渤中19-6 复杂断块构造地应力分布规律试验研究

2020-02-27周长所耿亚楠何英明

石油化工应用 2020年1期

周长所，耿亚楠，雷杨，何英明

（1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.国网能源研究院有限公司，北京 102209）

渤中19-6 气田是近年来渤海地区发现的我国东部最大凝析气田，该气田的高效开发建设对华北地区的清洁能源供给具有重要意义。渤中19-6 气田处于渤中凹陷构造，受复杂断块及构造影响[1]，探井在钻探过程中，表现出频繁的井壁失稳现象，部分井甚至出现了埋钻具，最终导致井眼报废的情况，可以说，本气田地质构造及地应力分布规律的复杂性导致的井壁稳定性问题，是本气田高效开发的主要制约因素之一。

地应力的分布规律对井位选择、钻井轨道设计、确定钻井液密度及保持井壁稳定性具有重要意义。对于渤海区域，通常认为受正断层构造影响，地应力大小分布规律常表现为上覆岩层压力（σv）＞水平最大地应力（σH）＞水平最小地应力（σh）。然而在对渤中19-6 构造应力场模式、裂缝走向的分析中发现，该区域的主控构造类型、地应力分布规律与以往经验认识不同，虽然区域构造内发育有大量的正断层，但这些正断层相对整个构造仅为次级构造，而整个区域又受近南北走向的走滑断裂活动的影响。针对这种受复杂断块构造影响的区域，需借助试验分析及测井资料来确定地应力的分布规律。因此，为提高后续开发井钻井作业安全及效率，针对渤中19-6 构造开展了地层破裂试验，并进行了井下电成像测井。基于上述试验结果及资料，对构造区域内的地应力大小及方向的分布规律进行了计算分析，依据试验结果计算得到了区域构造应力系数，并建立了构造北部沿深度的地应力剖面，为后续钻井作业提供了技术支撑。

1 研究区地质构造及地层破裂试验分析

1.1 研究区地质构造特征

渤中凹陷19-6 构造位于渤中凹陷西南部，分为南北两个主要含油气构造。该构造又被南北走向的郯庐断裂切割成东、西两部分，并进一步被近东西向次级断裂切割成复杂断块。渤中19-6 构造主要经历了4 个阶段的演化，第一阶段为印支期，也就是燕山挤压逆冲成山阶段；第二阶段为燕山中期拉张断块隆升阶段；第三阶段为燕山晚期反转褶隆抬升阶段；第四阶段为喜马拉雅期改造埋藏定型阶段[2]。对应4 个主要构造演化阶段，渤中凹陷主要发育早期伸展断裂、中期走滑伸展断裂、晚期走滑断裂和长期活动断裂4 种断裂类型。

图1 渤中凹陷构造应力场模式及裂缝走向示意图

断裂走向方位主要有NNE 向、NE 向、近EW 向和NW-NWW 向。在第四系沉积时期，主要受郯庐断裂走滑活动的影响，构造晚期发生右旋走滑（伸展）运动，多为主走滑断层，是渤中凹陷油气成藏的主控断层类型之一[3]。根据区域构造时期及阶段可见，渤中19-6 构造主要受晚期的走滑运动影响，主走滑断层为主控构造因素，同时区域内发育有大量的次级盖层正断层。渤中凹陷晚期构造应力方向、应力场模式及裂缝走向（见图1）。

1.2 地层破裂试验及地应力分析

鉴于研究区地质构造复杂，多种构造因素同时存在，因此需要借助试验手段来分析区域地应力分布规律。目前开展地应力试验研究主要手段有地层破裂试验、岩石声发射凯泽尔（Kaiser）效应测定。其中现场地层破裂试验确定地应力的方法准确度更高。因此，对渤中19-6 构造北部探井（4 井和9 井）开展了井下地层破裂试验。两个井区开展试验的基础参数（见表1）。其中4 井区试验深度选择依据为表层套管鞋以下5 m 左右，9 井区试验深度为技术套管鞋以下5 m 左右，通过两个不同深度的试验，互相印证试验结果。

