刘钰洋, 鞠玮, 熊伟, 郭为, 宁卫科, 于国栋, 梁孝柏, 李永康

(1. 中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院, 北京 100083; 2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室, 徐州 221008;3.中国矿业大学资源与地球科学学院, 徐州 221116)

随着油气勘探开发的深入进行和技术的不断进步发展,页岩油气已在全球能源结构中占据重要地位,开发前景巨大[1-2]。四川盆地及周缘页岩气资源丰富,是中国海相页岩气勘探开发的主战场,目前已成功在长宁、威远、涪陵、泸州等区块实现商业性页岩气开发[3-5]。川南页岩气田探明储量为1.19×1012m3,是中国首个万亿立方米储量的页岩气田。近年来,随着勘探开发的深入,川南页岩气向深层领域拓展,并不断获得产量突破[3,6]。截至2021年底,川南深层页岩气的日产规模超过5×106m3,且增储上产迅速。泸州区块泸203井的页岩气日产量高达1.379×106m3,成为中国首口单井测试日产量超过百万立方米的页岩气井[4]。

尽管如此,当前深层页岩气勘探开发仍面临诸多挑战：深层构造条件复杂、地应力差异较高、可压性较差、气藏渗流规律复杂、储层孔隙类型多样、存在井壁垮塌等[7-8]。深层页岩气商业化开发通常需要水平钻井与多级大型水力压裂技术,压裂效果取决于天然裂缝和水力裂缝形成的缝网程度,现今地应力场是其关键控制因素[9]。地应力控制水力裂缝的起裂和扩展[10],最小主应力主要决定裂缝起裂的位置,最大主应力决定裂缝扩展方向。高剪切应力容易造成井壁稳定性、套管变形等系列问题[11]。截至2022年底,川南泸州区块完钻217口井,完成压裂129口,其中套管变形井104口(包括未压先变井35口)。从储层地质力学角度,现今地应力场、天然裂缝的发育分布是导致套管变形的重要因素,页岩气储层强非均质分布的现今地应力方向和大小尤为关键。此外,最佳井轨迹的确定也有必要考虑现今地应力状态。

为此,综合利用常规/成像测井、钻井岩芯等资料,分析泸州区块五峰组-龙马溪组深层页岩气储层现今地应力状态,并探讨在其影响下的天然裂缝活动性,以期对套管变形和深层页岩气效益开发提供新的地质参考。

1 地质背景

川南地区是南方海相页岩气勘探开发的重点区域,东边界为齐岳山基底断裂带,西边界为华蓥山隐伏基底断裂带。区内褶皱变形强烈,断层发育,呈现为典型的帚状构造,东北部褶皱变形程度较强,向西南逐渐发散[12-13]。泸州区块整体以宽缓向斜和低陡斜坡为主[8]。

2 泸州区块现今地应力场特征

2.1 现今地应力方向特征

现今地应力方向可借助于井眼崩落、钻井诱导缝、天然地震震源机制解、实验以及数值模拟等方法确定[15-17]。在钻井过程中,当地应力差大于岩石的抗压强度时,井眼发生崩落(borehole breakouts, BOs),井眼崩落椭圆的长轴与水平最小主应力方向平行,而钻井液重量与井孔压力之间的差异可以诱导井壁破坏形成钻井诱导缝(drilling-induced fractures, DIFs),其走向方位一般指示水平最大主应力方向[2,15-16,18-20],如图2[20]所示。

SHmax为水平最大主应力;Shmin为水平最小主应力

本次研究主要通过成像测井资料拾取井眼崩落和钻井诱导缝方位信息(图3),借助其与现今地应力方向之间的关系,分析泸州区块五峰-龙马溪组现今地应力方向特征。结果显示：泸州区块现今地应力方向SHmax呈现为WNW-ESE的优势方位,且在不同井区,受断层等局部构造的影响表现轻微转向(图4)。

BOs为井眼崩落;DIFs为钻井诱导缝

图4 川南泸州区块五峰-龙马溪组现今地应力(SHmax)优势方位图

2.2 现今地应力剖面

现今地应力值可通过现场测量、实验测试、测井计算、数值模拟等方法获取[2,16,18,21]。受现场以及样品条件限制,规模性测量测试并不现实,且结果也仅局限于离散深度点。借助经验模型,采用测井资料进行计算预测是获取深度域连续地应力分布的重要方法,常用的模型包括：组合弹簧模型、双轴应变模型、Anderson模型等[16,18]。

