（地质工程专业论文）滨南油田水力压裂模拟试验研究.pdf

中国地质科学院硕士学位论文 摘要 水力压裂技术是改造低渗透储集层，使其达到工业性开采最经济有效的增产措施之一。地应力 场作为影响水力压裂缝起裂和扩展的主要因素，对水力压裂缝的起裂和扩展有着不可忽视的作用， 它控制着裂缝的起裂位置和裂缝的扩展过程。同时，射孔和天然裂缝也是影响油田水力压裂过程中 水力压裂缝起裂和扩展的主要因素，射孔和天然裂缝的存在，将改变近井筒地带的水力压裂缝的起 裂位置和裂缝的扩展过程。鉴于此，本文综合考虑地应力场、射孔工况、天然裂缝及孔隙压力等影 响因素，研究水力压裂过程中裂缝起裂压力和裂缝扩展过程。 本文以滨南油田地质背景及地应力测量为基础，开展了水力压裂过程中射孔及初始裂缝对压裂 起裂压力和裂缝扩展的数值模拟和物理模拟试验研究，并将损伤力学理论引入到水力裂缝模型中， 使裂缝模拟更加接近实际，重点开展了以下几个方面的工作： 1 开展了油田地质背景和开发现状资料的收集工作，了解了区块成藏规律及演化过程以及区块 目前的开发现状，参与了油田现场压裂施工，了解了井网布置及目前的注采情况，现场的施工流程 及施工参数； 2 通过声发射法、波速各向异性法、钻孔崩落法、水压致裂法、微地震法和电位监测等多种方 法相结合进行区块地应力测量，从总体上把握了区块的地应力状态，为现场压裂施工，井网部署提 供了根据，同时为后续的水力压裂数值模拟和物理模拟试验提供了边界条件； 3 在进行岩石力学试验的基础上，应用a n s y s 有限元软件进行了水力压裂中起裂压力的模拟 试验研究，定量分析了地应力状态，射孔方位、射孔密度、射孔直径和深度对裂缝起裂压力的影响， 并以滨6 6 0 和利8 5 3 块为例进行了模拟计算，为现场压裂设计、施工提供了基础数据；同时基于f e p g 有限元软件平台及流固损伤耦合模型，进行了孔隙压力和损伤作用影响下，压裂过程的裂缝扩展规 律研究，并实现了裂缝的动态扩展模拟。 4 为验证数值模拟试验方法的有效性，根据现场的压裂参数和相似理论，进行了室内水力压裂 物理模拟试验，真实恢复了现场水力压裂过程中的压裂曲线，并通过观察压裂后的裂缝扩展方向， 证明了数值模拟试验的有效性，为现场施工提供了参考。 5 对数值模拟试验和物理模拟试验结果进行对比分析，揭示了地应力场状态、定向射孔和预制 裂缝对压裂缝起裂和裂缝扩展方向之间的内在联系，加深了对水力压裂过程的了解和认识，并结合 现场情况，优选压裂井位，实践证明效果较好。 关键词t 地应力场测量；水力压裂；数值模拟；相似理论；物理模拟试验 中国地质科学院硕士学位论文 a b s t r a c t h y d u r a l i ef r a c t u r i n gt e c h n o l o g y i so n eo fe c o n o m i ca n de f f e c t i v em e i st oo l l l l a l c 4 et h e i o w p e n m e a b i l i t yr e s e r v o i rp r o d u c t i o n a st h ep r i m a r yf a c t o ro f i n f l t ”n c i n gt h ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o no f f i a e m r e ，i n - s i t es t e s sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h ei n i t i a t i o na n dp r o v n g a t i o no ff r a c t u r e ，a n de o n l r o l st h e p o s i t i o no fi n i t i a t i o na n dt h ep c e o f p r o p a g a t i o n a tt h es a m et i m e ，p e r f o r m i o na n di n a r t i f i c i a lf r a c t e l m a l - e a l s o t h e m a i n f a c t o r s o f i n f l u e n c i n g i n 衔砒i o n a n d p r o p a g a t i o n o f f r a c t u r e t h e b e i n g o f t h 部nc h a n g e s t h e i n i t i a t i o np o s i t i o nm a dt h ep a t e l o u sp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c i n gf t o r sa r ec o n s i d e r e d , i n c l u d i n go f i n - s i t es t r e s s ，p e r f o r a t i o nf o r m , i n a r t i f i