鄂爾多斯盆地合水地區長6 致密砂巖儲層現今地應力分布特征及其開發建議

劉 建 惠 晨 樊建明 呂文雅 王繼偉 尹 陳 王浩南

1. 中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院, 陜西 西安 710018;2. 中國石油大學 (北京) 地球科學學院, 北京 102249;3. 中國石油大學 (北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249

0 引言

空氣滲透率小于1 mD 的儲層被稱為致密儲層(鄒才能等, 2015), 致密油氣是繼頁巖氣之后全球非常規油氣勘探開發的新熱點 (賈承造等,2012)。 致密儲層物性差, 利用常規開采技術開發難度大, 針對該類儲層, 需采用大型壓裂改造進行投產, 而地應力對壓裂增產效果具有重要影響(張斌等, 2012), 同時, 地應力還影響致密油藏井網部署、 注水管理和壓裂改造方案等方面 (曾聯波, 2008; 萬曉龍等, 2009; 翁劍橋, 2020)。因此地應力的研究在致密油氣開發過程中扮演著十分重要的角色。

現今地應力主要由重力、 構造應力、 孔隙流體壓力和熱應力耦合而成 (廖新武等, 2015), 是多期構造作用和新構造活動共同影響而成 (張浩等, 2020)。 文中的地應力指現今地應力狀態, 通常泛指第四紀中更新世以來的地應力 (曾聯波和田崇魯, 1998)。 地應力的研究已經有上百年的歷史, 國內外學者在地應力測量和計算方面開展了大量的研究工作 (Fairhurst, 1964; Hast, 1969;Bell and Gough, 1979; 許忠淮, 1990), 提出了許多測量和計算地應力的方法。 每種方法都有其優缺點, 應根據實際情況選擇較合理的方法。 除此之外, 數值模擬也在地應力研究中被廣泛應用,應力場數值模擬開始于20 世紀中期, 隨著計算機技術的發展, 中國在20 世紀70 年代將該方法應用在地學領域 (張勝利, 2011)。 數值模擬常用的方法為離散元與有限元方法, 常用的軟件有Petrel,Ansys, PFC, FLAC, ABAQUS 等(毛哲等, 2018)。其中, 有限元數值模擬法具有很高的適應性, 可以模擬地質演化過程、 階段等, 對受力復雜、 加載特殊的模擬問題也可以實現 (權凱, 2014)。 由于三維地質建模復雜繁瑣 (劉愛華等, 2013), 目前大多學者進行二維應力場數值模擬, 但其只能展示平面的應力分布, 三維應力場數值模擬相比之下對空間的應力變化就有更好地展示, 但需要考慮的因素和參數也更多, 其精度主要取決于地質模型的建立和巖石力學參數的確定, 目前三維應力場數值模擬多存在將同一地層賦予相同的巖石物理參數, 對于層內存在透鏡體、 砂泥巖互層等現象, 無法體現單層內垂向上非均質性及平面非均質性對地應力的影響等問題 (劉愛華等,2013; 權凱, 2014; 劉洪濤等, 2016; 毛哲等,2018; 徐珂等, 2018)。

眾多學者從單井應力測量、 二維應力場數值模擬并結合生產動態等方面對鄂爾多斯盆地的地應力特征、 地應力的應用進行了研究 (周新桂等,2009; 杜瑋暄等, 2010; 徐磊, 2016)。 研究表明,由于鄂爾多斯盆地的構造變化較弱, 地應力方向的變化較弱; 同時, 水平最大主應力的方向與差應力的大小對壓裂縫的展布和復雜程度有很大的影響, 從而對壓裂生產有重要的影響。 總體來說,目前對鄂爾多斯盆地地應力分布規律研究以二維地應力數值模擬為主, 對地應力分布的影響因素研究較少, 同時對合水地區長6 致密儲層現今地應力研究工作開展較少, 缺少對該地層現今地應力分布的認識, 一定程度上制約了該地區井網部署及壓裂施工等工作的進程。

