川南瀘州區塊五峰-龍馬溪組現今地應力特征與頁巖氣開發

劉鈺洋, 鞠瑋, 熊偉, 郭為, 寧衛科, 于國棟, 梁孝柏, 李永康

(1. 中國石油天然氣股份有限公司勘探開發研究院, 北京 100083; 2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室, 徐州 221008;3.中國礦業大學資源與地球科學學院, 徐州 221116)

隨著油氣勘探開發的深入進行和技術的不斷進步發展,頁巖油氣已在全球能源結構中占據重要地位,開發前景巨大[1-2]。四川盆地及周緣頁巖氣資源豐富,是中國海相頁巖氣勘探開發的主戰場,目前已成功在長寧、威遠、涪陵、瀘州等區塊實現商業性頁巖氣開發[3-5]。川南頁巖氣田探明儲量為1.19×1012m3,是中國首個萬億立方米儲量的頁巖氣田。近年來,隨著勘探開發的深入,川南頁巖氣向深層領域拓展,并不斷獲得產量突破[3,6]。截至2021年底,川南深層頁巖氣的日產規模超過5×106m3,且增儲上產迅速。瀘州區塊瀘203井的頁巖氣日產量高達1.379×106m3,成為中國首口單井測試日產量超過百萬立方米的頁巖氣井[4]。

盡管如此,當前深層頁巖氣勘探開發仍面臨諸多挑戰：深層構造條件復雜、地應力差異較高、可壓性較差、氣藏滲流規律復雜、儲層孔隙類型多樣、存在井壁垮塌等[7-8]。深層頁巖氣商業化開發通常需要水平鉆井與多級大型水力壓裂技術,壓裂效果取決于天然裂縫和水力裂縫形成的縫網程度,現今地應力場是其關鍵控制因素[9]。地應力控制水力裂縫的起裂和擴展[10],最小主應力主要決定裂縫起裂的位置,最大主應力決定裂縫擴展方向。高剪切應力容易造成井壁穩定性、套管變形等系列問題[11]。截至2022年底,川南瀘州區塊完鉆217口井,完成壓裂129口,其中套管變形井104口(包括未壓先變井35口)。從儲層地質力學角度,現今地應力場、天然裂縫的發育分布是導致套管變形的重要因素,頁巖氣儲層強非均質分布的現今地應力方向和大小尤為關鍵。此外,最佳井軌跡的確定也有必要考慮現今地應力狀態。

為此,綜合利用常規/成像測井、鉆井巖芯等資料,分析瀘州區塊五峰組-龍馬溪組深層頁巖氣儲層現今地應力狀態,并探討在其影響下的天然裂縫活動性,以期對套管變形和深層頁巖氣效益開發提供新的地質參考。

1 地質背景

川南地區是南方海相頁巖氣勘探開發的重點區域,東邊界為齊岳山基底斷裂帶,西邊界為華鎣山隱伏基底斷裂帶。區內褶皺變形強烈,斷層發育,呈現為典型的帚狀構造,東北部褶皺變形程度較強,向西南逐漸發散[12-13]。瀘州區塊整體以寬緩向斜和低陡斜坡為主[8]。

2 瀘州區塊現今地應力場特征

2.1 現今地應力方向特征

現今地應力方向可借助于井眼崩落、鉆井誘導縫、天然地震震源機制解、實驗以及數值模擬等方法確定[15-17]。在鉆井過程中,當地應力差大于巖石的抗壓強度時,井眼發生崩落(borehole breakouts, BOs),井眼崩落橢圓的長軸與水平最小主應力方向平行,而鉆井液重量與井孔壓力之間的差異可以誘導井壁破壞形成鉆井誘導縫(drilling-induced fractures, DIFs),其走向方位一般指示水平最大主應力方向[2,15-16,18-20],如圖2[20]所示。

SHmax為水平最大主應力;Shmin為水平最小主應力

本次研究主要通過成像測井資料拾取井眼崩落和鉆井誘導縫方位信息(圖3),借助其與現今地應力方向之間的關系,分析瀘州區塊五峰-龍馬溪組現今地應力方向特征。結果顯示：瀘州區塊現今地應力方向SHmax呈現為WNW-ESE的優勢方位,且在不同井區,受斷層等局部構造的影響表現輕微轉向(圖4)。

BOs為井眼崩落;DIFs為鉆井誘導縫

圖4 川南瀘州區塊五峰-龍馬溪組現今地應力(SHmax)優勢方位圖

2.2 現今地應力剖面

現今地應力值可通過現場測量、實驗測試、測井計算、數值模擬等方法獲取[2,16,18,21]。受現場以及樣品條件限制,規模性測量測試并不現實,且結果也僅局限于離散深度點。借助經驗模型,采用測井資料進行計算預測是獲取深度域連續地應力分布的重要方法,常用的模型包括：組合彈簧模型、雙軸應變模型、Anderson模型等[16,18]。

