1994年9月油气 采 收率 技术第1卷第1期地应力技术在油田开发中的应用刘泽凯陈耀林唐汝众(胜利石油管理局采油工艺研究院)刘泽凯,陈耀林,唐 汝众.地应力技术在油田开发 中的应用.油气采 收率技术,199 4,1(1):4 8一5 6摘要本文介绍胜利油田地应力技术的研究应用 现 状,对油田开发 中与地应力技术 相关的 问 题一一注采井网 布置、油 层压裂改造、高压汪水、水平井开采技术等 问题进行了分析鑫针对现 场中的实际问题,着重 阐述相应的 解 决 措 施,指出地应力技 术对提高油田开发水平、提高原油采收率是不可缺少的一项新技术。主题词地应力油田开发井 网水平井注水采收率地应力的研究应用概况地应 力 技术是随岩石力学 发展起来的。从本世纪3 0年代开始,已发展 了多种地应 力大小和方向的测试技术(表1),尤其是近年来发展 的应力剖面 测井技术,应 用变密度及声波测井资料,较好地解决了分层地应 力剖面的连续测定问题。表1地应力测试技术序号测试 技术名称简要原理解释结果差应变分 析(D S R )滞弹性应变分析(A SR )对定 向岩心加压,主应变的方 向即 为如m a二的方向,根据应变比值 可估计主应力大小滞弹性 恢复 阶段 主应变 的方向为如m a二的方向,根 据应变比值可估计应力大 小岩心应变作 为温度的函数,由于温 度 的升高导致岩心 膨胀,最大应变方向即如ma 二方向岩心 应力松驰产生微 裂缝平行于如m in方 向,该方 向超声波通过时速度 最大对岩心或裸眼井进行,裂 缝 方 向为如ma二方向,。H二n一IS IP,P,=3oH mln一。日ma,+。一P。井径倾角仪测井径变形及方位,扩径 方向为。m:n方 向声波测井变密度测井确定应力大 小。尧(v/(1一二)(a、, 一aP。)+aP。水力压裂作 为震源,在观察点接收到纵、横波信号,确定裂缝方 向即 如m.二方向确 定应 力方 向一般不计 算大小,可估计主应力比值确定应力方向一般 不计 算大小,可估计主应力比值差温分析确定主应力方 向超声波各向异性分析确定主应力方 向微(小)型 压裂应力大小及方 向层倾角测并技术应力方 向有源声波测井应 力的大小无源地震测井应力方 向本文于199 4年1月2 5日收到。第1卷第1期刘泽凯等:地应力技 术在油田开发中的应用续 表1序序号号测试技术名称称简要原理理解释结果果9 9 9 9 9井下电视法法水力压裂裂缝方向为如ma、方 向向主应力方 向向1 1 10 0 0Kaise r效应应对岩心 加压,产生声发射Kais e r效应时应 力力主应 力大小小值值值值为地应力值值值1 1 1 1 1 1岩心分析技术术对岩心进行古地磁分析、薄片分析、渗透率率主应力方向向各各各各向异性分析析析注采井网的布置注水开发的低渗透 油田一 般采用五点法注 采 井 网。由于自然产能低,油井一般要 压裂投 产或增产,有时注水井也需 压裂增 注。从8 0年代中期,胜利油田的许多专家便提出 了低渗透油田在考虑 压裂改造前提下 如何布 置注 采井网,提高注 水 效率,取得理想开 发效果 的问题。通过低渗透油田大量 的地 应 力分布和 天 然裂缝方向的 测试资料表明:地 层中天然裂缝的方 向与最大水平主应 力方向绝 大 多数情况 下是相 交 的或 正 交 的,而 水力压 裂 裂缝的方向与 最大水平主 应力方向是一致的。为避免 油水 井改造后 油井早期见水,使注入水形成水线沿最大水平主应力方 向均匀推进到 油井,扩大平面 上 的水驱 面积和纵向上 的波 及体积,提高水驱效率和最终采收率,按油水井排与地层最大水平主应 力方 向一致布井(图1)。这样布井即使到 了油田开发后期,不论在 注 水井上 调 整还是在 油井上堵水,改变的仅是井眼周围液流的方向,油水井之间的液流方 向仍垂 直于最大水平主应力方向,不会沿最大水平主应力平行方 向窜流,从而提高了注入水的驱油效率。