地应力在油气勘探开发中的应用

马睿

摘 要：随着油气勘探开发技术的日趋成熟以及对地应力研究认识的逐渐深入，人们发现在油气勘探开发过程中众多的问题都与地应力有着密切的关系，油气勘探开发对地应力研究的需求也越来越大，但地应力在油气勘探开发过程中的应用仍不够广泛和深入。该文通过介绍地应力的研究现状以及在油田勘探开发中的应用，主要阐述了地应力在油田勘探开发过程中对注采井网部署、压裂设计优化、油气富集区域预测等方面的影响，以此说明地应力在油田勘探开发过程中的重要性。

关键词：地应力 井网 压裂 油气富集

中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0055-02

地应力是存在于地壳中的天然应力，在油田开发过程中，地应力的大小及其变化是控制着油气富集区域的分布、储层裂缝的展布、地层破裂压力、坍塌压力等多项参数的重要因素之一，也是油气勘探开发过程中方案制定和工程设计必不可少的依据。因此，在油藏整个开发过程地应力都具有着极其重要的作用。

1 研究现状

地应力的研究距今已有百余年历史，研究范围涉及地质、矿山、地震、冶金、铁路、建筑、水利水电及石油、天然气等方面。随着地应力在各行各业广泛的应用研究，地应力的测量方法与技术也得到不断的改进与发展。在石油工业方面，地应力的测量技术始于60-70年代，到目前已广泛应用于石油工程的多个领域。在开发井网的布置、钻井过程井壁的稳定性分析、地层破裂压力的预测、定向井及水平井井身轨迹的设计与控制、油层改造措施中裂缝的方位与几何尺寸的预侧、油水井套管损坏的预测及预防、油水井防砂等方面有着重要的应用[1]。

2 地应力在油气勘探开发中的应用

随着地应力研究的深入，人们发现在油气勘探开发过程中，地应力对采注井网的布置、注水开发设计、油气富集区预测、射孔方案确定、油井压裂设计、开采过程中油井出砂问题、钻井套管的变形问题、井壁的稳定性等方面都有重要影响[2]。因此在油气勘探开发过程中对地应力进行研究，对提高油田采收率、少打评价井节省投资以及实现油田可持续发展都具有重要意义。

2.1 井网优化布置

对于一个油田来说，特别是新开发的低渗油田，研究地应力场对于井网的合理布置十分重要。通常在相对均质的油藏中，一般渗透率高且各向差异不大，油藏向井筒渗流的等压线是圆形的，正方形井网即可满足油田开发。但是，在低渗透油藏中，渗透率低且各向差异较大，油藏向井筒渗流的等压线是椭圆形，此时沿最大水平应力主方向上只有采用矩形井网才能满足油田开发。在矩形井网中，矩形长宽比可简化为最大与最小主渗透率比值。多数情况下，也可用最大与最小水平主应力值之比。

当井距最小时，在最大水平主应力方向上，一般会出现两种油水井排列方式：相间排列和不相间排列。油水井相间排列时，注水开发中一般会出现注入水沿天然裂缝和水力裂缝突进，造成油井暴性水淹。而不相间排列时，注入水将缓慢推进，波及体积大，采收率高，注水开发效果好。由此可见，当井距较小时，在最大水平主应力方向上，油水井应采用不相间排列。而当油水井相间排列，油水井连线与最大水平主应力方向平行时，则需要加大井距。

在油田开发中砂岩油藏最常采用五点法和反九点法井网，五点法井网注水系统的注采强度和采油速度都高于反九点法，但油田开发初期井网系统的选择还需考虑到开发后期的井网调整，反九点法井网相比五点法井网又具有较高的灵活性。以五点法井网开发油田，注水井排与最大渗透率方向，即最大主应力方向夹角为0°情况下，开发效果最好，见水时间晚，波及系数高，45°时效果最差。以七点法井网开发油田，注水井排与最大水平主应力方向夹角0°最佳，22.5°最差。以反九点法井网开发油田，注水井排与最大水平主应力方向夹角45°最佳，0°最差。在油田实际开发过程中，注采井网的选择以及布置方式需要考虑油藏类型、砂体走向、地应力分布状态等具体情况[3]。

2.2 油层压裂设计

油层压裂是开发低渗油藏的主要手段之一。地应力的分布状态决定着压裂产生的人工裂缝的延伸方向以及裂缝形态，同时，地应力大小也是支撑剂强度及压裂方式选择的重要依据[4]。通常，人工裂缝总是沿着阻力最小的方向扩展和延伸，即裂缝面总是垂直于最小主应力轴向。但实际地应力场在油田开发活动中会引起改变，从而改变人工裂缝扩展方位。因此，在油田开采后期，为提高水力压裂的效果，必须对地应力进行测量和计算并对其值进行检验和修正，从而优化压裂设计[5]。

