地应力分析在鄂西渝东地区页岩气开发中的应用

张 斌 杨佳玲 解 琪 刘 炜 黄晓凯

(1.中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院 2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院)

0 引言

在油气层压裂改造中，地应力状态、地层岩石的力学性质决定着水力裂缝的形态、方位、高度和宽度，影响着压裂的增产效果，而地应力剖面分析则对水平井井眼方位、射孔井段、施工规模、施工工艺等参数的确定具有指导意义。近年来，江汉油田在鄂西渝东地区页岩气的压裂改造方面取得了突破，一个很重要的因素是地应力测量为压裂改造技术提供了支撑，通过分析地应力分量之间的关系，可以确定产生水力压裂裂缝的形态，也为钻井、压裂改造以及气井的生产管理提供了依据。通过地应力方向测量，明确了地应力与天然裂缝、水力裂缝的关系，为压裂改造方案的优化设计提供了依据。因此，加强地应力剖面的分析研究，是进一步提高页岩气勘探开发中压裂工艺成功率、措施效果、效益和技术水平的基础。

1 鄂西渝东地区地应力剖面的建立

由于地层间或层内的不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方面的差别造成了层间或层内地应力分布的非均匀性。因为层间应力差对水力裂缝的扩展起着重要的约束作用，所以描述裂缝扩展必须考虑层间地应力的变化规律。结合测井资料和分层地应力解释模型，可分析层内或层间地应力大小。石油大学(北京)岩石力学室黄荣樽教授等人假设地下岩层的地应力主要由上覆岩层压力与水平方向的构造应力产生，且水平方向的构造应力与上覆压力成正比，该模式考虑了构造应力的影响，但没有考虑刚性地层和岩性对地应力的影响，这就是早期的六五模式[1]:

式中:

σH—最小水平地应力，MPa;

σz—上覆压力，MPa;

ω1、ω2—应力构造系数;

μs—地层静态泊松比;

α—毕奥特常数;

Pp—孔隙压力，MPa。

在六五模式的基础上，假设地层为均质各向同性的线弹性体，并假定在沉积后期地质构造运动过程中，地层与地层之间不发生相对位移，所有地层两水平方向的应变均为常数，则得到七五模式:

式中:

ξ1、ξ2—由弹性模量引起的地应力变化系数;

Es—地层静态弹性模量，MPa。

七五模式意味着地应力不但与泊松比有关，也与地层的弹性模量有关。

综上所述，在充分考虑地层特性的基础上，假定在沉积后期地质构造运动过程中，井眼穿越构造单元层系内地层与地层之间不发生相对位移，所有地层两水平方向的应变均为常数，则鄂西渝东地区最小水平地应力预测模型可在上述模式的基础上发展为:

式中:

εx—应力构造系数;

σ—构造应力，MPa。

2 地应力分析在页岩气开发中的应用

2.1 地应力方向与水平井井眼方位

水平井井眼方位直接决定了后期压裂改造的效果，而人工裂缝的形态取决于气藏现今地应力的大小和方向，当井筒水平延伸方向与地层最小主应力方向一致时，将形成一系列垂直于井筒的平行裂缝串;当井筒水平延伸方向与地层最小主应力方向垂直时，将形成一条双翼的平行于水平井筒的裂缝[2，3]。因此，要根据所需的裂缝形态和地应力方向来设计井眼方位。

从电成像测井分析地应力方向，FMI图像还可直观显示诱导缝(图1)，由井周切向应力分析可知，在最大水平主应力方向上有最小的井周切向应力，当泥浆柱压力大到一定程度时，该最小井周切向应力将变为负值，即由压性应力变为张性应力，一旦该张性应力超过该岩石抗张强度，就在井壁产生张性的诱导缝，所以钻井诱导缝的走向或压裂缝方向可以指示井区附近现今最大水平主应力方向。

图1 建111井FMI成像测井解释图

通过地应力方向分析，鄂西渝东地区东岳庙段页岩储层的现今最大水平主应力方向一般为(70°～100°) ～(250°～280°)范围内，近东-西向，因此，根据水平井井眼方位的设计原则，设计建页HF-1井的井眼轨迹如图2所示，综合考虑天然裂缝及应力方向，设计建页HF-1井方位角为352.5°，即井眼轨迹方向垂直于最大水平主应力方向。

图2 建页HF-1井井眼轨迹设计平面图

2.2 地应力分析与压裂工程参数

在实际压裂施工中，裂缝高度的延伸是动态变化的，在不同的施工压力条件下，裂缝高度的延伸状况主要受压裂层段上最小主应力的分布情况控制。鄂西渝东区两口页岩气井建111井和河页1井从射孔井段、合理压裂工艺的确定、应用全三维压裂模拟软件进行压裂工程参数优化到现场施工的指导，地应力分析都发挥了积极的作用。

(1)射孔方案优化

根据应力剖面、结合储层的岩性特征和油气显示，确定射孔井段和相应的施工工艺。图3是通过Gohfer2007压裂软件[3]计算河页1井志留系龙马溪组-五峰组应力剖面图。

常规的射孔方案就是在储层中部一次射孔压裂，而利用特殊测井模型建立的地应力剖面分析发现，储层上部和下部都处于高应力区可作为遮挡层，且下部应力要明显高于上部，因此在优化射孔方案时，确定分两簇靠近储层中下部射孔压裂。从微地震裂缝监测结果来看，裂缝主要向储层上部延伸，这与应力剖面分析结果相一致。

