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新疆油田七东1区克下组地应力特征及人工裂缝延伸方向

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新疆油田 克下组 应力特征 人工裂缝
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第15卷第17期2015年6月1671—1815(2015)17-0117-04科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.15No.17Jun.20152015Sci.Tech.Engrg.石油技术新疆油田七东1区克下组地应力特征及人工裂缝延伸方向石善志1于会永1孙正丽1王厚坤1尹虎2(新疆油田公司工程技术研究院1,克拉玛依83400;西南石油大学2,成都610500)摘要新疆油田七东1区克下组在压裂施工过程中,通过微地震监测存在水平裂缝的可能。利用凯瑟尔实验测定该区块水平地应力大小及构造应力系数,建立了该区块组合弹簧模型的地应力计算模型,利用测井资料分析了七东1区地应力分布规律。分析结果表明:七东1区地应力状态存在明显的分界线,分界线大致为东北-西南走向;区块西北部最小水平主应力大于垂直主应力,处于逆断层应力状态;区块东南部最小水平主应力小于垂直主应力,处于正断层应力状态,中间存在走滑断层应力状态过渡带;因此压裂裂缝形态具有明显的区域性分布,即东南部为垂直裂缝,西北部压裂形成水平裂缝。分析结果与水力裂缝形态的分布规律一致。该地区存在水平裂缝的新认识,将对压裂工艺的改进及提高小层动用程度具有重大意义。关键词新疆油田水力压裂裂缝形态地应力中图法分类号TE21;文献标志码A2015年1月23日收到中国石油集团公司新疆大庆重大专项(2012E-34-07)资助第一作者简介:石善志(1978—),男,辽宁大连人,工程师。E-mail:5616368@qq.com。新疆油田七东1区处于西准噶尔海西褶皱带与准噶尔古地块之间,位于准噶尔盆地西北缘地区克拉玛依逆掩断裂带上,属山麓洪积扇沉积的砾岩油藏,储层主要岩性为砂砾岩、砾岩和砂岩,含油面积7.5km2,油藏埋深1100~1400m。目前该区新钻采油井的投产压裂虽然取得了较好的效果,但普遍存在纵向上储层改造程度不均匀的问题,成为制约压裂工作进一步细化的瓶颈。成像测井显示该地区天然裂缝形态具备多样性特点,进而提出了2口井的压裂裂缝监测,通过监测发现,该区人工裂缝呈水平状。与垂直裂缝不同,垂直裂缝能纵向穿透各小层,而水平裂缝沿某一小层延伸,纵向上不能穿透各小层,造成部分储层段储量不能动用。目前国内压裂施工过程中大多数产生的是垂直裂缝,很少有水平裂缝的存在。七东1区形成的类似水平裂缝如果从理论上得到证实,将对该区块压裂改造工艺的改进及提高小层动用程度具有重大意义。因此本文针对水平裂缝的成因及整个区块地应力状态分布规律进行了研究。1地应力测试利用Kaiser声发射实验对QD008井及QD035井2组30个样品实验进行了实验研究,测定了七区克下组地应力大小。试验全部采用美国产MTS815FlexTestGT岩石力学试验系统进行,采用中华人民共和国国家标准,GB/T50266—99(工程岩体试验方法标准)及美国材料与试验协会(ASTM)测试标准:ASTMD2664—04(三轴测试)进行实验。三个水平方向,各相隔45°取样,为减小实验误差,每个方向取5个样品进行实验,实验结果取平均值进行计算,实验结果见表1。图1取芯方位Fig.1Coringpositionofsamples表1七区克下组地应力测试结果Table1Resultsofstresstest样品井号井深/m最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa4-22-14QD0081205.625.1520.228-21-11QD0351384.726.8122.362地应力计算模型为了能得到整个区块地应力分布规律,仅凭实验手段存在一定的困难,需要建立利用测井资料计算地应力的模型。地应力参数包括垂直有效地应力(σv)、最小水平主应力(σh)的大小,最大水平主应力(σH)的大小及方向。上覆岩层压力除去孔隙压力即为垂直主应力,上覆岩层压力可以由密度测井曲线的积分得到。Sv=0.01g(ρ0H0+∫HH0ρbdh)(1)σv=Sv-ηPp(2)式中:σv为垂直主应力,MPa;ρb为岩石密度,g/cm3;ρ0为处理研究井段顶界至井口的地层密度平均值,g/cm3;H0为处理井段顶界深度,m;H为处理井段底界深度,m;Sv为上覆岩层压力,MPa;ρp为孔隙压力,MPa;η为有效应力系数。计算水平地应力模型较多,不同研究者根据不同的条件提出了众多的计算模型。如Hubbert-Wil-lis模型(1957年)、Matthews-Kelly模型(1967年)、Eaton模型(1969年)和Andson模型(1973年)等,国内近年来普遍采用的是黄荣樽模型(1985年)及组合弹簧模型。