基于储层地应力大小与方向的致密砂岩压裂效果的评价方法

2018-11-02苏向群张超谟张占松

中国锰业 2018年5期

苏向群，张超谟, 2，张占松, 2，张冲,2，聂昕,2

(1. 长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100； 2. 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北荆州 434023)

0 引言

致密砂岩气是发育于低孔、低渗透砂岩中的一种非常规油气资源，具有丰富的潜在油气储量，由于其储层致密、孔隙结构复杂、岩性多样，常规技术难以开采，多需进行压裂施工以得到具有经济价值的天然气[1]。因此，致密砂岩气藏储层的可压裂性评价对指导压裂施工等具有重要意义。在储层产能研究中发现，储层的地应力大小和方向与储层的压裂效果及产能关系具有相关性[2-3]。在此基础上进一步研究利用阵列声波测井资料与岩心声学实验数据开展储层地应力大小、方向评价[4]；通过对该区块主力气层地应力中的最小水平主应力平面分布考察，精细分析了区域最小水平主应力大小和方向的特征，最后研究了最小水平主应力特征对压裂效果影响及与产能的关系，并且结合研究区多口井资料进行了验证。

1 地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东北部晋西挠褶带，其构造相对简单，整体为单斜，东侧中部为受紫金山构造作用影响形成的隆起区，断裂较发育，且呈环形放射状展布[5]。研究区继承了鄂尔多斯盆地的构造演化特征[6]，区域构造东高西低，发育海陆过渡相—陆相沉积[7-9]。主要研究目的层为上古生界二叠系，自下而上依次发育下二叠统太原组及山西组、中二叠统石盒子组和上二叠统石千峰组。岩心物性分析资料表明，研究区二叠系储层的物性整体较差，孔隙度主要为2%～12%，平均为6.87%，渗透率主要为 0.01～5 mD，平均为 0.76 mD；各层组的孔隙度和渗透率的分布趋势大致相同，其中石盒子组和石千峰组的物性整体略好于太原组和山西组。依据致密砂岩的定义，研究区二叠系储层属于低孔、低渗透致密砂岩储层。

2 地应力大小及方向评价

2.1 储层地应力大小计算

地应力指在地下环境中，岩石在外力作用下，自身所表现出来的应力状态。地应力既受到重力应力、构造应力、孔隙压力和热应力等外部因素的影响，也会受到岩石自身属性影响，从而呈现不同的应力状态。

地应力的大小影响着施工压力的大小，从而影响压裂缝的高度和走向；地应力存在方向，一般裂缝都是沿着最大水平主应力方向伸展。所以地应力的大小和方向对储层的可压裂性的影响非常大，其中最主要的影响是其大小对压裂高度的控制[10]。

地应力大小的计算利用石油大学黄荣樽教授的地应力计算模型[11]：

(1)

(2)

(3)

式中，g是重力加速度，m/s2；ρ是岩石密度，g/cm3；μ是地层的泊松比，无量纲；α是地层孔隙压力贡献系数，无量纲；Pp是地层孔隙压力，MPa；Kh，KH分别是最小和最大水平主应力方向的构造应力系数；σv是上覆地层压力，MPa；σh，σH分别是最小和最大水平主应力，MPa。根据查阅的附近地区的经验参数得出：最小水平主应力方向的构造应力系数Kh为0.46，最大水平主应力方向的构造应力系数KH为0.59。

2.2 储层水平主应力方向计算

在裂缝不发育的地层中，其时差各向异性主要是由于地应力的不均衡所致[12]，此时计算的快横波方位角代表着现今最大水平主应力方向；在裂缝及溶蚀孔洞发育的地层，由裂缝系统所致各向异性差异，此时所计算的地层地应力方向代表着裂缝系统的走向[13]。经分析，该地区的裂缝发育并不明显，因此在该地区可以用快横波的方位角计算最大水平主应力的方向。

图2中展示了LX-6井1 450～1 480 m地应力方向处理的成果。第一道：岩性曲线，GR(自然伽马，API)，CAL(井径，in)；第二道：深度道，m；第三道：各向异性大小，ANI为各向异性度(%)，ANIA为裸眼井平均各向异性度(%)；第四道：地应力大小，DMAX为最大水平主应力(MPa)，DMIN为最小水平主应力(MPa)；第五、六道：快横波方位，Fast Azimuth为快横波方位角的频率图(deg)，AMAP为各向异性变密度图，FANGCRI为快横波相对于地理北极的方位(deg)，FAPI为FANGCRI+180(°)(deg)。(ANI=2(S1-S2)/(S1+S2)×100%；S1是慢横波时差，S2是快横波时差)。

图1 LX6井(1 450～1 480 m)地应力处理成果

2.3 测井地应力与压裂工程地应力对比

基于阵列声波测井资料计算的地应力[14]是否准确需要进行验证，对照验证方式主要有两种：一是利用岩心声学实验数据计算的地应力与利用测井资料计算的地应力进行对比；二是利用测试时的地层瞬时停泵压力资料与利用测井资料计算的地应力进行对比。

