孫東生 龐 飛 李阿偉 王玉芳 楊躍輝 陳群策

1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所 2.活動(dòng)構(gòu)造與地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國地質(zhì)調(diào)查局 4.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心

1 概述

水平應(yīng)力差異系數(shù)是評(píng)價(jià)非常規(guī)油氣“甜點(diǎn)”的重要指標(biāo)，水平最大主應(yīng)力方向是水平井部署的重要依據(jù)，水平主應(yīng)力大小是壓裂設(shè)計(jì)、壓裂段優(yōu)選和合理利用地應(yīng)力大小控制壓裂縫高度的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1-5]。

水壓致裂法地應(yīng)力測試或小型壓裂等手段可相對(duì)可靠地獲取儲(chǔ)層水平最小主應(yīng)力大小[6]，但實(shí)測數(shù)據(jù)非常有限，僅能作為“錨點(diǎn)”，需結(jié)合測井資料和有效的數(shù)學(xué)模型，才能建立連續(xù)的地應(yīng)力剖面。

Eaton[7]基于線彈性理論，提出了水平應(yīng)力是由于上覆巖體重力引起的假設(shè)，并得到了廣泛應(yīng)用，水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式中σ表示水平主應(yīng)力，MPa；表示各向同性巖石的泊松比；σv表示重力，MPa；pp表示地層孔隙壓力，MPa。

通過密度和聲波測井資料，可確定上覆巖石的重力和泊松比；已知地層孔隙壓力梯度，可確定地層孔隙壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)利用上述方法確定的水平主應(yīng)力與實(shí)測結(jié)果之間存在較大的誤差，只能通過經(jīng)驗(yàn)調(diào)整泊松比與深度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與實(shí)測結(jié)果基本吻合。

利用式（1）計(jì)算水平主應(yīng)力大小存在如下問題：①成巖過程中，巖石的力學(xué)屬性隨著時(shí)間不斷變化，因此利用現(xiàn)今巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算地質(zhì)歷史時(shí)期的作用過程是不合適的；②成巖過程中，巖石不僅有彈性變形，與時(shí)間相關(guān)的非彈性變形對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力的影響不容忽視；③除上覆巖層的重力外，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)水平應(yīng)力的影響至關(guān)重要。為了消除上述因素對(duì)地應(yīng)力估算結(jié)果的影響，對(duì)地應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)[8-9]，主要是考慮了構(gòu)造應(yīng)力、巖石各向異性和熱應(yīng)力對(duì)地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響，目前利用測井資料估算地應(yīng)力剖面常用黃氏模型[8]，即

式中σH、σh分別表示水平最大、最小主應(yīng)力，MPa；β1、β2分別表示構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)；α表示Biot系數(shù)，通常取值為1。

上述模型均基于巖石為線彈性材料的假設(shè)，未考慮巖石作為黏彈性材料、流變特性對(duì)地應(yīng)力大小的影響。為此，筆者建立了一種基于流變參數(shù)的地應(yīng)力計(jì)算模型，并將該模型應(yīng)用于貴州黔北地區(qū)安頁1井地應(yīng)力剖面的預(yù)測，結(jié)果表明基于流變模型的地應(yīng)力剖面評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)測地應(yīng)力數(shù)值吻合較好。

2 地質(zhì)背景

安頁1 井是中國地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施的1口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井，位于貴州省正安縣安場鎮(zhèn)。構(gòu)造位置位于武陵—湘鄂西褶皺帶南段，受燕山期構(gòu)造旋回疊加改造，區(qū)域上褶皺主要以北東—北北東向?yàn)橹?，同時(shí)發(fā)育近SN、NE和近EW向3 組斷裂，從相互切割及限定關(guān)系分析，NE向斷裂多為加里東期發(fā)育的壓性斷裂，形成時(shí)間最早，在燕山期復(fù)活，發(fā)生左行走滑，并牽制燕山期構(gòu)造變形[10-11]。

