地应力和页岩气

总结：
要点：
1.地应力测量的意义，尤其是在页岩气开发中
2.我国页岩气储量和分布
3.现阶段我国页岩气勘探情况和世界页岩气进展
1、研究地应力的重要性
传统岩石工程开挖设计和施工是根据经验来进行。

当开挖是在小规模范围内和接近地表深度上进行时，经验类比的方法往往是有效的。

但是随着工程开挖规模的扩大和不断向深部发展，经验类比越来越失去其作用，根据经验进行开挖施工往往造成岩体工程的失稳、坍塌或破坏，引发工程事故。

地应力是各种岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力；是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现开挖设计和决策科学化的必要前提条件。

地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。

2、我国地应力测量存在许多问题与不足：第一，测量和监测深度不足目前，国际上最大地应力测量深度已达5 100 m．在德国的KTB 深钻及美国的SAFOD 计划中，应力测量深度一般达到2 000 ～ 3 000 m; 日本也建立了数10 座深度为1 000 ～3 800 m 的深井观测台站．我国的绝大部分应力测量深度仅数百米，超过 1 000 m 的深井观测极为稀少，这严重制约了测量数据在空间上的代表性。

第二，缺乏合理系统的地应力监测网络．我国虽然积累了大量的地应力测量数据，但数据分布不均且质量参差不齐，地应力监测台站少、布局不合理，大部分监测台站数据网络传输、数据分析处理能力也亟待加强，这些问题制约了地学领域的创新性发现。

第三，统一的地应力测量规范和标准亟待解决，我国科学家在这领域的发言权还挺少。

第四，据了解，我国地质钻井装备相对于国外还是有差距的，测量仪器的现代化和精度还有很大的进步空间，一些特殊环境的挑战，应该推进测量设备的科学性，智能性和创新性，紧密的结合现代计算机集成，研制高性能的地应力测量装备。

3、地应力测量在页岩气开发中的作用：
水平井技术和压裂技术是页岩气开发的核心技术，这些技术的发展与该地区地应力分析是分不开的。

在油气层压裂改造中，地应力状态、地层岩石的力学性质决定着水力裂缝的形态、方位、高度和宽度，影响着压裂的增产效果，而地应力剖面分析则对水平井井眼方位、射孔井段、施工规模、施工工艺等参数的确定具有指导意义。

通过分析地应力分量之间的关系，可以确定产生水力压裂裂缝的形态，也为钻井、压裂改造以及气井的生产管理提供了依据。

通过地应力方向测量，明确了地应力与天然裂缝、水力裂缝的关系，为压裂改造方案的优化设计提供了依据。

由于地层间或层内的不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方面的差别造成了层间或层内地应力分布的非均匀性。

因为层间应力差对水力裂缝的扩展起着重要的约束作用，所以描述裂缝扩展必须考虑层间地应力的变化规律。

结合测井资料和分层地应力解释模型，可分析层内或层间地应力大小。

应力分析分类：
六五模式：假设地下岩层的地应力主要由上覆岩层压力与水平方向的构造应力产生，且水平方向的构造应力与上覆压力成正比，该模式考虑了构造应力的影响，但没有考虑刚性地层和岩性对地应力的影响。

七五模式：在六五模式的基础上，假设地层为均质各向同性的线弹性体，并假定在沉积后期地质构造运动过程中，地层与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。

七五模式意味着地应力不但与泊松比有关，也与地层的弹性模量有关。

水平井井眼方位直接决定了后期压裂改造的效果，而人工裂缝的形态取决于气藏现今地应力的大小和方向，当井筒水平延伸方向与地层最小主应力方向一致时，将形成一系列垂直于井筒的平行裂缝
串;当井筒水平延伸方向与地层最小主应力方向垂直时，将形成一条双翼的平行于水平井筒的裂缝。

因此，要根据所需的裂缝形态和地应力方向来设计井眼方位。

实际压裂施工中，裂缝的高度不是一个固定的高度，而是在沿最大水平主应力方向推进的过程中，在纵向上受最小水平主应力的变化而变化的动态高度。

因此，研究最小水平主应力在纵向上的分布规律，这对于压裂的真三维模拟，在压裂施工中，裂缝有三种形态:正交横向缝、纵向缝、水平缝，水力裂缝的起裂缝是先在地层最小水平主应力剖面的最低应力段开始，裂缝的高度也是先在最低应力段扩展，裂缝高度升高和降低的动态变化是随着地层剖面最小水平主应力的变
化而变化的，剖面上每段应力的差异都影响着裂缝缝高的变化，当裂缝中的压力值大于某一段的最小水平主应力值时，裂缝将穿透这一
段;当裂缝中的压力值小于某一段的最小水平主应力值时，这一段将起到遮挡层的作用，裂缝不能穿透这一层。

由此可见，储层和隔层的最小水平主应力在垂向剖面上的大小变化，直接影响着裂缝的高度。

由于压裂缝走向基本平行最大水平主应力方向，针对页岩气的压裂必须同时考虑地应力方向和天然裂缝的走向特征。

若在压裂过程中采取同步压裂技术，通过两口井地应力的互相诱导作用，可以促使两口井形成比单独压裂更多的裂缝网络，从而增加水力压裂网络的密度，或增加压裂作业产生的泄气面积
4、页岩气开发现状
目前除美国和加拿大外全球对页岩气的勘探与开发并不普遍。

1821年，北美地区页岩气的开发标志着美国页岩气工业的开始，加拿大西部在上世纪末也开始了批量钻井和商业性生产。

二十世纪末至二十一世纪初，美国的页岩气年产量增加约10倍，最重要的发展是在认识到页岩气的吸附作用机理后，其产、储量大幅度提高。

页岩气是其中已投人工业性勘探开发的四大非常规天然气之一.
2005年以来，我国开始关注页岩气，并开展了一些研究工作，但页岩气商业化开发还没有起步，总体处于前期探索和准备阶段。

2006年，中国石油与美国新田石油公司联合开展了四川盆地威远气田页岩气资源评价，
第二年组织开展了“中国页岩气资源评价与有利勘探领域优选”。

2008年，国土资源部设立了页岩气项目“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选”，重点研究中下扬子中、古生界海相和四川、松辽等盆地页岩区。

2009年11月下旬，国土资源部油气资源战略研究中心、中国地质大学在重庆市彭水县连湖镇启动了国内第一口页岩气勘探井，如果这口井开采成功，它将为日益紧张的天然气资源找到较好的替代能源，中国石油与康菲、壳牌、埃克森美孚及挪威石油等跨国石油公司开展联合研究，探索页岩气开发的国际合作方式，并计划建立页岩气开发先导实验区。

页岩气是指生成、储集和封盖（有时）均发生于页岩体系中，以吸附和/或游离状态赋存于页岩基质孔隙或裂隙中，具有商业价值的天然气。

分布范围与有效源岩面积相当。

页岩储层为暗色泥页岩或高炭泥页岩，具有致密性。

页岩既是烃源岩，又是储集岩，也可能是盖层。

储层为低孔低渗裂缝性页岩，储层中天然气为生物成因气或者热成因气或者生物成因气与热成因气的混合物。

页岩具有广泛的饱含气性，天然气的赋存状态多变。

页岩气储集空间主要有裂缝型、孔隙型、孔—缝复合型和不整
合型，且以裂缝型为主。

中国大陆存在页岩气大量发育的区域地质条件，初算页岩气资源量约为（15～30）×1012 m3，勘探潜力大。

主要分布在四川盆地，松辽地区，鄂尔多斯和新疆地区。