【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 地應(yīng)力狀態(tài)下壓裂產(chǎn)生垂直縫；在H h V? ? ???和 H V h? ? ???的地應(yīng)力狀態(tài)下 產(chǎn)生水平縫。 （ 5） 油氣層出砂首先是由于井底附近地帶的巖石結(jié)構(gòu)破壞而引起的。一般來(lái)說(shuō)，地層應(yīng)力超過(guò)井底巖石強(qiáng)度就可能出砂。 四川盆地是一扭壓性盆地，在盆地的不同地區(qū)形成了很多不同類型的構(gòu)造 [59]?？傮w上來(lái)說(shuō)是強(qiáng)烈擠壓地應(yīng)力集中區(qū)，地表和地下構(gòu)造高陡復(fù)雜，致使鉆探周期長(zhǎng)，勘探成本高、難度大。研究山前構(gòu)造帶地應(yīng)力及其分布特征 ，對(duì)油氣勘探和開發(fā)有重要 意義 [60]。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試和計(jì)算現(xiàn)今地應(yīng)力的方法越來(lái)越多 [57]。相對(duì)于其他方法 ，利用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力具有測(cè)量深度大、數(shù)據(jù)連續(xù)、信息量大且成本低廉等 特點(diǎn)， 是石油鉆井領(lǐng)域積極探索的方向，目前已經(jīng)取得了一些可應(yīng)用的成熟方法 [22,34]。 因此，利用有限的巖心，結(jié)合大量的測(cè)井資料研究川東北山前高陡構(gòu)造帶地應(yīng)力具有重要的意義。 本論文將以川東北河壩構(gòu)造和元壩構(gòu)造為例 ， 闡述利用測(cè)井資料 計(jì)算 山前構(gòu)造帶地應(yīng)力的方法，并利用雙井徑、電成像資料確定地應(yīng)力的方向。最終得到地應(yīng)力縱向和橫向的分布規(guī)律 圖 。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 李志明 ,張金珠在《地應(yīng)力與油氣勘探開發(fā)》一書中詳細(xì)介紹了目前地應(yīng)力研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)。地應(yīng)力研究已經(jīng)有上百年的歷史，研究領(lǐng)域廣泛 。 1905~1912 年，瑞士著名科學(xué)家海姆 （ Ham） 研究并提出了著名的假說(shuō)：巖體深處垂直應(yīng)力與其上覆的巖體重力成正比，而水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等。 1932 年美國(guó) 應(yīng)用應(yīng)力解除法設(shè)計(jì)了鮑爾德水壩。直到 50 年代初瑞典科學(xué)家哈斯特 （ ） 博士發(fā)明了實(shí)測(cè)地應(yīng)力的儀器，測(cè)得了巖石中的絕對(duì)應(yīng)力的大小和方向，發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)力值高于垂直應(yīng)力值。 1964 年南非的 Leeman提出了井眼崩落方向沿最小水平主應(yīng)力方向的理論。 1975年，南非的 等人又建立了臨界深度的概念：自臨界深度以下，水平應(yīng)力不再大于垂向應(yīng)力。 1977 年美國(guó)人 Haimson 采用了水力壓裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。 19701979 年，加拿大人 Bell 研究阿爾伯達(dá)油田研究四壁井徑測(cè)量的地層傾角測(cè)井資料后，發(fā)現(xiàn)井眼擴(kuò)大方向與最小水平主應(yīng)力方向一致； 1985年美國(guó)人 Zobock使用井下電視觀測(cè)證實(shí)了 Bell的發(fā)現(xiàn)。 70 年代，斯倫貝謝 （ Shlumberger） 測(cè)井公司開始研究應(yīng)用測(cè)井資料解釋地層力學(xué)問(wèn)題，并用于解釋石油工程中的地層破裂壓力、地層坍塌壓力及油層出砂等問(wèn)題。