川东北山前高陡构造地应力计算与研究(编辑修改稿)

川东北山前高陡构造地应力计算与研究(编辑修改稿)内容摘要：

地应力状态下压裂产生垂直缝；在H h V  和 H V h  的地应力状态下 产生水平缝。 （ 5） 油气层出砂首先是由于井底附近地带的岩石结构破坏而引起的。 一般来说，地层应力超过井底岩石强度就可能出砂。 四川盆地是一扭压性盆地，在盆地的不同地区形成了很多不同类型的构造 [59]。 总体上来说是强烈挤压地应力集中区，地表和地下构造高陡复杂，致使钻探周期长，勘探成本高、难度大。 研究山前构造带地应力及其分布特征 ，对油气勘探和开发有重要 意义 [60]。 随着科学技术的发展，测试和计算现今地应力的方法越来越多 [57]。 相对于其他方法 ，利用测井资料计算地应力具有测量深度大、数据连续、信息量大且成本低廉等 特点， 是石油钻井领域积极探索的方向，目前已经取得了一些可应用的成熟方法 [22,34]。 因此，利用有限的岩心，结合大量的测井资料研究川东北山前高陡构造带地应力具有重要的意义。 本论文将以川东北河坝构造和元坝构造为例 ， 阐述利用测井资料 计算 山前构造带地应力的方法，并利用双井径、电成像资料确定地应力的方向。 最终得到地应力纵向和横向的分布规律 图。 国内外研究现状 李志明 ,张金珠在《地应力与油气勘探开发》一书中详细介绍了目前地应力研究的概况和发展趋势。 地应力研究已经有上百年的历史，研究领域广泛。 1905~1912 年，瑞士著名科学家海姆 （ Ham） 研究并提出了著名的假说：岩体深处垂直应力与其上覆的岩体重力成正比，而水平应力与垂直应力相等。 1932 年美国 应用应力解除法设计了鲍尔德水坝。 直到 50 年代初瑞典科学家哈斯特 （ ） 博士发明了实测地应力的仪器，测得了岩石中的绝对应力的大小和方向，发现水平应力值高于垂直应力值。 1964 年南非的 Leeman提出了井眼崩落方向沿最小水平主应力方向的理论。 1975年，南非的 等人又建立了临界深度的概念：自临界深度以下，水平应力不再大于垂向应力。 1977 年美国人 Haimson 采用了水力压裂法进行地应力测量。 19701979 年，加拿大人 Bell 研究阿尔伯达油田研究四壁井径测量的地层倾角测井资料后，发现井眼扩大方向与最小水平主应力方向一致； 1985年美国人 Zobock使用井下电视观测证实了 Bell的发现。 70 年代，斯伦贝谢 （ Shlumberger） 测井公司开始研究应用测井资料解释地层力学问题，并用于解释石油工程中的地层破裂压力、地层坍塌压力及油层出砂等问题。 目前，尽管地应力计算模式所反映的物理本质和实际规律还有差距，但通过测井资料解西南石油大学硕士研究生学位论文 3 释的地应力剖面已能给出深井地层中剖面上的 连续的应力值。 这种用测井资料解释地应力剖面的方法已经能解决石油工程中的许多问题。 现在，已有二十多个国家开展了地应力的测量及应用的研究工作。 美国和加拿大是最早进行地应力测量和应用的国家。 地应力研究在防止井壁坍塌一项上每年就节省 20 亿美元以上。 前苏联曾对西伯利亚油田进行地下核爆用以改变地应力场进行开发试验，并指出地应力是由重力、构造应力、地热力、气液流体动力、结晶力等综合作用而成。 日本在 30 年代就进行了地应力测量工作，70 年代后又进行三维地应力测量用于预报地震。 我国的地应力研究是在李四光教授的倡导下进行的。 40 年代他就把地应力作为地质力学的一部分进行了研究。 60 年代以来，开始了地应力对地震预报的研究， 1966 年 3月在河北省隆尧县建立了我国第一个地应力观测台站， 1980 年国家地震局首次进行了水力压裂地应力测量。 在石油工业中， 80 年代以来，各大油田都相继开展了地应力测量及应用的研究工作。 1993 年以来通过研究取得了很多成果，如：发现了 Kaiser 效应的抹录不尽现象，并根据这一现象计算不同期次地应力。 提出了地应力分层的概念。 这些研究对我国石油工业的发展起了很大的推动作用。 我国山前高陡构造地区，因其地下情况复杂，地应 力研究难度较大。 利用测井技术评价山前构造带地应力才刚刚起步，国内只有少数学者在这方面进行探索。 石油是国家的经济命脉，由于世界范围内 石油 的短缺，各个国家都加大了对石油勘探、开发的力度。 