賴錦，白天宇，肖露，趙飛，李棟，李紅斌，王貴文，張榮虎

［1.中國石油大學(xué)（北京） 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京） 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國石油 杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023］

地應(yīng)力是指地殼巖石在漫長的地質(zhì)歷史中形成的天然內(nèi)應(yīng)力［1-5］。地應(yīng)力受控于上覆巖層重力以及構(gòu)造運動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，是巖性、埋深、巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的綜合反映［3，6-11］。地應(yīng)力場既包括方向，也包括大小，對巖層而言，既受到垂向地應(yīng)力控制，又有水平地應(yīng)力影響，因此描述地應(yīng)力場時應(yīng)考慮地應(yīng)力場方向和不同方向上的地應(yīng)力大小［12-13］。地應(yīng)力研究對地質(zhì)與工程均有重要的意義［2，5-6，11，14-15］。地質(zhì)上，地應(yīng)力場控制了巖石的變形以及油氣的運移與聚集，同時決定了儲集層品質(zhì)和裂縫有效性［6，14，16-17］。工程上，地應(yīng)力場對井網(wǎng)布置、鉆完井設(shè)計和工程壓裂改造至關(guān)重要［6-8，14，18］。在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中，水平井鉆井、壓裂等工程需求突出，因而地應(yīng)力研究重要性凸顯［11，15，18-19］。

地應(yīng)力場大小可通過地應(yīng)力室內(nèi)試驗和礦場地應(yīng)力測試等途徑獲取，但受到樣品、礦場條件以及分析測試成本的限制，難以獲得單井連續(xù)的地應(yīng)力場特征變化，因而利用地球物理測井資料分析與評價地應(yīng)力場分布規(guī)律成為地質(zhì)與工程研究必不可少的內(nèi)容［5-6，20-21］。通過地球物理測井資料可實現(xiàn)古應(yīng)力場的恢復(fù)，現(xiàn)今地應(yīng)力方向判別以及現(xiàn)今地應(yīng)力大小計算，具有縱向分辨率高、連續(xù)性好且價格低廉的優(yōu)勢。因此可通過測井資料來分析評價應(yīng)力場方向和大小，這將為油氣分布規(guī)律等地質(zhì)研究提供理論指導(dǎo)，同時也將為開發(fā)井網(wǎng)布置、壓裂開采措施等工程研究提供技術(shù)支撐［5，15，19，22］。

本研究系統(tǒng)歸納總結(jié)了地應(yīng)力場構(gòu)成以及地應(yīng)力場測井響應(yīng)機理。古構(gòu)造應(yīng)力可通過聲發(fā)射實驗進行分析，并利用電阻率、聲波時差測井和裂縫密度實現(xiàn)最大古構(gòu)造應(yīng)力測井恢復(fù)。從地應(yīng)力方向和大小的角度描述現(xiàn)今地應(yīng)力場特征，并利用聲發(fā)射實驗以及水力壓裂法評價現(xiàn)今地應(yīng)力場大小。依托成像測井井壁崩落和誘導(dǎo)縫以及聲波測井橫波分裂特征實現(xiàn)現(xiàn)今地應(yīng)力方向判別?；诮M合彈簧模型等通過聲波、密度等測井資料計算由垂向應(yīng)力、水平最大和最小主應(yīng)力構(gòu)成的三軸應(yīng)力剖面。通過地應(yīng)力場測井恢復(fù)與評價可分析應(yīng)力狀態(tài)及斷層性質(zhì)，為儲層質(zhì)量以及裂縫有效性評價提供支撐，并實現(xiàn)油氣藏分布預(yù)測。此外，地應(yīng)力場分析對于非常規(guī)油氣壓裂改造同樣具有指導(dǎo)意義。研究成果能夠更好地為地質(zhì)與工程領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 地應(yīng)力場及其測井響應(yīng)機理