目前，盡管地應(yīng)力計(jì)算模式所反映的物理本質(zhì)和實(shí)際規(guī)律還有差距，但通過(guò)測(cè)井資料解西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 釋的地應(yīng)力剖面已能給出深井地層中剖面上的 連續(xù)的應(yīng)力值。這種用測(cè)井資料解釋地應(yīng)力剖面的方法已經(jīng)能解決石油工程中的許多問(wèn)題。現(xiàn)在，已有二十多個(gè)國(guó)家開展了地應(yīng)力的測(cè)量及應(yīng)用的研究工作。美國(guó)和加拿大是最早進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量和應(yīng)用的國(guó)家。地應(yīng)力研究在防止井壁坍塌一項(xiàng)上每年就節(jié)省 20 億美元以上。前蘇聯(lián)曾對(duì)西伯利亞油田進(jìn)行地下核爆用以改變地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)，并指出地應(yīng)力是由重力、構(gòu)造應(yīng)力、地?zé)崃?、氣液流體動(dòng)力、結(jié)晶力等綜合作用而成。日本在 30 年代就進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量工作，70 年代后又進(jìn)行三維地應(yīng)力測(cè)量用于預(yù)報(bào)地震。 我國(guó)的地應(yīng)力研究是在李四光教授的倡導(dǎo)下進(jìn)行的。 40 年代他就把地應(yīng)力作為地質(zhì)力學(xué)的一部分進(jìn)行了研究。 60 年代以來(lái)，開始了地應(yīng)力對(duì)地震預(yù)報(bào)的研究， 1966 年 3月在河北省隆堯縣建立了我國(guó)第一個(gè)地應(yīng)力觀測(cè)臺(tái)站， 1980 年國(guó)家地震局首次進(jìn)行了水力壓裂地應(yīng)力測(cè)量。在石油工業(yè)中， 80 年代以來(lái)，各大油田都相繼開展了地應(yīng)力測(cè)量及應(yīng)用的研究工作。 1993 年以來(lái)通過(guò)研究取得了很多成果，如：發(fā)現(xiàn)了 Kaiser 效應(yīng)的抹錄不盡現(xiàn)象，并根據(jù)這一現(xiàn)象計(jì)算不同期次地應(yīng)力。提出了地應(yīng)力分層的概念。這些研究對(duì)我國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。 我國(guó)山前高陡構(gòu)造地區(qū)，因其地下情況復(fù)雜，地應(yīng) 力研究難度較大。利用測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)山前構(gòu)造帶地應(yīng)力才剛剛起步，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)學(xué)者在這方面進(jìn)行探索。 石油是國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，由于世界范圍內(nèi) 石油 的短缺，各個(gè)國(guó)家都加大了對(duì)石油勘探、開發(fā)的力度。我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的油氣 勘探工作，川東北地區(qū)成果顯著，近幾年來(lái)分別發(fā)現(xiàn)了普光和龍崗等具有代表性的氣田。隨著油氣勘探活動(dòng)不斷深入，對(duì)地應(yīng)力研究的需求越來(lái)越多。隨著地應(yīng)力研究的深入，人們將更加深刻的認(rèn)識(shí)到地應(yīng)力研究在石油工業(yè)中的重大意義和廣闊前景。而利用測(cè)井資料研究山前高陡構(gòu)造帶的地應(yīng)力將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。