c i a lf r a e t e r e sa n dp o r e p r e s s u r e b a s i n go nt h eg e o l o g i c a lb a e k g r o n 们a n di n - s i r es t r e s sm e a s u r e m e n to fb i n n a no i lf i e l d , t h e d i s s e r t a t i o ni sas t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fp e r f o r a t i o na n dp r e - f r a e t u r e st ot h ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o n p r e s s u r eb yt h em e t h o d so f f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dp h y s i c a ls i r e u l 面o ne x p e r i m e n t a n dt h ec o n t i n u o u s d a m a g em e c h a n i c st h e o r yw a sa p p l i e di nh y d r a u l i cf r a c t u r em o d e l sa n dc o u l dm a k et h er e s u l t so ff i a e t e r e s i m u l a t i o nm e e ta c t u a lc o n d i t i o n sn i o 他t h em a j o rw o r ki s 私f o l l o w s ： t h ei n f o r m a t i o no fg l o g i e a lb k g r o u o da n dd e v e l o p i n gs t a t eo fb i n n a no i lf i e l da l ec o l l e c t e d , t h e e v o l v e m e n tp r o e ma n de x p l o i t a t i o na c t u a l i t yo f a r e a 黜k n o w n a tt h e 鬟i m et i m e 9 f f l l l ew o r k so f s p o ta 托 d o n e ，疵l u d t n ga c x l u l r i n gt h el o c a t i o no fw e l l s , i n j e c t i o na n da 巾铆嘶仰s t a t e ，t h ef l o wc h a r ta n dt h e p a r a m e t e ro f c o n s m 】c t i o n t h ei n - s i t us t a t eo ft h ea r e a 鼬m e a s u r e db ym a n ym e t h o d s , i n c l u d i n ga c o u s t i ce m i s s i o nm e t h o d , w e l l b o r eb r e a km e t h o d , h y d r a u l i cf r a c t u r i n gm e t h o d , m i e - e a r t h q u a k em e t h o d , e l e c t r i c a lm e t h o de t c ，t h e s t a t eo f n - s i t us t r e s sj sm a s t e r e d i t 铷p r o v i d ee v i d e n c ef o rt h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gc o n s m 州o na n d a r r a n g e m e n to fw e l ln e t 砒t h es a m et i m e i tp r o v i d e sb o u n d a r yc o n d i t i o nf o rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d p h y s i c a lm o d e l i n gt e s t b a s i n go nt h et e s to f r o c km e c h a l l i e s ，a n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei su s e dt om o d e l i n gh y d r a u l i c f r a c t u r i n gp r o c e s s a n dt