吳云龍

中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

儲層的巖石力學性質(zhì)、地應力特征與儲層中裂縫的分布情況有著密切關(guān)系，是油氣田勘探、鉆井完井工程、開發(fā)方案設(shè)計及儲層保護與改造等方面的主要依據(jù)[1-3]。巖石力學性質(zhì)可由巖石力學參數(shù)來表征，其參數(shù)的求取方法與應用受到國內(nèi)外眾多巖石力學專家的廣泛關(guān)注[3-5]。地應力主要由地殼運動產(chǎn)生的構(gòu)造應力、上覆巖層自身重量施加的靜巖應力、孔隙流體壓力以及熱應力等組成，在地質(zhì)學中主要關(guān)注的是構(gòu)造應力與靜巖應力[6-7]。其中，構(gòu)造應力是指在靜巖應力狀態(tài)之上所附加的一種應力狀態(tài)，是形成各種地質(zhì)構(gòu)造的主要作用力，而構(gòu)造形變的強弱程度則由應力差控制。地應力方向的確定是當前地應力研究中的最為重要和實用的內(nèi)容之一，在現(xiàn)今地應力場中，水平最大主應力方向控制著油氣的主要滲流方向，且與天然裂縫發(fā)育情況有著密切關(guān)系[7-8]。

徐深氣田A區(qū)塊位于松遼盆地北部徐家圍子斷陷徐中構(gòu)造帶南部，下白堊統(tǒng)營城組儲層主要發(fā)育營一段火山巖，構(gòu)造整體表現(xiàn)為北高南低、中部高、東西兩側(cè)低，向南傾的鼻狀構(gòu)造，斷裂主要分布在工區(qū)北部，且火山巖儲層天然裂縫較為發(fā)育，平均原始地層壓力為37.98 MPa，屬于巖性—構(gòu)造氣藏。目前針對工區(qū)火山巖的巖石力學與地應力場等相關(guān)研究資料較為匱乏，為了更加準確掌握火山巖儲層的巖石力學參數(shù)及明確地應力的方向與展布特征，為油田后期開發(fā)井網(wǎng)部署、水平井優(yōu)化設(shè)計、壓裂方案制定等方案提供依據(jù)，急需開展火山巖的巖石力學參數(shù)及地應力的相關(guān)研究。

1 巖石力學參數(shù)

巖石力學參數(shù)主要指巖石的彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)，反映了巖石在外力作用下所表現(xiàn)出的物理性質(zhì)，其測量方法主要有2種：①靜態(tài)法，測量巖石在載荷作用下的縱橫向應變，然后計算力學參數(shù)；②動態(tài)法，利用測井曲線計算巖石力學參數(shù)。動態(tài)巖石力學參數(shù)和靜態(tài)巖石力學參數(shù)在數(shù)值上是不同的，但二者具有一定的相關(guān)關(guān)系[9-10]。

1.1 靜態(tài)巖石力學參數(shù)測試

本次測試的實驗樣品是取自徐深氣田A區(qū)塊深層營城組火山巖的巖心樣品。巖石力學參數(shù)測試、波速各向異性測試以及聲發(fā)射測試的樣品是同一井相同深度的一組樣品，共鉆取樣品20組，每組為1個大樣（?100 mm×H50 mm）和8個小樣（?25 mm×H50 mm），其中，角礫巖樣品有3組，凝灰?guī)r樣品有11組，集塊巖樣品有2組，流紋巖樣品有1組，礫巖樣品有3組（沉積巖），典型巖心照片如圖1所示。

