歐彪, 吳雪鋒, 彭紅利, 劉其明, 鐘敬敏, 李皋*

(1.中石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院, 德陽 618000; 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 成都 610500)

地應(yīng)力研究在油氣勘探開發(fā)過程中有著十分重要的作用,研究結(jié)果可為地層三壓力剖面的建立提供重要依據(jù),同時(shí)為解決井壁失穩(wěn)等問題奠定基礎(chǔ)[1-3]。川西彭州地區(qū)中三疊統(tǒng)雷四段發(fā)現(xiàn)多個(gè)天然氣藏,成為繼普光和元壩氣田之后的又一重要?dú)馓颷4-6]。然而,區(qū)域地應(yīng)力分布特征認(rèn)識(shí)不清,卡鉆、井壁失穩(wěn)等問題頻發(fā)。因此,開展彭州地區(qū)雷四段地應(yīng)力研究是保證油氣資源高效開發(fā)的重要工作。

目前根據(jù)試驗(yàn)方法測出來的地應(yīng)力具有一定的離散性,測量結(jié)果不能用來表征區(qū)域地應(yīng)力的分布規(guī)律[7-9]。同時(shí),區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律還受到褶皺和斷層等的影響。對(duì)此,相關(guān)研究者開展了在斷層影響下地應(yīng)力場分布規(guī)律的研究。李靜等[10]利用COMSOL有限元軟件確定了準(zhǔn)噶爾盆地西部車排子地區(qū)石炭系地應(yīng)力主要受斷層走向、數(shù)量等因素的影響;王珂等[11]利用Ansys有限元軟件建立地質(zhì)模型,對(duì)大北氣田進(jìn)行了地應(yīng)力場的數(shù)值模擬,得到了地應(yīng)力場的展布規(guī)律和應(yīng)力場對(duì)裂縫和產(chǎn)能的影響。徐珂等[12]對(duì)高深北區(qū)的三維應(yīng)力場進(jìn)行了預(yù)測,得到了影響地應(yīng)力場的主要因素是斷層與巖石力學(xué)參數(shù)。劉建等[13]根據(jù)單井的地應(yīng)力特征、儲(chǔ)層特點(diǎn)和巖石力學(xué)參數(shù),建立了三維非均質(zhì)地質(zhì)模型,利用Ansys有限元軟件得到了長6儲(chǔ)層的地應(yīng)力分布模型;梁利喜等[14]結(jié)合地質(zhì)資料與構(gòu)造模型建立了三維地質(zhì)模型,再利用有限元方法反演了該地區(qū)的三維地應(yīng)力場。川西彭州地區(qū)雷四段地層的斷層發(fā)育規(guī)模大且數(shù)量多,通過有限元數(shù)值模擬方法能夠弄清斷層對(duì)地應(yīng)力的影響,以及較為準(zhǔn)確地獲取區(qū)域應(yīng)力場的分布規(guī)律。

現(xiàn)基于地震解釋成果建立區(qū)域三維地質(zhì)模型,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和測井資料確定模型的巖石力學(xué)參數(shù),運(yùn)用有限元方法模擬川西彭州地區(qū)雷四段地應(yīng)力場,得出應(yīng)力場的分布規(guī)律,為井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。研究結(jié)果對(duì)彭州地區(qū)雷四段氣藏高效開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)主體位于龍門山前構(gòu)造帶南部,夾持于關(guān)口和彭縣兩條大規(guī)模逆斷層之間[4],如圖1所示。其中,彭縣斷層位于研究區(qū)東南翼,關(guān)口斷層位于研究區(qū)西北翼,兩者都呈北東走向[15]。此外,區(qū)域內(nèi)還發(fā)育較多層間小斷層,這些斷層共同組成研究區(qū)網(wǎng)狀輸導(dǎo)體系。龍門山前構(gòu)造帶自印支晚期開始發(fā)育、燕山期進(jìn)一步發(fā)展,最終在喜馬拉雅時(shí)期定型,區(qū)域內(nèi)發(fā)育金馬—鴨子河和石羊場兩個(gè)完整的次級(jí)局部構(gòu)造,研究區(qū)處于高構(gòu)造部位,有利于油氣資源的儲(chǔ)集。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造Fig.1 Location and structure of the study area

