节理、缝合线、高角度层理面等）对其强度造成破坏的情况。这种破坏视软弱面的性质、软弱面与最小主应力方位夹角大小的不同而不同。以抗张强度为例，假设完整岩石抗张强度为St，考虑不同软弱面发育情况下的地下岩石，其抗张强度则处于0～St内。这个问题在地应力计算尤其是利用压裂资料求取附加应力分量时应引起重视。

2.4 应力集中的尺度及其对压裂的影响

图1为莫尔－库伦准则下井筒附近周向应力与径向应力相等时的解析解，可反映应力集中的影响范围。图1表明，在理论无穷大均质材料中，应力集中对于规模可达数百米的压裂缝而言，无疑能够产生足够的影响。然而，对于存在一定非均质情况，甚至存在强烈各向异性的地层，原有各向异性对应力集中会产生破坏，重新分布的应力集中的尺度只有近似的数值解，没有解析解。故其对压裂的影响，不易评估。因此在地应力刻度中需要选取岩层原生裂缝较少的压裂资料。

图1 应力集中影响范围示意图

2.5 井周岩石完整性对井壁应力集中的影响

利用平板圆孔模型开展了岩石完整性对井壁应力集中影响的数值模拟。模拟结果表明，井壁垂向缝的存在极大改变了井筒周围应力集中的形式（见图2）。对于井周岩石完整性较差（多条裂缝发育）的情况，其影响更为复杂。该影响可以在井眼附近一定距离内改变压裂缝的初始方位。也会对压后阵列声波测井资料评价裂缝方向造成误差。

图2 井周不同方位裂缝的存在对应力分布影响的数值模拟图

还存在岩石破裂准则选取问题。多数刻度地应力计算工作在临界破坏压力的计算中采取莫尔－库伦准则。前人通过研究提出了多种岩石破坏准则，如格里菲斯、库伦－维纳准则等［17，19－20］。实际岩石服从何种破裂准则与岩性及成岩经历有关，应通过实验确定。

3 测井地应力评价前景展望

随着常规复杂储层增多，水平井、压裂增产等措施已经成为低丰度非常规能源勘探开发取得成功的关键［21］。

3.1 工程设计优化

地应力方位、大小的认识对油气钻探、开发所涉及的工程领域影响较大。其中对地应力方向认识的需求主要表现为地应力方向通常与储层渗流优势方位／次生裂缝发育方位关系密切，通过地应力方向的研究可以有效提高作业效果，如水平井井眼轨迹设计、射孔方位优化设计。对岩石力学参数、地应力大小的研究则可以有效定量描述地下储层的力学性质和状态，进而对其边界条件进行评估，达到有效规避施工风险，提供优化决策的作用，如井壁稳定性评价、储层可压性评价以及压裂选层等［22－23］。

3.2 水力压裂预测与控制

在进行水力压裂过程中，若泵入压力过小，不能达到压裂目的，而当压力过大，可能会导致邻近水层被压破，造成水窜，影响该井油气开采。因此需要确定压裂高度，为压裂施工提供合理的泵压增量及地层破裂压力参考值，以保证压裂施工顺利进行［24］。普遍接受的力学控制裂缝增长的观点认为，当裂缝增长进入高应力地层时裂缝高度延伸会受到控制［25－26］。裂纹是否扩展与裂纹尖端的应力强度因子有关，也就是说应力强度因子达到某一临界值裂纹才开始扩展［27］。目前水力压裂控制方面主流方法是实时监测［14］，另外人工隔层控制裂缝高度的压裂技术日趋成熟［28］，但是上述工艺工程费用较高，对于广泛开展的压裂工作其可靠且相对廉价的测井资料压裂设计十分必要。

3.3 应力场数值模拟及裂缝预测

要定量反映区域应力场，找出应力集中部位，需要通过地应力实测或者应力场的数值模拟实现［29］。采用有限元法，将计算所得的单井单层上的地应力值作为约束目标，对研究区块进行有限元数值模拟，分析区块的现今地应力场［3，17，30］，进而实现裂缝的分布预测。这是在复杂断块或者缝洞性储层发育区，研究地应力对油藏流体赋存、裂缝发育的可行办法。

4 结 论

（1）在以复杂储层和非常规能源为重点的勘探格局下，随着水平井、体积压裂等工艺的推广，将来的工程技术对地应力研究需求会达到空前规模，地应力研究的前景非常广阔。

（2）基于测井资料的地应力计算及预测已形成完整的体系，具备一定的可行性，但水平附加分量的确定、力学参数实验规律等方面仍然影响着评价精度的进一步提高，需要更深入的研究。

（3）考虑到岩石的特殊性，地应力研究工作需要与现场实际情况密切结合，同时需要充足的实验工作。

（4）基于测井资料地应力计算的应力场数值模拟，可实现应力场分布研究及裂缝发育预测，是储层评价和油藏开发的重要研究方向之一。

［1］ 李志明，张金珠.地应力与油气勘探开发［M］.北京：石油工业出版社，1997.

