动静态地质力学方法约束的致密油砂岩地应力综合评估

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.077

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (12): 1285 -1296. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.077

尹帅 ¹ ^, ²(

), 刘翰林 ³, 何建华 ⁴, 王瑞飞 ⁵, 李香雪 ¹, 黄郑 ⁶, 周永强 ⁶, 贺子潇 ⁶

^1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065
^2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安 710065
^3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083
^4.成都理工大学能源学院，四川成都 610059
^5.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065
^6.中国石油化工股份有限公司河南油田分公司油气开发管理部，河南南阳 473132

收稿日期:2023-09-04 修回日期:2023-11-03 出版日期:2023-12-10
基金资助:
国家自然科学基金项目(42302167);陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-QN-0355)

Comprehensive Evaluation of Geo-Stress in Tight Oil Sandstone Under Constraints of Dynamic-Static Geomechanical Methods

Shuai YIN ¹ ^, ²( ), Hanlin LIU ³, Jianhua HE ⁴, Ruifei WANG ⁵, Xiangxue LI ¹, Zheng HUANG ⁶, Yongqiang ZHOU ⁶, Zixiao HE ⁶

^1.School of Earth Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China
^2.Shaanxi Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China
^3.Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China
^4.College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
^5.School of Petroleum Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China
^6.Oil and Gas Development Management Department, Henan Oilfield Branch, SINOPEC, Nanyang Henan 473132, China

Received:2023-09-04 Revised:2023-11-03 Online:2023-12-10 Published:2023-12-26
About author:YIN Shuai, Associate professor, research areas include theory and application technology of energy geology, reservoir geomechanics. E-mail: speedysys@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(42302167);Shaanxi Province Natural Science Basic Research Program(2023-JC-QN-0355)

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地应力是地下岩石重要的地质力学属性，对其大小及方向的准确评估对于致密油储层增产方案设计具有重要意义。以致密油砂岩储层为例，系统开展了岩石力学、差应变、水力压裂及微地震监测约束下的地应力大小和方向的综合评价。结果表明，三方向主应力均为埋深的函数。压裂为张性破裂且受水平最小主应力的直接影响，因此，破裂压力与水平最小主应力之间有良好的正相关性；破裂压力与水平最大主应力之间无直接联系，主要受岩石强度影响，能反映泊松比性质，因此，具有高破裂压力岩石的水平最大主应力可能相对偏低。基于井壁崩落法、钻井诱导缝法、震源机制分析及微地震监测确定了目的层现今地应力方向为NE45°~NE60°。天然裂缝的存在会导致局部人工缝扩展方向发生偏转，压裂缝的扩展主要受天然缝的分布及开启性影响；进而，水力缝缝高与半缝长呈负相关性，即天然裂缝开启性对控制水力缝缝高有一定影响。成果可以为强非均质性致密油储层压裂效果评估提供科学指导。

关键词: 地质力学, 致密砂岩, 地应力, 岩石力学属性, 测井评价

Geostress is an important geomechanical property of underground rock, and an accurate evaluation of its magnitude and direction is important for the stimulation scheme design of tight oil reservoirs. In this study, taking a tight oil sandstone reservoir as an example, a comprehensive evaluation of the magnitude and direction of geostress under the constraints of rock mechanics, differential strain, hydraulic fracturing, and microseismic monitoring was systematically performed. The results showed that the three principal stresses are functions of the burial depth. Fracturing is a tensile fracture that is directly affected by the horizontal minimum principal stress; thus, a good positive correlation exists between the fracture pressure and the horizontal minimum principal stress. No direct relationship exists between the rupture pressure and the maximum horizontal principal stress, which is primarily affected by the rock strength and reflects Poisson’s ratio. Therefore, the maximum horizontal principal stress of rocks with high rupture pressures may be relatively low. Based on the well-wall caving method, drilling-induced fracture method, focal mechanism analysis, and microseismic monitoring; the present crustal stress direction of the target layer was determined to range NE45°~NE60°. The existence of natural fractures leads to a deflection in the expansion direction of local artificial fractures, and the expansion of pressure fractures is primarily affected by the distribution and opening of natural fractures. Furthermore, the hydraulic fracture height and half-fracture length showed a negative correlation, and the natural fracture opening influenced the hydraulic fracture height. This study provides scientific guidance for evaluating fracturing effects in highly heterogeneous tight oil reservoirs.