1.1 地應(yīng)力場

地應(yīng)力場一般包括古應(yīng)力場和現(xiàn)今應(yīng)力場，其中，地質(zhì)歷史時期的構(gòu)造應(yīng)力場為古應(yīng)力場，其結(jié)果為在巖石當中形成不同的變形和斷裂形跡（褶皺、斷裂和節(jié)理）；現(xiàn)今應(yīng)力場則泛指第四紀中更新世以來的地應(yīng)力［23］，是古應(yīng)力場的延續(xù)或繼承［14］。

對于特定地質(zhì)體而言，其受到的地應(yīng)力可以分解為3個相互垂直的主應(yīng)力，即三軸向應(yīng)力［4］，包括垂向應(yīng)力、現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力（SHmax，MPa）和現(xiàn)今水平最小主應(yīng)力（Shmin，MPa），其中垂向應(yīng)力主要由上覆巖層重力構(gòu)成，而水平兩向應(yīng)力則受到巖層重力及構(gòu)造擠壓應(yīng)力等影響［2，6，10，15，24-28］。

1.2 地應(yīng)力場測井響應(yīng)機理

地應(yīng)力測井評價包含兩個方面的內(nèi)容：①地應(yīng)力場方向；②地應(yīng)力大小。能夠反映或評價現(xiàn)今地應(yīng)力方向的測井序列包括成像測井、陣列聲波測井、雙側(cè)向測井以及地層傾角測井，這些都是帶有方位信息的測井資料［29］。

成像測井具有分辨率高以及定向的特征，可以通過拾取井壁崩落、鉆井誘導(dǎo)縫等特征實現(xiàn)地應(yīng)力方向評價［30-31］。陣列聲波測井則通過探測快、慢橫波方位，實現(xiàn)井周各向異性計算從而確定水平主應(yīng)力方位［6］。地層傾角測井可以用雙井徑識別井壁崩落或橢圓井眼，再結(jié)合1號極板方向確定井壁崩落方向，指示水平最小主應(yīng)力方向［5，25］。常規(guī)測井對地應(yīng)力大小響應(yīng)比較靈敏的主要為泥巖聲波時差和電阻率測井，地應(yīng)力增大導(dǎo)致巖石內(nèi)導(dǎo)電孔隙流體逐漸減少，電阻率增大，而由于巖石變得致密，聲波速度增加，因而聲波時差變小［6，16，20］。

目前沒有直接能夠測量地應(yīng)力的測井序列，巖石的三軸應(yīng)力往往需要通過測井曲線間接評價或計算，MDT模塊式地層動態(tài)測試器，可在測試過程中測量地層壓力等參數(shù)，用于刻度測井資料［32］。

2 最大古構(gòu)造應(yīng)力測井恢復(fù)方法

古應(yīng)力場方向可根據(jù)天然裂縫走向確定，裂縫走向分布指示古應(yīng)力場活動期次，目前成像測井可以拾取天然裂縫面的形態(tài)并計算裂縫參數(shù)，因此在分析古構(gòu)造應(yīng)力場中應(yīng)用效果顯著［33-34］。古應(yīng)力大小則在實驗室條件下通過巖心樣品等分析測試獲取，當然想要獲取井段連續(xù)的古構(gòu)造應(yīng)力場，需要利用不同測井序列對其進行恢復(fù)。

2.1 基于聲發(fā)射實驗的古構(gòu)造應(yīng)力分析

古構(gòu)造應(yīng)力大小，一般可利用巖石所經(jīng)歷的最大古構(gòu)造應(yīng)力（σmax，MPa）來進行表征，且σmax可通過聲發(fā)射實驗來獲得［34-35］。聲發(fā)射法是依據(jù)Kaiser效應(yīng)而提出的古構(gòu)造應(yīng)力測量方法，德國科學(xué)家Kaiser于1959年發(fā)現(xiàn)了多晶金屬具有聲發(fā)射特性，即對多晶金屬加載應(yīng)力時，當加載的應(yīng)力值達到最大應(yīng)力值時材料內(nèi)部會發(fā)出彈性波，并被外部接收到［34］。在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷復(fù)雜構(gòu)造變動的巖石同樣也具有凱撒效應(yīng)［34-35］，因此可通過實驗獲得地下巖石的Kaiser點，恢復(fù)地質(zhì)歷史時期巖石所經(jīng)歷的最大主應(yīng)力值［5，14，34］。需要說明的是，巖石若經(jīng)歷多期次構(gòu)造應(yīng)力場疊加改造，則在聲發(fā)射實驗中也可對應(yīng)多個Kaiser點，通過Kaiser 點個數(shù)及對應(yīng)的應(yīng)力值可獲得應(yīng)力期次及大?。?4，33，36］。