巖石力學參數(shù)測試采用MTS巖石力學試驗系統(tǒng)，將巖石樣品制備成直徑為25 mm，高度為50 mm的圓柱形試樣（每組4個），選擇10 MPa、20 MPa、30 MPa、37 MPa（目的層深度圍壓）4個等級圍壓，以0.05 MPa/s的加荷速度施加圍壓至預定圍壓值，并使圍壓在實驗過程中始終保持為常數(shù)，設(shè)備加熱系統(tǒng)將巖石加熱至135 ℃，并保持溫度恒定，以軸向變形0.002 mm/s的速度加軸壓，直至試樣破壞，讀取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的荷載和變形值。根據(jù)應力—應變曲線，可以計算出彈性模量和泊松比，計算公式如下：

式中σ表示主應力差，MPa；σ1表示軸壓，MPa；σ3表示圍壓，MPa；E表示彈性模量，MPa；v表示泊松比，無量綱 ；（σ1-σ3）（50）表示主應力差 50%的應力值，MPa ；εl（50）表示在（σ1-σ3）（50）時的軸向應變，無量綱；（σ1-σ3）（50）表示在時的徑向應變，無量綱。

圖1 營城組火山巖典型巖心照片

內(nèi)聚力C，MPa）與內(nèi)摩擦角（單位°）的求取方式為：在剪應力與正應力坐標軸上以為圓心，以為半徑繪制莫爾圓，然后做這些圓的公切線得到強度包絡(luò)線，求出包絡(luò)線的斜率m和在軸上的截距b，得到C=b，tan=m，求反切得到。

完成工區(qū)11口井營城組火山巖20組巖石力參數(shù)測試，主要分析37 MPa圍壓（目的層圍壓）的測試結(jié)果（表1），得知工區(qū)營城組火山巖的峰值強度介于236.83～531.85 MPa，平均值為425.40 MPa；彈性模量介于50.08～65.25 GPa，平均值為56.07 GPa；泊松比介于0.175～0.314，平均值為0.25；內(nèi)聚力介于6.27～78.11 MPa，平均值為27.67 MPa；內(nèi)摩擦角介于35.96°～53.75°，平均值為48.54°?；鹕綆r的彈性模量隨著圍壓的增加而增加，呈明顯正相關(guān)關(guān)系（圖2a），而泊松比隨圍壓的增加無明顯變化規(guī)律（圖2b）。從不同巖性上來看，彈性模量為流紋巖最大，其次為角礫巖、凝灰?guī)r及集塊巖相當，礫巖最小，泊松比為流紋巖最大，集塊巖次之，再次為礫巖與凝灰?guī)r相當，角礫巖最小，可見火山巖中流紋巖的力學參數(shù)最大，其他巖性相差不大，測試中流紋巖只有1個樣品，不具統(tǒng)計意義。從深度上來看，火山巖的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力均隨著深度的增加有增大的趨勢（圖3）。

總之，火山巖的巖石力學參數(shù)受巖性、圍壓及深度等影響，整體表現(xiàn)為隨著深度增加呈增大趨勢；不同巖性之間巖石力學參數(shù)具有一定差異性，火山巖的力學參數(shù)相比礫巖較大，在相同施工條件下，火山巖壓裂施工難度較礫巖大些。

1.2 動態(tài)巖石力學參數(shù)計算

根據(jù)彈性力學理論，利用陣列聲波測井曲線中的縱、橫波時差及密度資料，可求取巖石的動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比，計算公式如下：

表1 靜態(tài)巖石力學參數(shù)測試統(tǒng)計表（圍壓37 MPa）

圖2 靜態(tài)巖石力學參數(shù)與圍壓關(guān)系圖

圖3 靜態(tài)巖石力學參數(shù)與深度關(guān)系圖

式中Ed表示動態(tài)彈性模量，MPa；μd表示動態(tài)泊松比；表示vp縱波速度，m/μs；vps表示橫波速度，m/μs；ρ表示密度，kg/m3。

公式（4）、（5）所求巖石彈性參數(shù)是動態(tài)的，反映的是地層在瞬間加載時的力學性質(zhì)，與地下地層實際上長時間所受到的靜載荷有一定差別[11]。

