地球科学进展

地球科学进展 ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (7): 742 -755. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.036

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合川地区须二段低各向异性储层现今地应力方向评价方法
曹峰 1( ), 何建华 1 , 2( ), 王园园 3, 邓虎成 1 , 2, 徐庆龙 4   
  1. 1.成都理工大学能源学院，四川 成都 610059
    2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工 大学），四川 成都 610059
    3.中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口 570100
    4.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163000
  • 收稿日期:2022-02-12 修回日期:2022-05-31 出版日期:2022-07-10
  • 通讯作者: 何建华 E-mail:773992278@qq.com;hejianhuadizhi@163.com
  • 基金资助:
    四川大学深地科学与工程教育部重点实验室开放基金项目“深层复杂构造带页岩钻井地应力剖面扰动的力学机理及关键评价技术研究”(DESEYU 202102);四川省科技厅项目“基于多源数据驱动的深层页岩储层钻井地应力剖面智能构建技术研究”(22MZGC0159)

Methods to Evaluate Present-Day In⁃situ Stress Direction for Low Anisotropic Reservoirs in the Second Member of the Xujiahe Formation in Hechuan Area

Feng CAO 1( ), Jianhua HE 1 , 2( ), Yuanyuan WANG 3, Hucheng DENG 1 , 2, Qinglong XU 4   

  1. 1.College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
    2.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
    3.Hainan Branch of CNOOC Ltd. , Haikou 570100, China
    4.Exploration and Development Research Institute, Daqing Oilfield Company Ltd. , Daqing Heilongjiang 163000, China
  • Received:2022-02-12 Revised:2022-05-31 Online:2022-07-10 Published:2022-07-21
  • Contact: Jianhua HE E-mail:773992278@qq.com;hejianhuadizhi@163.com
  • About author:CAO Feng (1999-), male, Langfang City, Hebei Province, Master student. Research area include the fine description of the in-situ stress field. E-mail: 773992278@qq.com
  • Supported by:
    the Open Fund Project of Key Laboratory of Deep Earth Science and Engineering, Ministry of Education, Sichuan University “Research on mechanical mechanism and key evaluation techniques of ground stress profile disturbance in shale drilling in deep complex tectonic zone”(DESEYU 202102);The Sichuan Provincial Science and Technology Department Project “Research on intelligent construction technology of ground stress profile for deep shale reservoir drilling based on multi-source data drive”(22MZGC0159)
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合川地区须二段致密砂岩气资源十分丰富，但该区复杂地质条件对目前油气资源勘探开发造成了巨大影响，尤其是现今地应力方向认识不清制约了后期水平井部署和压裂改造的持续推进。基于波速各向异性、差应变及古地磁等实验测试分析，并结合特殊测井与微地震监测资料，开展了各类地应力方向测试与解释方法在致密砂岩储层中应用的适用性评价研究，查明了合川地区现今地应力方向的分布特征。结果表明合川地区须二段最大水平主应力方向主要分布在N103.1°E-N134.3°E，平均最大水平主应力的方位角为N117.4°E，即合川地区须家河组砂岩现今最大水平主应力方向为NWW-SEE。平面上，地应力方向变化不明显，其较小的地应力偏转主要受沉积结构影响，而合川地区须二段致密砂岩均质性相对较强，各向异性偏弱，波速各向异性测试方法在该区无法适用。通过微地震监测和井壁成像测井评价地应力方向，认为差应变联合古地磁的实验测试结果与上述评价结果具有较高的一致性，故该测试方法更加适用于该区均质且各向异性较弱的砂岩地层。并结合地应力方向和裂缝优势走向等，建议水平井的部署方位为N40°E-N55°E。

关键词: 地应力方向, 古地磁测试, 差应变测试, 须二段, 合川地区

The Hechuan area is rich in dense sandstone gas resources in the second member of the Xujiahe formation, and the complex geological conditions in this area have a great impact on the current exploration and development of oil and gas resources. One of the issues resulting from this complexity is an unclear understanding of how present-day in-situ stress direction restricts the later horizontal well deployment and the promotion of fracture transformation. Based on an analysis of wave velocity anisotropy, differential strain, and paleomagnetism, combined with special logging and microseismic monitoring data, the applicability of various types of in situ stress direction testing frameworks in dense sandstone reservoirs was evaluated, and the distribution of present-day in situ stress directions in the Hechuan area were determined. The results show that the maximum principal stress orientation of the second member of the Xujiahe Formation in the Hechuan area is mainly distributed between N103.1°E-N134.3°E, and the azimuth angle of the average maximum principal stress is N117.4°E; that is, the present-day maximum principal stress orientation of the sandstone in this area is NWW-SEE. The change in the direction of the in situ stress in the plane is not significant, and its weaker in situ stress deflection is mainly influenced by the sedimentary structure. In the Hechuan area, the dense sandstone in the second member of the Xujiahe Formation is relatively homogeneous, and the anisotropy is weak; therefore, the wave velocity anisotropy test cannot be applied in this area. The experimental test results of differential strain combined with paleomagnetism are highly congruent with the results above. Therefore, the test more applicable to sandstone formations in this area, specifically the ones with a homogeneous and weak anisotropy, is microseismic monitoring and well wall image logging to evaluate the in-situ stress direction. Combined with the direction of the in situ stress and fracture development, the recommended orientation for horizontal well deployment is N40°E-N55°E.