本次研究采用組合彈簧模型[式(1)和式(2)]進行水平最大和水平最小主應力的計算,在此基礎上構建研究區五峰組-龍一14小層現今地應力剖面。

(1)

(2)

式中：E為巖石彈性模量,GPa;po為儲層壓力,MPa;SHmax為水平最大主應力,MPa;Shmin為水平最小主應力,MPa;Sv為垂向主應力,MPa;α為Biot系數,無量綱;εh為水平最小主應變系數,無量綱;εH為水平最大主應變系數,無量綱;ν為巖石泊松比,無量綱。

在實測地應力數據約束下,反推式(1)和式(2)中水平最大主應變系數εH=1.02和最小主應變系數εh=0.60,進而構建適用于川南瀘州區塊五峰-龍馬溪組的地應力剖面模型。

垂向主應力主要通過密度測井深度積分的方式計算,在近地表段,由于密度測井曲線通常無法獲取,采用經驗梯度23 000 Pa/m估算。

利用上述方法計算瀘州區塊五峰組-龍馬溪組現今地應力,結果顯示：SHmax主要在95～110 MPa范圍,Shmin主要在85～100 MPa范圍,Sv主要在90～105 MPa范圍,整體上呈現SHmax>Sv>Shmin的大小關系(圖5)。

GR為自然伽馬,單位：API

根據SHmax、Sv和Shmin的大小關系,文獻[22-23]將地層中地應力狀態分為3種類型,分別為：①逆斷型地應力機制,SHmax>Shmin>Sv;②走滑型地應力機制,SHmax>Sv>Shmin;③正斷型地應力機制,Sv>SHmax>Shmin。

根據上述研究結果可知,川南瀘州區塊五峰-龍馬溪組頁巖氣儲層現今地應力主要呈現走滑型地應力機制。

3 頁巖氣開發的現今地應力控制效應

3.1 現今地應力控制下的天然裂縫活動性

天然裂縫是頁巖氣重要的儲集空間和滲流通道[24-25]。裂縫是巖石內部的先存薄弱部位,在頁巖氣開發過程中,天然裂縫受到現今地應力和注水壓力的影響而呈現不同的活動性[2,26-29]。本次研究基于庫倫-納維葉準則,量化分析天然裂縫在現今地應力狀態下的活動性。以瀘X4井為例,該井五峰-龍馬溪組裂縫在現今地應力場條件下均不活動;當注入壓力增量為18 MPa時,先存天然裂縫被激活,其油氣運移通道的作用得以體現;在達到28 MPa時,幾乎所有天然裂縫均被活化(圖6)。依照上述方法分析瀘州地區單井五峰-龍馬溪組天然裂縫活動性,其壓力增量的臨界值介于15～23 MPa。

圖解為下半球投影,不同顏色的點表示天然裂縫的活動性,其中,黑點表示裂縫未活動,白點表示裂縫被激活;SG表示比重的概念,是相對于4 ℃條件下的一個比值

3.2 現今地應力對壓裂改造的影響

水平主應力差是壓裂設計時的重要參數,控制著壓裂改造體積的大小。通常低水平主應力差形成復雜壓裂縫網和較大的改造體積[16,28,30],是開展壓裂改造的工程甜點區[9]。本次研究在瀘州區塊五峰-龍馬溪組現今地應力剖面構建基礎上,針對五峰組和龍一11小層頁巖氣開發主力層系,其水平主應力差分別介于11.90～15.76 MPa和11.80～16.75 MPa(圖7),其值整體較小。另外,基于Anderson理論分析,在瀘州區塊五峰-龍馬溪組走滑型現今地應力機制條件下,壓裂后主要形成垂向延伸的裂縫系統。

圖7 瀘州區塊五峰組和龍一11小層水平主應力差統計圖

4 結論

通過量化分析川南瀘州區塊五峰-龍馬溪組頁巖氣儲層現今地應力特征,并揭示其對頁巖氣開發的影響與控制,得出如下主要結論。

(1)瀘州區塊頁巖氣儲層現今地應力優勢方位為WNW-ESE優勢方位,受斷層等局部構造的影響,不同井區呈現輕微轉向。

(2)瀘州區塊五峰-龍馬溪組頁巖氣儲層水平最大SHmax和最小Shmin主應力主要在95～110 MPa和85～100 MPa范圍,呈現SHmax>Sv>Shmin的大小關系,為走滑型地應力機制;五峰組和龍一11小層水平主應力差分別介于11.90～15.76 MPa和11.80～16.75 MPa范圍,其值相對較小,有利于壓裂改造形成復雜縫網,壓裂后主要形成垂向延伸的裂縫系統。

(3)瀘州區塊五峰-龍馬溪組天然裂縫在現今地應力場條件下均不活動,為無效裂縫,其被激活的壓力增量臨界值介于15～23 MPa。