h ed a t ao fa mb i n 6 6 0a n dl i 8 5 3i sc o m p u t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sh e l pt o u n d e r s t a n dt h ei m p a c to fi n - s i t es l l e s s e s ，d i r e c t i o no fp e r f o r a t i o n , q u a n t i t yo fp e r f o r a t i o n , d i a m e t e ro f p e r f o r a t i o nm a dd e p t ho i li n i t i a t i o nh y d r a u l i c 疔a c t e r m gp l w l 岛p r o v i d eb a s i cd a t af o rt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no fh y d r a u l i cf r a c t e r h 嘻a n dt h ef l o w - d e f o m u n i o nc o u p l i n gm o d e lb yf e p gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ec a nd os o m ei n v e s t i g a t i o no nt h ep r o p a g a t i o nl a wa b o u th y d r a u l i c 丘舢：t i 】峨a n dt h ed y n a m i c e x t e n s i o np r o c e s sc a nb eo b s e r v e d i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o r r e c 恤e s so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d s a c t u a lm o d e l m a d eb yu s a n dt h e p h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i sc a r r i e do u ti nd o o r , t h et r u eh y d r a u l i cf r t u r i n gf i g u r e sa m o d e l e db yi t t h ed e p e n d a b i l i t y o f f i n i t e e l e m e n t m e t h o d s a r e i m p r o v e d b y t h ee x t e n s i o n d i r e c t i o n o f f r a c u i r 日 b yc o 曲鼍s t i t i gt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d sa n dp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t , t h ei n t r i n s i c a f f i l i a t i o no fi n - s i t us t r e s s , d i r e c t i o n a lp e r f o r a 主i o na n dt h es t a r ta n de x t e n s i o no fh y d r a u l i cf r a c t u r i n g 雠 f o u n d ，a n dt h ea p p r o p a a t ew e l li ss e l e c t e do l ls p o t , r e c e i v i n gp r e f e r a b l ee f f e c t 1 ( _ y w o e d s si n s i r es u e s sm e a s u r e m e n t ；h y d r a u l i nf r a c t u r i n g , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s i m i l a r i t yt h e o r y , p h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n t 中国地质科学院硕士学位论文 原创性声明 本人声明，我呈交的学位论文是我个人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定，即： 中国地质科学院有权保留、送交学位论文的电子版和纸质版，允许论文被 查阅或借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：导师签名： 日期：日期： 前言 水力压裂技术是改造低渗透储集层，使其达到工业性开采最经济有效的增产措施之 一。