2 地應(yīng)力場數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)模型的建立

合理準(zhǔn)確的地質(zhì)模型是構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬的關(guān)鍵?；诘卣鸾忉尦晒捎肅OMSOL軟件構(gòu)建了研究區(qū)域雷四段地層三維地質(zhì)模型,如圖2所示。該模型考慮了23條主要斷層,研究區(qū)域從東北到西南約37 km,從西北到東南約13.7 km。為了減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算的影響,在模擬過程中,研究區(qū)域與覆蓋層和基底隔離。

圖2 川西彭州地區(qū)雷四段地層三維地質(zhì)模型Fig.2 Three dimensional geological model of Lei-4 formation in Pengzhou area, western Sichuan

2.2 力學(xué)模型的建立

基于測井資料,利用式(1)、式(2)計(jì)算得到了川西彭州地區(qū)雷四段的動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)[16-17]。

(1)

(2)

式中:Ed為動(dòng)態(tài)彈性模量,GPa;μ為泊松比;ρ為巖石密度,g/cm3;Δtp為縱波時(shí)差,μs/m;Δts為橫波時(shí)差,μs/m。

但是,在構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬中,需要采用能夠真實(shí)反映地層巖石力學(xué)性質(zhì)的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)。根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定了動(dòng)靜態(tài)彈性模量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,如圖3所示。對(duì)此,以測井資料計(jì)算并轉(zhuǎn)換得到的靜態(tài)彈性模量以及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的密度和泊松比作為雷四段的巖石力學(xué)參數(shù)。斷層帶與地層之間存在差異,會(huì)影響數(shù)值模擬的結(jié)果,因此需要定義斷層帶的巖石力學(xué)參數(shù)。一般將斷裂帶定義為過渡帶,其巖石力學(xué)參數(shù)與圍巖有關(guān)。根據(jù)許多油田的實(shí)踐,斷裂帶的泊松比稍大于對(duì)應(yīng)的地層,彈性模量一般為周圍介質(zhì)的60%[18]。因此,確定模型的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 動(dòng)靜態(tài)彈性模量轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.3 Conversion relationship between dynamic and static elastic modulus

表1 模型設(shè)置的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters set by the model

2.3 邊界條件的確定

施加在模型邊界上的作用力包括水平構(gòu)造應(yīng)力、上覆地層壓力以及自身重力。模型的重力由巖石密度和重力加速度計(jì)算得到。同時(shí),為了容易施加約束并消除邊界效應(yīng),在研究區(qū)域外使用了邊界載荷,從而將水平構(gòu)造應(yīng)力垂直施加到邊界上。根據(jù)井壁崩落分析結(jié)果確定了最小水平主應(yīng)力為近南北向,方位角為172°;最大水平主應(yīng)力為近東西向,方位角為77°左右,由此可以確定模型邊界載荷的方向。模型的深度方向?yàn)閆軸,向上為正,X軸指向東,Y軸指向北。經(jīng)過反復(fù)試算確定了模型的邊界條件,如圖4所示,即在近東西向施加180 MPa壓力,在近南北向施加130 MPa壓力。同時(shí),X、Y和Z方向的約束分別施加在模型的近東西、近南北和底部邊界上。

圖4 模型的邊界條件Fig.4 Boundary conditions of the model

3 地應(yīng)力場分布規(guī)律及應(yīng)用

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

在分析研究區(qū)目的層地應(yīng)力場分布規(guī)律前,需要對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。將數(shù)值模擬結(jié)果與研究區(qū)目的層實(shí)測的地應(yīng)力大小進(jìn)行對(duì)比,如表2所示。結(jié)果表明:最大水平主應(yīng)力平均絕對(duì)百分比誤差為6.41%,最小水平主應(yīng)力平均絕對(duì)百分比誤差8.35%,說明了本次數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度較高,可以進(jìn)一步對(duì)川西彭州地區(qū)雷四段地應(yīng)力場的分布規(guī)律展開分析。

