地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (12): 1271 -1284. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.070

非常规储层地质力学 上一篇    下一篇

泸州北区深层页岩现今地应力场分布特征及扰动规律
刘绍军 1 , 2 , 3( ), 刘勇 1, 赵圣贤 1 , 2 , 3, 张鉴 1 , 2 , 3, 邓乃尔 4, 邓虎成 4, 何建华 4, 徐浩 4( ), 曹埒焰 2 , 3, 何沅翰 2 , 3, 尹美璇 2 , 3   
  1. 1.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051
    2.中国石油西南油气田公司页岩气研究院，四川 成都 610051
    3.页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川 成都 610051
    4.油气藏地质及开发工程全国重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059
  • 收稿日期:2023-07-09 修回日期:2023-10-13 出版日期:2023-12-10
  • 通讯作者: 徐浩 E-mail:liushaojun@petrochina.com.cn;xuhao19@cdut.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(42002157);四川省科技计划杰出青年科技人才项目(2020JDJQ0058);成都理工大学2022年中青年骨干教师发展资助计划(10912-SJGG2022-07702)

Distribution Characteristics and Pattern of Deep Shale Present Geostress Field in Northern Luzhou

Shaojun LIU 1 , 2 , 3( ), Yong LIU 1, Shengxian ZHAO 1 , 2 , 3, Jian ZHANG 1 , 2 , 3, Naier DENG 4, Hucheng DENG 4, Jianhua HE 4, Hao XU 4( ), Lieyan CAO 2 , 3, Yuanhan HE 2 , 3, Meixuan YIN 2 , 3   

  1. 1.Petro China Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, China
    2.Shale Gas Research Institute, Petro China Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, China
    3.Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation of Sichuan Province, Chengdu 610051, China
    4.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation on Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
  • Received:2023-07-09 Revised:2023-10-13 Online:2023-12-10 Published:2023-12-26
  • Contact: Hao XU E-mail:liushaojun@petrochina.com.cn;xuhao19@cdut.edu.cn
  • About author:LIU Shaojun, Senior engineer, research areas include shale gas exploration and development. E-mail: liushaojun@petrochina.com.cn
  • Supported by:
    Projecti supported by the National Natural Science Foundation of China(42002157);Sichuan Science and Technology Programme Outstanding Young Scientific and Technological Talents Project(2020JDJQ0058);Chengdu University of Science and Technology 2022 Young and Middle-aged Cadre Teachers Development Funding Scheme(10912-SJGG2022-07702)
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地应力场特征分析评价是深层页岩气勘探开发的重要环节，对压裂裂缝走向预测、井网部署和水平井位部署具有重要的指导意义。以四川盆地泸州北区龙一1亚段为例，通过室内实验、测井解释对比和应力场模拟预测，建立了岩石力学动静态参数转换关系式，明确单井地应力特征，完成应力场扰动分析，实现了对研究区应力场的分区刻画。结果表明： ① 岩石力学参数呈现出“高杨氏模量、低泊松比”的特征，表明目的层具有较高的脆性。三向应力随埋深的增加而增大，且表现为水平最大主应力>垂向主应力>水平最小主应力。 ② 4种应力方向判别方法的对比分析得出，研究区水平最大主应力方向在105°~115°。福集向斜相对于区域应力方向发生逆时针偏转，在75°~85°，得胜向斜常保持区域应力方向。 ③ 对比区域应力状态，背斜区受张应力影响，应力值减小、应力方向顺时针偏转；受挤压应力的影响，向斜区表现出相反的趋势。断裂对应力扰动最大范围可达1.8 km，不同走向断裂对应力扰动强度排序为NEE、NE和NNE。 ④ 依据断裂和应力场扰动的特征，将研究区划分为调整带、转换带和稳定带3种类型。这为后续研究区开发单元的优化提供了有效支撑，实现单井平均经济可采储量稳步上升。