2.2 最大古構(gòu)造應(yīng)力測井恢復(fù)

2.2.1 泥巖聲波時差與電阻率測井

可以根據(jù)巖心聲發(fā)射實驗獲得σmax，并建立測井曲線與σmax對應(yīng)關(guān)系，從而利用測井曲線計算σmax。當埋藏較淺、地應(yīng)力相對較弱時，即在地應(yīng)力松弛地區(qū)或?qū)佣?，巖石將保持較高孔隙度，此時電阻率難以反映地應(yīng)力變化，但聲波時差則對地應(yīng)力響應(yīng)靈敏。而在強擠壓應(yīng)力區(qū)，電阻率對地應(yīng)力響應(yīng)靈敏，因此可通過電阻率曲線計算地應(yīng)力［6，14，20］。

2.2.2 古應(yīng)力與天然裂縫關(guān)系

天然裂縫產(chǎn)狀、組合特征及裂縫參數(shù)往往與古構(gòu)造應(yīng)力場密切相關(guān)，因此可根據(jù)裂縫參數(shù)恢復(fù)古構(gòu)造應(yīng)力場［37］。其中天然裂縫的產(chǎn)狀及組合特征反映了構(gòu)造應(yīng)力場方向及期次，而裂縫密度等參數(shù)則與應(yīng)力大小密切相關(guān)［37-38］。古構(gòu)造應(yīng)力場控制了天然裂縫的形成和發(fā)育程度，但因裂縫張開度和孔隙度常受現(xiàn)今應(yīng)力場和成巖流體改造影響，因此通常可采用裂縫密度來反推巖石所受古構(gòu)造應(yīng)力大?。?5，37，39］。

3 現(xiàn)今地應(yīng)力場方向測井評價

實驗分析如波速各向異性方法（巖石中微裂縫沿垂直最大主應(yīng)力方向優(yōu)勢分布導(dǎo)致不同方向上聲波傳播速度不同）等可以用于確定現(xiàn)今地應(yīng)力方向［40-41］。

目前，確定水平地應(yīng)力方向的測井方法很多，最常用的方法包括：①基于聲、電成像測井解釋的井壁崩落法及鉆井誘導(dǎo)縫推斷法；②陣列聲波測井橫波分裂法（快橫波方位）等；③地層傾角測井雙井徑曲線法［12，30，42-44］。

3.1 井壁崩落和誘導(dǎo)縫

聲、電成像測井可以拾取井壁崩落和鉆井誘導(dǎo)縫，其中井壁崩落平行于Shmin方向［5，10，43，45-48］。在SHmax方向上，切向正應(yīng)力最小，當鉆井液或者泥漿柱壓力較大時，該處剪切應(yīng)力將變成負值，即壓性應(yīng)力變成張性應(yīng)力，因此在該方向上的井壁會產(chǎn)生拉張應(yīng)力，如果拉張應(yīng)力超過巖石最大承受能力，則巖石破裂，產(chǎn)生重泥漿壓裂縫。鉆井過程中鉆具的震動將形成細小的呈羽毛狀或雁行分布的鉆具振動微裂縫。對于應(yīng)力比較集中的地層，鉆開后構(gòu)造應(yīng)力將逐漸釋放，產(chǎn)生雁列狀分布的應(yīng)力釋放裂縫，誘導(dǎo)裂縫方位均指示SHmax方向［5，10，45-46］。

3.2 橫波分裂

在應(yīng)力不均衡或者裂縫發(fā)育的各向異性地層中，橫波傳播時將分裂成快、慢橫波（橫波分裂）［6，10］。由于質(zhì)點垂直于水平最大地應(yīng)力方向振動比沿井軸向上傳播的橫波速度快，因此快橫波平行于SHmax方向［15，41-42，45，48-51］。