地应力场作为影响水力压裂缝起裂和扩展的主要因素之一，对水力压裂缝的起裂和 扩展有着不可忽视的作用，它控制着裂缝的起裂位置和裂缝的扩展过程，所以从地应力 场的角度，研究油田水力压裂开发过程中裂缝起裂压力和裂缝扩展过程具有重要的理论 意义和实际意义。同时射孔和天然裂缝也是影响油田水力压裂过程中水力压裂缝起裂和 扩展的主要因素，射孔和天然裂缝的存在，将改变近井筒地带的水力压裂缝的起裂位置 和裂缝的扩展过程。国外将损伤力学理论引入到水力裂缝模型中，使裂缝模拟更加接近 实际，从而推进了水力压裂缝起裂和扩展的理论研究，研究地应力场、射孔方位、射孔 密度、射孔孔眼深度等对压裂过程中起裂压力及裂缝扩展过程的影响，将对油气田的水 力压裂开发具有一定的指导意义。 第一节选题依据和研究意义 滨南油田具有丰富的低渗透油藏储量，近二十年来，平均每年新增低渗透探明储量 1 0 0 0 2 0 0 0 x 1 0 4 t 左右。截至2 0 0 3 年底。总共低渗透探明储量5 8 6 9 0 x 1 0 4 t ，占油区总储 量的1 3 【1 1 。以上数据说明，低渗透油区在已探明的地质储量中占有相当大的比重，大 力开发低渗透油藏是国内多数油田所面临的问题。水力压裂是低渗透油气田提高开采效 益的最重要的技术手段之一，但在对地应力场资料和射孔对水力压裂影响研究较少的情 况下，进行压裂生产，将影响压裂施工的成功率。本文拟通过系统的地应力场测量、水 力压裂缝起裂压力和扩展的数值模拟试验和真三轴水力压裂物理模拟试验，研究在不同 地应力状态下射孔和预制裂缝对裂缝起裂压力、起裂位置和裂缝延伸规律的影响，为低 渗透油田压裂选井、压裂施工和压后裂缝预测提供一定的参考。 第二节水力压裂技术国内外研究现状 水力压裂技术自1 9 4 7 年在美国堪萨斯州试验成功至今近半个世纪【1 2 1 ，作为油井的主 要增产措施正日益受到世界各国石油工作者的重视，现已在世界范围内广泛应用。同时 随着整个石油工业的发展，水力压裂工艺也得到不断地完善和提高，已由6 0 年代中期以 前以的适应浅层的水平压裂缝为主的压裂方法发展到了对低渗透油藏的改造时期，其发 展过程大致可分以下几个阶段1 3 a j ： 6 睥代中期以前，以研究适应浅层的水平裂缝为主，这一时期我国主要以油井解堵 为目的开展了小型压裂试验。6 0 年代中期以后，随着产层的加深，以研究垂直裂缝为主。 这一时期的压裂目的是解堵和增产，通常称之为常规压裂。这一时期，我国进入工业性 生产实用阶段，发展了滑套式分层压裂配套技术。 中国地质科学院硕士学位论文 7 0 代，进入改造致密气层的大型水力压裂时期。这一时期，我国在分层压裂技术 的基础上，发展了适应高含水量所需的蜡球选择性压裂技术，以及化学解堵与压裂配套 的综合改造技术。 8 0 年代，进入对低渗油藏改造时期。压裂规模从加液量只有1 1 9 m 3 精确控制短小裂 缝的小型压裂到加液量5 8 3 0 m s ，用砂量2 8 5 7 t ，裂缝长一公里多，耗资1 l o 万美元以上的大 型水力压裂1 4 1 。其工业技术在很多方面都得到了发展，除主要用于压裂低渗透油层来提 高原油和天然气产量之外，水力压裂还可用于包括水源井、注水井等辅助井。还可对二 次采油方案的生产井和注水井进行压裂，压裂干热岩层的生产井和注水井，从干热岩层 中获得地热能量。在进行大型压裂之前进行小型试验压裂，确定被压裂层及周围地层的 应力梯度。这一时期我国发展了适用于低渗透、薄油层多层改造的限流法完井压裂和授 球法多层压裂技术。 8 0 年代中后期，开始了压裂经济最优化，即优化水力压裂设计。这项技术包括预测 裂缝长度和裂缝导流能力、压裂参数设计、压裂数学模型设计和压裂数学模型应用研究 等四个方面的内容。压裂后对压裂缝的几何形态测量是压裂作业的一项重要工作，就目 前的发展水平来看，人们对裂缝的认识水平还落后于地层的改造增产能力，还没有合适 的手段准确的监测裂缝。只有较准确的认识到地下裂缝形态，才能更好的进行压裂设计， 达到最优的压裂效果和经济效益。为了获得较为准确的裂缝形态，人们采用不同的检测 方法进行广泛的比较，同时使用几种不同的方法来提高解释的准确性。 水力压裂技术发展的近期阶段是水力压裂发展史上极为重要的阶段。美国在1 9 4 7 年1 9 8 1 年之间共压裂s o 余万井次，而从1 9 8 2 1 9 8 8 年压裂2 0 万井次以上，1 9 8 2 年后年 平均的压裂井次要超过前一阶段5 7 0 0 次以上。美国目前可采储量2 8 3 0 是通过压裂获 得的，如北美通过压裂已增加原油可采储量约1 3 x 1 0 9 m 3 ，现在所钻井约5 6 需采取压裂 措施。水力压裂工艺技术在应用初期主要用于解除井底附近地带所受污染，被认为是提 高油井早期产能与加快投资回收的增产措施。压裂工艺技术的试验和应用被认为是压裂 工艺技术领域内的突破性进展，标示着水力压裂工艺技术已由一般性的增产措施向致密 气层开发和研究提高可采储量的方向发展。美国国家石油委员会( n a t i o n a lp e t r o l e u m c o u n c i l ) 在研究了致密气藏的压裂效果后，提出水力压裂工艺技术除增加单井产量外。 