洛带蓬莱镇组地应力特征及压裂应用研究

刘其明 黄建智

（1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院，四川 德阳 618000；2.中国石油青海油田井下作业公司测试队，青海 海西州 816400）

0 引言

洛带气田蓬莱镇组储层致密，孔隙度平均为11.2%，渗透率平均为2.0×10-3μm2，自然产能低，需通过水力压裂改造才能获得工业产能，但压后评估发现效果差别较大；由于地应力特征影响着水力压裂施工所产生的裂缝产状等参数，在压裂液及支撑剂的选择上也需考虑地应力特征，因此，要科学、合理、高效开发该气藏，实施合理的水力压裂增产措施，开展地应力特征研究是十分必要的。

1 地应力剖面的建立

实验方法测定地应力，测量数量有限，不能得到连续的地应力剖面，而测井资料具有连续性好，分辨率高的特点，通过测井资料可以获得连续的地应力剖面。目前计算地应力剖面常用的模型有黄氏模型和弹簧组合模型［1］。黄氏模型即：

β1和β2为系数，在同一构造为常数，该模式多适用于构造平缓地区。

弹簧组合模型是在分析黄氏模式存在不足的基础上，假设岩石为均质、各向同性的线弹性体，并假定在沉积和后期地质构造运动过程中，地层和地层之间不发生相对位移，所有地层两水平方向的应变均为常数。由广义虎克定律得到：

式中，εH、εh分别为最大、最小水平地应力方向的应变，在同一构造为常数；E、μ分别为岩石的弹性模量和泊松比。当不同岩层发生相同应变时，最大和最小水平应力均随弹性模量的增大而增大，该模型主要适用于构造变形强的地区。

垂向地应力是由上覆地层重力引起的，它是随着地层密度和深度而变化的，因此可用密度测井资料来求出垂向地应力：

式中，g 为重力加速度，m／s2；ΔDi为第i段地层厚度，m；ρi为密度测井曲线上第i段的平均体积密度，g／cm3。

参数的确定：弹性模量和泊松比是将大量岩心实验成果在测井数据上标定、交汇建立关系式，然后通过关系式利用测井数据建立弹性模量和泊松比连续剖面。εH、εh是将地应力实验或水力压裂资料确定的地应力大小代入弹簧组合模型反算获得的。

2 地应力剖面特征

对地应力剖面分析发现，由于储层段与上下围岩相对致密程度的不同，导致储层段与上下围岩地应力大小关系各异。根据储层与上下围岩关系可以将洛带气田蓬莱镇组地应力剖面分为3 类：高低高型、高低低型、低高低型。

2.1 高低高型

该类型剖面特征表现为储层处于低应力段，上下围岩地应力明显大于储层段，一般差值在3～5 MPa 以上。如龙40 井JP23储层段最小水平主应力在10 MPa左右，上部围岩（721～7 724 m）最小水平主应力在15～18 MPa 左右，下部围岩（738～741 m）最小水平主应力在15～25 MPa 左右，储层段最小水平主应力比上下围岩地应力低5～8 MPa，应力差值较大（图1）。

2.2 高低低型

该类剖面特征是储层处于相对低应力段，上部围岩地应力大于储层段，下部围岩地应力比储层段小或相近。如龙1 井JP23储层段最小水平主应力在7～9 MPa 左右，上部围岩最小水平主应力为15～20 MPa，比储层段高8 MPa以上，下部围岩最小水平主应力在3～8 MPa 左右，储层段和下部围岩应力大小差不多（图2）。

2.3 低高低型

特点为储层处于相对高应力段，上下围岩地应力明显小于储层段。如龙10井JP34储层段地应力比上下围岩高6 MPa 以上（图3），储层段最小水平地应力在24～30 MPa 左右，上下围岩最小水平地应力在18～24 MPa左右，储层段地应力比围岩段高。