我国现在已经在全国范围内进行详细的油气 勘探工作，川东北地区成果显著，近几年来分别发现了普光和龙岗等具有代表性的气田。 随着油气勘探活动不断深入，对地应力研究的需求越来越多。 随着地应力研究的深入，人们将更加深刻的认识到地应力研究在石油工业中的重大意义和广阔前景。 而利用测井资料研究山前高陡构造带的地应力将是未来的发展趋势之一。 地应力 所造成的测井响应将会为山前高陡构造带地应力评价提供新的思路和方法。 但是应该看到利用测井资料确定地应力需要多方面学科和实验的支撑。 因此，地应力的理论研究、方法研究和应用研究的任务是十分艰巨的[60]。 主要研究内容及思路 本文结合中国石化石油工程西南公司测井分公司科研项目《川东北测井资料的钻井工程应用技术研究》，综合利用对方提 供的钻井、测井 和 录井等资料 ，开展以下研究工作： （ 1） 整理 对方提供的 钻井、测井 和 录井 等 资料，对川东 北地区基本地质特征和工程状况有所了解；搜集 川东北地区岩石力学参数和地应力数据， 查 阅关于高陡构造地应力计算的 文献 ，熟悉其计算方法。 （ 2） 建立工区不同井位的纵向 岩性 体积 剖面。 （ 3） 开展河坝和元坝地区的岩石力学参数测定实验，实验项目包括：抗压强度、川东北山前高陡构造地应力计算与研究 杨氏模量、泊松比、内摩擦角、内聚力等。 （ 4） 针对工区 的 地质 特征建立 利用测井资料 计算岩石力学参数的模型，并得出岩石力学参数的纵向剖面图。 （ 5） 优选地应力计算模型并利用测井资料计算地应力的大小和方向， 最终 得出工区 水平主应力大小和方向 的横向 展布 规律。 通过对研究 《川东北测井资料的钻井工程应用技术研究》 项目过程的整理，得出如下的研究路线图： 岩 石 力学 实 验测 试 杨氏 模 量 、泊 松 比 、抗 压 强度 、 内聚 力 、内 摩 擦角 等 参数岩心归位、动静转换岩石力学参数剖面常规测井、地层倾角测井、成像测井、地质、钻井、录井、地层测试等资料收集建立每口井的压实趋势线，做出估算横波时差的回归公式测 井 资料 计 算杨 氏 模量 、 泊松 比 、抗 压 强度 、 内聚 力 、内 摩 擦角 等 参数测 井 资料 建 立孔 隙 度 、泥 质 含量 和 岩性 体 积剖面图地 应 力实 验 测试 所 在深 度 地应 力 的大 小 和方向利 用 测井 资 料计 算 出上 覆 岩层 压 力和 地 层压力反算出构造应力系数建立地应力纵向剖面、分析水平主应力方向分析得出地应力横向规律岩 石 力学 实 验测 试 杨氏 模 量 、泊 松 比 、抗 压 强度 、 内聚 力 、内 摩 擦角 等 参数岩心归位、动静转换岩石力学参数剖面常规测井、地层倾角测井、成像测井、地质、钻井、录井、地层测试等资料收集建立每口井的压实趋势线，做出估算横波时差的回归公式测 井 资料 计 算杨 氏 模量 、 泊松 比 、抗 压 强度 、 内聚 力 、内 摩 擦角 等 参数测 井 资料 建 立孔 隙 度 、泥 质 含量 和 岩性 体 积剖面图地 应 力实 验 测试 所 在深 度 地应 力 的大 小 和方向利 用 测井 资 料计 算 出上 覆 岩层 压 力和 地 层压力反算出构造应力系数建立地应力纵向剖面、分析水平主应力方向分析得出地应力横向规律 图 11 论文研究思路 西南石油大学硕士研究生学位论文 5 论文创新点 论文针对川东北地区 的 地质特征 ， 建立了适 用于该区的 地应力 计算模型。 （ 1） 地层压力是计算地应力的重要参数。 针对 川 东北地区海相地层普遍高压的特点，分海陆两相 分别建立 伊顿模型 计算 地层压力 ， 提高了计算精度 ，同时也减小了地应力计算中的误差。 （ 2） 打破传统认为在同一区块构造应力系数 1 、 2 为常数 （ 即构造应力与垂向有效应力成正比 ） 的观念，根据多口井处理的结果， 确定了该区 不同地质层位两个系数的取 值区间 ，其计算结果比与采用固定值时精度更高。 川东北山前高陡构造地应力计算与研究 第 2 章 研究工区概况 川东北地区地质 概况 川东北地区是我国 含有 丰富油气资源的区域之一。 该区块指的是四川盆地东北部大巴山褶皱带西南侧前沿区域。 主要包括宣汉 达县、通南巴、南江、巴中、涪陵 綦江、天堂坝等 6 个油气登记区，行政区域划分上主要包括达县、宣汉、万县、梁平、通江、南江、巴中、旺苍、仪陇、平昌、华莹、开江、垫江、长寿等县市 （ 图 21）。 