地應(yīng)力 所造成的測(cè)井響應(yīng)將會(huì)為山前高陡構(gòu)造帶地應(yīng)力評(píng)價(jià)提供新的思路和方法。但是應(yīng)該看到利用測(cè)井資料確定地應(yīng)力需要多方面學(xué)科和實(shí)驗(yàn)的支撐。因此，地應(yīng)力的理論研究、方法研究和應(yīng)用研究的任務(wù)是十分艱巨的[60]。 主要研究?jī)?nèi)容及思路 本文結(jié)合中國(guó)石化石油工程西南公司測(cè)井分公司科研項(xiàng)目《川東北測(cè)井資料的鉆井工程應(yīng)用技術(shù)研究》，綜合利用對(duì)方提 供的鉆井、測(cè)井 和 錄井等資料 ，開展以下研究工作： （ 1） 整理 對(duì)方提供的 鉆井、測(cè)井 和 錄井 等 資料，對(duì)川東 北地區(qū)基本地質(zhì)特征和工程狀況有所了解；搜集 川東北地區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力數(shù)據(jù)， 查 閱關(guān)于高陡構(gòu)造地應(yīng)力計(jì)算的 文獻(xiàn) ，熟悉其計(jì)算方法。 （ 2） 建立工區(qū)不同井位的縱向 巖性 體積 剖面。 （ 3） 開展河壩和元壩地區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：抗壓強(qiáng)度、川東北山前高陡構(gòu)造地應(yīng)力計(jì)算與研究 楊氏模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等。 （ 4） 針對(duì)工區(qū) 的 地質(zhì) 特征建立 利用測(cè)井資料 計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)的模型，并得出巖石力學(xué)參數(shù)的縱向剖面圖。 （ 5） 優(yōu)選地應(yīng)力計(jì)算模型并利用測(cè)井資料計(jì)算地應(yīng)力的大小和方向， 最終 得出工區(qū) 水平主應(yīng)力大小和方向 的橫向 展布 規(guī)律。 通過(guò)對(duì)研究 《川東北測(cè)井資料的鉆井工程應(yīng)用技術(shù)研究》 項(xiàng)目過(guò)程的整理，得出如下的研究路線圖： 巖 石 力學(xué) 實(shí) 驗(yàn)測(cè) 試 楊氏 模 量 、泊 松 比 、抗 壓 強(qiáng)度 、 內(nèi)聚 力 、內(nèi) 摩 擦角 等 參數(shù)巖心歸位、動(dòng)靜轉(zhuǎn)換巖石力學(xué)參數(shù)剖面常規(guī)測(cè)井、地層傾角測(cè)井、成像測(cè)井、地質(zhì)、鉆井、錄井、地層測(cè)試等資料收集建立每口井的壓實(shí)趨勢(shì)線，做出估算橫波時(shí)差的回歸公式測(cè) 井 資料 計(jì) 算楊 氏 模量 、 泊松 比 、抗 壓 強(qiáng)度 、 內(nèi)聚 力 、內(nèi) 摩 擦角 等 參數(shù)測(cè) 井 資料 建 立孔 隙 度 、泥 質(zhì) 含量 和 巖性 體 積剖面圖地 應(yīng) 力實(shí) 驗(yàn) 測(cè)試 所 在深 度 地應(yīng) 力 的大 小 和方向利 用 測(cè)井 資 料計(jì) 算 出上 覆 巖層 壓 力和 地 層壓力反算出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)建立地應(yīng)力縱向剖面、分析水平主應(yīng)力方向分析得出地應(yīng)力橫向規(guī)律巖 石 力學(xué) 實(shí) 驗(yàn)測(cè) 試 楊氏 模 量 、泊 松 比 、抗 壓 強(qiáng)度 、 內(nèi)聚 力 、內(nèi) 摩 擦角 等 參數(shù)巖心歸位、動(dòng)靜轉(zhuǎn)換巖石力學(xué)參數(shù)剖面常規(guī)測(cè)井、地層傾角測(cè)井、成像測(cè)井、地質(zhì)、鉆井、錄井、地層測(cè)試等資料收集建立每口井的壓實(shí)趨勢(shì)線，做出估算橫波時(shí)差的回歸公式測(cè) 