三維地應力建模新技術在長寧深層頁巖氣區塊的應用

李卓沛，聶 舟，井 翠，方 健，王子洪, 單 巍

(1中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院 2四川長寧天然氣開發有限責任公司 3中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院 4安東石油技術(集團)有限公司 5中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司)

頁巖氣勘探開發主要采用地質工程一體化研究思路，而地應力是地質工程一體化研究思路中的重要考慮因素[1-3]。油氣井資料較為豐富，通過井資料建立地應力模型較為容易實現，然而，由于井間僅有地震數據可供參考，給三維地應力研究帶來很大挑戰。盡管前人在建立三維地應力模型方面做了大量嘗試[4-7]，但很多研究認識還不能真正意義上轉化為可供頁巖氣借鑒的成果，主要存在以下兩個方面的問題：

(1)頁巖氣井通常采用“水平井+分段壓裂”工藝實現經濟開采，對井間橫向應力規律描述要求高，這要求充分利用地震資料，但傳統的有限元方法由于方法本身的限制，在利用地震數據對井間地應力預測時存在一定困難。

(2)傳統三維地應力建模技術利用資料類型不夠豐富，難以將有限元理論與地質、地球物理、鉆井、壓裂、室內巖心測試等數據進行融合分析。

本文提出了一種新的三維地應力建模技術，采用該技術可以有效解決上述兩方面問題，同時，通過長寧氣田深層頁巖氣實際數據證實，該技術能夠很好的應用于頁巖氣三維地應力研究工作，對頁巖氣產量的提高具有重要的研究意義。

一、三維地應力建模新方法

三維地應力建模新方法，以單井地應力模型為基礎，綜合考慮密度積分、欠壓實作用、有效應力比及巖性建模等相關理論和方法，獲取描述三維地應力及巖石力學模型的各個要素。描述三維地應力模型的參數與傳統描述單井地應力模型的參數[8]相同。獲取描述三維地應力的模型參數，首先需要做的準備工作是建立研究區單井地應力模型和三維地質模型(構造模型、巖相模型)，由于前人對單井地應力模型[9-10]和地質模型[11-12]的獲取方法討論較多，在此不再贅述。然后以構造及巖相模型為三維地應力建模提供模型邊界及屬性約束，以單井地應力模型為三維地應力建模提供數據分析基礎及檢驗依據，借助地震反演、地質統計學、有限元等相關理論，建立三維空間的地應力模型。

各模型參數的獲取方法具體如下：

(1)上覆地層壓力模型。首先，根據測井資料擬合出Gardner系數，應用地震層速度數據并借助Gardner公式求取密度;然后，再用測井密度校正地震密度;最后，進行地震密度反演得到密度數據體，根據三維體密度垂向積分原理，獲取上覆巖層壓力。

(2)地層孔隙壓力模型。首先，通過疊前或疊后高精度反演，得到精確的層速度體；然后，在單井孔隙壓力預測的基礎上，以層速度為核心，結合地震反演得到的上覆巖層壓力，使用Eaton法實現三維孔隙壓力的預測。三維孔隙壓力預測的精度取決于速度的精確度。

(3)最大水平主應力和最小水平主應力模型。由于三維水平主應力模型獲取難度較高，可以采用簡易實用的有效應力比值原理計算水平主應力。

(4)巖石力學參數模型。巖石力學參數一般可通過室內測試方法獲取且具有較高的精度保障，但是，室內測試方法也存在諸如測試點少、數據離散、成本高等缺點，對于直接應用于指導現場設計或施工具有較大的局限性。由于井間資料類型少，巖石力學參數橫向變化不確定性較大，考慮到巖石力學參數主要受控于巖相因素，可以通過借助測井和地震資料，進行室內測試結果約束下的力學建模工作。主要包括三個步驟：

(1)依據測井資料和室內巖心測試資料實現不同巖石力學參數計算模型的優選。

(2)利用地震資料進行高分辨率地質統計學反演約束下的精細巖相建模。

(3)通過區分巖相計算巖石力學參數并進行模型參數表征，如單軸抗壓強度、楊氏模量、泊松比、脆性指數等。

二、應用實例

1. 工區概況

長寧區塊寧209井區構造如圖1。寧209井區主要產氣層為深層龍馬溪組的優質頁巖段，包括龍一1亞段a、b、c、d小層及五峰組，小層厚度較薄，最薄層段為1.8 m，層間厚度變化較快。從前期鉆井、生產情況可以初步認識到，研究區井間具有明顯的應力差異，但由于研究區缺少精細化的地應力模型，導致對地應力的空間展布情況認識不清楚，對井間應力差異的判斷缺乏依據，影響儲層改造效果。有利條件是研究區擁有豐富的地質、地震、測井、鉆井、壓裂、測試等資料可供分析。將三維地應力建模新方法應用于寧209井區精細化地應力模型建立工作，重點對寧209井區優質頁巖地應力展布進行了描述，同時也對寧209井和寧201井的地應力差異進行分析。