还明显地提高了致密气藏的最终采收率，有关统计结果表明提高t 4 0 7 5 。在此期间， 对水力裂缝几何形状、裂缝导流能力与裂缝方位的认识能力大大提高了，提出了水力裂 缝诊断与压后评估技术，使水力压裂技术发展成为一项可实证的工艺技术。 我国在5 0 年代开展水力压裂工艺技术研究和应用，迄今为止取得了较好的经济效 益。从1 9 5 5 年在玉门油田进行第一次正式压裂试验以来，至1 9 8 5 年全国共压裂约7 万井 次，共增油2 8 0 0 x 1 0 4 吨，从1 9 8 6 年至1 9 9 6 年全国压裂酸化共进行t 9 万余井次，累计增 油6 2 2 0 x 1 0 4 吨，特别是近五年来，年平均压裂6 2 7 5 井次，累计增油4 0 3 0 9 x 1 0 4 吨，增注 1 4 8 9 x 1 0 4 m 3 。，平均年增油6 7 1 8 x 1 0 4 吨，平均单井次年增油1 1 6 4 吨，平均年增注 2 2 4 8 x 1 0 4 m 3 ，平均单井次年增注5 7 5 2 米。在新老油田开发难度日益加大的情况下，压裂 作业使油水井的增产增注效果明显。特别是9 0 年代初，吐哈鄯善低渗透油藏通过油藏工 程与采油工程的紧密结合，成功的实施了既要提高单井产量又要保证注水开发油藏扫油 效率的压裂开发技术，压后生产实践证明单井产量达到了工业要求，同时没有降低注水 开发的扫油效率，充分表明低渗透油藏压裂开发技术水平提高了。 迄今为止，水力压裂技术是改造低渗透油藏使其达到工业性开采的经济有效的手段 之一。纵观水力压裂技术的发展历史，就技术而论己成为一项较成熟的石油工程技术， 同时，它又是一项发展中的综合工艺技术。目前水力压裂技术与其它学科交叉、渗透， 建立了新的压裂与开发的理念和方法，由过去简单的水力压裂发展到当前的控制压裂。 为了产生理想的水力压裂缝，达到理想的压裂效果，就要对影响水力压裂的各种因素进 行分析，最终找到理想的施工设计参数，其中地应力场的状态是影响水力压裂缝开裂和 扩展的主要因素之一。从地应力场的角度研究低渗油藏的水力压裂开发技术，将对低渗 透油藏的开发具有一定指导意义，最终达到油田开发的采油速度要求，提高采牧率。 第三节研究内容、目标和工作方案 一、研究内容 ( 1 ) 收集油区地质背景和开发现状资料，了解该区块成藏及演化过程和开发现状， 了解了井网布置及目前的注采情况、施工流程和施工参数； ( 2 ) 通过声发射法、波速各向异性法、钻孔崩落法、水压致裂法、微地震法和电 位监测等多种方法相结合进行区块地应力测量，为现场压裂施工，井网布置提供根据， 同时为后续的水力压裂数值模拟和物理模拟试验提供边界条件； ( 3 ) 在进行岩石力学试验的基础上，应用a n s y s 有限元软件进行了水力压裂过程 模拟试验，定量分析了地应力状态、射孔方位、射孔密度、射孔直径和深度对裂缝起裂 压力的影响，并以滨6 6 0 和利8 5 3 块为例进行了数值模拟计算，为现场压裂设计施工提 供了基础数据；同时基于f e p g 有限元软件的流固损伤耦合模块，进行了压裂过程的裂 缝扩展规律研究，实现了裂缝的动态扩展模拟： ( 4 ) 为验证数值模拟结果的有效性，根据现场的压裂参数，在室内进行了水力压 裂物理模拟试验。真是恢复了现场水力压裂过程中的压裂曲线，并通过观察压裂后裂缝 扩展方向，证明了数值模拟试验的有效性，为现场施工提供了科学的依据； ( 5 ) 结合工作区的地应力状态、数值模拟和物理模拟试验结果，总结影响水力压 裂效果的因素，为优化水力压裂参数和生产施工服务。 中国地质科学院硕士学位论文 二、研究目标 通过多方法地应力测量，确定研究区三维应力场的大小和方向，并在此基础上进行 水力压裂数值模拟试验和物理模拟试验，拟得到以下几个方面的认识： 1 应用多种地应力测量方法，获取滨南油区的三维地应力状态，并绘制滨南油区 地应力场方位图； 2 通过a n s y s 有限元软件，定量研究地应力状态、射孔方位、射孔密度、射孔孔 眼直径和孔眼深度等对水力压裂缝起裂压力的影响； 3 。应用f e p g 的流固损伤祸合模块，研究在孔隙压力影响下，地应力场和射孔对 水力压裂缝的扩展过程的影响； 4 通过真三轴水力压裂物理模拟试验，对数值模拟结果进行验证，深化地应力场、 射孔等对水力压裂缝影响的认识，并总结规律，为现场压裂施工服务。 三、工作方案 在综合研究滨南油田地应力场特征的基础上，通过现场监测、室内试验和测井等资 料获取工作区的地应力资料，在目标区获取近3 0 口井地应力的大小和方向，完成目标 区地应力分布图。进行室内的岩石力学试验，为数值模拟和物理模拟提供岩石力学参数； 开展油田水力压裂的数值模拟试验和物理模拟试验，研究影响水力压裂缝起裂和扩展的 因素，为压裂设计和现场旋工提供参考，具体研究流程图如下： 图1 研究过程工作流程图 4 第四节完成的主要工作量及取得的主要成果 一、完成的主要工作量 本次论文是在胜利油田滨南采油厂先导性项目“地应力在重复压裂中的应用研究” 的基础上完成的，近完成的工作量见表1 。论文共6 5 页，其中文字近4 万字，插图2 l 幅，照片1 7 张，表格1 4 个。 