2.2.1 地应力与支撑剂

支撑剂是一种具有一定粒度和级配的天然砂或人造高强陶瓷颗粒。它的作用是保持压裂后形成的裂缝开启，在压裂开的岩层中形成具有高导流能力的支撑裂缝带。通常最小主应力低于41.37 MPa可选石英砂做支撑剂；大于68.95 MPa需选用高强度的支撑剂；介于两者之间时则可选陶粒做支撑剂[6]。

油层和隔层的最小水平主应力在垂向剖面上的大小变化直接影响支撑裂缝在油层中的位置，而支撑裂缝在油层中的位置又是确定压裂后能否增产的关键因素。当油层处于地应力区时，油层在支撑裂缝中的位置主要有四种：油层处于低应力区上部、中部、下部（此时油层全部在支撑剖面里面）以及整个低应力区（支撑剖面全部在油层内，裂缝高等于油层厚度），其中油层处于地应力去上部时，压裂增产效果最差。当油层处于高应力区时，油层难以压开，且压裂后很少能有增产效果。当油层处于较高应力区时，其下部有低应力区（即油层将会在支撑剖面上部）则增产效果差，若其上部有低应力区（即油层在支撑剖面下部），则增产效果较好。当油层处于高低应力区交界处时，油层处于低应力区上部（即压开油层部分将在支撑剖面上部）则增产效果差，反之处于低应力区下部（即压开油层部分将在支撑剖面下部）则增产效果好。

2.2.2 地应力与射孔endprint

在油田开发中，射孔是油井完井的基本方式之一。它包括孔眼直径、射孔密度、弹型、穿透深度、射孔孔眼的相位和方位、隔层及遮挡层的选择等，这些因素对油井的产量有着不可忽视的影响。地应力剖面的研究对射孔方案中射孔井段、隔层、遮挡层的选择的确定有重要的指导意义。在满足开发方式和采油工艺技术措施的要求下选择合理射孔井段，应将最小水平主应力分层剖面与地质分层剖面相结合，使射开油层井段处于地应力段，隔层和遮挡层处于高应力段，且隔层应力必须大于设开层位的应力[7]。

井筒周围的应力集中是孔眼方位与最大水平主应力方向的函数，破裂压力、射孔孔眼附近的节流皮表效应及流体流入的流动效率也是这两个变量的函数。射孔孔眼方位的选择有三种情况：孔眼方位平行于或垂直于射孔井段的最大水平主应力方位、孔眼方位与射孔井段的最大水平主应力方向之间形成角度。当射孔孔眼方位与最大水平主应力方位平行时，节流表皮效应小，流体流动效应高且油井产能高，压裂时破裂压力低且不易砂堵，生产时不易出砂，套管不易变形，属于最佳射孔孔眼方位。

2.3 地应力预测油气富集区域

地应力是控制油气运移、聚集的重要因素之一。地壳在地应力的作用下发生构造运动和岩石变形，使岩层内流体空隙压力增加或减少，产生压力梯度或势差，从而推动流体在岩层内流动，在流动过程中，遇到合适的构造部位和应力环境，油气就会聚集形成油气藏。构造地应力不仅直接或间接影响着油气形成、运移、聚集，而且对已形成的油气藏也有着一定影响和改造。因此研究成藏期构造应力场，有助于揭示油气分布规律，预测油气富集区。地应力在油气勘探开发领域的研究成果表明：生油凹陷区一般是应力高值区，构造高部位是应力低值区。在地应力作用下，生油岩中的油气在地应力驱动下，向着适宜应力环境的构造部位聚集。一般油气由高势区向低势区运移，由压应力区、压扭应力区向张应力区和张扭应力区运移、聚集。

3 结语

地应力在油田勘探开发的过程中有着重要意义，并不局限于本文讨论到的方面，还涉及地层破裂压力的预测、油水井套管损坏的预测及预防、水平井完井设计等领域。目前，我国多数油田在勘探开发过程中，对地应力的认识还在宏观的、区域的范围，对地应力在油田中的应用也不够广泛深入。因此，建议今后加强局部的、开发单元的、单井的、平面的、剖面的、分层的特殊微观应力分布及应力场的状态研究。油田的开发是一个动态过程，因此，对动态应力场的分析研究也是相当重要的。

参考文献

[1] 王宏伟.海拉尔油田不同区块地应力综合解释方法研究[D].大庆石油学院， 2007.

[2] 张强，李啓香，穆俊祥，等.地应力在低渗透油田开发中的应用[J].青海石油， 2008，26（3）：41-42.

[3] 李志明.地应力与油气勘探开发[M].1版.石油工业出版社，1997.

[4] 刘泽凯，陈耀林，唐汝众.地应力技术在油田开发中的应用[J].油气采收率技术，1994，1（1）：49-50.

[5] 楼一珊.地应力在油气田开发中的应用[J].石油钻探技术，1997，25（3）：58-59.

[6] 艾鑫.徐深地区地应力评价在油田开发中的应用[D].东北石油大学，2013.

[7] 罗美娥.X3地区地应力特征研究及应用[D].浙江大学，2010.

[8] 陈涛华.地应力研究在油田开发中的应用[J].内江科技，2012（2）：109-119.endprint