(2)施工规模优化

为了准确掌握单井纵向上的地应力分布规律，室内需要对不同层段的岩心进行岩石力学试验，如果对于措施井普遍进行多个非产层段测定应力是不合算的，因此建立一个地区的分层地应力分析模型是必要的，且需要室内岩石力学试验、现场施工数据及测井数据分析等多方面共同支持。以鄂西渝东地区建111井为例，首先对该井产层东岳庙段岩心进行了岩石力学试验，初步掌握各层段的岩石力学特征，表1给出了产层660m的室内岩石力学试验结果。

图3 河页1井页岩段应力剖面图

表1 建111井地应力大小测试结果

从表1中结果可以看出，垂向主应力要大于水平主应力，因此，在压裂过程中，裂缝以垂直缝为主，通过Gohfer2007压裂软件模拟的建111井东岳庙段应力剖面和压裂裂缝图(图4)可以看到，从测井曲线及应力分析图中可以发现地应力的分布情况与单井的GR值有较大的相关性。储层应力明显要高于其上部应力，通过模拟压裂裂缝也明显往储层上部低应力区窜，由于该层位上部距离水层较近，而且该井属于浅井，因此，在综合分析其应力剖面、裂缝走向、裂缝形态等参数情况下，应该适当地降低施工规模及施工排量(页岩气压裂施工排量一般大于10m3/min)。

图4 建111井页岩段应力剖面及压裂裂缝模拟情况

通过软件模拟优化，实际施工总液量为2000m3，砂量65m3，最高砂比10%，施工排量9m3/min，模拟动态缝高 33.7m(缝高顶界 608m，缝高底界641.7m)，压裂后获得3361m3/d的工业气流，目前建111井稳产2100m3/d。

(3)支撑剂优选

在支撑裂缝中，支撑剂所承受的压力与最小主应力之间有如下的关系:

式中:

Pa—为支撑剂所承受的压力，MPa;

Pwf—为井底流动压力MPa;

δh—为最小水平主应力MPa。

实际上，在裂缝中不同位置处，支撑剂所承受的压力是不一样的，上式只是一个平均的概念。可以看出，在井底流压一定时，最小主应力越大，支撑剂所承受的压力也越大，对支撑剂强度及导流能力等的要求也越高。

通过对建111井小型压裂测试结果分析，得到天然裂缝闭合压力为10.83MPa，主裂缝的闭合压力10.21MPa，设计中选择的支撑剂是40/70目石英砂，其抗压强度达到35MPa，能够满足施工要求。

2.3 地应力与裂缝形态

实际压裂施工中，裂缝的高度不是一个固定的高度，而是在沿最大水平主应力方向推进的过程中，在纵向上受最小水平主应力的变化而变化的动态高度。因此，研究最小水平主应力在纵向上的分布规律，这对于压裂的真三维模拟，在压裂施工中，裂缝有三种形态(图 5)[1，5，6]:正交横向缝、纵向缝、水平缝，水力裂缝的起裂缝是先在地层最小水平主应力剖面的最低应力段开始，裂缝的高度也是先在最低应力段扩展，裂缝高度升高和降低的动态变化是随着地层剖面最小水平主应力的变化而变化的，剖面上每段应力的差异都影响着裂缝缝高的变化，当裂缝中的压力值大于某一段的最小水平主应力值时，裂缝将穿透这一段;当裂缝中的压力值小于某一段的最小水平主应力值时，这一段将起到遮挡层的作用，裂缝不能穿透这一层。由此可见，储层和隔层的最小水平主应力在垂向剖面上的大小变化，直接影响着裂缝的高度。

图5 裂缝形态与应力关系图

由于压裂缝走向基本平行最大水平主应力方向，针对页岩气的压裂必须同时考虑地应力方向和天然裂缝的走向特征。若在压裂过程中采取同步压裂技术，通过两口井地应力的互相诱导作用，可以促使两口井形成比单独压裂更多的裂缝网络，从而增加水力压裂网络的密度，或增加压裂作业产生的泄气面积。

3 结论与建议

(1)鄂西渝东地区页岩气的开发应用地应力剖面分析结果非常必要，应力分析模型中各相关系数的确定可以依据室内岩石力学参数、地应力的试验结果;或者利用小型压裂分析中的数据拟合方法进行相关参数的校正。

(2)针对页岩气水平井钻探，利用测井资料判断地层现今最大主应力方向和裂缝走向已成为鄂西渝东地区水平井方位设计关键环节和重要因素;设计水平井井方位迹应与现今最大水平主应力方向垂直或斜交，以提高水平井开发效果。

(3)鄂西渝东地区页岩气的开发尚处于起步阶段，如何利用地应力测量技术建立相应的地应力剖面，利用地应力的分析更好地优化压裂施工参数，有待进一步的实践研究以增强压裂设计的科学性和针对性。

(4)压裂过程中裂缝的形态直接影响到压裂效果和压后分析，建议加强裂缝监测技术研究，同时应加强纵向上和平面上地应力的分布规律研究，这对于压裂软件的模拟校正，对于压裂施工中裂缝实际形态的控制都具有重要意义。

1 刘向君，罗平亚.岩石力学与石油工程[M].北京:石油工业出版社，2004:101-102.

2 Hudson P J.Hydraulic fracturing in horizontal wellbores[J].SPE23950，1992.

3 赵群，王红岩.世界页岩气发展现状及我国勘探前景[J].天然气技术，2008，2(03):11-14.

4 庞飞.水力压裂模拟研究[D].北京:石油大学，1999.

5 张广清，陈勉.水平井水力裂缝非平面扩展研究[J].石油学报，2005，26(3):95-97.

6 陈治喜.水力压裂机理和力学研究[D].北京:石油大学(北京)，1997.