Key words: Geomechanics, Tight sandstone, Geo-stress, Mechanical properties of rock, Logging evaluation

中图分类号:

P618.13

图1 样品的应力—应变测试曲线

Fig. 1 Stress-strain test curves of samples

表1 目的层岩石力学参数测试结果

Table 1 Test results of rock mechanics parameters of the target layer

井号	深度/m	编号	直径/m	长度/mm	密度/（g/cm³）	有效围压/MPa	抗压强度σ₁/MPa	静态弹性模量Ε_s/GPa	静态泊松比v_s
A2	3 046.58	B1-1	25.16	52.32	2.511	40	370.02	30.72	0.310
	3 046.68	B1-2	25.10	49.78	2.510		278.04	33.37	0.220
	3 046.75	B2-1	25.00	53.34	2.544		256.76	30.38	0.260
	3 046.85	B2-2	25.10	51.30	2.511		246.35	30.20	0.193
	2 782.80	B3-1	25.00	49.42	2.665		264.19	34.53	0.186
	2 782.90	B3-2	25.10	49.52	2.630		206.80	28.15	0.470^*
	2 778.18	B4-1	25.20	52.58	2.543		400.51	32.79	0.290
	2 773.29	B5-1	25.12	49.42	2.479		368.65	32.43	0.320

表1 目的层岩石力学参数测试结果

Table 1 Test results of rock mechanics parameters of the target layer

井号	深度/m	编号	直径/m	长度/mm	密度/（g/cm³）	有效围压/MPa	抗压强度σ₁/MPa	静态弹性模量Ε_s/GPa	静态泊松比v_s
A2	3 046.58	B1-1	25.16	52.32	2.511	40	370.02	30.72	0.310
	3 046.68	B1-2	25.10	49.78	2.510		278.04	33.37	0.220
	3 046.75	B2-1	25.00	53.34	2.544		256.76	30.38	0.260
	3 046.85	B2-2	25.10	51.30	2.511		246.35	30.20	0.193
	2 782.80	B3-1	25.00	49.42	2.665		264.19	34.53	0.186
	2 782.90	B3-2	25.10	49.52	2.630		206.80	28.15	0.470^*
	2 778.18	B4-1	25.20	52.58	2.543		400.51	32.79	0.290
	2 773.29	B5-1	25.12	49.42	2.479		368.65	32.43	0.320

图2 样品动、静态岩石力学参数转换关系
（a）动、静态弹性模量转换关系；（b）动、静态泊松比转换关系

Fig. 2 Conversion relationships between the dynamic and the static rock mechanics parameters of samples
（a） Transformation relation of dynamic and static elastic modulus；（b） Transformation relation of dynamic and static Poisson’s ratio

图3 泌阳凹陷东南部X1井偶极子阵列声波测井成果图

Fig. 3 Results of dipole array acoustic logging in Well X1 in the southeast Biyang Depression

图4 X1井目的层纵横波时差转换关系

Fig. 4 Conversion relationship between longitudinal wave and shear wave time difference of Well X1

图5 差应变实验测试及应力—应变加载原理
（a）差应变实验测试仪器；（b）差应变实验测试曲线

Fig. 5 Differential strain tests and stress-strain loading principle
（a） Differential strain test instruments；（b） Differential strain test curve

图6 泌阳凹陷东南部目的层各主应力及工程参数的计算结果耦合关系
（a）3个方向主应力垂向分布；（b）水平最大主应力与最小主应力的关系；（c）破裂压力与地应力的关系

Fig. 6 Relationship between the calculation results of the principal stresses and the engineering parameters of the target layer in the southeast of Biyang Depression
（a） Vertical distribution of principal stress in three directions；（b） Relationship between the horizontal maximum and the minimum principal stresses；（c） Relationship between the rupture pressure and the horizontal stresses