图1 龙40井地应力剖面图

图2 龙1井地应力剖面图

图3 龙10井地应力剖面图

3 地应力在压裂中的应用

3.1 支撑剂的选择

在水力压裂设计中，应根据单井应力情况选用相应的支撑剂，在满足承压能力的同时结合成本以达到优化设计目的，提高油气层改造的经济效益。支撑剂所承受的压力与最小水平主应力之间有如下关系：

式中，pa为支撑剂所受的压力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；pwf为井底流动压力，MPa。

统计蓬莱镇组主要目的层最小水平主应力发现，蓬莱镇组储层地应力分布在10～30 MPa 之间，且随埋深增加而增大，在JP33及以上储层最小水平主应力值小于27 MPa。根据石英砂受力破碎实验，在小于27 MPa 条件下破碎率小于7%［2］，可用于最小主应力小于27 MPa 的储层，由于石英砂较陶粒便宜得多，因此，JP33及以上储层改造可选用石英砂作支撑剂，以降低施工成本，之下储层可选低密度陶粒。

3.2 预测裂缝高度

洛带蓬莱镇组只极少数应力状态为垂向应力最小，水力压裂缝多为垂直缝，压裂缝高主要与围岩性质、围岩与储层应力差、储层厚度、压裂施工工艺、规模等因素有关。根据周文教授的研究成果，气层与围岩应力差值在5 MPa 以上、围岩厚度在5 m以上的稳定隔层时，压裂缝高度能有效控制，压裂缝的穿层性弱［3］。据此，可根据洛带气田蓬莱镇组不同应力剖面模型预测裂缝高度，为施工优化设计提供基础数据。

高低高型储层段应力明显比上下围岩低，只要厚度超过5 m，压裂缝主要在储层内延伸，压裂高度小于或等于储层厚度；高低低型由于上部围岩应力高，无法向上延伸，但向下延伸较大，直到高应力段，裂缝不全在储层段，缝高较大。低高低型气层一般很难压开，裂缝主要在围岩中延伸，所产生的裂缝缝高很高，必定穿过所有低应力区，当达到大于该油层的高应力值后，缝高才能停止增长。

3.3 优选压裂层位

气层压裂效果除与气层厚度、含气性、施工技术因素有关外，还与地应力剖面类型有很大关系。根据对储层改造后的测试成果分析发现，测试获得高产的气层地应力剖面均表现为高低高型，这是因为压裂缝高度得到有效控制，支撑剂全在油气层内，导流能力强，产量高，压裂效果最好。

高低低型气层因上部围岩应力高，压裂缝向上受限，但裂缝在下部围岩低应力段扩展，裂高增大，部分支撑剂进入围岩中，降低导流能力，压裂效果较差，压后测试产能多在几千立方米。

低高低型气层难以压开，要想压开需要进行大排量、高泵压、大功率的大规模压裂施工，所产生的裂缝缝高很高，支撑剂多在围岩中，导流能力差，压裂效果也差，洛带蓬莱镇组压后未获得产量的井层多表现为这类剖面。

总之，地应力剖面类型对压裂效果影响较大，高低高型剖面由于能够有效控制压裂缝高度，支撑剂全在油气层内，导流能力强，改造后的效果较好，建议优选这类剖面气层进行储层改造。

4 结论与建议

1）洛带气田蓬莱镇组地应力剖面有3 种类型：高低高型、高低低型、低高低型，其中高低高型因围岩应力明显大于储层段，压裂缝高度得以有效控制，改造后的效果好，建议优选该类剖面气层进行压裂改造。

2）洛带蓬莱镇组地应力大小随埋深增加而增大，在JP33及以上储层最小水平主应力值小于27 MPa，为降低施工成本，可选用石英砂作支撑剂。

［1］胡湘，高德利.油气井工程［M］.北京：中国石化出版社，2003：85-113.

［2］甘振维，王世泽，任山.致密砂岩气藏储层改造技术［M］.北京：中国石化出版社，2012：90-98.

［3］周文，闫长辉，王世泽.油气藏现今地应力场评价方法及应用［M］.北京：地质出版社，2007：131-139.