4 現(xiàn)今地應(yīng)力大小測井評價方法

現(xiàn)今地應(yīng)力場除了方向外，應(yīng)力大小評價同樣重要［15，18，21］?，F(xiàn)今應(yīng)力大小可以通過實驗室?guī)r心等樣品測量，或由井場測試獲得，同時也可依托地球物理測井資料進行計算［15，18，21］?，F(xiàn)今地應(yīng)力大小測量方法包括：①直接測量法，包括巖心實驗測量和井場測量，巖心實驗測量又可分為聲發(fā)射實驗測定以及波速各向異性判斷地應(yīng)力方向，而井場測量主要是水力壓裂法，可以獲得水平最小主應(yīng)力大小，并進一步計算得到水平最大主應(yīng)力大??；②地球物理測井資料評價，通過實測資料作刻度的地球物理測井資料可以連續(xù)計算現(xiàn)今地應(yīng)力大小，建立連續(xù)地應(yīng)力剖面［15，18，21，25］。

4.1 井場和實驗室測量

4.1.1 聲發(fā)射實驗確定三軸應(yīng)力大小

聲發(fā)射實驗中的Kaiser點可以用來確定巖石古應(yīng)力大小及期次［5，40，52］。地應(yīng)力聲發(fā)射測試有單軸聲發(fā)射和三軸聲發(fā)射測試兩種方法。單軸聲發(fā)射實驗方法是在單軸試驗機上進行，并測定其單向應(yīng)力，該實驗巖樣常在Kaiser點出現(xiàn)之前就發(fā)生破壞，采集到的信號不一定是Kaiser效應(yīng)信號，有可能是巖樣破裂信號，因此，需要增加圍壓，通過三軸聲發(fā)射方法確定地應(yīng)力。

三軸聲發(fā)射地應(yīng)力測試實驗中，要求全直徑巖心，整體連續(xù)，長度不小于15.0 cm，同時不發(fā)育宏觀裂縫［52］。在全直徑巖心中，沿垂直方向選取一塊柱塞樣（直徑2.5 cm），沿水平方向選取3塊柱塞樣開展三軸地應(yīng)力實驗，可以計算垂向、水平最大和最小地應(yīng)力大?。?6］。需要說明的是，該地應(yīng)力數(shù)值通常反映的也是古應(yīng)力值［44］。但由于現(xiàn)今應(yīng)力往往是古應(yīng)力值的延續(xù)與繼承，因此也可通過該實驗獲得三軸應(yīng)力值，并與測井計算的現(xiàn)今三軸應(yīng)力場相互驗證與刻度［25，53］。

4.1.2 水力壓裂法確定Shmin大小

Fairhurst在1964年提出的水力壓裂地應(yīng)力測量法為應(yīng)用最普遍的方法之一［54］。當向井孔中注入流體時，會引起孔隙流體壓力迅速升高，巖石發(fā)生破裂，該峰值壓力對應(yīng)破裂壓力（pf，MPa）。隨后水力壓裂裂縫將逐漸擴展，在裂縫擴展的過程中流體壓力將逐漸下降，趨于穩(wěn)定后的流體壓力為裂縫延伸壓力（pr，MPa）。然后在裂縫擴展后一段時間內(nèi)（5 min）停止注水，那么流體壓力將迅速下降，然后發(fā)生小幅度反彈，反彈的峰值壓力則為裂縫閉合壓力（pFCP，MPa），裂縫閉合壓力等于Shmin［14，55］。

4.2 測井地應(yīng)力計算

利用測井資料計算地應(yīng)力具有成本低廉、資料容易獲取且能夠連續(xù)評價的特點［12，21，56］。通過測井評價地應(yīng)力大小的模型很多，歸納起來主要有兩種：①根據(jù)井壁崩落的位置和崩落的寬度進行計算，Nikolaevskiy等［57］和印興耀等［5］指出可通過成像測井求得井壁崩落寬度，進一步依據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)，可計算最大、最小水平主應(yīng)力，但由于相關(guān)的公式太復(fù)雜，而且該方法適用性不強，因此推廣應(yīng)用較難；②通過測井曲線計算泊松比、楊氏模量等巖石力學(xué)參數(shù)，并通過一維巖石力學(xué)模型進行三軸應(yīng)力剖面計算，該方法得到廣泛推廣應(yīng)用［18］。