利用上式計算巖樣的動態(tài)彈性參數(shù)，分析動靜態(tài)巖石力學參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。計算結(jié)果可知，工區(qū)營城組火山巖動態(tài)彈性模量介于35.81～84.28 GPa，平均值為62.21 GPa，動態(tài)泊松比介于0.166～0.267，平均值為0.216（表2），都屬于正常范圍。將樣品的動靜態(tài)巖石力學參數(shù)進行擬合分析，得出火山巖動靜態(tài)彈性模量關(guān)系式（圖4a）和動靜態(tài)泊松比關(guān)系式（圖4b）。結(jié)果表明徐深氣田A區(qū)塊營城組火山巖的靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量相關(guān)性一般，靜態(tài)泊松比和動態(tài)泊松比相關(guān)性較差。

2 地應力特征

地應力是存在于地殼中的內(nèi)應力，它是由地殼構(gòu)造運動而引起的介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力[12]。地應力的方向是決定巖石中裂縫走向的主要因素，地應力的大小是決定巖石破裂延伸所需壓力，準確的地應力參數(shù)對于火山巖氣藏的勘探開發(fā)具有重要的意義[13-15]。

表2 動態(tài)巖石力學參數(shù)測試統(tǒng)計表

圖4 動靜態(tài)巖石力學參數(shù)擬合圖

2.1 地應力方向

目前，確定地應力方向的研究方法較多，主要包括波速各向異性測試、有限元數(shù)值模擬法與微地震測量法，還可利用測井資料、天然地震資料以及天然裂縫走向確定應力方向[16-18]。筆者主要應用波速各項異性結(jié)合古地磁測試確定地應力方向，并用測井資料來評價地力方向，并對二者進行對比分析，為氣田后期開發(fā)以及儲層壓裂改造等提供參考依據(jù)。

波速各向異性測試采用RSM-SY5（T）非金屬聲波檢測儀進行聲波測試。將樣品制作成直徑100 mm，高50 mm的全直徑巖心試樣（每組1個），沿全直徑巖心周長每隔15°劃出聲速測定標志線，利用聲波檢測儀將超聲波探頭緊貼于巖心側(cè)面上，依次對準每條聲速測定標志線，測定沿直徑方向縱波傳播所用時間，結(jié)合巖心直徑計算縱波傳播速度，依據(jù)縱波速度最大、最小值確定地應力相對方向。

古地磁巖心定向測試采用2G755-4KU-Channel超導磁力儀和交變退磁儀系統(tǒng)。巖樣制備時首先在全直徑巖心側(cè)面上畫一條平行于巖心軸線的標志線（巖心波速各向異性試驗的0°標志線），并標好上下方向，將標志線延伸到巖心橫截面上，然后在橫截面上畫幾條與標志線箭頭方向一致的平行線。將畫有標志線的全直徑巖心加工制成直徑25 mm，高22 mm的標準試樣（每組4個），再將端面上的平行標志線通過軸心繪于圓柱面上。用超導磁力儀逐一測量樣品的天然剩磁，獲得樣品的天然剩磁數(shù)據(jù)，設(shè)置16個磁場強度（10，20，30，40，50，60，90，120，150，180，210，300，450，600，750 和900GS）進行交變退磁，并測量樣品每一磁場強度對應的剩余磁性。測試結(jié)果采用F統(tǒng)計分析及磁偏角修正（工區(qū)地磁偏角為西偏10°），獲得標志線方向。

波速各向異性測試結(jié)果可以用波速各向異性差異度來描述，大量實測結(jié)果表明，當波速各向異性差異度大于等于3%時，其反映為地應力作用所致[19]。由測試結(jié)果（表3）可知，工區(qū)樣品波速各項異性差異度介于7.7%～49.07%，均大于3%，表明巖石的波速各向異性是由地應力釋放而產(chǎn)生的。