由于本区块受构造运动的影响,水平主应力很大部分来源于地质构造运动产生的构造应力。不同性质的地层由于其抵抗外力变形特点不同,因而其承受的构造力也是不同的,因此地应力与泊松比、杨氏弹性模量等有关。本区块地质活动较强,断层线东西部应力差别较大,采用组合弹簧模型计算地应力剖面较为合适。σH=μS1-μSσv+E1-μ2S(β1+μSβ2)+ηPPσh=μS1-μSσv+E1-μ2S(β2+μSβ1)+ηPP(3)式(6)中,E为弹性模量,GPa;σH为最大水平地应力,MPa;σh为最小水平地应力,MPa;η为有效应力系数;μS为静态泊松比;β1为最大构造应力系数;β2为最小构造应力系数。利用凯瑟尔实验测定出σH、σh,结合测井数据计算出对应井深的σv、η、μs、Pp,根据上式分别反演出构造应力系数。表2给出了初步确定QD008井附近最大构造应力系数β1=0.410、最小构造应力系数β2=0.132;QD035井附近最大构造应力系数β1=0.318、最小构造应力系数β2=0.191。3区块地应力分析3.1单井地应力分析由式(6)可以看出,构造应力系数反映到了岩石力学参数如泊松比、杨氏弹性模量、有效应力系数上两口井的构造应力系数差值不大,在组合弹性模型中构造应力系数误差对计算结果造成的误差较小。因此取二者的平均值作为区域构造应力系数,即最大构造应力系数β1=0.364、最小构造应力系数β2=0.162。QD018井离上述两口井较远,将构造应力系数带入组合弹簧模型,建立该井附近的地应力剖面如图2。图2QD018井目的层地应力剖面Fig.2stressprofileofwellQD018QD018井目的层上部分为逆断层应力状态,下部分为走滑地应力状态,整体处在逆断层地应力状态。但QD018井位于断层分界线附近,最小水平主应力平均值大于垂直主应力平均值,在已经沿井轴形成垂直裂缝的情况下,水力裂缝也可能因远场地应力的作用再次转向,形成水平裂缝。因此压裂模拟的最小主应力为最小水平主应力为垂直主应力。3.2压裂施工曲线分析根据QD018井的施工压力曲线确定出瞬时停泵压力,瞬时停泵压力为18.28MPa,由理论知,该值为最小主应力的上限。再利用平方根曲线,G-函数曲线和双对数曲线三种模型对闭合应力进行分析,平方根曲线、G函数曲线、双对数曲线三种模式拟合的结果有很好的一致性,如表3所示,说明数据可靠。对比经验公式算结果与拟合压裂曲线确定的表2区域构造应力系数反演Table2Regionaltectonicstresscoefficient井号井深/m孔隙压力/MPa静态泊松比有效应力系数弹性模量/GPa凯萨尔地应力/MPa构造应力系数/10-3最大最小最大最小QD0081205.612.420.2780.53722.6525.1520.220.4100.132QD0351387.714.290.2110.38441.69526.7222.360.3180.191811科学技术与工程15卷最小主应力,压裂测试的最小主应力18.28MPa与计算结果垂直主应力17.94MPa(由图2计算得到平均垂向地应力值)结果较为相近,误差为1.9%。同样对区块其他井利用压裂施工曲线求取最小主应力,计算结果见表4。由计算结果可知,由压裂施工曲线求得的最小主应力与垂直主应力相近,且计算误差较小,因此可以用该模型分析整个区域上地应力分布情况。表3QD018井压降结果分析Table3AnalysisresultonpressuredropofwellQD018项目名称井底ISIP/MPa地面ISIP/MPa井底闭合应力/MPa估算净压力/MPa平方根曲线18.288.4017.990.29G-函数曲线18.288.4017.090.19双对数曲线18.288.4017.990.29表4测井解释地应力与压裂测试地应力对比Table4Compareofresultusingloggingdataandfracturestresstest井号目的层段/m最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa垂直主应力/MPa压裂数据计算最小主应力/MPa误差/%QD032990~105822.6819.2717.2616.753.00QD0211010~108023.1419.1517.5116.436.20QD0181017~110023.5519.517.9418.281.90QD0541019~109222.8619.3416.7617.283.10QD027994~105923.4419.3116.917.312.404地应力分布规律及裂缝形态4.1地应力对裂缝的影响压裂形成裂缝形态与油层埋藏深度无规律可循[8],现今地应力决定了压裂裂缝的形态,即压裂作业形成的水力裂缝为垂直缝还是水平裂缝[9]。由于开启I型裂缝所做的功与垂直破裂面的应力和裂缝开口距离的乘积成正比,在垂直于最小主应力方向上做功最小,因此地层中的水力裂缝垂直于最小主应力方向扩展[10]。