4.2.1 垂向應(yīng)力

20世紀初，瑞士地質(zhì)學(xué)家Heim認為垂向應(yīng)力主要由上覆巖層重量引起［58］。在有連續(xù)采集的密度測井資料的情況下，垂向地應(yīng)力可以很方便地求得，計算公式為：

式中：Sv為垂向應(yīng)力，MPa；z為埋藏深度，m；ρ為巖石密度（密度測井曲線獲得），kg/m3；g為重力加速度，取值9.8 m/s2［27，59-60］。

4.2.2 水平兩向應(yīng)力大小

水平主應(yīng)力有最大、最小和平均主應(yīng)力之分，計算模型主要有兩種模式：一種是兩個水平主應(yīng)力相等的單軸應(yīng)變模式，主要有Heim模型［58，61］、Matthews &Kelly模型［62］、Terzaghi模型［61，63］以及Anderson模型［64］等。由于以上模式?jīng)]考慮到水平構(gòu)造應(yīng)力的作用，不符合實際情況，這里不做重點闡述。另外一種是考慮到構(gòu)造應(yīng)力對水平主應(yīng)力影響的分層計算模式，主要有黃榮樽模型和組合彈簧模型等［61，65］。

1） 黃榮樽模型（黃氏模型）

該模型指出水平地應(yīng)力由兩部分組成：①由于重力作用，水平主應(yīng)力一部分為Sv和泊松比的函數(shù)，即；②由構(gòu)造運動所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，構(gòu)造應(yīng)力在兩個方向上通常都存在，而且是不相等的［18，65］。

黃榮樽等（1995）［65］在進行地層破裂壓力預(yù)測時建立的水平方向上的兩個構(gòu)造應(yīng)力分量的黃氏模型在油田得到推廣應(yīng)用，其模型如下：

式中：ν為泊松比，無量綱；Sv為垂向應(yīng)力，MPa；pp為孔隙流體壓力，MPa；α為Biot彈性系數(shù)，無量綱；A和B分別為最大水平應(yīng)力方向和最小水平應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，常數(shù)［18，41］。

巖石力學(xué)參數(shù)可根據(jù)由陣列聲波測井得到的縱橫波時差和密度測井進行計算。因此測井資料獲取的動態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)需要與靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)相互刻度標定，從而提高解釋的精度［12，45，66-68］。Biot彈性系數(shù)，也稱巖石孔彈性系數(shù)，通常與應(yīng)力、孔隙壓力密切相關(guān)，為衡量孔隙壓力對有效應(yīng)力作用程度的一個重要參數(shù)［18］?？紫读黧w壓力測井計算的方法有等效深度法、Bowers法、有效應(yīng)力法和伊頓法等［18，56］。

2） 組合彈簧模型

考慮到水平主應(yīng)力有最大、最小之分，眾多專家學(xué)者提出了組合彈簧模型［2，15，69］［公式（4）和公式（5）］。組合彈簧模型適用于構(gòu)造運動比較劇烈的前陸盆地等地區(qū)，其中水平方向地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力影響較大。

式中：εH和εh分別為最大應(yīng)力校正系數(shù)和最小應(yīng)力校正系數(shù)，無量綱，可以通過實驗數(shù)據(jù)和井場地應(yīng)力測試分析與標定獲得［5，70-72］；E為楊氏模量，GPa。

黃氏模型沒有考慮最大主應(yīng)力方向和最小主應(yīng)力方向的應(yīng)變量影響，因此對于復(fù)雜應(yīng)力區(qū)塊地應(yīng)力的計算也存在偏差。而組合彈簧模型地應(yīng)力計算模型考慮了最大主應(yīng)力和最小應(yīng)力校正系數(shù)，因此在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域地應(yīng)力測井評價中得到廣泛應(yīng)用（圖1）［71-72］。