3.2 地應(yīng)力場分布規(guī)律

彭州地區(qū)雷四段地應(yīng)力場分布如圖5所示。從圖5中可以看出,區(qū)域的西南部和背斜兩翼構(gòu)造深度較深,導(dǎo)致三向應(yīng)力值相對(duì)較大,區(qū)域的中部屬于背斜核部,構(gòu)造深度較淺,其三向應(yīng)力值相對(duì)較小。斷層的存在會(huì)影響斷層及周圍的地應(yīng)力分布,與斷層相比,連續(xù)地層地應(yīng)力展布穩(wěn)定,斷層區(qū)域發(fā)生了應(yīng)力釋放和巖石斷裂,使得斷層內(nèi)應(yīng)力值較小。由于斷層擾動(dòng)了周圍地應(yīng)力,使得斷層周圍的巖石發(fā)生了相應(yīng)的變形但未破碎,在該區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。結(jié)合圖中幾處斷層的交匯點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn),斷層交匯點(diǎn)處的應(yīng)力值更小。上述分析表明,區(qū)域應(yīng)力場分布規(guī)律受構(gòu)造深度和斷層等多因素的影響。研究區(qū)中部背斜的差應(yīng)力較高,區(qū)域東北部的差應(yīng)力較低。在高差應(yīng)力區(qū)域布置井位時(shí),應(yīng)該考慮井漏、失穩(wěn)和套管損害等問題;在低差應(yīng)力區(qū)域布置井位時(shí),應(yīng)該考慮壓裂時(shí)儲(chǔ)層非均質(zhì)性的問題[17],根據(jù)差應(yīng)力分布特征,有針對(duì)性地做好預(yù)防措施,提高油氣開發(fā)的效率。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比Table 2 Inspection and comparison of horizontal principal stress numerical simulation results

進(jìn)一步分析了有斷層和無斷層的區(qū)域地應(yīng)力分布范圍,如圖6所示。從圖6中可以看出,如果不考慮斷層,最小水平主應(yīng)力主要分布在110～130 MPa,最大水平主應(yīng)力主要分布在150～180 MPa。然而,當(dāng)考慮斷層時(shí),最小水平主應(yīng)力中有19.2%的應(yīng)力值小于110 MPa,最大水平主應(yīng)力中有10%的應(yīng)力值小于150 MPa。這說明了斷層內(nèi)的地應(yīng)力發(fā)生了應(yīng)力釋放,導(dǎo)致區(qū)域水平主應(yīng)力分布更加分散。此外,斷層的存在使得最大水平主應(yīng)力中大于180 MPa的百分比從1.8%增加到7.6%,而最小水平主應(yīng)力中大于130 MPa的百分比從3.1%減少到1.2%,使得部分區(qū)域差應(yīng)力增大,而在鉆遇高差應(yīng)力區(qū)域時(shí)需要注意井壁失穩(wěn)等問題。

圖7為川西彭州地區(qū)雷四段地層的主應(yīng)力方向的分布特征。從圖7中可以看出,最小水平主應(yīng)力方向大致為近南北向,最大水平主應(yīng)力方向主要為近東西向。但是,受斷層影響,斷層區(qū)域的地應(yīng)力方向發(fā)生了較大程度的偏轉(zhuǎn),在斷層的端部和交匯點(diǎn)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn),在斷層中部偏轉(zhuǎn)程度較小;同時(shí)地應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)還受斷層走向的影響,斷層走向越接近地應(yīng)力方向,偏轉(zhuǎn)程度越小。

圖7 川西彭州地區(qū)雷四段地層水平主應(yīng)力方向Fig.7 Horizontal principal stress direction of Lei-4 Formation in Pengzhou Area, Western Sichuan

為了深入了解川西彭州地區(qū)雷四段地層應(yīng)力場分布特征,沿模型中部繪制了AB截線,如圖8所示,該截線貫穿了六條斷層,研究該截線上應(yīng)力值大小的變化特征,更能清晰認(rèn)識(shí)到斷層對(duì)地應(yīng)力值的影響規(guī)律。繪制了截線路徑上的主應(yīng)力分布,如圖9所示,在無斷層時(shí),應(yīng)力值主要受構(gòu)造的影響;當(dāng)存在斷層時(shí),區(qū)域整體的主應(yīng)力值受到了擾動(dòng),其中較為明顯的六條斷層對(duì)應(yīng)波谷,應(yīng)力值急劇降低。