波速各向異性測試確定出的水平最大主應力方向是相對于標志線的方向，結(jié)合古地磁定向確定的標志線的地理方位，最終確定出水平最大主應力的地理方位，結(jié)果見表3。對測量結(jié)果進行分析表明，工區(qū)營城組火山巖的水平最大主應力方向介于NE83.4～129.6°，平均值為NE106.1°，將測試結(jié)果制作成玫瑰花圖投到平面上，分析認為工區(qū)各井地應力方向整體變化不大，一致性比較好，為近東西向（圖5a）。

此外，對工區(qū)營城組16口井的測井資料進行處理分析，將結(jié)果制作成玫瑰花圖投到平面上，得到現(xiàn)今水平最大主應力方向的分布情況（圖5b）。結(jié)果表明，營城組水平最大主應力方向為近東西向，局部有一定差異，在工區(qū)北部A5井和A17井處水平最大主應力方向呈近東西向，中部稍有變化，表現(xiàn)為北東東—南西西向（A26井、A23井）、北西西—南東東向（A27井）、近東西向（A8井、A33井）均有，至南部又轉(zhuǎn)為近東西向（A35井），其差異性成因與徐家圍子斷陷的徐中斷裂發(fā)育有關(guān)。

波速各向異性測試與測井資料解釋地應力方向結(jié)果基本一致，兩者在A8井、A1井處方向完全一致，在A5井、A6井、A10井、A4井處方向相差很小小，綜合以上研究認為工區(qū)營城組現(xiàn)今水平最大主應力方向為近東西向，取值為106.1°。

2.2 地應力大小

地應力大小確定有多種方法，主要包括試驗測試法、壓裂法、數(shù)值模擬法和測井資料計算法等，地應力測試是獲得地應力大小的直接手段，理論上比其他方法具有更高的精度[20-22]。根據(jù)巖石對所受載荷的最大值具有“記憶”效應，將取自地下的巖樣在實驗室條件下單軸加載，測出巖石在受載過程中內(nèi)部所發(fā)出的聲波信號，在軸向加載過程中聲發(fā)射信號突然增大的點（即Kaiser點）對應著的軸向應力就是沿該巖樣鉆取方向曾經(jīng)承受過的最大壓應力[23-24]，利用彈性理論可計算測點處的地應力大小。

實驗設(shè)備主要由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射系統(tǒng)及計算機信息處理系統(tǒng)組成，加載系統(tǒng)為數(shù)字控制式電液伺服試驗機RMT-150C巖石力學試驗系統(tǒng)，聲發(fā)射系統(tǒng)采用美國物理聲學公司研制的DISP聲發(fā)射測試系統(tǒng)。在全直徑巖心上沿垂直于軸線水平面內(nèi)增量為45°方向鉆取3塊巖樣，沿軸線方向鉆取1塊巖樣，加工成直徑25 mm，高度50 mm的試樣（每組4個）。設(shè)置基準線（標志線）定為0°方向，與此相間45°間隔的分別為45°、90°方向，安裝巖樣保證與探頭緊密接觸，設(shè)置RMT加載速度為0.000 5 m/s，聲發(fā)射監(jiān)測的采樣間隔為50 μs，采集門檻為45 dB進行試驗，同時采集所需數(shù)據(jù)，待巖樣破壞后停止。

表3 營城組地應力方向測試結(jié)果統(tǒng)計表

圖5 水平最大主應力方向示意圖

由AE法求取應力值，根據(jù)Kaiser效應，由各個試件測得的應力值是加載方向的正應力分量，在水平面內(nèi)滿足以下測量方程：

式中σθ表示θ方向的正應力分量；σx，σy，σxy分別表示，以x，y為坐標軸的地應力分量。

因此以x軸為基準（0°方向），將θ巖樣方向的3個測量值分別代入上式中，可以求取出σx，σy，σxy。根據(jù)彈性理論，用如下公式求取水平最大主應力（σH）和水平最小主應力（σh）：