经 油田开发的实践证 明,上述布井 方式是正确可 行 的。营n断块是典型 的高压低渗透岩水力 裂缝方向 000OO曰,Hm一:方曰口向 O井排方向 OO必OO曰OO曰OO万图l口曰000注水井O采油井按最大主应力方 向布油、水 井排的五点法井网性油藏,埋藏深度为310 0m,地质储量 为92 3万t,压力系数为1.57,油 层渗透率为一 7只10一3肛mZ,自然产能低。1984年采用50 0m井距的反九点法注采井网试采,油井全部 压裂投 产。油井压裂后有效期短,总体开发效果差。为了改善开发效果,我们对该区块地应力场进行了测试。1 98 8年在考虑地应力对开发效果影响的前提下,采用井、排距均为3 5Om的五点法注采井网,对加密井进行调整。调整后 的开发井网,大部分油水井仍压裂投产。自19 8 6年1 2月开始注水,198 9年9月投 入 全 面 开发,至1 9 92年底,采出程 度 为n.3 2 %,采 油速度为2%,而该区综合含水仅为4.8%,开 发效果处国内同类油田前列。在营n断块开发经验的基础上,牛 2 0断块(1 989年)和樊家油田(19 9 1年)的开发井网均采油气采收率技术19 94年用五点法 注采井网,按最大水平主 应 力方 向布井。这 两 个区块在进行整体压裂改造后开发效果良好。尤其是牛2 0断块,油藏有效渗透率仅为(。.2 3一3.9 )又1。3仁mZ。1 9 92年该区块采油速度为1.1 9 %,采出程 度达3.9 6 %,这对特低渗油田来说,其开发效果是 令人 满意的。老区的调整,也 须考虑 地 应 力对井网适用性的影响。渤南油田是我国最大的低渗透 油田,地质储量近1.2亿t。在开 发 早期布置 注采 井网未 考 虑地应力的影响,在很 多情形下 注采井排方 向与最大水平主应 力方 向恰好垂 直。随着油水井压裂后投 产不断增 加,出现 了沿最大水平主应力方 向上 油井 含水 上升快的现象;同 时 由于受沉积 相 及天 然裂缝等多种因素的影响,导致了该油田含水上升快。目前渤南 油田采出程 度为1 2.5%,综合含水已高达“ %。渤南 油田综 合调整工作除采 用配 套的采 油 工艺技 术及合理 注水外,更 为重要 的是认真研究该地区地应力的分 布状 态,采 用适 宜 的注采井网。油 层 压裂改造压裂改造技术与地 应力 是分 不开 的。地应 力的分 布状 态不仅决定 水力 压裂裂缝的延伸方向,同 时影响裂 缝 几何形状的 发展。地应力大小是支撑剂 强度 及压裂方式选择的重要依据。压裂造缝方向如 图2所示,在无 限大的均质、各向同性的弹性地层中,地应力如ma二。V 如。,向井眼半径为 r w的 井中以压力P,注 入流体,地层的孔隙压力为尸。,在( r,0 )处的应力为。二一告(。一n+。一、,(一动 /一)+告(。一二 一,(一“/一+3祝/一 ,一2“+r动(Pl一P。)/尸J口一告一n+。一、,(1+“/ 一,一合,一: 一n,(1+3“/一 ,一2“一翁(pl一p。,/一一告(a一I n+a一a、) (1+2、/一3: /一)inZ。式 中:。为周 向应力,MPa;乙。为剪切 应 力.Mpa; 。为径向 应 力,Mpa ;夕为(二,0 )点 与 最大水平主应 力方 向的 夹角。由上 式看出,产生水平拉伸时,8=00,或者夕=1 800,即 水 力 压裂造缝方向与最大水平主 应力方向一致。压裂裂缝沿最大水平主应力方向 向构造顶部单翼延伸构造顶部由于 位 置高,上 覆 岩 层 压 力相对较 小,地应 力相对较低,所以易 产 生破裂,并易 于延伸;而 构造低部位 由于 上覆岩层 压力及地层水平应力相对较大,既 不易造缝,也不易 延伸,从而导致水力裂缝向构造顶 部单翼延伸,另一翼为井眼所阻断。1 981年7月2 6日,滨4一9一10井压裂,井图2水力压裂原理示意图第1卷第1期刘泽凯等:地应力技术在油田开发中的应用段为154 0.0一1 55 8.Om。