在走滑断层和正断层应力中,最小水平主应力最小,水力裂缝是沿最大水平主应力方向的垂直面;在逆断层应力中,垂直主应力最小,水力裂缝是一水平面。即使原生裂缝和断层对压裂扩展会产生一些影响,但是裂缝扩展的整体轨迹还是受最小主应力方向控制[11,12]。压裂初始,井壁在井周应力的作用下沿井眼轴向形成裂缝,当裂缝内压力增大,裂缝继续延伸,在远场地应力的作用下裂缝可能发生转向形成地应力控制下的水平缝或者垂直缝。当远场地应力与裂缝初始发育方向差别很大时,裂缝必将在某处产生根本的转向。当水平应力相近时裂缝发育方向是逐渐图3水力裂缝在最小主应力的垂直方向扩展Fig.3Hydraulicfracturepropagationintheverticaldirectionoftheminimumprincipalstress改变的,且裂缝宽度较大。然而,当水平应力之间存在显著差异时,裂缝发育方向会突然改变,且裂缝宽度会大大减小,导致流动阻力迅速增加。4.2区块地应力分布规律利用七东1区的测井数据计算得到区块各井单井地应力分布。根据地应力之间的大小关系,地应力状态可分为正断层(σh<σH<σV)、走滑断层(σh<σV<σH)、逆断层(σV<σh<σH)三种应力机制。七东1区克下组最大水平主应力均大于垂直主应力,为挤压作用较强的地应力状态。因此取σV/σh比值做等值线图,来表征最小水平主应力与垂向应力相对关系的分布规律(见图4)。由图4可以看出,该区块克下组的地应力分布存在明显的分界线,分界线大致为东北-西南走向;区块西北部的最小水平主应力大于垂直主应力,处于逆断层应力状态;区块东南部的最小水平主应力小于垂直主应力,处于走滑断层应力状态。根据地应力对水力裂缝形态的控制规律,在七东1区地应力作用下,该区块西北部水力压裂容易形成水平裂缝,东南部则容易形成垂直裂缝。图4垂直主应力与最小水平主应力的比值(σV/σh)分布Fig.4Ratiodistributionofverticalandminimumhorizontalstress91117期石善志,等:新疆油田七东1区克下组地应力特征及人工裂缝延伸方向5结论(1)七东1区克下组地层水平方向上处在挤压应力状态,采用组合弹簧模型确定的地应力分布规律可以反映该区块实际地质情况,即该区块克下组处于走滑断层至逆断层应力状态。(2)该区块地应力存在明显的分界线,即西南—东北断层分界线,远离分界线东南部为走滑地应力,远离分界线的西北部为逆断层应力状态,断层线附近地层处于走滑-逆断层过渡应力状态。(3)在七东1区地应力作用下,该区块西北部水力压裂容易形成水平裂缝,东南部容易形成垂直裂缝。因此七东1区在不同区域应该采用不同的压裂工艺来提高储层动用程度,在水平裂缝区域可以采用分层压裂技术提高各小层动用程度。参考文献1HubertMK,WillisDG.Mechanicsofhydraulicfracturing.TransAIME,1957;210(2):154—1602MatthewsWR,KellyJ.Howtopredictformationpressureandfrac-turegradient.OilandGasJournal,1967;65(8):92—1063EatonJP.CrustalstructurefromSanFrancisco,California,toEure-ka,Nevada,fromseismic-refractionmeasurements.JournalofGeo-physicalResearch,1963;68(20):5789—58064AndersonGP,devriesKL,WilliamsML.Mixedmodestressfieldeffectinadhesivefracture.InternationalJournalofFracture,1974;10(4):565—5835黄荣樽.地层破裂压力预测模式的探讨.华东石油学院学报,1984;4:335—346RongzunH.Amodelforpredictingformationfracturepressure.Jour-naloftheUniversityofPetroleum,China,1984;4:335—3466马建海,孙建孟.用测井资料计算地层应力.测井技术,2002;26(4):347—351JianhaiM.Calculationofformationstressusingloggingdata.WellLoggingTechnology,2002;26(4):347—3517宋子齐,王宏,伊军锋,等.克拉玛依油田七中、东区克拉玛依组油藏构造特征研究.中国西部油气地质,2006;2(4):396—399SongZQ,WangH,YiJF,etal.TheresearchofreservoirtectonicfeatureofKaramayGroupinQizhongandQidongAreainKaramayOilfield.WestChinaPetroleumGeosciences,2006;4:0078王仲茂,胡江明.