測試結(jié)果見表4，工區(qū)營城組火山巖的水平最大主應力介于83.8～96.1 MPa，平均值為87.0 MPa，水平最小主應力在63.9～79.9 MPa之間，平均值為71.2 MPa?？v向上看，水平最大、最小主應力均隨深度的增加而增大，主應力與深度相關(guān)關(guān)系式如圖6所示，式中斜率為應力梯度，水平最大主應力梯度值為0.022 3 MPa/m（圖6a），水平最小主應力梯度值為0.018 2 MPa/m（圖6b）。

平面上看，水平最大主應力從研究區(qū)西南部到東北部逐漸減小，沿A12井—A20井—A11井—A3井—A2井呈分隔帶，西南部明顯高于東北部，高值區(qū)位于A6井處，低值區(qū)位于A9井處（圖7a）。水平最小主應力整體變化不大，研究區(qū)南部和西部值較大，往中部逐漸減小，高值區(qū)位于A6井處，低值區(qū)位于A4井處（圖7b）。

3 地應力與水平井優(yōu)化設(shè)計

徐深氣田A區(qū)塊營城組火山巖儲層以低孔、低滲為主，物性普遍較差，非均質(zhì)性強，且單井自然產(chǎn)能低，屬于致密氣范疇，只有實施水平井開發(fā)，并配合大規(guī)模縫網(wǎng)壓裂改造，才能獲得較高產(chǎn)能。因此，在水平井部署過程中，水平井軌跡延伸方向設(shè)計應垂直于水平最大主應力方向，即以SN方向為主，且井網(wǎng)部署過程中應適當增加WE向井距以擴大井網(wǎng)控制范圍。由于工區(qū)裂縫展布方向為北西向和北東向的共軛發(fā)育，與水平最大主應力方向存在一定的夾角，因此，在儲層壓裂改造過程中，施工壓裂應大于水平主應力87 MPa，更易形成縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加儲層連通性，進一步提高單井產(chǎn)量。

表4 營城組地應力大小測試結(jié)果統(tǒng)計表

圖6 水平主應力與深度關(guān)系圖

圖7 水平主應力等值線圖

4 結(jié)論

1）徐深氣田A區(qū)塊營城組火山巖的巖石力學參數(shù)明顯高于沉積巖，且火山巖中不同巖性測得的實驗參數(shù)存在差異性。靜態(tài)巖彈性模量為50.08～65.25 GPa，泊松比為0.175～0.314，彈性模量隨著圍壓的增加而增加，并且彈性模量、泊松比及內(nèi)摩擦角隨著深度的增加有增大的趨勢。

2）基于縱橫波速度，計算巖石動態(tài)彈性模量和泊松比，分析動靜態(tài)巖石力學參數(shù)相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，工區(qū)內(nèi)火山巖動態(tài)彈性模量介于35.81～84.28 GPa，平均值為62.21 GPa，動態(tài)泊松比介于0.166～0.267，平均值為0.216。靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量相關(guān)性一般，靜態(tài)泊松比和動態(tài)泊松比相關(guān)性較差。

3）波速各向異性結(jié)合古地磁測試結(jié)果表明，徐深氣田A區(qū)塊營城組水平最大主應力方向在NE 83.4°～129.6°，平均值為106.1°，地應力方向整體變化不大。此外，利用測井資料評價工區(qū)營城組現(xiàn)今水平主應力方向為近東西向，表明波速各向異性測試結(jié)果準確可靠。

4）徐深氣田A區(qū)塊營城組水平最大主應力介于83.8～96.1 MPa，水平最小主應力介于63.9～79.9 MPa。根據(jù)研究成果，該區(qū)部署水平井軌跡延伸方向設(shè)計應為SN方向，井網(wǎng)部署過程中應適當增加WE向井距以擴大井網(wǎng)控制范圍，儲層壓裂改造過程中施工壓裂應大于87 MPa，更易形成縱橫交錯的裂縫網(wǎng)絡(luò)。