圖1 寧209井區龍馬溪組底面構造圖

2. 模擬結果分析

考慮頁巖氣壓裂生產需求，重點提取了寧209井區優質頁巖地層孔隙壓力、最小水平主應力，水平應力差異、脆性指數，同時進行了區域特征分析。總體認為，研究區地應力參數具有以下特征：

(1)地層孔隙壓力方面，全區壓力系數一般不低于1.40，最高可以達到2.00以上，這與該區頁巖氣自生自儲，優質頁巖總體處于異常高壓地層環境下相一致。同時，斷層切割地層對地層壓力有一定影響，比較而言，向斜中部和西部壓力系數相對較高，西部寧201井最高可以達到2.03。

(2)最小水平主應力方面，有自向斜中部向南北兩翼逐漸減弱的趨勢，中部最高可達80 MPa以上，而兩翼最小水平主應力一般在50～70 MPa，寧209井應力明顯要高于北翼的寧203井和寧213井，此外，西部的寧201井也具有較高的最小水平主應力。

(3)水平應力差方面，大部分區域低于20 MPa，一般在15 MPa附近，有利于壓裂時多縫的形成。以寧203井附近的北部地區，水平應力差較大，最大可達27 MPa，可能會影響壓裂時的儲層改造效果。

(4)脆性指數方面，全區分布基本在0.40～0.60之間，總體中等偏高，比較而言，向斜中部及東北部脆性條件更好，脆性指數大多在0.50以上，更為有利于壓裂時形成復雜縫網。

提取過寧203井和寧209井連井剖面，清晰直觀展示寧203井區與寧209井區龍馬溪組地應力的差異。分析可知，寧203和寧209兩口井龍馬溪組地層孔隙壓力縱向規律較為相近，由淺層向深層逐漸變大，優質頁巖存在異常高壓且壓力系數基本在1.60～2.00之間(圖2)。然而，與寧203井區相比，寧209井區最小水平主應力和水平應力差均偏高(圖3、圖4)，分析與區域構造橫向變化大、寧209井區構造埋深較大有關。

3． 三維模型質控

為了驗證三維地應力模型的可靠性，前期采用寧201、寧203和寧209井并結合區域地質地球物理資料建立了三維模型，然后采用未參與三維地應力建模的寧213井對三維模型進行了可靠性驗證，具體方法是:在三維模型中沿寧213井軌跡抽取地層孔隙壓力和最小水平主應力，與寧213井測井分析地應力結果進行比較，由圖5和圖6可知，三維模型與單井分析結果具有較高的符合度，總體而言，地層孔隙壓力和最小水平主應力的平均誤差均不會超過5%。

圖2 過寧203和寧209井地層孔隙壓力剖面圖

圖3 過寧203和寧209井最小水平主應力剖面圖

圖4 過寧203和寧209井水平應力差剖面圖

4． 應用效果分析

研究區內長寧H26平臺有4口井，長寧H26-3井為其南半支中的一口，目的層為龍馬溪組優質頁巖段。采用三維地應力建模新技術指導該井支撐劑性能等級選擇及壓裂分段設計，從三維最小水平主應力模型中沿長寧H26-3井鉆井軌跡提取優質頁巖段最小水平主應力并分析特征，總體認為，最小水平主應力變化不大，為50～55 MPa，按照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》中對支撐劑性能的要求，選擇支撐劑性能等級應不低于應力52 MPa的支撐劑。另外，考慮優質頁巖段最小水平主應力變化不大，按照等間距設計壓裂分段，結合水平段巷道位置、儲層參數、裂縫特征、工程因素等綜合考慮，最終設計壓裂段長1 551 m，壓裂段數23段，平均每段段長67.45 m。

圖5 寧213井三維模型提取地層孔隙壓力與測井分析結果對比圖

圖6 寧213井三維模型提取最小水平主應力與測井分析結果對比圖

圖7 長寧H26-3井龍馬溪組排液曲線

長寧H26-3井實際壓裂18段(設計中有5段因發生套管變形未壓裂)，實際壓裂段長1 217 m，累計壓裂液量33 609 m3，平均日產氣量達到40.01×104m3(圖7)，改造后比同平臺其它井日產氣量提高31%以上。

三、結論

(1)提出描述三維地應力模型的三維地應力建模新方法，以單井地應力模型為基礎，綜合考慮密度積分、欠壓實作用、有效應力比及巖性建模等相關理論和方法。

(2)通過三維地應力建模，獲得了壓裂工程中最為關心的地層孔隙壓力、最小水平主應力、水平應力差異、脆性指數等參數，為壓裂工程服務提供有效基礎支撐。

(3)通過寧209井區研究實例，證實了三維地應力建模方法在頁巖氣地應力建模研究中能夠得到很好的應用。