安頁1 井完鉆井深2 900.17 m，在1 960～2 360 m井段鉆遇志留系石牛欄組、新灘組和龍馬溪組及奧陶系寶塔組（圖1）。石牛欄組為緩坡沉積，上部為致密石灰?guī)r，下部以條帶狀、扁豆?fàn)睢⒘鰻钅嗷規(guī)r和灰質(zhì)泥巖為主，為一套深水陸棚相沉積地層。新灘組為含鈣砂質(zhì)頁巖與灰?guī)r互層，含鈣砂質(zhì)頁巖中有生物化石和生物潛穴與泥巖灰?guī)r不規(guī)則互層，厚層生物灰?guī)r與泥巖不規(guī)則互層、含泥質(zhì)條帶灰?guī)r與生物碎屑灰?guī)r互層，厚層塊狀灰?guī)r內(nèi)夾薄層泥巖[12]。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組為一套陸棚相沉積，富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，兩分明顯，上段過渡為淺水陸棚相含粉砂泥巖、粉砂巖，下段為深水陸棚相含筆石碳質(zhì)泥巖，底部黃鐵礦發(fā)育，夾數(shù)層斑脫巖[13]。

根據(jù)自然伽馬和成像測井資料，統(tǒng)計(jì)了安頁1井1 960～2 360 m深度范圍的鉆井誘發(fā)張裂縫和孔壁崩落信息，結(jié)果表明鉆井誘發(fā)張裂縫和孔壁崩落破壞交替出現(xiàn)，且孔壁崩落破壞多發(fā)生在泥質(zhì)灰?guī)r層段，鉆井誘發(fā)張裂縫主要出現(xiàn)在石灰?guī)r層段，而在高伽馬值的頁巖層段未出現(xiàn)孔壁破壞現(xiàn)象，在鉆井液密度變化不大的情況下，石灰?guī)r段和泥質(zhì)灰?guī)r段孔壁均發(fā)生破壞，而在抗拉和抗壓強(qiáng)度更低的泥巖段未發(fā)生破壞，出現(xiàn)上述情況的原因只能是地應(yīng)力隨巖性發(fā)生了變化[14]，與之前報(bào)道的美國Barnett頁巖儲(chǔ)層類似[15]。

3 成像測井資料確定水平主應(yīng)力

圖1 安頁1井測井結(jié)果圖

在地應(yīng)力作用下，鉆井后井壁上產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此在地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、熱應(yīng)力、鉆井液密度等因素的綜合作用下，當(dāng)在孔壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過巖石的強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生孔壁崩落。當(dāng)鉆井液密度和泥漿泵壓力較高時(shí)，在孔壁上產(chǎn)生拉應(yīng)力，即產(chǎn)生鉆井誘發(fā)張裂縫[16-18]。安頁1井在1 960～2 360 m 深度范圍出現(xiàn)了明顯的孔壁崩落和鉆井誘發(fā)張裂縫，典型孔壁崩落和誘發(fā)張裂縫如圖2所示。

3.1 應(yīng)用孔壁破壞信息確定主應(yīng)力方向

孔壁破壞信息可較準(zhǔn)確反映區(qū)域水平最大主應(yīng)力方向。根據(jù)成像測井結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了安頁1井1 960～2 360 m深度范圍內(nèi)的孔壁崩落及鉆井誘發(fā)張裂縫信息（圖1），其中鉆井誘發(fā)張裂縫的方向?yàn)樗阶畲笾鲬?yīng)力方向，孔壁崩落的方向?yàn)樗阶钚≈鲬?yīng)力方向，結(jié)果表明該深度范圍內(nèi)孔壁崩落及鉆井誘發(fā)裂縫呈對(duì)稱分布，且破壞的方位隨深度變化較小。統(tǒng)計(jì)確定了安頁1井水平最大主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹W 73.6°（圖 3）。