文章以鄂爾多斯盆地合水油田長6 致密砂巖儲層為研究對象, 在對單井地應力分析和區域地應力特點綜合分析的基礎上, 結合研究區實際構造特點、 沉積特點、 巖相特點建立三維非均質地質模型; 通過高溫高壓三軸巖石力學實驗和研究區壓裂施工的實際數據, 確定不同巖相的巖石物理參數, 建立符合研究區實際的三維力學模型; 利用Ansys 有限元數值模擬軟件開展三維現今應力場數值模擬。 以研究區實測的地應力為驗證依據,通過不斷調整模型和邊界條件, 進行反復模擬,得到研究區的地應力分布規律。 在此基礎上, 探討了研究區地應力分布的影響因素及地應力對研究區井網部署和壓裂施工的影響, 為致密油藏的高效開發提供地質依據。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地地處中國中部, 是一個疊合的克拉通盆地, 即中生代發育的盆地疊加在古生代盆地之上 (呂文雅等, 2020)。 自三疊系地層沉積以后, 該區中新生代構造應力場可以分為4 期, 分別為印支期、 燕山期、 喜馬拉雅期、 新構造期,其中, 新構造期為中更新世以來的構造應力場,即現今應力場。 該區以現今最大主應力為北東東—南西西方向擠壓和最小主應力方向為北北西—南南東方向拉張為主, 現今最大主應力方位約為NE70°—NE80°, 且隨著深度增加, 現今最大、 最小主應力呈線性增加 (曾聯波, 2008)。 研究區合水油田位于鄂爾多斯盆地的西南部 (圖1), 是三疊系延長組和侏羅系延安組兩個含油層組的疊合發育區。 構造上位于伊陜斜坡 (圖1), 總體為向西傾的單斜, 傾角不足1° (吳松濤等, 2015)。 三疊系延長組自下而上分為10 個油層組: 長10—長1。 研究區主要發育長10—長2 儲層 (鄧勝徽等,2018), 此次的研究主力層為三疊系延長組長6 油層, 屬于湖泊環境下的辮狀河三角洲前緣亞相沉積, 主要發育水下分流河道、 河口壩、 分流間灣和席狀砂微相 (白薷等, 2012)。 研究區長6 儲層巖性主要為灰色細—中粒巖屑長石砂巖夾泥巖、細—中粒長石巖屑砂巖和細—中粒長石砂巖等,平均孔隙度為8.47%, 平均滲透率為0.11 mD (鞠瑋等, 2014), 屬于典型的致密砂巖儲層。

圖1 研究區所處構造位置示意圖 (據趙向原等, 2015修改)Fig.1 Structural location of the study area (modified after Zhao et al. , 2015)

2 單井地應力特征

2.1 單井地應力方向

地應力方向對井網的部署具有重要影響, 判斷地應力方向的方法包括波速各向異性法、 差應變法、 井壁崩落法和微地震法等 (戴俊生等,2014)。 其中, 微地震監測人工裂縫技術常用于測試深部的地應力信息, 測試結果可以反映地下較大范圍的地應力信息 (圖2), 被認為是目前現今地應力測試的有效方法 (戴俊生等, 2016)。 根據研究區兩口井的微地震監測結果, 得到人工裂縫的延伸方向大致為NE70°—NE80°, 即可推斷水平最大主應力的方位為NE70°—NE80°。

2.2 實測單井地應力大小

單井地應力大小的測量方法有很多種, 包括水壓致裂法、 應力解除法、 聲發射法、 差應變法等 (景鋒等, 2008; 解東亮, 2013)。 其中, 水壓致裂法的應用十分普遍, 其顯著的優點為操作簡單、 原位測量、 測量深度可達數千米等 (鄔立等,2009; 朱琳琳等, 2018)。 利用水壓致裂法來判斷地應力的原理為: 在注水壓裂過程中, 壓裂段孔壁會出現裂隙, 停止注水后, 裂隙會立即停止延伸, 在地應力場作用下被高壓液體漲破的裂隙會趨于閉合, 把保持裂隙張開時的平衡壓力稱為瞬時關閉壓力, 它與垂直裂隙面的最小水平主應力大小相同 (李振剛等, 2018; 曹金鳳等, 2012;印興耀等, 2018), 由此可得到最小水平主應力的大小。

根據研究區3 口井的水力壓裂資料分析, 通過水力壓裂得到該井點長6 儲層的單井水平最大主應力值在34 ～37 MPa 之間, 平均值為35.29 MPa,水平最小主應力在27 ～32 MPa 之間, 平均值為29.33 MPa, 水平差應力在3 ～7 MPa 之間, 平均值為5.96 MPa (表1)。

圖2 研究區G1 井、 X1 井微地震監測示意圖Fig.2 DiagramofthemicroseismicmonitoringonthewellsG1andX1inthestudyarea

