黄岩气田地应力分布规律研究

胡 强 （长江大学石油工程学院，湖北 武汉430100；中石化江汉石油管理局第四机械厂，湖北 荆州434024）

何 帆 （中石油新疆油田分公司采油二厂油田工艺研究所，新疆 克拉玛依834000）

申健龙 （江汉石油钻头股份有限公司，湖北 武汉430000）

万礼鹏 （中石油吐哈油田分公司吐鲁番采油厂，新疆 鄯善838202）

黄岩气田在钻井作业过程中遇阻频繁、井眼垮塌和扩径严重，同时部分开发井作业深度较深，进尺超过5000m，井壁失稳的风险较大。为此，笔者对黄岩气田的地应力分布规律展开研究，以便为该气田实施安全、优质、高效的钻进作业提供参考。

1 凯塞尔效应法测量地应力的原理

凯塞尔效应指的是在对岩石进行声发射的过程中，岩石会 “记忆”它受过的最大应力值。若仅增加岩石受到的应力，应力达已经施加过的最大应力时，声发射会明显增加。岩石受力之后会发生微破裂，且发生频率随应力增加而增加［1-2］。凯塞尔效应法测量地应力的方法如下，将取自地下的岩石在室内进行加载试验，用声发射仪测出岩石受载过程中岩石内部所发出的声波信号，当岩石所受应力达到它历史上所受的最大应力时，岩石产生的声波信号会突然变大，由此求得试验岩石在地下所受的地应力值［3］。在进行取心测试试验时，至少要选取3个水平方向 （各相隔45°）和1个垂直方向的岩样，将上述4种岩样的测试结果代入式 （1）～ （3）就可以确定岩石所在井深处的3个地层主地应力，即［4］：

式中，σv1为试验点上覆岩层压力当量密度，g／cm3；σH1、σh1分别为试验点最大、最小水平主地应力当量密度，g／cm3；σ⊥为垂直方向岩心凯塞尔点的应力当量密度，g／cm3；σ0°、σ45°、σ90°分别为水平0°、45°和90°方向岩心的凯塞尔点应力当量密度，g／cm3。

据此可求得构造应力系数［4］：

式中，ω1、ω2分别为水平构造应力系数；Pp为地层孔隙压力当量密度，g／cm3；μ为泊松比；α为有效应力贡献系数。

为了研究油气田各地层的地应力，假设地下岩层所受地应力主要有水平方向的构造应力和上覆岩层压力，且水平方向的构造应力与上覆岩层压力成正比，则油气田各地层最大、最小水平主地应力可以利用如下公式进行计算［5］：

式中，σH、σh分别为油气田各地层最大、最小水平主地应力当量密度，g／cm3；σv为油气田各地层上覆岩层压力当量密度，g／cm3。

2 黄岩气田地应力大小分布规律

首先利用凯塞尔效应法对黄岩气田特定井深的地应力进行测量 （见表1）并与水力压裂法测量结果进行比较 （见表2），发现2种方法所得地应力值的相对误差在3%之内，说明凯塞尔效应法测量地应力的精度较高，可以满足现场施工要求。其次，计算黄岩气田各地层地应力并绘制了各井地应力剖面图。黄岩气田X1井地应力剖面如图1所示。从图1可以看出，3个地应力间的大小关系为上覆岩层压力＞最大水平主地应力＞最小水平主地应力，且随着井深的增加，地应力值也相应增大。

表1 黄岩油气田地应力凯塞尔效应试验数据表

表2 凯塞尔效应法与现场水力压裂实验法测量地应力结果对比表

3 黄岩气田最大水平主地应力方向确定

井壁岩石所受的应力状态可用周向应力σθ、径向应力σr和剪切应力τθz来表示：

式中，pi为井眼中的液柱压力当量密度，g／cm3；θ为井眼周围某点径向与最大水平主地应力方向的夹角，（°）；Gz为上覆岩层压力梯度，Pa／m；H为井深，m。

图1 X1井地应力剖面

井壁上的应力差值（σθ-σr）决定井壁是否会发生剪切破坏，当或（即图2中的B、D点）时，应力差值达到最大。不同性质的地层岩石都具有其固有拉剪强度，钻开井眼时破坏了地层的原始应力平衡状态，井眼周围应力将会重新分布。在地应力作用下，井壁围岩发生变形并引起井壁附近应力集中，当作用在B、D点的应力差达到或超过该处岩石的固有抗剪强度时，就会引起井壁崩落，进而形成井壁崩落椭圆，该椭圆长轴方向与最大水平主地应力方向垂直。因此，可借用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向。统计分析黄岩气田井壁崩落椭圆数据 （见表3），可知黄岩气田最大水平主地应力方向为N87.32°E～N93.17°E。

图2 井壁崩落椭圆示意图

表3 黄岩气田井壁崩落椭圆数据统计

4 结 论

（1）黄岩气田各地层相关地应力大小关系为上覆岩层压力＞最大水平主地应力＞最小水平主地应力，且随着井深的增加，地应力值也相应增大。

（2）黄岩气田最大水平主地应力方向为N87.32°E～N93.17°E，同时井壁崩落椭圆长轴方向与最大水平主地应力方向垂直。

［1］楼一珊 .地应力在油气田开发中的应用 ［J］.石油钻探技术，1997，25（3）：58-59.

［2］邓荣贵，付小敏 .三向应力下长石石英砂岩凯赛尔效应实验研究 ［J］.成都理工学院学报，2002，29（1）：97-99.

［3］张守良，邓金根 .油田测量地应力技术及中国西部地应力分布规律 ［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（Z1）：2135-2138.

［4］刘鸿文 .材料力学 （下册）［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［5］楼一珊，金业权 .岩石力学与石油工程 ［M］.北京：石油工业出版社，2006.