关键词: 泸州北区, 深层页岩气, 岩石力学参数, 地应力特征, 应力扰动

Stress field characterization and evaluation is an important part of deep shale gas exploration and development, and is important in guiding the prediction of fracture crack direction, well network deployment, and horizontal well location deployment. Using the Longyi 1 subsection in Luzhou North District, Sichuan Basin, as an example; through indoor experiments, logging interpretation comparison, and stress field simulation prediction; we established the conversion relation equation of rock mechanics dynamic and static parameters, clarified the single well geostress characteristics, and completed the stress field perturbation analysis. This enabled us to realize the zoning portrayal of the stress field in the study area. The results of the study showed that: ① the rock mechanical parameters show the characteristics of “high Young’s modulus and low Poisson's ratio,” which indicates that the target layer is highly brittle. The three-directional stress increased with increasing burial depth, and the relationship between the stresses was as follows: SH > Sv > Sh . ② A comparison and analysis of the four stress direction discrimination methods showed that the maximum horizontal principal stresses in the study area ranged 105-115°. The Fuji oblique inclination was deflected counter-clockwise with respect to the regional stress direction in the range 75-85°, whereas the Desheng oblique inclination often maintained the regional stress direction. ③ Comparing the regional stress state, the dorsal inclined area was shown to be affected by the tensile stress, with the stress value decreasing and the stress direction being deflected clockwise, whereas the oblique inclined area showed the opposite tendency owing to the influence of the extruding stress. The maximum range of stress perturbation by fractures reaches up to 1.8 km, and the intensity of stress perturbation by fractures with different strikes is ranked as NEE, NE, and NNE. ④ Based on the characteristics of fractures and stress field perturbations, the study area was classified into three types: adjusting, transforming, and stabilizing zones. The results of this study provide effective support for the optimization of subsequent development units to achieve a steady increase in the average EUR of a single well.

Key words: Northern Luzhou, Deep shale gas, Rock mechanical parameters, Geostress characteristics, Stress disturbance

中图分类号: 

图1 泸州北区构造区域（a）和构造断裂分布（b）［ 29 ］
Fig. 1 Tectonic area （a） and distribution of tectonic ruptures （b） in Northern Luzhou Block［ 29 ］
图2 岩样三轴抗压实验应力—应变曲线
Fig. 2 Stress-strain curve of triaxial compression test on rock samples
表1 泸州北区三轴抗压实验岩石力学参数数据
Table 1 Data sheet of rock mechanical parameters of triaxial compressive experiments in Northern Luzhou
井位 样品编号 层位