Key words: In-situ stress orientation, Paleomagnetic test, Differential strain test, The second member of Xujiahe formation, Hechuan area

中图分类号: 

图1 波速各向异性样品及标志线标注照片
（a） YX-2019-476-01，合川001-27-x1，2 414.2 m，须二2亚段，中砂岩；（b） YX-2019-484-01，合川001-27-x1，2 425.3 m，须二2亚段，细砂岩
Fig. 1 Wave velocity anisotropy samples and marker line labeling photos
（a） YX-2019-476-01，Well Hechuan 001-27-x1，2 414.2 m，the second subsection of Xu-II，medium sandstone；（b） YX-2019-484-01，Well Hechuan 001-27-x1，2 425.3 m，the second subsection of Xu-II，fine sandstone
图2 差应变实验测试前（a）和测试后（b）样品照片
YX-2019-476-07，合川001-27-x1，2 414.2 m，须二2亚段，中砂岩
Fig. 2 Photos of samples before （a） and after （b） the differential strain test
YX-2019-476-07，Well Hechuan 001-27-x1，2 414.2 m，the second subsection of Xu-II，medium sandstone
图3 所有样品古地磁数据岩心定向结果分布图
Fig. 3 Distribution of core orientation results from paleomagnetic data for all samples
图4 古地磁实验数据图
（a）合川001-27-x1井须二段，2 404.8 m；（b）合川001-69井须二段，2 143.5 m
Fig. 4 Paleomagnetic experiment graph
（a） The second member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 001-27-x1，2 404.8 m；（b） The second member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 001-69，2 143.5 m
图5 波速各向异性实验曲线结果图
（a）合川001-27-x1井须二2段，2 402.8 m；（b）合川001-69井须二3段，2 108.8 m；（c）合川7井须二3段，2 177.3 m；（d）合川001-27-x1井须二2段，2 419.0 m
Fig. 5 The result of wave velocity anisotropy experimental curve
（a） The second member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 001-27-x1，2 402.8 m；（b） The third member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 001-69，2 108.8 m；（c） The third member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 7，2 177.3 m；（d） The second member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 001-27-x1，2 419.0 m
表1 合川地区须家河组砂岩 40组地应力方向的结果数据表
Table 1 The results of maximum principal stress orientation in group 40 of the sandstone of the Xujiahe Formation in the Hechuan Area
井号 层位 深度/m 岩心古地磁 定向方向 最大水平主应力 与标志线夹角 标志线相对最大水平 主应力方向的测试方法 最大水平 主应力方向
合川001-27-x1 须二2 2 437.02 N316.4°E N355.0°E 差应变分析 N131.4°E
须二2 2 437.00 N112.6°E N355.0°E 差应变分析 N107.6°E
须二2 2 434.64 N175.0°E N129.0°E 差应变分析 N124.0°E
须二2 2 434.62 N171.2°E N129.0°E 差应变分析 N120.2°E
须二2 2 434.60 N163.6°E N129.0°E 差应变分析 N112.6°E
须二2 2 432.32 N301.7°E N186.0°E 差应变分析 N127.7°E
须二2 2 432.30 N287.4°E N186.0°E 差应变分析 N113.2°E
须二2 2 425.34 N293.3°E N180.0°E 波速各向异性 N113.3°E
须二2 2 425.32 N283.3°E N180.0°E 波速各向异性 N103.3°E
须二2 2 425.30 N295.3°E N180.0°E 波速各向异性 N115.3°E
须二2 2 423.04 N13.1°E N90.0°E 波速各向异性 N103.1°E
须二2 2 423.02 N15.3°E N90.0°E 波速各向异性 N105.3°E
须二2 2 423.00 N24.1°E N90.0°E 波速各向异性 N114.1°E
须二2 2 419.04 N304.1°E N170.2°E 差应变分析 N114.3°E
须二2 2 419.02 N309.2°E N170.2°E 差应变分析 N119.4°E
须二2 2 419.00 N307.7°E N170.2°E 差应变分析 N117.9°E
须二2 2 414.20 N320.9°E N150.3°E 差应变分析 N111.2°E
须二2 2 412.32 N142.1°E N160.0°E 波速各向异性 N122.1°E
须二2 2 412.30 N140.8°E N160.0°E 波速各向异性 N120.8°E
须二2 2 404.84 N298.2°E N357.0°E 差应变分析 N115.2°E
须二2 2 404.82 N308.6°E N357.0°E 差应变分析 N125.6°E
须二2 2 404.80 N311.5°E N357.0°E 差应变分析 N128.5°E
须二3 2 402.84 N139.3°E N150.0°E 波速各向异性 N109.3°E
须二3 2 402.82 N134.8°E N150.0°E 波速各向异性 N104.8°E
须二3 2 402.80 N140.0°E N150.0°E 波速各向异性 N110.0°E