圖1 塔里木盆地庫車坳陷白堊系巴什基奇克組三軸應(yīng)力測井評價及對應(yīng)鏡下薄片特征 ［25］Fig.1 Logging evaluation of in-situ stress magnitude and related thin section images of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Kuqa Depression， Tarim Basin［25］

5 地應(yīng)力場研究地質(zhì)與工程意義

5.1 分析應(yīng)力狀態(tài)及斷層性質(zhì)

根據(jù)Anderson斷層成因模式，通常在正斷層形成時，最大主應(yīng)力（σ1，MPa）直立，中間主應(yīng)力（σ2，MPa）和最小主應(yīng)力（σ3，MPa）水平［73］。在逆斷層形成時，σ3直立，σ1和σ2水平。在走滑斷層形成時，σ2直立，σ1和σ3水平［2，5，27，74］。而地球物理測井資料可以分別計算三軸地應(yīng)力大小，根據(jù)Sv，SHmax和Shmin的大小，可以判別地層的應(yīng)力狀態(tài)，并進行斷層屬性的分析［5，74］。

因此當測井計算的三軸應(yīng)力滿足Sv＞SHmax＞Shmin時（對應(yīng)σ1直立），對應(yīng)正斷層形成時的應(yīng)力狀態(tài)；當SHmax＞Sv＞Shmin時（對應(yīng)σ2直立），為走滑斷層形成時的應(yīng)力狀態(tài)；當計算的三軸應(yīng)力滿足SHmax＞Shmin＞Sv時（對應(yīng)σ3直立），為逆斷層形成時的應(yīng)力場［2，5，25，74］。

5.2 評價儲層質(zhì)量與預(yù)測油氣分布

地應(yīng)力場在使地下巖石變形的同時，同時還影響流體勢分布，并改變巖石孔滲性能［6，16］。圖1中不同地應(yīng)力場對應(yīng)的鏡下觀察表明，水平兩向應(yīng)力差較高（Δσ=SHmax-Shmin）的層段，巖石往往易于因壓實而致密，而相對水平兩向應(yīng)力差值較小的層段，巖石原生孔隙能得到一定程度的保留，當然部分巖石如果本身顆粒粒度細或者分選差，則抗壓實能力弱，同樣會被壓實并變得致密［25，51，75-76］（圖1）。

庫車前陸盆地總體擠壓應(yīng)力較強，但也表現(xiàn)壓中有張，張中有壓的特征，同時在膏泥巖、煤系地層等滑脫層的影響下造就了構(gòu)造樣式控制下應(yīng)力分布的多層次性［20，71］。庫車坳陷白堊系巴什基奇克組儲集層孔隙度隨著水平兩向應(yīng)力差與垂向應(yīng)力比值（Δσ/Sv）的增大，呈明顯減小的趨勢，也體現(xiàn)了地應(yīng)力對儲層孔隙度發(fā)育的影響［6，16，75］（圖2）。

圖2 塔里木盆地庫車坳陷白堊系巴什基奇克組孔隙度與Δσ/Sv關(guān)系Fig.2 Cross plot of porosity vs.Δσ/Sv of the Cretaceous Bashijiqike reservoirs in Kuqa Depression， Tarim Basin

5.3 判斷裂縫有效性

對裂縫有效性而言，古構(gòu)造應(yīng)力場控制了裂縫延伸方位［34］，而現(xiàn)今應(yīng)力場則控制了裂縫張開度［25，77］。古、今應(yīng)力場的研究，對儲層裂縫發(fā)育規(guī)律預(yù)測以及裂縫有效性評價具有重要意義［32-33，78-82］。通常當裂縫的走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向基本一致或夾角較?。ǎ?30°）時裂縫張開度大，開啟性好［83-84］，而與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向有一定夾角的裂縫則有效性差［25］。