在导师的指导下，相关资料收集和岩芯观测采集工作由我完成。岩石力学参数测试 部分由科大岩石力学试验室完成，部分在我所高温高压岩石力学实验室完成；声发射测 试由我所声发射实验室完成；古地磁测试由我所古地磁实验室完成；成像测井和压裂数 据资料在王红才老师的指导下共同完成；数值模拟试验在王连捷老师的指导下共同完 成；f e p g 流固耦合模块在石油大学( 华东) 薛世峰老师指导下完成；物理模拟试验在 石油大学岩石力学实验室完成； 表i 完成的主要工作量 二、取得的主要成果 本文结合滨南油田的地质背景及开发现状，对滨南油田进行了较系统的地应力场测 量。并利用相似理论，应用a n s y s 和f e p g 软件进行了射孔对裂缝起裂及扩展的数值 模拟研究，同时进行了油田水力压裂的物理模拟试验，较系统的分析了地应力场状态、 射孔方位、射孔密度、预制裂缝和孔隙压力等对起裂压力和裂缝的扩展过程的影响，为 现场压裂选井、施工和井网布置提供了参考。概括起来，主要成果和进展包括以下四个 方面： 中国地质科学院硕士学位论文 1 ) 研究指出，滨南油区内屉大水平主应力方向在n e l l y - n e 7 0 * 之间变化，集中在 n f a 0 0 姗6 0 0 之间，局部靠近断层处井位的主应力方向垂直于断层方向；深度在2 8 5 0 3 0 5 0 m 范围内的最大水平主应力值的变化范围为5 5 9 8 6 4 m p a ，最小水平应力值的变 化范围为4 1 1 6 0 5 m p a ，垂向应力变化范围为6 6 4 8 7 3 1 2 m p a ：由于局部构造以及注 水开采的影响，导致局部地应力的大小和方向发生了较大的变化，但从整个区块来看地 应力的大小和方向具有一定的规律。 2 ) 根据数值模拟试验结果可以得出当射孔与水平最大主应力之问的夹角在o o 到 2 0 0 范围内时，起裂压力变化不大；在夹角在3 0 。5 5 0 之间时，起裂压力增加较快；当 夹角大于5 5 0 以后，起裂压力基本上与夹角口没有关系，趋于一恒定值。 3 ) 应用f e p g 流固损伤耦合模块的计算结果可以看出，当射孔与水平最大主应力 的夹角小于6 0 。的情况下，裂缝从射孔的尖端开始起裂，随着裂缝的扩展，最后逐渐转 向水平最大主应力方向。 4 ) 通过物理模拟试验结果可以得出，水力压裂缝在模拟射孔处开始起裂，在没有 预制裂缝的影响的情况下，约在四倍井简直径处开始逐渐转向水平最大主应力方向。 6 第一章地质背景 第一章地质背景 滨南油田位于东营凹陷西北部陡坡带即东营凹陷北部陡坡带西段的滨南利津断裂 带，其北邻滨县和陈家庄凸起，南邻东营凹陷的利津洼陷，包括王庄、利津、滨南、单 家寺、平方王、林樊家和尚店油田嘲。 滨南油田的油藏主要为低渗透油藏，断裂复杂且较为密集。油藏平面分布图见( 图 1 1 ) 。这些天然条件制约着油井周边的局部应力场，对油藏的开采( 尤其是压裂开采) 具有重要的影响。 图1 - 1 滨南利津断裂带油藏平面分布图( 滨南地质所资料) 第一节研究区地层特征 研究区经钻井揭露的地层有：前震旦系变质基底，古生界寒武一奥陶系，下第三系 孔店组、沙河街组、东营组，上第三系馆陶组、明化镇组以及第四系平原组。在第三系 沉积过程中，研究区曾出现多次构造反转，形成多个沉积间断面，从而造成沙四段、沙 二段、东营组等地层不同程度的缺失。从区域地层分布情况看，断块抬升越高，地层缺 失越多。同时，地层的分布明显受北部的陈家庄凸起、滨县凸起及其边界断裂带控制， 从沙四段到沙一段由南向北逐渐超覆。除了明化镇组以及第四系平原组外，滨南油区在 各个地层均发育油层，其中低渗透油层主要分布于沙三下和沙四段。 7 中国地质科学院硕士学位论文 第二节构造特征 滨南一利津断裂带构造比较复杂，具有南北分断块、东西分槽梁的特点，局部构造 的形成与演化受边界断面上南北向基底隆起和东西向断层活动的双重影响。东西向断裂 带是主要的构造影响因素。在断裂带下降盘发育的一系列近东西向的羽状分支断层将研 究区由北至南切割成三个断阶带。在高断阶多形成断阶构造带，在中断阶形成深层滚动 背斜构造带，而在低断阶形成浅层滚动背斜构造带。在近南北向拉张和向北掀斜的联合 作用下，由于边界主断层的倾角不断变缓，当接近成为无效结构面时，在沉积盖层就会 产生新的羽状分支断层。起调节伸展和沉降的作用1 6 j 。 研究区位于滨南一利津断裂带周围，所以受其影响断层十分发育。滨南一利津断裂 带由滨南和利津两个断裂带组成，二者呈右旋斜列分布。在沉积盖层内均为正断层，走 向以近东西向为主，其次为北东东向，只有少数局部调节性断层为北西向。断层以南倾 为主，深层只有在南部有少数的北倾正断层，浅层有部分y 字形分支断层向北倾。 根据区域应力场演化和盆地发育史的研究，滨南和利津等边界主断层从中生代至早 第三纪长期活动，可以延续至晚第三纪早期。凹陷内部的断层从早第三纪( 沙四段一沙 三段沉积期) 开始活动。对南倾断层而言，开始活动时间以靠近边界主断层的北部断层 最早，逐步向南发展，越是远离边界主断层的南部断层开始活动时间越晚，如滨一断层 从沙三段沉积时期开始活动，而滨二断层主要从沙一段沉积时期开始活动，反映了盆地 拉张和掀斜的过程。 