总 勘探面积为 4210 Km2， 川东区块地表出露侏罗系，保存条件十分优越。 尽管各地区在构造样式等方面存在差异，但均具有相同的勘探目的层和相似的成藏条件。 2020 年以前通南巴构造带已完钻 13 口井。 图 21 四川盆地川东北地区地理及构造位置图 川东北地区构造特征 川东北地区在地理上属于四川盆地东北部和部分渝北地区的中 — 高山区。 大地构造位置属于上扬子地台的北东部 ,挟持在印支晚期秦岭造山带盆缘推覆山系与四川前陆盆地之间的构造交接带部位 ,现今构造格局主要受北西向的米仓山 — 大巴山巨型构造山系逆冲推覆作用控制 ,于中、新生代经历了性质多 变的构造演化过程 ,具有十分复杂的区域构造轮廓 [52]。 川东北地区自印支期以来，由于受盆缘造山的影响，包括秦岭大巴山的隆起与推覆西南石油大学硕士研究生学位论文 7 挤压、米仓山的隆起与推覆以及雪峰山的挤压推覆的影响，平面构造变形差异较大。 总体来看，川东北地区主要有北东向和北西向两大类主体构造的叠加。 晚印支 — 早燕山期、晚燕山 — 早喜山期的构造活动主要控制了川东北地区的北东向构造的形成与分布；而晚喜山期三期构造活动对前期构造进行了叠加改造，主要是形成了北西 向的构造。 两类构造叠加对川东北地区的构造格局，以及对川东北地区 油气藏的聚集、调整 和 改造有着重要 的影响 [51]。 川东北地区由于构造受力和构造组系都比较复杂，致使地面以及地腹的断层裂缝发育。 其主要特征是： 第一， 地面正向构造多为高耸的大山，沟深坡陡，相对高差400~1300m。 第二， 背斜褶皱强烈，两翼陡峭，一般 为 不对称背斜，地层倾角 大 ，一般为 15 ~40 ，有的可高达 60 ~80 ，甚至直立倒转，地层厚度一般存在异常。 第三， 浅层 — 中层受力作用强烈，断层、裂缝发育，破碎地层较多。 河坝构造和马路背构造所处的通南巴构造带是四川盆 地的第二大构造，位于四川盆地东北缘。 通南巴地区横跨四川省通江、南江、巴中三县区，基本位于东经/ //1063300 ~ / //107 22 00 ，北纬 / // / //3 1 5 4 0 0 ~ 3 2 2 0 0 0范围内，面积约 3000km2。 河坝区块位于通南巴地区中部通江县 境内，工区属中 — 低山区，地面海拔 400～ 1300m，总体地势偏陡，相对高差 100～ 500m，气候温暖潮湿，年平均气温 ℃ ，最低气温可达 ℃ ，最高气温为 ℃ ，年平均气温 ℃。 常有春雨、夏旱、秋涝、冬干的气候特征。 全区物产丰富，乡村公路纵横交错，交通便利，有利于气田的勘探开发。 从传统大地构造观点来看，通南巴构造位于 “扬子准地台 ”的西北边缘，与华北板块边缘相邻。 区域构造位于四川盆地川东北褶皱带的东北段，米仓山冲断构造带和大巴山弧形冲断构造带的构造叠合区， 北部为秦岭造山带南缘的米仓山前缘构造带，东北侧为大巴山北西向前缘推覆构造带，西北侧为龙门山造山带，南邻川中平缓构造带，东南与通江凹陷带相连。 在构造格局上既 受四川盆地基底构造变形的控制 ，又在一定程度上受米仓山、大巴山逆冲断裂 构造变形的影响。 总体为 一 大型 NEE 转 NE 向的隆凹格局 ,北部为池溪向斜 ,中部为通南巴背斜构造带 ,南部为通江 — 巴中向斜。 构造长轴 80余公里，闭合面积 738~937 平方公里，闭合幅度 1435~1800m，总体为北翼缓，南翼陡，总体上为北翼缓，南翼陡。 是印支 — 燕山早幕于盆地北部中生代凹陷中褶皱隆起的大型 NE 向构造带 ， 燕山期受大巴山推覆带的影响，在 NE 向构造带叠加了 NW 向背斜和断裂。 构造带为多期次、多方向构造叠加而成，被 NW 向断裂分割为多个高点 （ 图2 24） ，主要包括南阳场鼻状构造，涪阳坝断块构造和黑池梁鼻状构 造 （ 图 22，表 21）。 地表局部高点有南阳场、狮子坪、天井坝、母家梁、邱家坪、马路背；地下构造总体为一大型 NE向隆起，被 NW向断裂分割为多个高点，主要高点有元覃、仁和、狮子坪、河坝场、母家梁、邱家坪、马路背；在纵向上可分两个形变层。 上形变层总体为 NE向隆起，有南阳场断鼻、涪阳坝断块和黑池梁鼻三个 Ⅳ 级构造， 11个高点，构造形变主要。