样品密度

/（g/cm3）

 实验条件 实验结果
温度/℃ 上覆地层 压力/MPa

围压

/MPa

地层压力

/MPa

抗压强度

/MPa

 静态杨氏模量 /104 MPa 静态泊松比
泸01 lz-sz-23-01 五峰组 2.71 121 101.60 81.30 63.60 361.66 3.250 0.272
泸12 lz-sz-23-02 龙一 1 1 小层 2.66 122 95.40 85.90 72.00 466.51 4.823 0.283
泸07 lz-sz-23-03 龙一 1 1 小层 2.51 129 102.70 82.20 68.50 402.93 2.473 0.230
泸08 lz-sz-23-04 龙一 1 1 小层 2.47 129 103.00 98.90 88.90 554.66 4.439 0.257
阳01 lz-sz-23-05 龙一 1 4 小层 2.62 129 105.20 89.40 80.90 363.91 3.530 0.296
阳02 lz-sz-23-06 龙一 1 1 小层 2.57 118 93.20 84.60 74.00 506.23 4.338 0.263
阳04 lz-sz-23-07 龙一 1 1 小层 2.47 140 98.90 89.00 60.30 549.46 3.915 0.202
阳05 lz-sz-23-08 龙一 1 1 小层 2.56 148 105.10 100.40 90.40 641.37 4.340 0.194
阳07 lz-sz-23-09 五峰组 2.61 143 106.30 89.30 80.20 390.92 5.473 0.227
阳08 lz-sz-23-10 龙一 1 1 小层 2.58 125 102.30 92.10 82.60 570.97 3.962 0.183
图3 动静态杨氏模量（a）与动静态泊松比（b）拟合分布图
Fig. 3 Fitted distribution of dynamic and static Young’s modulus （a） versus dynamic and static Poisson’s ratio （b）
图4 声发射实验样品（a）与阳08井Kaiser曲线示意图（b）
Fig. 4 Acoustic emission experiment samples （a） and schematic diagram of Kaiser curve of Well Yang 08 （b）
表2 单井声发射实验三向应力大小数据表
Table 2 Data sheet of three-way stress magnitude for single well acoustic emission experiments
井号 样品编号 层位 水平最大主应力/MPa 水平最小主应力/MPa 垂向主应力/MPa 水平应力差异系数
泸01 Lz-sfa-2023-1 五峰组 109.64 93.57 101.34 0.172
泸02 Lz-sfa-2023-2 龙一 1 2 小层 103.70 88.10 97.91 0.177
泸03 Lz-sfa-2023-3 龙一 1 1 小层 103.89 87.64 98.20 0.185
泸04 Lz-sfa-2023-4 龙一 1 1 小层 113.10 97.90 106.91 0.155
泸05 Lz-sfa-2023-5 龙一 1 4 小层 114.00 97.60 106.20 0.168
泸06 Lz-sfa-2023-6 五峰组 114.30 99.10 108.21 0.153
泸07 Lz-sfa-2023-7 龙一 1 2 小层 102.85 89.62 100.17 0.148
泸08 Lz-sfa-2023-8 五峰组 115.13 99.79 105.05 0.154
泸09 Lz-sfa-2023-9 龙一 1 3 小层 88.96 77.92 86.20 0.142
泸10 Lz-sfa-2023-10 龙一 1 1 小层 104.82 92.21 97.96 0.137
泸11 Lz-sfa-2023-11 龙一 1 1 小层 100.53 84.44 93.86 0.191
阳01 Lz-sfa-2023-12 龙一 1 4 小层 110.94 97.38 102.72 0.139
阳02 Lz-sfa-2023-13 五峰组 98.40 86.13 90.74 0.142
阳03 Lz-sfa-2023-14 龙一 1 1 小层 113.51 97.94 103.68 0.159
阳04 Lz-sfa-2023-15 五峰组 101.80 89.84 99.17 0.133
阳05 Lz-sfa-2023-16 龙一 1 1 小层 109.23 96.04 105.11 0.137
阳06 Lz-sfa-2023-17 龙一 1 1 小层 111.80 95.50 106.51 0.171
阳07 Lz-sfa-2023-18 龙一 1 2 小层 106.40 94.20 102.10 0.130
阳08 Lz-sfa-2023-19 龙一 1 1 小层 105.40 92.30 99.40 0.142
阳09 Lz-sfa-2023-20 龙一 1 2 小层 113.45 98.85 108.91 0.148
图5 泸01井水平段水力压裂曲线图
Fig. 5 Horizontal hydraulic fracturing curve of Well Lu 01
表3 水力压裂计算与声发射实验应力值对比
Table 3 Comparison of hydraulic fracturing calculations and acoustic emission experimental stress values
井号 编号 层位 水力压裂施工参数 水平最小主应力（声发射实验测试结果）/MPa 水平最小主应力（水力压裂参数计算结果）/MPa 误差率/%
破裂压力/MPa 瞬间停泵 压力/MPa 裂缝重启 压力/MPa
泸01 Lz-sfa-2023-1 五峰组 96.71 65.51 88.79 93.57 94.75 1.24
泸07 Lz-sfa-2023-7 龙一 1 2 小层 94.41 64.52 76.41 89.62 90.42 0.88
泸10 Lz-sfa-2023-10 龙一 1 1 小层 96.00 65.50 84.00 92.21 91.86 0.38
阳06 Lz-sfa-2023-17 龙一 1 1 小层 101.00 68.80 84.44 95.50 95.78 0.29