圖2 安頁1井典型孔壁破壞圖

3.2 根據(jù)孔壁破壞信息限定水平主應(yīng)力范圍

圖3 安頁1井水平最大主應(yīng)力優(yōu)勢方向圖

根據(jù)孔壁破壞信息確定水平最大主應(yīng)力的范圍需要一系列鉆井和巖石力學(xué)參數(shù)[19]。安頁1井在石牛欄組2 105.00～2 139.50 m井段和2 178.0～2 204.18 m 井段深度進(jìn)行了壓裂施工，根據(jù)小壓曲線可確定2 105～2 204 m深度水平最小主應(yīng)力（σh）的范圍介于55～58 MPa[13]。由于該孔在小壓測試深度范圍內(nèi)的2 120 m和2 200 m發(fā)生了孔壁崩落破壞，根據(jù)孔壁崩落為孔壁周向應(yīng)力達(dá)到了巖石的單軸抗壓強(qiáng)度的假設(shè)，可利用孔壁周向應(yīng)力分布規(guī)律來估算水平最大主應(yīng)力（σH）的范圍。即

式中σθθ表示鉆孔周向應(yīng)力，MPa；θ表示鉆孔周向任意位置與水平最大主應(yīng)力的夾角，(°)；pm表示孔底鉆井液壓力，MPa；αT表示巖石的熱膨脹系數(shù)，10－6/℃；ΔT表示孔底鉆井液與地層溫度差，℃；E表示巖石彈性模量，MPa。

由于安頁1井地溫梯度較低，進(jìn)口和出口鉆井液溫差不大。因此由于鉆井液循環(huán)引起的熱應(yīng)力基本可忽略。通過單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)，確定2 120 m和2 200 m處的巖石單軸抗壓強(qiáng)度范圍分別介于63～68 MPa和48～59 MPa。巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)取為0.75，巖石活動(dòng)摩擦系數(shù)依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取為0.6[17]。根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)，估算得到2 120 m和2 200 m深度的水平最大主應(yīng)力（σH）范圍分別介于59～67 MPa和62～66 MPa（圖4）。

3.3 流變模型預(yù)測安頁1井地應(yīng)力

安頁1井孔壁破壞信息（崩落和鉆井誘發(fā)張裂縫）與伽馬曲線具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即在低伽馬值段，井壁發(fā)生了鉆井誘發(fā)張裂縫，在高伽馬值段（泥巖或泥頁巖段），井壁未發(fā)生破壞，在灰質(zhì)泥巖段，井壁發(fā)生了崩落破壞，而在鉆井過程中，鉆井液密度未發(fā)生明顯變化，表明以上孔壁破壞現(xiàn)象非完全受鉆井工程影響，而是一定程度上受地應(yīng)力大小控制，即巖性與地應(yīng)力大小具有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Sone 等[15]結(jié)合美國Barnett頁巖儲(chǔ)層地應(yīng)力分布規(guī)律，提出利用流變模型預(yù)測水平主應(yīng)力差，理論模型為：

圖4 應(yīng)力多邊形法確定水平主應(yīng)力大小范圍圖

式中σ(t)表示水平主應(yīng)力差，MPa；表示巖石所在板塊的地殼平均運(yùn)動(dòng)速率，本文按10－19計(jì)算[17]；B、n分別表示巖石的蠕變參數(shù)，MPa－1，B可近似表示為彈性模量的倒數(shù)，即B=1/E，n可表示為蠕變參數(shù)B的函數(shù)，n=666.7B[17]；t表示泥頁巖成巖作用開始到現(xiàn)今埋藏史，本文按150 Ma進(jìn)行計(jì)算[11]。