表2 地应力测井评价模型汇总表 ^{［

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］}

Table 2 Summary of evaluation models for in-situ stress logging ^{［

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］}

模型		计算公式	特征描述
莫尔—库伦破坏模型		σ₁-P_p=σ_c+N_φ （σ₃-P_p）	其理论基础是莫尔—库仑破坏准则，即假设地层最大原地剪应力是由地层的抗剪强度决定的
单轴应变模型	金尼克模型	σ_h=ν/（1-ν）σ_v	此模型是根据胡克定律得到的，主要针对均匀的、各向同性且无孔隙的地层，没有考虑地层孔隙压力的影响
	Matthews模型	σ_h=K_i （σ_v-P_p）+P_p	该模型是根据水力压裂原理提出，考虑了孔隙压力，但K_i 值较难确定
	Terzaghi模型	σ_h=ν/（1-ν）×（σ_v-P_p）+P_p	认为垂向应力梯度随深度而变化，将上述模型中的K_i 具有化为ν/（1-ν）
	Anderson型	σ_h=ν/（1-ν）×（σ_v-αP_p）+αP_p	引入Biot系数（α），提出有效应力和新孔隙压力，孔隙压力等于总应力与有效应力之差
	Newberry模型	σ_h=ν/（1-ν）×（σ_v-αP_p）+P_p	基于Anderson模型的方法主要应用于含有微裂缝的低孔低渗地层
各向异性地层模型	黄氏模型	σ_h=［ν/（1-ν）+β₁］×（σ_v-αP_p）+αP_p	引入构造应力系数（β₁、β₂），考虑水平构造应力与有效应力成正比，利用该模型解释了竖向应力不是最大应力的情况，但没有考虑到刚度的影响
	黄氏模型	σ_H=［ν/（1-ν）+β₂］×（σ_v-αP_p）+αP_p
	组合弹簧模型	σ_h=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+αP_p+Eε_h/（1-ν²）+νEε_H/（1-ν²）	该模型假定岩石为线弹性体，在后期地质改造中保持地层相对位置，水平变形恒定，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	组合弹簧模型	σ_H=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+αP_p+Eε_H/（1-ν²）+νEε_h/（1-ν²）	该模型假定岩石为线弹性体，在后期地质改造中保持地层相对位置，水平变形恒定，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	葛式模型	σ_h=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_hE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p	适用于水力压裂裂缝为垂直裂缝的情况，即最小地应力在水平方向
		σ_H=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_HE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p	适用于水力压裂裂缝为垂直裂缝的情况，即最小地应力在水平方向
		σ_h=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_hE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p+Δσ_h	适用于水力压裂裂缝为水平裂缝的情况，即最小地应力在垂直方向
		σ_H=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_HE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p+Δσ_H	适用于水力压裂裂缝为水平裂缝的情况，即最小地应力在垂直方向
	斯伦贝谢模型	σ_h=ν/（1-ν）σ_v-2ηP_p+Eε_H2/（1-ν²）+Eνε_H1/（1-ν²）	考虑了水平方向应力的非均一性，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	斯伦贝谢模型	σ_H=ν/（1-ν）σ_v-2ηP_p+Eε_H2/（1-ν²）+Eνε_H1/（1-ν²）	考虑了水平方向应力的非均一性，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	多孔弹性水平应变模型	σ_h=ν/（1-ν）σ_v-ν/（1-ν）α_vP_p+α_hP_p+Eξ_h/（1-ν²）+Eνξ_H/（1-ν²）	以三维弹性理论为基础
	多孔弹性水平应变模型	σ_H=ν/（1-ν）σ_v-ν/（1-ν）α_vP_p+α_hP_p+Eξ_H/（1-ν²）+Eνξ_h/（1-ν²）	以三维弹性理论为基础
	双轴应变模型	σ_h=ν/［（1-ν）K_h1］［ν/（1-ν）（σ_v-α_vP_p+α_hP_p）］+Eξ_h/（1-νK_h1）	双轴应变模型是多孔弹性水平应变模型的一个特例，该特例以构造因子作输入参数，取代最大水平主应力方向的应变（ξ_H）
	双轴应变模型	σ_H=K_h1σ_h	双轴应变模型是多孔弹性水平应变模型的一个特例，该特例以构造因子作输入参数，取代最大水平主应力方向的应变（ξ_H）

表2 地应力测井评价模型汇总表 ^{［

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Table 2 Summary of evaluation models for in-situ stress logging ^{［