表1 水力壓裂法測得單井應力值Table 1 Values of the present-day in-situ stress in the single wells measured by the hydrofracturing method

3 應力場數值模擬及地應力分布規律

3.1 應力場三維有限元數值模擬

應力場數值模擬是研究構造應力場的一種重要手段, 包括了有限元法、 有限差分法、 邊界元法、 離散元法等 (李玉江等, 2009)。 其基本原理為: 將地質體離散成有限個連續的單元, 單元之間以結點相連, 用離散的結構模型去逼近實際的油氣儲層結構, 建立以結點位移或單元內力為未知量, 以整體剛度矩陣為系數的聯立方程組, 可求取各節點主應力值的大小和方向, 即儲層應力場(劉廣峰等, 2009)。 有限元數值模擬在其發展過程中由二維模擬發展到三維模擬, 相比較于二維模擬, 三維模擬能更好地體現區域地應力場在垂向上的特征。

為了明確研究區低滲透儲層地應力的空間特征, 文章利用Ansys 軟件對合水地區延長組長63-1小層進行了三維有限元數值模擬。 首先根據研究區實際構造特點、 沉積特點、 巖相特點建立三維非均質地質模型, 研究區發育湖泊環境下的辮狀河三角洲前緣亞相沉積 (白薷等, 2012), 主要發育水下分流河道和少部分分流間灣微相, 構造上研究區整體表現為一個西傾的單斜 (吳松濤等,2015), 構造變形較弱, 且無斷層, 因此研究區三維非均質地質模型主要體現在巖性和砂體厚度的差異上 (圖3), 在建立三維非均質地質模型的基礎上, 通過高溫高壓三軸巖石力學實驗和研究區壓裂施工的實際數據, 確定不同巖性及不同砂體厚度的巖石力學參數 (表2), 研究區的主要巖性為厚層細砂巖、 中層粉砂巖、 薄層粉砂質泥巖和泥巖, 其中, 對厚層細砂巖賦值泊松比0.28, 楊氏模量35.70 GPa; 中層細砂巖泊松比為0.30, 楊氏模量賦值為32.80 GPa; 薄層泥質粉砂巖/粉砂質泥巖賦值泊松比0.32, 楊氏模量30.00 GPa; 對泥巖賦值泊松比0.35, 楊氏模量28.00 GPa; 屬性賦值結束后建立適合研究區實際的三維巖石力學模型。

圖3 研究區巖性分布圖 (據長慶勘探開發研究院, 2020修改)Fig.3 Diagram of the lithologic distribution in the study area(modified after Petroleum Exploration and Production Research Institute of Changqing Oilfield Company, 2020)

表2 研究區巖石力學參數施加值Table 2 Assignment of values to rock mechanics parameters in the study area

在三維非均質地質模型和三維力學模型建立的基礎上, 對模型進行網格劃分, 得到三維有限元網格模型 (圖4)。 由震源機制解研究可得, 研究區水平最大主應力方向為北東東—南西西向(盛書中等, 2015), 同時結合單井地應力大小和方向的研究, 對三維力學模型施加邊界條件 (表3), 其中, 將水平最大主應力方向設為NE70°, 大小為36 MPa; 將最小水平主應力方向設為NW20°,大小為28 MPa; 垂向應力在鉛錘方向隨著深度的增加應力大小也會增加, 由于研究區為一向西傾的單斜, 構造變形及起伏較弱, 且巖性主要以細—粉砂巖為主, 因此對于垂向應力采用依照密度施加, 根據密度資料得到研究區巖石的平均密度為2.3 g/cm3。 在邊界條件施加完成之后, 利用Ansys 有限元數值模擬軟件開展三維現今應力場數值模擬。 以研究區實測的地應力為驗證依據, 通過不斷調整模型和邊界條件, 進行多次反復模擬,得到研究區的地應力分布規律。

圖4 研究區三維有限元網格模型Fig.4 Diagram of the 3D finite element mesh model of the study area