以时间为自变量，以0.01 m3～0.04 m3为步进逐步向井筒内泵入钻井液。两个井区地层破裂试验过程及结果（见图2、图3）。

表1 4、9 井区井下地层破裂试验基础条件与参数

图2 4 井地层破裂试验数据与结果

图3 9 井地层破裂试验数据与结果

以试验结果数据为基础，根据式（1）～（4）可计算得到两个井区的主地应力大小：

式中：σH、σh、σv-最大水平地应力、最小水平地应力、上覆岩层压力，MPa；Gz-地层密度，kg/m3；H-地层深度，m；Pp-地层孔隙压力，MPa；Pf-地层破裂压力，MPa；α-有效应力系数；St-地层抗拉强度，MPa；Ps-瞬时停泵压力，MPa；Pr-裂缝重张压力，MPa。

表2 4、9 井区地应力计算结果

两个井区的地应力计算结果（见表2）。由表2 可见，根据实际试验计算得到的地应力，表现为水平最大地应力＞上覆岩层压力＞水平最小地应力的分布特征。由此可见，虽然渤中19-6 构造范围内发育有大量的正断层，但受构造范围内晚期走滑断裂的影响，正断层并非主控地质构造因素，区域内地应力大小规律与走滑断裂相关。因此，若采用常规判断地应力大小的方法，其结果会与实际产生较大误差。

2 地应力方向分析

由本文第1 部分分析结果可知，渤中19-6 构造受晚期走滑断裂的影响，其地应力符合走滑断层控制下的分布规律，因此，构造区域地应力方向无法通过断层走向来进行准确判断。为了给后续井网布置及钻井轨道优化设计提供设计基础，对3 口井进行了井下电成像测井。电成像测井结果（见图4）。

由电成像测井图像可见，北部构造的4、7 井诱导裂缝分布在西北-东南方向，角度在NE100°～110°范围内。南部构造的2 井诱导裂缝分布方向接近东西向，角度约为NE90°。根据诱导裂缝与地应力关系可知，钻井诱导缝的走向为最大水平主应力方向[4，5]。因此可以判断渤中19-6 构造不同井区最大水平地应力方向（见表3）。

由表3 可见，渤中19-6 构造范围内，不同井区的地应力方向分布范围在NE90°～110°，其中4、7 井区水平最大地应力分布方向在NE100°～110°，2 井区水平最大地应力分布方向在NE90°，与周围含油气构造角度存在较大差异（相差约30°），在进行开发井网部署时，应考虑地应力方向差异带来的影响[6，7]。

图4 井下电成像测井结果

表3 渤中19-6 构造及周围含油气构造地应力方向

3 研究区构造应力系数及地应力剖面建立

利用地层破裂试验数据法求取了区域构造的单点地应力大小，然而为了建立地层的其他直接用于钻井设计的压力剖面，如地层破裂压力剖面、地层坍塌压力剖面等，必须建立沿深度分布的地应力剖面。目前已发展出多种基于力学理论及测井数据的计算地应力的公式法，其中由我国学者提出的黄氏模型[8]在渤海地区应用效果良好。本文基于地层破裂试验数据，利用测井资料建立了研究区北部构造的地应力剖面。黄氏模型计算主要地应力公式如下所示。

式中：σv、σH、σh-上覆岩层压力、最大、最小水平主地应力，MPa；μs-地层的静态泊松比值；β、γ-构造应力系数。

在利用式（5）～（7）计算地应力之前，需利用地层破裂试验数据反算构造应力系数。构造应力系数计算公式如式（8）、（9）所示：

将本文1.2 节计算得到的地应力代入式（8）、（9）中，可计算得到研究区北部构造应力系数（见表4）。

由构造应力系数计算结果可见，研究区北部构造不同井区的构造应力系数非常接近，证明4、9 井区同属于一个局部构造，这与地质认识与区块划分相符。以计算得到的构造应力系数为基础，利用式（5）～（7）计算可得渤中19-6 北部构造地应力剖面（见图5）。由计算得到的地应力剖面与实测地应力大小规律相同，区域内表现出走滑断层主控的地应力分布规律（σH＞σv＞σh），最小水平主地应力当量密度在1.56 g/cc～1.87 g/cc，进入储层后，因潜山地层低孔隙度及渗透率，有效应力系数减小，导致地应力当量密度有一个较明显的降低；最大水平主地应力当量密度在2.15 g/cc～2.54 g/cc；与实测得到的地应力数据点相比，建立的地应力剖面与实测数据点吻合度良好，能够为后续其他地层压力剖面的建立提供良好的数据基础。