地應(yīng)力大小與裂縫參數(shù)耦合關(guān)系研究也表明，Δσ/Sv控制了裂縫有效性，隨著其增大，裂縫密度和裂縫開度均呈明顯下降趨勢（圖3）。因此除地應(yīng)力方向外，地應(yīng)力大小往往也是決定裂縫有效性的重要因素［75］。

圖3 塔里木盆地庫車坳陷白堊系巴什基奇克組裂縫參數(shù)與Δσ/Sv對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Cross plots of fracture parameters vs. Δσ/Sv of the Cretaceous Bashijiqike reservoirs in Kuqa Depression， Tarim Basin a. 裂縫開度；b.裂縫線密度

5.4 指導(dǎo)非常規(guī)油氣壓裂改造

非常規(guī)油氣藏需要鉆水平井以及采取壓裂改造等措施才能獲得工業(yè)油氣流，而壓裂過程中地應(yīng)力方向和大小評價至關(guān)重要［5，11，85-88］。在壓裂改造過程中，地應(yīng)力場狀態(tài)決定了壓裂縫延伸方向，控制了壓裂的增產(chǎn)效果。

壓裂過程中，人工壓裂縫易于沿著SHmax方向擴展［15，89-90］。為了獲得大體積的橫切裂縫系統(tǒng)，水平井一般沿Shmin方向或小于30°夾角鉆進［91］，同時沿Shmin方向布井。這樣不僅能夠有效避免井壁失穩(wěn)、井塌等工程事故，而且能夠沿SHmax方向壓裂，提高壓裂效果［11，49］。

此外，地應(yīng)力大小也是決定壓裂方案設(shè)計以及壓裂層段優(yōu)選的重要因素，水平兩向應(yīng)力差在工程上影響著儲層改造時裂縫的形態(tài)，兩向應(yīng)力差越小越易于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，這對油氣開采非常有利。相反，兩向應(yīng)力差異越大，壓裂后往往形成單組裂縫，不利于非常規(guī)油氣開采［11，92］（圖4）。

圖4 水平井鉆進方向、人工壓裂縫形成方向及其與地應(yīng)力分布關(guān)系Fig.4 Horizontal drilling direction， hydraulic fracture propagation and in-situ stress field in unconventional hydrocarbon reservoirsa. 水平井井眼軌跡與地應(yīng)力關(guān)系；b. 三軸應(yīng)力分布特征；c. 壓裂縫分布特征；d. 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組壓裂層段與現(xiàn)今地應(yīng)力大小對應(yīng)關(guān)系

6 結(jié)論

1） 三軸應(yīng)力剖面中，在最小主地應(yīng)力方向上，巖石受到的剪切應(yīng)力最強，最可能發(fā)生井眼崩落。在最大水平主應(yīng)力方向上，井壁所受的切向應(yīng)力最小，對應(yīng)誘導(dǎo)縫的形成。陣列聲波測井橫波分裂中的快橫波指示水平最大主應(yīng)力方向。

2） 聲發(fā)射實驗可獲得古應(yīng)力場期次及大小，而電阻率、聲波時差測井和成像測井計算的裂縫密度可用于最大古構(gòu)造應(yīng)力測井恢復(fù)。

3） 現(xiàn)今應(yīng)力大小可以通過實驗室?guī)r心聲發(fā)射實驗等測量以及水力壓裂法井場測試獲取，同時也可依托地球物理測井資料進行計算。垂向應(yīng)力、水平最大和最小主應(yīng)力三軸應(yīng)力剖面可以通過組合彈簧模型等利用聲波、密度等測井資料計算。

4） 地應(yīng)力場研究在地質(zhì)上可用于分析應(yīng)力狀態(tài)及斷層性質(zhì)，評價儲層質(zhì)量以及裂縫有效性。優(yōu)質(zhì)儲層往往對應(yīng)水平兩向應(yīng)力差值較低的層段，而與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向平行的天然裂縫往往張開度大、有效性好。在工程上地應(yīng)力場分析能夠指導(dǎo)非常規(guī)油氣壓裂改造工作，水平井一般沿Shmin方向鉆進，沿最大SHmax壓裂，同時優(yōu)選水平兩向應(yīng)力差較低的層段進行壓裂。