合川001-69 须二2 2 155.52 N330.5°E N159.0°E 差应变分析 N129.5°E
须二2 2 155.50 N315.1°E N159.0°E 差应变分析 N114.1°E
须二2 2 144.42 N355.5°E N312.7°E 差应变分析 N128.2°E
须二2 2 144.40 N332.1°E N312.7°E 差应变分析 N104.8°E
须二2 2 143.54 N314.3°E N180.0°E 差应变分析 N134.3°E
须二2 2 143.50 N313.0°E N180.0°E 差应变分析 N133.0°E
须二2 2 130.12 N86.1°E N204.9°E 差应变分析 N111.0°E
须二2 2 130.10 N98.3°E N204.9°E 差应变分析 N123.2°E
须二3 2 108.84 N325.6°E N160.0°E 波速各向异性 N125.6°E
须二3 2 108.82 N309.9°E N160.0°E 波速各向异性 N109.9°E
须二3 2 108.80 N325.2°E N160.0°E 波速各向异性 N125.2°E
合川149 须二3 2 297.50 N310.6°E N170.0°E 波速各向异性 N120.6°E
合川5 须二3 2 230.90 N143.3°E N156.4°E 差应变分析 N119.7°E
合川109 须二2 2 214.60 N249.4°E N220.0°E 差应变分析 N109.4°E
合川1 须二3 2 115.00 N230.3°E N245.0°E 差应变分析 N115.3°E
图6 合川地区须二段微地震监测事件图（俯视图）
（a）合川146井，须二段；（b）合川148井，须二段
Fig. 6 Map of microseismic monitoring events in the second member of Xujiahe Formation in Hechuan Area （top view）
（a）Well Hechuan 146，the second member of Xujiahe Formation；（b）Well Hechuan 148，the second member of Xujiahe Formation
图7 合川地区成像测井图像上的诱导缝现象
（a）合川127井1 987~1 992 m段；（b） 合川129井2 380~2 386 m段；（c） 潼南101井2 279~2 283 m段
Fig. 7 Characteristics of drilling-induced fractures interpreted from borehole imaging logs in Hechuan Area
（a） Well Hechuan 127，1 987~1 992 m；（b） Well Hechuan 129，2 380~2 386 m；（c） Well Tongnan 101，2 279~2 283 m
图8 合川地区成像测井图像上的井壁崩落现象
（a） 合川001-69井2 143~2 150 m段；（b） 潼南101井2 194~2 199 m段；（c）合川103井2 014~2 024 m段
Fig. 8 Characteristics of borehole breakouts interpreted from borehole imaging logs in Hechuan Area
（a） Well Hechuan 001-69，2 143~2 150 m；（b） Well Tongnan 101，2 194~2 199 m；（c） Well Hechuan 103，2 014~2 024 m
表2 合川 001-69和合川 001-27-x1井电成像解释地应力方向结果数据表
Table 2 Result of the maximums principle stress orientation derived from borehole breakout in the Wells 001-69 and 001-27-x1
井号 深度范围/m 崩落方位/（°） 解释质量 最大水平主应力方向 井壁崩落宽度/（°）
合川001-69 2 083~2 091 25 B N115°E 35
2 092~2 100 20 B N110°E 38
2 102~2 105 15 A N105°E 45
2 109~2 115 30 A N120°E 28
2 118~2 121 50 C N140°E 54
2 126~2 131 20 A N110°E 40
2 136~2 141 10 B N100°E 35
2 143~2 150 15 A N110°E 40
2 157~2 159 15 A N105°E 48
合川001-27-x1 2 333~2 338 20 A N110°E 35
2 395~2 399 20 A N110°E 38
2 403~2 407 25 A N115°E 55
2 468~2 472 5 B N95°E 38
2 552~2 556 10 B N100°E 20
2 557~2 563 20 A N110°E 30
2 564~2 572 20 A N110°E 28
图9 潼南—合川地区成像测井解释地应力方向和实验测试地应力方向频率分布直方图对比
Fig. 9 Comparison of histograms of frequency distribution of in-situ stress direction interpreted by imaging logging and experimental test in Tongnan-Hechuan Area
图10 潼南—合川地区须二段地应力方向分布图
Fig. 10 Distribution of ground stress direction in the Tongnan-Hechuan Area in the second member of Xujiahe Formation
图11 合川5井须二段天然裂缝的成像特征及岩心照片
Fig. 11 Imaging characteristics and core photos of the natural fractures in the second member of Xujiahe Formation of the Well Hechuan 5
图12 结合天然裂缝优势方向和地应力方向的测试结果对水平井建议方位图
（a）合川地区天然裂缝属性预测图；（b）水平井建议方位图
Fig. 12 Combine the test results of natural fracture dominance direction and maximum principle stress orientation for determining drilling direction for horizontal wells
（a） Predicted natural fracture properties in the Hechuan Area；（b） Horizontal well proposal orientation map
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