本次研究采用组合弹簧模型[式(1)和式(2)]进行水平最大和水平最小主应力的计算,在此基础上构建研究区五峰组-龙一14小层现今地应力剖面。

(1)

(2)

式中：E为岩石弹性模量,GPa;po为储层压力,MPa;SHmax为水平最大主应力,MPa;Shmin为水平最小主应力,MPa;Sv为垂向主应力,MPa;α为Biot系数,无量纲;εh为水平最小主应变系数,无量纲;εH为水平最大主应变系数,无量纲;ν为岩石泊松比,无量纲。

在实测地应力数据约束下,反推式(1)和式(2)中水平最大主应变系数εH=1.02和最小主应变系数εh=0.60,进而构建适用于川南泸州区块五峰-龙马溪组的地应力剖面模型。

垂向主应力主要通过密度测井深度积分的方式计算,在近地表段,由于密度测井曲线通常无法获取,采用经验梯度23 000 Pa/m估算。

利用上述方法计算泸州区块五峰组-龙马溪组现今地应力,结果显示：SHmax主要在95～110 MPa范围,Shmin主要在85～100 MPa范围,Sv主要在90～105 MPa范围,整体上呈现SHmax>Sv>Shmin的大小关系(图5)。

GR为自然伽马,单位：API

根据SHmax、Sv和Shmin的大小关系,文献[22-23]将地层中地应力状态分为3种类型,分别为：①逆断型地应力机制,SHmax>Shmin>Sv;②走滑型地应力机制,SHmax>Sv>Shmin;③正断型地应力机制,Sv>SHmax>Shmin。

根据上述研究结果可知,川南泸州区块五峰-龙马溪组页岩气储层现今地应力主要呈现走滑型地应力机制。

3 页岩气开发的现今地应力控制效应

3.1 现今地应力控制下的天然裂缝活动性

天然裂缝是页岩气重要的储集空间和渗流通道[24-25]。裂缝是岩石内部的先存薄弱部位,在页岩气开发过程中,天然裂缝受到现今地应力和注水压力的影响而呈现不同的活动性[2,26-29]。本次研究基于库伦-纳维叶准则,量化分析天然裂缝在现今地应力状态下的活动性。以泸X4井为例,该井五峰-龙马溪组裂缝在现今地应力场条件下均不活动;当注入压力增量为18 MPa时,先存天然裂缝被激活,其油气运移通道的作用得以体现;在达到28 MPa时,几乎所有天然裂缝均被活化(图6)。依照上述方法分析泸州地区单井五峰-龙马溪组天然裂缝活动性,其压力增量的临界值介于15～23 MPa。

图解为下半球投影,不同颜色的点表示天然裂缝的活动性,其中,黑点表示裂缝未活动,白点表示裂缝被激活;SG表示比重的概念,是相对于4 ℃条件下的一个比值

3.2 现今地应力对压裂改造的影响

水平主应力差是压裂设计时的重要参数,控制着压裂改造体积的大小。通常低水平主应力差形成复杂压裂缝网和较大的改造体积[16,28,30],是开展压裂改造的工程甜点区[9]。本次研究在泸州区块五峰-龙马溪组现今地应力剖面构建基础上,针对五峰组和龙一11小层页岩气开发主力层系,其水平主应力差分别介于11.90～15.76 MPa和11.80～16.75 MPa(图7),其值整体较小。另外,基于Anderson理论分析,在泸州区块五峰-龙马溪组走滑型现今地应力机制条件下,压裂后主要形成垂向延伸的裂缝系统。

图7 泸州区块五峰组和龙一11小层水平主应力差统计图

4 结论

通过量化分析川南泸州区块五峰-龙马溪组页岩气储层现今地应力特征,并揭示其对页岩气开发的影响与控制,得出如下主要结论。

(1)泸州区块页岩气储层现今地应力优势方位为WNW-ESE优势方位,受断层等局部构造的影响,不同井区呈现轻微转向。

(2)泸州区块五峰-龙马溪组页岩气储层水平最大SHmax和最小Shmin主应力主要在95～110 MPa和85～100 MPa范围,呈现SHmax>Sv>Shmin的大小关系,为走滑型地应力机制;五峰组和龙一11小层水平主应力差分别介于11.90～15.76 MPa和11.80～16.75 MPa范围,其值相对较小,有利于压裂改造形成复杂缝网,压裂后主要形成垂向延伸的裂缝系统。

(3)泸州区块五峰-龙马溪组天然裂缝在现今地应力场条件下均不活动,为无效裂缝,其被激活的压力增量临界值介于15～23 MPa。