阳08 Lz-sfa-2023-19 龙一 1 1 小层 103.00 71.20 84.85 92.30 92.35 0.05
图6 单井应力方向解释对比图
Fig. 6 Comparison of stress direction interpretation for a single well
表4 泸州北区单井地应力方向解释数据表
Table 4 Interpretation data sheet of geostress direction of single well in Northern Luzhou
构造分布 井号 样品编号 层位 最终水平最大主应力方向/（°） 应力方向判别方法
福集向斜 泸01 Lz-gdc-001 五峰组 85 成像测井、偶极横波各向异性
泸02 Lz-gdc-002 龙一 1 2 小层 75 成像测井、偶极横波各向异性
泸03 Lz-gdc-003 龙一 1 1 小层 85 成像测井、偶极横波各向异性
泸04 Lz-gdc-004 龙一 1 1 小层 105 成像测井、微地震监测
泸06 Lz-gdc-005 龙一 1 1 小层 108 成像测井、微地震监测
泸08 Lz-gdc-006 龙一 1 1 小层 113 成像测井
泸09 Lz-gdc-007 龙一 1 3 小层 110 成像测井
泸10 Lz-gdc-008 龙一 1 1 小层 105 成像测井、微地震监测
得胜向斜 阳01 Lz-gdc-010 龙一 1 4 小层 105 成像测井、偶极横波各向异性
阳02 Lz-gdc-011 五峰组 117 成像测井、偶极横波各向异性
阳03 Lz-gdc-012 龙一 1 1 小层 111 成像测井、偶极横波各向异性
阳04 Lz-gdc-013 五峰组 115 成像测井、偶极横波各向异性
阳05 Lz-gdc-014 龙一 1 1 小层 115 成像测井
阳06 Lz-gdc-015 龙一 1 1 小层 125 成像测井
阳07 Lz-gdc-016 五峰组 115 成像测井
图7 泸州北区构造断裂模型（a）与岩石力学参数分区（b）
（a）立体颜色线条代表断裂展布特征；（b）A、B、C、D、E分别表示5类力学单元区块
Fig. 7 Tectonic rupture model of the study area （a） and zoning map of rock mechanical parameters （b） in Northern Luzhou
The three-dimensional colour lines in （a） represent fracture spreading features； A， B， C， D and E in （b） represent five types of mechanical unit blocks
表5 岩石力学模型力学单元要素表
Table 5 Rock mechanics model mechanical unit element
岩石力学参数 力学单元区块
A B C D E
静态杨氏模量/GPa 43.90 41.60 40.60 39.11 36.41
静态泊松比 0.33 0.29 0.28 0.27 0.25
内摩擦力/MPa 28.51 27.01 26.37 25.40 23.65
内摩擦角/（°） 44.79 42.12 40.96 39.22 36.08
抗拉强度/MPa 11.84 11.09 10.77 10.28 9.40
表6 三维应力场模拟与声发射实验数据对比分析
Table 6 Comparative analysis of three-dimensional stress field simulation and acoustic emission experimental data
井号 水平最大主应力 水平最小主应力
声发射实验/MPa 应力场模拟/MPa 相对误差/% 声发射实验/MPa 应力场模拟/MPa 相对误差/%
泸08 115.43 117.41 1.71 99.79 96.45 3.34
泸06 114.30 111.12 2.78 99.11 93.91 5.25
泸03 103.89 107.10 3.09 92.21 88.76 3.74
阳01 110.94 114.11 2.86 97.38 92.81 4.69
阳05 109.23 115.31 5.57 96.04 92.51 3.68
阳06 111.80 113.80 1.79 95.51 91.45 4.25
图8 应力场模拟平面分布图
（a）水平最大主应力分布图；（b）水平最小主应力分布图；（c）水平应力差异系数分布图；（d）水平最大主应力方向分布图
Fig. 8 Stress field simulation plan distribution
（a） The distribution of horizontal maximum principal stresses； （b） The distribution of horizontal minimum principal stresses； （c） The distribution of horizontal stress variance coefficients； （d） The distribution of horizontal maximum principal stress directions
图9 A-a剖面应力场模拟纵向分布图
（a）水平最大主应力纵向分布图；（b）水平最小主应力纵向分布图；（c）水平最大主应力方向纵向分布图
Fig. 9 Simulated longitudinal distribution of the stress field in the A-a profile
（a） The longitudinal distribution of horizontal maximum principal stress； （b） The longitudinal distribution of horizontal minimum principal stress； （c） The longitudinal distribution of horizontal maximum principal stress direction
图10 泸州北区应力扰动分区图
Fig. 10 Zoning map of stress disturbance in Northern Luzhou
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