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］}

模型		计算公式	特征描述
莫尔—库伦破坏模型		σ₁-P_p=σ_c+N_φ （σ₃-P_p）	其理论基础是莫尔—库仑破坏准则，即假设地层最大原地剪应力是由地层的抗剪强度决定的
单轴应变模型	金尼克模型	σ_h=ν/（1-ν）σ_v	此模型是根据胡克定律得到的，主要针对均匀的、各向同性且无孔隙的地层，没有考虑地层孔隙压力的影响
	Matthews模型	σ_h=K_i （σ_v-P_p）+P_p	该模型是根据水力压裂原理提出，考虑了孔隙压力，但K_i 值较难确定
	Terzaghi模型	σ_h=ν/（1-ν）×（σ_v-P_p）+P_p	认为垂向应力梯度随深度而变化，将上述模型中的K_i 具有化为ν/（1-ν）
	Anderson型	σ_h=ν/（1-ν）×（σ_v-αP_p）+αP_p	引入Biot系数（α），提出有效应力和新孔隙压力，孔隙压力等于总应力与有效应力之差
	Newberry模型	σ_h=ν/（1-ν）×（σ_v-αP_p）+P_p	基于Anderson模型的方法主要应用于含有微裂缝的低孔低渗地层
各向异性地层模型	黄氏模型	σ_h=［ν/（1-ν）+β₁］×（σ_v-αP_p）+αP_p	引入构造应力系数（β₁、β₂），考虑水平构造应力与有效应力成正比，利用该模型解释了竖向应力不是最大应力的情况，但没有考虑到刚度的影响
	黄氏模型	σ_H=［ν/（1-ν）+β₂］×（σ_v-αP_p）+αP_p
	组合弹簧模型	σ_h=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+αP_p+Eε_h/（1-ν²）+νEε_H/（1-ν²）	该模型假定岩石为线弹性体，在后期地质改造中保持地层相对位置，水平变形恒定，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	组合弹簧模型	σ_H=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+αP_p+Eε_H/（1-ν²）+νEε_h/（1-ν²）	该模型假定岩石为线弹性体，在后期地质改造中保持地层相对位置，水平变形恒定，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	葛式模型	σ_h=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_hE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p	适用于水力压裂裂缝为垂直裂缝的情况，即最小地应力在水平方向
		σ_H=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_HE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p	适用于水力压裂裂缝为垂直裂缝的情况，即最小地应力在水平方向
		σ_h=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_hE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p+Δσ_h	适用于水力压裂裂缝为水平裂缝的情况，即最小地应力在垂直方向
		σ_H=ν/（1-ν）（σ_v-αP_p）+K_HE（σ_v-αP_p）/（1+ν）+α^TEΔT/（1-ν）+αP_p+Δσ_H	适用于水力压裂裂缝为水平裂缝的情况，即最小地应力在垂直方向
	斯伦贝谢模型	σ_h=ν/（1-ν）σ_v-2ηP_p+Eε_H2/（1-ν²）+Eνε_H1/（1-ν²）	考虑了水平方向应力的非均一性，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	斯伦贝谢模型	σ_H=ν/（1-ν）σ_v-2ηP_p+Eε_H2/（1-ν²）+Eνε_H1/（1-ν²）	考虑了水平方向应力的非均一性，同时考虑了弹性模量对地应力的影响
	多孔弹性水平应变模型	σ_h=ν/（1-ν）σ_v-ν/（1-ν）α_vP_p+α_hP_p+Eξ_h/（1-ν²）+Eνξ_H/（1-ν²）	以三维弹性理论为基础
	多孔弹性水平应变模型	σ_H=ν/（1-ν）σ_v-ν/（1-ν）α_vP_p+α_hP_p+Eξ_H/（1-ν²）+Eνξ_h/（1-ν²）	以三维弹性理论为基础
	双轴应变模型	σ_h=ν/［（1-ν）K_h1］［ν/（1-ν）（σ_v-α_vP_p+α_hP_p）］+Eξ_h/（1-νK_h1）	双轴应变模型是多孔弹性水平应变模型的一个特例，该特例以构造因子作输入参数，取代最大水平主应力方向的应变（ξ_H）
	双轴应变模型	σ_H=K_h1σ_h	双轴应变模型是多孔弹性水平应变模型的一个特例，该特例以构造因子作输入参数，取代最大水平主应力方向的应变（ξ_H）

图7 X7井地应力测井解释成果图

Fig. 7 Logging interpretation result of geo-stress in Well X7

图8 X2井钻井诱导缝方位分析

Fig. 8 Analysis of the orientation of induced fractures in Well X2

图9 微地震监测水力缝方位统计结果

Fig. 9 Statistical results of hydraulic fracture orientation in microseismic monitoring

图10 A1井压裂缝扩展微地震监测结果

Fig. 10 Fracturing microseismic monitoring results of Well A1

图11 基于微地震监测天然裂缝发育井的压裂缝高与半缝长的关系

Fig. 11 Relationship between fracture height and half-fracture length of hydraulic fractures in natural fracture development wells based on microseismic monitoring

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