表3 邊界條件施加值Table 3 Assignment of values to boundary conditions

3.2 地應力的空間展布規律

通過三維應力場數值模擬, 得到研究區長63-1層的地應力分布圖 (圖5—圖7), 從模擬結果來看, 水平最大主應力范圍為34 ～42 MPa; 水平最小主應力范圍為25 ～36 MPa; 水平差應力范圍為3 ～10 MPa。 平面上水平最大、 最小主應力的高值主要分布在細砂巖區域, 而粉砂巖區域和粉砂質泥巖區域應力值較低, 研究區邊緣泥巖區域應力值最低。 垂向上呈現出與平面上較一致的規律,在厚度較大的細砂巖區域, 水平最大主應力值較高, 而在厚度小的細砂巖和薄層的粉砂質泥巖及泥巖區域, 應力值降低。 將模擬結果與壓裂所得的N1 井、 N2 井和Z1 井的地應力結果進行對比(表4), 結果表明誤差在10.00%以內, 說明模擬的可信度相對較可好。

表4 長63-1 層單井應力測量值與應力場數值模擬值對比表Table 4 Comparison of the simulation results and the measured values of the stress field in the Chang 63-1 Formation

圖5 長63-1 層最大水平主應力分布圖Fig.5 Distribution diagram of the maximum horizontal principle stress in the Chang 63-1 Formation

圖6 長63-1 層最小水平主應力分布圖Fig.6 Distribution diagram of the minimum horizontal principle stress in the Chang 63-1 Formation

圖7 長63-1 層水平差應力分布圖Fig.7 Distribution diagram of the horizontal differential stress in the Chang 63-1 Formation

一般來說, 地應力分布主要受三個因素的影響: 一是構造格架, 包括斷層產狀和地層厚度變化; 二是區域應力場; 三是巖石物理力學性質(譚成軒等, 2006); 由于研究區構造變形較弱,斷層不發育, 構造格架對現今地應力的影響并不大。 主要影響研究區現今地應力分布的因素為巖性與砂體厚度。 巖性對地應力的影響主要體現在巖石的礦物組分、 結構及膠結程度等方面。 其中,細砂巖主要為厚層、 中層發育, 泥質粉砂巖/粉砂質泥巖為薄層發育。 由于巖性的不同, 其巖石力學性質也不同, 主要表現為細砂巖的楊氏模量值最大, 泊松比最小, 而泥巖的楊氏模量最小, 泊松比最大, 進而造成了研究區現今地應力分布的差異, 結果顯示為細砂巖區域應力值都高于粉砂巖、 粉砂質泥巖及泥巖區。 這表明影響研究區地應力分布的主要因素為巖性, 高強度的巖石較低強度的巖石應力值高。

4 開發建議

在低滲透儲層壓裂施工過程中, 地應力對體積壓裂的影響主要體現在: ①最大主應力方向影響了單一壓裂縫的延伸方向和長度 (張志強等,2016); ②水平差應力大小是壓裂的關鍵因素, 其值較小時, 才能形成復雜的縫網, 否則易形成延伸方向與最大主應力方向一致的單一壓裂縫 (徐珂等, 2018)。 因此, 結合研究區布井情況分析,Z1 井、 Z2 井、 N5 井所處位置的水平差應力大致在2 ～4 MPa, 對這幾口井進行體積壓裂更容易形成復雜的縫網, 而N1 井、 N6 井所處位置水平差應力較高, 為8 ～10 MPa, 更容易形成單一的壓裂縫, 這些單一的壓裂縫延伸的方向受到水平最大主應力方向的控制, 推斷其大致朝著NE70°的方向延伸。 但同時, 壓裂縫的延伸也受到天然裂縫的影響, 因此在布井時, 也要考慮到研究區天然裂縫的發育情況。

另一方面, 在水平應力差相等的情況下, 所處地區的水平最大應力值越低, 壓裂縫形成所需的起裂壓力就越低 (張來功, 2016); 因此為盡可能地降低開發成本, 在差應力相等的區域, 油氣工業井一般部署在應力值低的地方。 如N7 井與N1井所在地區, 差應力大致相等, 而N1 井所在地區的最大主應力值較低, 因此開發成本相對N7 井較低一些。

5 結論

(1) 根據井下微地震監測分析表明, 研究區水平最大主應力的優勢方向為NE70°—NE80°。

(2) 通過應力場三維數值模擬得到, 水平最大、 最小主應力的高值主要分布在研究區的中部,即砂巖區域, 而研究區邊緣區為泥巖區域, 應力值較低, 也證明了研究區的應力分布主要受巖石力學性質的影響。

(3) 在差應力相等的區域, 盡量選擇水平最大主應力值低的地區, 其所需起裂壓力較低, 可以一定程度上降低開發成本。

(4) 在實際進行布井時, 不僅需要考慮現今地應力的方向和大小, 同時要結合研究區天然裂縫的發育情況綜合考慮。