［2］ 赵永强.成像测井综合分析地应力方向的方法 ［J］.石油钻探技术，2009，37（6）：39－42.

［3］ 周文，闫长辉，王世泽，等.油气藏现今地应力场评价方法及应用 ［M］.北京：地质出版社，2007.

［4］ 刘匡晓，兰凯，熊友明，等.普光地区海相碳酸盐岩储层地应力的测井计算［J］.石油钻采工艺，2011，33（2）：65－68.

［5］ 谢刚.用测井资料计算最大和最小水平应力剖面的新方法 ［J］.测井技术，2005，29（1）：82－83，89.

［6］ 马建海，孙建孟.用测井资料计算地层应力 ［J］.测井技术.2002，26（4）：347－351.

［7］ 谭廷栋.从测井信息中提取地层破裂压力 ［J］.地球物理测井，1990，14（6）：371－377.

［8］ 李传亮，孔祥言.油井压裂过程中岩石破裂压力计算公式的理论研究 ［J］.石油钻采工艺，2000，22（2）：54－56.

［9］ 赵军，张莉，王贵文，等.一种基于测井信息的山前挤压构造区地应力分析新方法 ［J］.地质科学，2005，40（2）：284－290.

［10］ 李金柱，李双林.岩石力学参数的计算及应用［J］.测井技术，2003，27（增刊）：15－18.

［11］ 任岚，赵金洲，胡永全，等.水力压裂时岩石破裂压力数值计算 ［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（增2）：3417－3422.

［12］ 蒋廷学，汪永利，丁云宏，等.由地面压裂施工压力资料反求储层岩石力学参数 ［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（14）：2424－2429.

［13］ 梁兵，米广生.油气田勘探开发中的微震监测方法［M］.北京：石油工业出版社，2004：6－7.

［14］ 徐剑平.裂缝监测方法研究及应用实例 ［J］.科学技术与工程，2011，11（11）：2575－2577.

［15］ 李国富，孟召平，张遂安.大功率充电电位法煤层气井压裂裂缝监测技术 ［J］.煤炭科学技术，2006，34（12）：53－55.

［16］ 尹虎，李黔.利用套管变形量进行地应力反演［J］.石油钻探技术，2012，40（3）：54－57.

［17］ 张敏.基于声波测井信息的地应力分析与裂缝预测研究 ［D］.北京：中国石油大学，2008.

［18］ 赖勇.围压对杨氏模量的影响分析 ［J］.重庆交通大学学报：自然科学版 ［J］.2009，28（2）：246－249.

［19］ 戴俊生，汪必峰，马占荣.脆性低渗透砂岩破裂准则研究 ［J］.新疆石油地质，2007，28（4）：393－395.

［20］ 张毅，闫相祯，颜庆智.三维分层地应力模型与井眼岩石破裂准则 ［J］.西安石油学院学报：自然科学版，2000，15（4）：42－48.

［21］ 黄玉珍，黄金亮，葛春梅，等.技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键 ［J］.天然气工业，2009，29（5）：7－10.

［22］ 张士诚，潘林.塔河碳酸盐岩储层地应力实验研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（增1）：2888－2892.

［23］ 霍玉雁，岳喜洲，孙建孟.测井资料在压裂设计中的应用 ［J］.测井技术，2008，32（5）：446－450.

［24］ 黄保，田勇，俞然刚.应用岩石力学参数求取地层压力 ［J］.中国科技论文在线，2011，3.

［25］ 李年银，赵立强.裂缝高度延伸诊断与控制技术 ［J］.大庆石油地质与开发，2008，27（5）：81－84.

［26］ 江万哲，章成广.用测井资料预测压裂裂缝高度的方法研究 ［J］.测井技术，2007，31（5）：479－481.

［27］ 李福堂.底水油气藏储层压裂改造技术研究 ［D］.北京：中国石油大学，2007.

［28］ 胡永全，谢朝阳.海拉尔盆地人工隔层控缝高压裂技术研究 ［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2009，31（1）：70－72.

［29］ 李金柱，李双林.岩石力学参数的计算及应用［J］.测井技术，2003，27（增刊）：15－18.

［30］ 刘广峰，陆红军，何顺利.有限元法开展油气储层地应力研究综述 ［J］.科学技术与工程，2009，9（24）：7430－7433.