因此可通過偶極聲波測井得到的縱橫波速度計(jì)算得到彈性模量（E），進(jìn)而計(jì)算得到B和n。

圖5為利用上述流變模型結(jié)合偶極聲波測井結(jié)果得到的力學(xué)參數(shù)，再計(jì)算得到水平主應(yīng)力差和水平主應(yīng)力大小隨深度變化剖面，圖5-a為自然伽馬測井曲線，圖5-b為利用偶極聲波測井結(jié)果計(jì)算得到的流變參數(shù)B和n；圖5-c為利用彈性模型預(yù)測得到了地應(yīng)力剖面，利用流變模型預(yù)測得到的水平最大和最小主應(yīng)力剖面，其中瞬時(shí)關(guān)閉壓力（ISIP）為小壓測試確定的水平最小主應(yīng)力范圍，σH為利用應(yīng)力多邊形估算得到水平最大主應(yīng)力范圍；圖5-d為利用流變模型計(jì)算得到的水平主應(yīng)力差隨深度變化剖面，其中水平主應(yīng)力的絕對(duì)值根據(jù)主應(yīng)力差的比值隨深度變化為定值的假設(shè)來確定[15]。

利用流變模型預(yù)測的安頁1井地應(yīng)力剖面與應(yīng)力多邊形法確定的水平最大主應(yīng)力、小型壓裂法確定的水平最小主應(yīng)力對(duì)比結(jié)果表明：基于流變模型的地應(yīng)力剖面與實(shí)測結(jié)果吻合較好，且基于流變模型的地應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果與伽馬測井結(jié)果具有較好的一致性，水平主應(yīng)力差隨伽馬值（黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量）的升高，水平主應(yīng)力差變小。反映了地應(yīng)力剖面與地層巖性有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證了基于流變模型的地應(yīng)力評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于具有強(qiáng)流變特性泥頁巖儲(chǔ)層的有效性。

圖5 利用流變模型預(yù)測得到安頁1井地應(yīng)力剖面

4 討論

安頁1井在石灰?guī)r層段出現(xiàn)了明顯的鉆井誘發(fā)張裂縫，在泥質(zhì)灰?guī)r層段出現(xiàn)了明顯的孔壁崩落現(xiàn)象，而在抗拉和抗壓強(qiáng)度較低的泥頁巖層段未出現(xiàn)孔壁破壞現(xiàn)象，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因只能是地應(yīng)力大小發(fā)生了變化。即在高伽馬值的泥頁巖層段，由于強(qiáng)流變特性，水平主應(yīng)力差明顯變小。通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，證明了富含黏土和有機(jī)質(zhì)的泥頁巖表現(xiàn)出了明顯的流變特性，因此在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下，泥頁巖地層的水平最大和最小主應(yīng)力量值趨于一致。實(shí)際上鹽巖地層就是一個(gè)特殊的例子，鹽巖在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)可視為流體，因此在鹽巖地層的三向主應(yīng)力值是趨于一致的。試驗(yàn)證明隨著黏土和有機(jī)質(zhì)含量的升高，巖石的流變特性增強(qiáng)，因此對(duì)于非常規(guī)油氣儲(chǔ)層而言，在統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下，隨著黏土和有機(jī)質(zhì)含量的變化，不同巖性的松弛變形量將有較大的差異，導(dǎo)致塑性較強(qiáng)（富含黏土和有機(jī)質(zhì)）的地層水平主應(yīng)力差變小，而脆性較強(qiáng)的地層仍保持較大的水平主應(yīng)力差[17,20]。

5 結(jié)論

1）貴州黔北地區(qū)安頁1井所處的武陵山復(fù)雜構(gòu)造帶殘留向斜內(nèi)的水平最大主應(yīng)力優(yōu)勢方向?yàn)镹W73.6°。

2）利用小壓測試結(jié)果，結(jié)合孔壁崩落信息，確定安頁1井井深2 105～2 204 m水平最小主應(yīng)力的范圍介于55～58 MPa，井深2 120 m和2 200 m水平最大主應(yīng)力分別介于59～67 MPa和62～66 MPa。

3）基于流變模型預(yù)測的安頁1井地應(yīng)力剖面與實(shí)測結(jié)果吻合較好，且地應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果與自然伽馬測井結(jié)果具有較好的一致性，即隨著黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量的升高，水平主應(yīng)力差變小。表明基于流變模型的地應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果更符合真實(shí)地應(yīng)力分布規(guī)律。