图2为岩石声学实验计算的地应力与基于阵列测井计算地应力的交会图。从图中可以发现，当测井计算最大水平主应力小于40 MPa时或最小水平主应力小于36 MPa时，产气层段和非气层段的实验结果和测井结果几乎一致；当测井计算最大水平主应力大于40 MPa时或最小水平主应力大于36 MPa时，非产气层段的结论依然不变，但是产气层段的实验结果却大于测井结果，但其数据量较少，因此并不能说明问题。所以，根据图2仅可知，用阵列声波测井计算地应力与声学实验计算地应力在最大水平主应力小于40 MPa时或最小水平主应力小于36 MPa时的计算结果较为可靠。

蒋廷学认为求取裂缝闭合压力的可靠方法是使用长源距声波测井和裂缝监测的方法，在以往的压裂设计中，为留有余地，一般将瞬时停泵压力与井底流压之差作为作用在支撑剂上的有效闭合压力，其实质是认为瞬时停泵压力就是裂缝的闭合压力，这将会带有较大误差[15]。从图3中也可以看出，利用阵列声波计算的最小水平主应力与测试获取的瞬时停泵压力大小存在差异，尤其在测试瞬时停泵压力小于25 MPa时，阵列声波测井计算的最小水平主应力明显偏大。

图2 岩石声学实验计算地应力与测井地应力关系

图3 测井资料计算最小水平主应力与地层瞬时停泵压力关系

3 主力气层最小水平主应力分布特征描述

基于临兴区块康宁东区和康宁西区的29口井的8个主力气层段(千5段、盒2段、盒4段、盒6段、盒7段、盒8段、太1段及太2段)最小水平主应力的大小与方向的统计，绘制的部分最小水平主应力的平面分布图(图4与图5)。利用该平面图可以从横向和纵向比较最小水平主应力的大小与方向。

纵向上，最小水平主应力的大小和方向都具有连续性。从图4到图5，随着地层深度的增加，图中颜色逐渐变蓝，表明了康宁区的最小水平主应力大小随着深度增加整体在纵向上都在逐渐增大。图中的玫瑰图是对快横波方位角(最大水平主应力方向)的统计，所以玫瑰图指明的方向是最大水平主应力方向。大多数井的玫瑰图特征表明与最大水平主应力方向相互垂直的红色最小水平主应力的方向在纵向上都保持了稳定性和连续性，符合实际地质情况。

横向上，通过阵列声波测井计算的最大水平主应力方向较为杂乱，并没有很好的相关性。但是，其最小水平主应力的大小，总体上呈现出康宁东区比康宁西区大的特点。这一特征与生产上康宁东区的产能比康宁西区更大相吻合。

4 最小水平主应力与压裂效果及产能的关系

在储层产能—测井与产能关系研究中发现，利用临兴地区28个测试层，41个解释层的数据，已确定了储层的储集性能对产能具有主要的影响，并建立了评价图版和标准(图6)。

在保持井眼居中、地层含水饱和度15%左右且经过泥质校正，做密度孔隙度减去中子孔隙度的差值。由图6可以看出，自然伽马与密度中子孔隙度差值可以对四个产能等级的储层进行有效地划分，密度中子孔隙度差值<-3%为压后无阻流量<3 000 m3/d储层；密度中子孔隙度差值>4%为压后无阻流量>10 000 m3/d储层；密度中子孔隙度差值介于-3%～4%之间时，当自然伽马>50API为压后无阻流量3 000～10 000 m3/d储层；当自然伽马<50API为压后无阻流量>10 000 m3/d储层。

图4盒4段最小水平主应力分布图5盒6段最小水平主应力分布

图6 分级产能自然伽马和密度中子孔隙度差值关系

虽然该图版(图6)可以定性地将产能划分，但却不能再细分，主要是因为压裂后的产能不仅与储集性能有关，还与地层的力学性质有关。

从上一小节中的最小水平主应力平面分布图观察，康宁东区的最小水平主应力大小要明显大于康宁西区，与实际生产中的康宁东区的产能小于康宁西区吻合，因此利用11口井的21个产能段资料进行统计分析，并利用压后产能与最小水平主应力作交会图(图7)。

图7 压后无阻流量与最小水平主应力关系

从图8中可以发现，随着最小水平主应力的增加，压后无阻流量整体上呈现下降趋势。这种现象说明最小水平主应力也是产能的影响因素之一。因此，基于控制变量法，选取了品质条件相近的储层，观察其最小水平主应力与产能的关系。

从图9中可以看出储层产能主要受储层品质的影响，但是在储层品质条件相近时，最小水平主应力的大小与储层产能存在负相关关系，最小水平主应力越小，储层产能越高。

图8 同等孔隙度下，最小水平主应力与储层产能关系

图10a和图10b中选取的两口井，分别是LX6、LX9盒8段。这两个层段的物性条件非常近似，但是产能差异非常明显。如图9中所示，2个具有相同储层品质的储层由于最小水平主应力存在差异，导致产能出现区别。

5 结论

一般情况下，储层岩石的闭合压力大致等于储层的最小水平主应力。最小水平主应力较大，说明该储层岩石的闭合压力越大，因此，压裂时需要压裂的压力要增大。另外，随着距离压裂点距离的增加，岩石保持闭合状态，张开难度增大，所以导致压裂的效果不充分，所以产能会降低。因此，在储层的产能评价时，需要结合储层的品质及最小水平主应力的大小综合考虑。在储层品质条件相近时，最小水平主应力的大小与储层产能有一定的关系，最小水平主应力越小，储层产能越高。因此利用地应力大小和方向建立储层压裂产能评价，对致密气储层开发具有一定的参考意义。