碳酸盐岩储层地应力及裂缝测试技术——以塔河油田奥陶系碳酸盐储层为例

[收稿日期]2009-03-30 [作者简介]孙庆阁(1967-),男,1991年大专毕业,工程师,现主要从事采油工程技术研究工作。

碳酸盐岩储层地应力及裂缝测试技术

以塔河油田奥陶系碳酸盐储层为例

孙庆阁 (中原油田分公司采油工程技术研究院,河南濮阳457001) 刘文才

(山东正元建设工程有限责任公司,山东济南250101)

[摘要]储层改造中地应力场的分布决定着水力压裂裂缝的方向和高度,最大水平主应力方向是压裂裂缝的延伸方向。因此,地应力大小及方向的测量就显得尤为重要。介绍了声波各向异性、差应变及偶极声波测量地应力的原理及方法,并分别对塔河油田碳酸盐岩储层岩心测量结果进行了比较,结果证明3种测量方法结果比较一致,最后用嵌入式地面裂缝监测技术的测试结果(73口井)进行了验证,说明塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层地应力分布遵循一定的规律,不同的区块、不同的井位,地应力分布虽稍有不同,但最大地应力方向主要分布在北偏东0~90 的范围内。[关键词]碳酸盐岩储层;地应力;水力压裂;裂缝方位;微地震[中图分类号]T E357 1

[文献标识码]A

[文章编号]1000-9752(2009)03-0298-

04

图1 S79井(5695 03m)岩心应力-纵向应变关系

塔里木盆地塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层埋深5400~6600m,地层温度125~

150 ,具有非均质性强、埋藏深、厚度大、温度高等特征。油气储集空间以溶洞、溶孔和裂隙为主,缝洞较发育,裂缝分布多变,不同裂缝并存,孔喉配合度低,连通性差,基质渗透率低(0 018 10-3 m 2

),无储集能力,油气连通通道主要为裂缝,油井完井后大多无产能。近80%的碳酸盐岩储层需要通过酸压等改造才能投产或评价储层潜力,所以正确认识其地应力大小及人工裂缝形态尤为重要[1]

。

1 碳酸盐岩岩石力学性质

图1是S79井的岩心试验结果。表1是岩心动静态力学测量的对比。

从试验结果可以看出: 塔河油田碳酸盐岩地层表现为弹性,碳酸盐岩岩石的应力应变关系依然是线性关系; 动静态弹性模量相差较大,动静态泊松比相差不大。

弹性模量高,岩石硬度大,导致在压裂过程中裂缝在宽度上扩展困难;裂缝宽度窄,裂缝内摩阻增大,造成砂比无法提升,平均砂比和最高砂比都保持较低水平。这是造成碳酸盐岩地层水力加砂压裂难的重要原因。

298 石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2009年6月 第31卷 第3期

Journal of Oil and Gas Technology (J JPI) Jun

2009 Vol 31 No 3

表1 岩心试验动静态力学参数对比

井号深度/m 弹性模量/GPa

静态

动态泊松比

静态

动态

S 615525 3048 583 70 2430 286S 62-15476 4356 8104 50 2380 290S 64-15561 3643 293 20 1840 238S 905393 7367 8115 00 2450 2585393 8366 9136 80 2380 221S 915693 8558 691 50 2640 268T 403-15485 2366 9114 40 2750 2105537 0267 599 90 2840 291T 4435577 3869 8127 00 1890 186**** **** 2124 60 2350 225T K4045456 6565 8138 80 1980 090T K406-15424 1589 4191 60 2540 254T K409

5421 17

76 8

110 8

0 256

0 236

2 室内试验测量地应力

2 1 声波各向异性测量

钻井取心过程中,岩心发生应力卸载,岩心上出现了与卸载程度成比例的微裂隙。在最大水平主应

力方向上卸载程度最大,致使沿原最大水平主应力方向有最小的波速,沿原最小水平主应力方向有最大的波速[2]。

选取塔河油田S65井1317/15岩心进行试验,试验结果见图2

。

图2 S65井1317/54岩心纵波速度-角度测定结果

从试验结果可以看到,在不同方向上纵波速度差可以达到8%左右。S65井最大地应力方向15 ,最小地应力方向90 。

2 2 差应变测量

为了与上述试验结果进行对比,仍选取塔河油田S65井岩心进行差应变测量试验,试验原理如下:

设主应变 kk (k =1,2,3)的方向余弦为l k 、m k 、n k ,主应变在3个坐标轴上的投影为:

xx l k + xy m k + xz n k = kk l k xy l k + yy m k + yz n k = kk m k z x l k + zy m k + zz n k = kk n k

即( xx - kk )l k + xy m k + xz n k =0

xy l k +( yy - kk )m k + yz n k =0

zx l k + zy m k +( z z - kk )n k =0

(1)

由方程系数行列式为零可得:

299 第31卷第3期孙庆阁等:碳酸盐岩储层地应力及裂缝测试技术

3kk -( xx + yy + zz ) 2kk +( xx yy + yy zz + zz xx - 2xy - 2yz - 2

xz ) kk

-( xx yy z z - xx 2yz - yy 2xz - zz 2

xy +2 xy xz yz )=0(2)

可简化为:

3kk +b 2

kk +c kk -d =0(3)

式中,b =-( xx + yy + z z ),c = xx yy + yy zz + zz xx - 2xy - 2yz - 2xz ;d = xx yy z z - xx 2yz - yy 2xz - zz 2

xy +2 xy xz yz 。

令w kk = kk +b 3

,代入式(3)得: w 3kk + w kk + =0(4)

式中, =3c -b 23; =2b 3

-9bc -27d 27。

若 24+ 3

27

0,则方程有3个实根。 w 1=2- 3cos

3w 2=2

- 3

cos 3+120

w 3=2

- 3

cos

3+120

(5)

=arccos - 2- 327

(6)把式(6)代入式(5),即可求出3个主应变值。该主应变值只有相对意义,并反映岩心相对主应变值的大小。最后可以把主应变的方向余弦变成主应变相对于给定标志线的倾角和方位角[2,3]。

sin T k =n k tan r k =l k

m k

(7)

在线弹性条件下,主应变的方向即主应力方向。由上述方法计算得出S65井最大地应力方向5 ,最小地应力方向75 。

比较可知,差应变测量获得的主应力方向与波速测得的主应力方向都在5~90 之间,属NE 向,一致性较好。2 3 偶极声波测量

根据塔河油田开发区块内10口井的XMAC 偶极子横波测井资料,可计算出它们最大的主应力方位[4]

。表2是统计结果。

表2 一间房组地应力方位分布统计表

井名区块最大主应力方位/( )

井名区块最大主应力方位/( )

S1088NE0~30T 728西部外围NE0~30S111东部外围NE0~30T 740西部外围

NE0~30S113东部外围

NE60~90T 9019NE30~60T2042NE30~60T903a 9NE60~90T709

7

NE60~90

T K209

2

NE0~30,S E140

由表2可以看出,一间房组最大主应力方位分布在NE0~90 之间。

3 现场实时测量地应力

为了验证上述试验结果,确切判断塔河油田的地应力方向,利用嵌入式地面裂缝监测技术实时监测

300 石油天然气学报(江汉石油学院学报)2009年6月