井 資料 計(jì) 算楊 氏 模量 、 泊松 比 、抗 壓 強(qiáng)度 、 內(nèi)聚 力 、內(nèi) 摩 擦角 等 參數(shù)測(cè) 井 資料 建 立孔 隙 度 、泥 質(zhì) 含量 和 巖性 體 積剖面圖地 應(yīng) 力實(shí) 驗(yàn) 測(cè)試 所 在深 度 地應(yīng) 力 的大 小 和方向利 用 測(cè)井 資 料計(jì) 算 出上 覆 巖層 壓 力和 地 層壓力反算出構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)建立地應(yīng)力縱向剖面、分析水平主應(yīng)力方向分析得出地應(yīng)力橫向規(guī)律 圖 11 論文研究思路 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 5 論文創(chuàng)新點(diǎn) 論文針對(duì)川東北地區(qū) 的 地質(zhì)特征 ， 建立了適 用于該區(qū)的 地應(yīng)力 計(jì)算模型 。 （ 1） 地層壓力是計(jì)算地應(yīng)力的重要參數(shù)。 針對(duì) 川 東北地區(qū)海相地層普遍高壓的特點(diǎn)，分海陸兩相 分別建立 伊頓模型 計(jì)算 地層壓力 ， 提高了計(jì)算精度 ，同時(shí)也減小了地應(yīng)力計(jì)算中的誤差。 （ 2） 打破傳統(tǒng)認(rèn)為在同一區(qū)塊構(gòu)造應(yīng)力系數(shù) 1? 、 2? 為常數(shù) （ 即構(gòu)造應(yīng)力與垂向有效應(yīng)力成正比 ） 的觀念，根據(jù)多口井處理的結(jié)果， 確定了該區(qū) 不同地質(zhì)層位兩個(gè)系數(shù)的取 值區(qū)間 ，其計(jì)算結(jié)果比與采用固定值時(shí)精度更高。 川東北山前高陡構(gòu)造地應(yīng)力計(jì)算與研究 第 2 章 研究工區(qū)概況 川東北地區(qū)地質(zhì) 概況 川東北地區(qū)是我國(guó) 含有 豐富油氣資源的區(qū)域之一。該區(qū)塊指的是四川盆地東北部大巴山褶皺帶西南側(cè)前沿區(qū)域。主要包括宣漢 達(dá)縣、通南巴、南江、巴中、涪陵 綦江、天堂壩等 6 個(gè)油氣登記區(qū)，行政區(qū)域劃分上主要包括達(dá)縣、宣漢、萬(wàn)縣、梁平、通江、南江、巴中、旺蒼、儀隴、平昌、華瑩、開江、墊江、長(zhǎng)壽等縣市 （ 圖 21） 。總 勘探面積為 4210? Km2， 川東區(qū)塊地表出露侏羅系，保存條件十分優(yōu)越。盡管各地區(qū)在構(gòu)造樣式等方面存在差異，但均具有相同的勘探目的層和相似的成藏條件。 2020 年以前通南巴構(gòu)造帶已完鉆 13 口井。 圖 21 四川盆地川東北地區(qū)地理及構(gòu)造位置圖 川東北地區(qū)構(gòu)造特征 川東北地區(qū)在地理上屬于四川盆地東北部和部分渝北地區(qū)的中 — 高山區(qū)。大地構(gòu)造位置屬于上揚(yáng)子地臺(tái)的北東部 ,挾持在印支晚期秦嶺造山帶盆緣推覆山系與四川前陸盆地之間的構(gòu)造交接帶部位 ,現(xiàn)今構(gòu)造格局主要受北西向的米倉(cāng)山 — 大巴山巨型構(gòu)造山系逆沖推覆作用控制 ,于中、新生代經(jīng)歷了性質(zhì)多 變的構(gòu)造演化過(guò)程 ,具有十分復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造輪廓 [52]。 川東北地區(qū)自印支期以來(lái)，由于受盆緣造山的影響，包括秦嶺大巴山的隆起與推覆西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 7 擠壓、米倉(cāng)山的隆起與推覆以及雪峰山的擠壓推覆的影響，平面構(gòu)造變形差異較大?？傮w來(lái)看，川東北地區(qū)主要有北東向和北西向兩大類主體構(gòu)造的疊加。