第三节生产现状 滨南油田2 0 0 4 年底累计探明石油地质储量5 3 亿吨，目前年产油1 9 0 多万吨。其中 低渗透油藏动用储量7 6 9 4 万吨，占采油厂动用储量的2 1 2 ，目前标定采收率2 4 2 。 目前低渗透油藏油井4 1 1 口，开井2 7 1 口，日液水平2 5 8 1 t d ，日油水平1 0 8 4 t d ，含水 5 8 ，采油速度o 5 1 ，采出程度1 2 3 ，平均单井日产油4 o t d ；共投水井1 7 5 口，开 注1 1 7 口，日注水平7 4 0 3 m 3 d ，单井e t 注6 3 3 岔，d 。根据油田实际情况，将低渗透率油 藏细分二类”1 。 第一类：渗透率在1 0 5 0 x i o 刁u m 2 。动用储量6 2 3 8 万吨，可采储量1 5 9 4 万吨，采 收率2 5 5 ，累计产油9 0 0 6 万吨，采出程度1 4 4 ，综合含水6 0 8 。 第二类：渗透率1 - 1 0 1 0 3 u m 2 。动用储量1 8 8 7 万吨，可采储量3 2 0 1 万吨，采收 率1 7 o ，累计产油4 1 2 万吨，采出程度2 8 3 ，综合含水8 7 。这类油藏特点是：油 藏埋藏深，油层致密，束缚水饱和度高，渗透性特低，一般在1 - l o x l 0 3 u m 2 。投产必须 采取压裂，才能投入开发，注水补充能量很困难。尽管投入部分转注井，实际地层吸水 能力很差，目前主要依靠天然能量低速开发。 8 第二章地应力场研究 第二章地应力场研究 开展油田现今地应力场的研究，将对油田井网部署、压裂选井和压裂施工设计提供 参考，同时开展水力压裂的数值模拟试验和物理模拟实验需要现今地应力场的资料作为 模拟的边界条件。工作区开展水力压裂的深度较大( 一般在2 5 0 0 3 0 0 0 m 左右) ，所以需 要深部地应力资料，本文通过多种方法相结合的方式，开展了深部地应力测量。测量方 法包括：声发射法( a e 法) 、波速各向异性法、钻孔崩落法、水压致裂法、微地震法和 电位监测法。通过对各种方法获得的结果进行对比分析，最后获得了滨南油田的地应力 场的分布，包括地应力的大小和方向【7 朋。 第一节a e 法( k a i s e r 效应) 一、a e 方法简述【9 1 明 上世纪7 0 年代以来己形成运用凯瑟效应测量地应力的a e 方法。即从现场取回定 向岩心，室内在岩心上取测试岩样，而后在压力机上对试样加载，测量其声发射。由声 发射累积数与外加压应力关系曲线( 以下简称响应曲线) 上第一个明显的斜率陡增点，判 断为凯瑟效应出现点。该点对应的外加压应力值视为取样方向上的先存主应力值。统计 出各取样方向的主应力值用于计算测点3 个主应力的大小。 二、a e 法测量结果 表2 - l 声发射测量结果 第二节波速各向异性法 超声波各向异性法测量地应力是利用超声波的灵活换能器测出岩心空间上的波速 变化。因地应力作用后的岩心，在应力释放后岩心松弛，出现微裂隙，应力大的方向比 应力小的方向出现的微裂隙要多( 用肉眼很难观察到) ，这些微裂隙就造成了岩心的波速 各向异性，波速慢的方向正是岩心在地层中受力最大的方向。但是该方法只能测出岩心 上的应力方向，要用定向岩心，否则还得利用地磁岩心定向。因岩心上的地磁是记录各 9 中国地质科学院硕士学位论文 地质时期，各种岩石成岩时当地的磁子午线( 磁偏角) ，各个地质年代的岩心都有它的 磁偏角方向，最后根据测得磁偏角方向定出岩心的地理坐标【4 ，1 6 1 。 一、波速各向异性法测地应力的原理 岩石波速各向异性测量是利用声波换能器，在岩心的垂直方向和水平方向任意角度 进行波速测量，能较准确地找出岩心的波速差异，找出其间的规律性。位于地层深部的 岩石，处在三向应力作用状态下，各个方向受到不同程度的压缩变形，当从地层取心到 地表时，加于其上的应力得到了释放。在应力释放过程中要出现微裂隙，这些微裂隙被 空气所占据。在最大应力的方向，出现微裂隙的总量要高于最小应力的方向，也就有更 多的体积是微裂隙，导致最大应力方向的声波速度要低于最小应力的方向。因此，最慢、 中间、最快波速分别对应最大主应力、中间主应力和最小主应力的方向。不同介质的波 阻由下式确定1 1 1 ： ：= p c( 2 - i ) 式中z 波阻；p 密度；c 波速，岩石和空气的波阻不同： 岩石的波阻：z = l o s x l 0 4 9 ( c m 2 s ) ；空气的波阻：z = o 0 0 4 x 1 0 4 9 ( c m 2 s ) 。 所以，在声波传播的路程中，空气占据体积的比例越大，对应的波速越慢，反之亦 然。据此可以确定原始应力的主方向。 二、岩样制备 测试所用仪器是非金属超声波检测仪，换能器是1 0 0 k h z 超声波换能器。实验参数 如下：采样周期：o 0 5 t s ，发射电压：5 0 0 v ，信号采集方式：连续信号，声时测读精度： 士o 0 5 1 t s 。在实验过程中所有读数都是多次读数取平均的结果，时间精确到了0 0 1 炉。 由于该实验要求的精度较高，样品尺寸是用千分尺多次测量取平均的结果。波速各 向异性测量示意图如图2 - 1 。 图2 1 岩心波速各向异性测量示意图 l o 第二章地应力场研究 声波测试需要进行多方向的测量，需要的样品较多，考虑取样数量有限，实验中采 用了两种方式实施实验岩样制作：十六面岩心和2 5 m m 岩心柱。