为了求取裂缝产状,在周围的滨2 6、滨2灼和滨4一9一9三口井分别下入地震检波器,深度均为1oo om,通过接收水力压裂产生的地震信号,交汇求出裂缝轨迹,并结合井温和同位素测井资料分析,确定出裂缝的产状:方 向为N 7 5o E;缝长为16 8m(向构造顶部延伸);缝高为1 0.sm( l54 0.015 50.sm );造缝速度为8.4m/m i n。根据裂缝产状和达西公式,导出了裂缝增产效果预测的两个公式。(l )单翼垂直裂缝的压裂效果预测公式In(Rk/R。)In(Rk/R,)+1一一Q一Q 01In(Rk/R,)(Kf一 K。)Wf2汀KoH(2 )单翼水平裂缝的压裂效果预测公式旦,1十Q。KfwfIn(Rk/R。)2二(KoHIn(R/R。)+KfW;In(Rk/Rf) )式中:Q为压后产量,m丫d;Q。为压前产 量,m丫d;Rk为供油半径,m;K。为油层渗透率,拼mZ;R。为油井半径,m;Rf为裂缝长度,m;K;为裂缝渗透率,拌mZ;H 为油 层厚度,m;W,为裂缝宽度,m。针对不同地层应力特性,采 用与之相配伍的工艺技术在 油层改造过程 中,压裂 层段与上 下盖 层 间的应力差 异、多个压裂层段间的应力差异、层内纵向上的应力差 异均直接影响造缝 部位 及裂缝的延 伸。为了确保对目的层段进行改造,必 须针对不同的情况,采 用相配伍的工艺技术。由声波时差及变密度测井曲线可以求出杨氏模量E、剪切模量G、体积压缩系数C、泊松比y等岩石力学参数,结合双井径测井和小型 压裂等资料可求得地下水平应力的大小和方向,具体公式为“一瑟会黔 尝0.5山吞一山县 2 (山落一山县)E2(1+y)3(1一y)Ey_、_叮H=二-一一刃仁av一a厂。)+a厂。 土I。v一丁 了。(“g人式中:y为岩石的泊松 比,无 因次;p为岩石密度,g/ cm3;a为孔隙弹性常数;尸。为地层孔隙压力、MPa;山、为横波时差,邵/m;山P为纵波时差,邵/m;g为重力加速度;H为地层深度,m。对胜利油田岩石力学参数及地应力剖面分析发现,往往是压裂目的层硬(应力大),上 下盖油气采收率技术19 94年层(或夹层)软(应力小)。从表2胜1一1一检5 3井的岩石力学参数可明显看出这一特征,油层硬,夹层软,导致夹层 比油层易于造缝。表2胜l一1一检 5 3井岩石力学参数层层位位臀臀山s s sP P PX103MPa a aC C C了了E E E拜拜拜拜s/m m mg/em3 3 3 3 3X 10一 6MPa a a a aXIO4MPa a aS S S2 2 21909.0191 1.0 0 04 50 0 02.00 0 04.48 8 82.48 8 80.095 5 50.980 0 0夹夹层层1911.01913.0 0 0450 0 01.50 0 03.56 6 63.25 5 50.10 0 0 00.738 8 8S S S2 2 219 13.01917.0 0 03 50 0 02.1 5 5 57.95 5 51.37 7 70.100 0 01.750 0 0S S S2 2 21917.61918.0 0 0250 0 02.05 5 514.86 6 60.73 3 30.099 9 93.270 0 0夹夹 层层1918,21920.3 3 3450 0 02.10 0 04.70 0 00.24 4 40.086 6 61.021 1 1S S S2 2 21920.0192 2.3 3 337 5 5 52.15 5 56.93 3 31.57 7 70.10 0 0 01.525 5 5夹夹层层19 22.3192 9.0 0 0430 0 01.89 9 94.6 3 3 32.3 5 5 50.100 0 01.020 0 0依据长井段和 多层 系井段发育的特性及 压裂目的层与夹 层间的应力差 异,主要采取以下五条措施: 射孔时只射压裂层中