水力压裂形成裂缝形态的研究.石油勘探与开发,1994;(06):66—69WangZM,HuJM.Astudyonthefracturetypesinducedbyhydro-fracturing.PetroleumExplorationandDevelopment,1994;(06):66—699李民河,聂振荣,廖健德,等.水力压裂缝延伸方向分析及其应用.新疆地质,2003;(04):486—488LiMinhe,NieZhenrong,LiaoJiande,etal.Analysisandapplica-tionoffracturepropagationdirectionofhydraulicfracturing.XinjiangGeology,2003;(04):486—48810HubbertMK,Willis,DG.Mechanicsofhydraulicfracturing.Pe-troleumTransactions,AIME,1957;210:153—16811YewCH.Mechanicsofhydraulicfracturing.GulfProfessionalPub-lishing,1997:1—1512WarrenWE,SmithCW.Insitustressestimatesfromhydraulicfracturinganddirectobservationofcrackorientation.JournalofGeo-physicalResearch,1985;90:6829—6839TheIn-situStressCharacteristicsandFractureExtensionDirectiononLowerKaramayFormationofQidong-1AreainXinjiangOilfieldSHIShan-zhi1,YUHui-yong1,SUNZheng-li1,WANGHou-kun1,YINHu2(EngineeringTechnologyResearchInstitute,XinjiangOilfieldCompany1,Karamay834000,P.R.China;SchoolofPetroleumEngineering,SouthWestPetroleumUniversity2,Chengdu610500,P.R.China)[Abstract]ThefractureformonlowerKaramayformationofQidong-1areainXinjiangOilfieldhasobviousre-gionaldistribution,namelyfortheverticalfractureinsoutheast,andthehorizontalinnorthwest.BasingontheKai-serexperimenttodeterminethehorizontalin-situstressandtectonicstresscoefficientofthisblock,thein-situstresscalculativemodelofcompositespringmodelinthisblockisestablished.Thenthein-situstressdistributiverulecanbeanalyzedbyloggingdata.Theresultsshow:thereisanobviousdividinglineinthein-situstressdistributionofQidong-1area,whichisroughfromnortheasttosouthwest.Theminimumhorizontalstressinnorthwestisgreaterthantheverticaleffectivestress,meaningthisregionisareversestressfault.Theminimumhorizontalstressinsoutheastislessthantheverticaleffectivestress,meaningthisregionisthenormalstressfault.Themiddleoftheblockistransitionzoneofthestrike-slipfault.Theresultsconsistentwiththedistributiveruleoffractureform,whichcanguidethelaterdrillingandfracturingoperation.[Keywords]XinjiangOilfieldhydraulicfracturingfractureformin-situstress021科学技术与工程15卷
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