其中十六面岩心是直接 利用现场取心的样品，首先把横截面切平，然后在岩心侧面上每隔2 2 5 。磨一个面，这 样每个岩心要磨1 6 个平面，所以称之为十六面岩心。由于换能器是固定在实验台上的， 所以为了保证岩心与换能器充分接触，要求在岩心上磨面保证平整度，而且相对的两个 面要求要保持平行，1 6 面岩心示意图如图2 1 。另一种岩样是2 5 r a m 岩心柱，它是从岩 心侧面等角度取出来的，由于是要测试岩心的声波各向异性差别，必须要保证多方向取 到岩心，但由于受到岩心尺寸和数量的限制，我们在每个岩样上每隔3 0 。取一个2 5 m m 岩心柱。如图2 2 所示。 图2 - 2 岩心波速各向异性取心示意图 由于现场岩石取心数量有限，能取到的完整的全尺寸岩石较少，导致实验样品的制 作困难，能够实现1 6 面岩心的制取的岩心数量很少。相比之下，第二种制作方法易于 加工，比较容易控制样品的精度，但它需要更多的岩心数量。实验中根据实际情况，选 择了合适的制作样品方式。 按照测量所需岩心的尺寸和完整性要求，从本次研究工作获得的有效岩心数量中， 筛选出能够进行声波测试的岩心有：l 5 6 5 、b 6 4 8 、b 4 5 、b 3 4 8 、l 6 4 、$ 9 1 、b 4 1 4 、b 3 - 5 2 0 。 根据具体岩心的尺寸大小和完整性，分别进行了十六面超声波测试和绕岩心侧面旋 转等角度取心超声波测试。其中l 5 6 5 、b 6 4 8 、1 3 4 5 、b 3 4 8 、l 6 4 、b 3 5 - 2 0 采用的十六 面测试；$ 9 1 、b 4 1 4 采用的侧面等角度取心测试。 三、波速各向异性测试结果 以上八口井的岩心样品中前六口井的样品为1 6 面岩心，后两口井的样品为侧面等 角度取心。十六面的样品为每隔2 2 5 度测量一次，每个样品有八组数据；侧面等角度取 心为每隔3 0 度取心，每个岩心有6 个样品，也就有6 组数据。声波各向异性曲线上， 横坐标的起始点为地理北极( 由地磁定向得到) ，根据前面的理论，波速最小方向为水 平最大主应力方向。由上面各图可以看出所测的八口井的波速最大方向为 n w 6 5 0 - n w 3 0 。之间，波速最小方向为n e 2 5 。- n e 6 0 0 之间，图2 3 为所测样品的波速方 中国地质科学院硕士学位论文 向分布图，图上画出了晟大波速方向和波速最小方向。图2 4 为水平最大主应力的优势 方向图。 图2 - 3 波速方向分布图图2 4 水平蛀大主应力优势方向 另外，为了证实波速与地应力的关系，我们还对以上样品进行了垂向超声波波速测 试，测试结果如表2 - 2 和图2 5 。总体来说，大多数岩样的水平方向波速都比垂向快， 这与岩样原先所处位置的应力状态比较吻合，垂向应力最大，水平向应力小于垂向应力。 表2 - 2 纵向一横向波速测试结果对比 高度 井号 直径( 劬呐时间( i i i l l )纵向速度( r a n )( m m )时间( 垂向速度( k m ) 备注 l 5 6 51 1 4 2 1 1 2 53 6 6 23 1 1 8 4 7 9 2 7 16 33 42 4i2 6 2 8 2 15 7 6 8 一 b 6 4 81 1 5 62 943 9 3 1 2 6 6 1 9 46 7 3 53 7 71 7 8 6 4 7 2 1 4 9 裂缝发育 b 4 51 0 6 6 8 7 52 4 8 54 2 9 3 9 3 1 28 6 2 82 6 0 533 1 2 0 9 2 1 3 1 一 b 3 4 9 1 1 5 0 2 8 7 53 4 6 33 3 2 1 7 2 1 6 1 i帅12 7 5 5 2 9 0 7 4 4 1 0 1 6 l 6 49 0 0 3 1 2 52 1 1 34 2 5 9 9 3 4 4 66 48 21 56 541 4 1 8 5 3 0 3 5 一 b 3 5 - 2 0 1 2 9 31 7 54 33 42 9 8 3 6 6 9 4 6 58 7 0 62 8 s 53 0 1 7 6 7 7 6 4 3 图2 - 5 纵向- 垂向波速对比图 1 2 ，。 。 一 一 、队 第二章地应力场研究 第三节钻孔崩落法 自7 0 年代以来，许多学者发现，在深钻孔中常常产生孔壁岩石崩落现象，而且在同一钻孔不同 深度，孔壁崩落呈椭圆形，其横截面的长轴方向往往相同。在地下巷道中，也发现了这种崩落破坏 现象。室内实验和理论分析证实了这种崩落现象的力学机理，并证实崩落椭圆横截面的长轴方向与 最小水平主应力方向平行。这就是钻孔崩落法的地应力测量基本依据。 一、钻孔壁崩落的力学分析【仆1 4 】 地壳中的一个铅直钻孔，其横截面通常处在两个水平主应力吼及盯2 p l 仃2 ) 的压缩之下， 如图2 - 6 所示。 t 图2 - 6 钻孔崩落的力学分析 此时孔壁上的应力分布为： z 三0 。l ( 2 - - 2 ，q = ) = ( q + 吒) 一2 ( q c r 2 ) c o s 2 0 j 当口= 詈及孚时，即在点n 及m 附近，切向应力盯口取极大值- 即 =3q一