晚印支 — 早燕山期、晚燕山 — 早喜山期的構(gòu)造活動(dòng)主要控制了川東北地區(qū)的北東向構(gòu)造的形成與分布；而晚喜山期三期構(gòu)造活動(dòng)對(duì)前期構(gòu)造進(jìn)行了疊加改造，主要是形成了北西 向的構(gòu)造。兩類構(gòu)造疊加對(duì)川東北地區(qū)的構(gòu)造格局，以及對(duì)川東北地區(qū) 油氣藏的聚集、調(diào)整 和 改造有著重要 的影響 [51]。 川東北地區(qū)由于構(gòu)造受力和構(gòu)造組系都比較復(fù)雜，致使地面以及地腹的斷層裂縫發(fā)育。其主要特征是： 第一， 地面正向構(gòu)造多為高聳的大山，溝深坡陡，相對(duì)高差400~1300m。 第二， 背斜褶皺強(qiáng)烈，兩翼陡峭，一般 為 不對(duì)稱背斜，地層傾角 大 ，一般為 15 ~40 ，有的可高達(dá) 60 ~80 ，甚至直立倒轉(zhuǎn)，地層厚度一般存在異常。 第三， 淺層 — 中層受力作用強(qiáng)烈，斷層、裂縫發(fā)育，破碎地層較多。 河壩構(gòu)造和馬路背構(gòu)造所處的通南巴構(gòu)造帶是四川盆 地的第二大構(gòu)造，位于四川盆地東北緣。通南巴地區(qū)橫跨四川省通江、南江、巴中三縣區(qū)，基本位于東經(jīng)/ //1063300 ~ / //107 22 00 ，北緯 / // / //3 1 5 4 0 0 ~ 3 2 2 0 0 0范圍內(nèi)，面積約 3000km2。河壩區(qū)塊位于通南巴地區(qū)中部通江縣 境內(nèi)，工區(qū)屬中 — 低山區(qū)，地面海拔 400～ 1300m，總體地勢(shì)偏陡，相對(duì)高差 100～ 500m，氣候溫暖潮濕，年平均氣溫 ℃ ，最低氣溫可達(dá) ℃ ，最高氣溫為 ℃ ，年平均氣溫 ℃ 。常有春雨、夏旱、秋澇、冬干的氣候特征。全區(qū)物產(chǎn)豐富，鄉(xiāng)村公路縱橫交錯(cuò)，交通便利，有利于氣田的勘探開發(fā)。 從傳統(tǒng)大地構(gòu)造觀點(diǎn)來(lái)看，通南巴構(gòu)造位于 “揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái) ”的西北邊緣，與華北板塊邊緣相鄰。區(qū)域構(gòu)造位于四川盆地川東北褶皺帶的東北段，米倉(cāng)山?jīng)_斷構(gòu)造帶和大巴山弧形沖斷構(gòu)造帶的構(gòu)造疊合區(qū)， 北部為秦嶺造山帶南緣的米倉(cāng)山前緣構(gòu)造帶，東北側(cè)為大巴山北西向前緣推覆構(gòu)造帶，西北側(cè)為龍門山造山帶，南鄰川中平緩構(gòu)造帶，東南與通江凹陷帶相連。 在構(gòu)造格局上既 受四川盆地基底構(gòu)造變形的控制 ，又在一定程度上受米倉(cāng)山、大巴山逆沖斷裂 構(gòu)造變形的影響?？傮w為 一 大型 NEE 轉(zhuǎn) NE 向的隆凹格局 ,北部為池溪向斜 ,中部為通南巴背斜構(gòu)造帶 ,南部為通江 — 巴中向斜。 構(gòu)造長(zhǎng)軸 80余公里，閉合面積 738~937 平方公里，閉合幅度 1435~1800m，總體為北翼緩，南翼陡，總體上為北翼緩，南翼陡。 是印支 — 燕山早幕于盆地北部中生代凹陷中褶皺隆起的大型 NE 向構(gòu)造帶 ， 燕山期受大巴山推覆帶的影響，在 NE 向構(gòu)造帶疊加了 NW 向背斜和斷裂。構(gòu)造帶為多期次、多方向構(gòu)造疊加而成，被 NW 向斷裂分割為多個(gè)高點(diǎn) （ 圖2 24） ，主要包括南陽(yáng)場(chǎng)鼻狀構(gòu)造，涪陽(yáng)壩斷塊構(gòu)造和黑池梁鼻狀構(gòu) 造 （ 圖 22，表 21） 。 地表局部高點(diǎn)有南陽(yáng)場(chǎng)、獅子坪、天井壩、母家梁、邱家坪、馬路背；地下構(gòu)造總體為一大型 NE向隆起，被 NW向斷裂分割為多個(gè)高點(diǎn)，主要高點(diǎn)有元覃、仁和、獅子坪、河壩場(chǎng)、母家梁、邱家坪、馬路背；在縱向上可分兩個(gè)形變層。上形變層總體為 NE向隆起，有南陽(yáng)場(chǎng)斷鼻、涪陽(yáng)壩斷塊和黑池梁鼻三個(gè) Ⅳ 級(jí)構(gòu)造， 11個(gè)高點(diǎn)，構(gòu)造形變主要