圖8 川西彭州地區(qū)雷四段地層應(yīng)力在截線(A-B)Fig.8 Formation stress of Lei-4 Member in Pengzhou Area, West Sichuan, at Section (A-B)

3.3 井壁穩(wěn)定性分析

川西彭州地區(qū)雷四段儲(chǔ)層鉆探施工過程中井壁失穩(wěn)現(xiàn)象頻發(fā),嚴(yán)重影響了雷四段氣藏勘探開發(fā)進(jìn)度。因此,結(jié)合川西彭州地區(qū)雷四段地應(yīng)力分布特征,開展了井壁失穩(wěn)性分析。以研究區(qū)7-1D井為例,對(duì)該井井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。7-1D井位于構(gòu)造轉(zhuǎn)換端,裂縫發(fā)育明顯,鉆井液密度為1.45～1.55 g/cm3,遠(yuǎn)低于破裂壓力梯度2.3 MPa/100 m。根據(jù)地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果、巖石力學(xué)參數(shù),采用庫倫-摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則,得到坍塌壓力計(jì)算模型[19-20]為

(3)

(4)

式中:ρm為鉆井液密度,g/cm3;C為巖石內(nèi)聚力,MPa;φ為巖石內(nèi)摩擦角,(°);η為非線性校正系數(shù);Pp為地層壓力,MPa;α為biot系數(shù);H為井深,m;σH、σh分別為水平最大、最小主應(yīng)力,MPa。

圖9 川西彭州地區(qū)雷四段地層應(yīng)力在截線(A-B)上的 水平主應(yīng)力分布情況Fig.9 Horizontal principal stress distribution of Lei-4 Member stratum stress on section (A-B) in Pengzhou Area, West Sichuan

如圖10所示,PZ7-1D井鉆進(jìn)方位為34°,雷四段位置的井斜角為78.12°,根據(jù)上述坍塌壓力計(jì)算模型,結(jié)合地應(yīng)力模擬結(jié)果、巖石力學(xué)參數(shù),預(yù)測研究區(qū)雷四段坍塌壓力為1.4 MPa/100 m。該井位于裂縫發(fā)育部分,鉆井液沿裂縫流入地層,鉆井液浸泡巖石,使得井周巖石強(qiáng)度降低,地層坍塌壓力增大,超過了實(shí)際鉆井液密度,導(dǎo)致井壁失穩(wěn)坍塌。

根據(jù)PZ7-1D的鉆井施工報(bào)告,雷四段地層的坍塌壓力接近地層孔隙壓力,沿最大水平主應(yīng)力方向破裂壓力低,坍塌壓力高,井壁穩(wěn)定性最好,應(yīng)增加鉆井液封堵性能,減小鉆井液進(jìn)入地層。因此,開展川西彭州地區(qū)雷四段的地應(yīng)力分布規(guī)律研究,能為雷四段地層井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)意義。

圖10 PZ7-1井坍塌壓力隨井斜和方位變化圖Fig.10 Variation of collapse pressure of PZ7-1 well with well deviation and orientation

4 結(jié)論

(1)彭州地區(qū)雷四段地應(yīng)力分布受構(gòu)造位置和斷層控制,研究區(qū)西南部和背斜兩翼的應(yīng)力較高,而中部背斜核部的應(yīng)力較低;斷裂帶內(nèi)部巖石較為破碎,應(yīng)力得到釋放,應(yīng)力值最低;斷裂帶周圍的巖石出現(xiàn)明顯變形但未破碎,表現(xiàn)為應(yīng)力集中狀態(tài)。

(2)彭州地區(qū)雷四段最小水平主應(yīng)力為近南北向,最大水平主應(yīng)力為近東西向。斷層區(qū)域的地應(yīng)力方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn),在斷層端部和交匯點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)程度較大,在斷層中部偏轉(zhuǎn)程度較小,斷層走向越接近地應(yīng)力方向,應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)程度越小。

(3)結(jié)合地應(yīng)力預(yù)測結(jié)果和巖石力學(xué)參數(shù),對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),能及時(shí)采取預(yù)防措施來減少井下事故的發(fā)生,對(duì)鉆井施工具有重要的指導(dǎo)意義。