異常高應力儲層改造理論與技術（簡體書）

本書基於國家自然科學基金項目和國家油氣重大專項課題研究成果, 緊密圍繞“異常高應力儲層成因”、“深部岩石力學理論基礎”、“優化射孔參數降低儲層破裂壓力”、“酸損傷降低儲層破裂壓力機理及定量預測理論”、“網絡裂縫酸化改造理論與技術”、“燃爆誘導壓裂複合改造理論與技術”等異常高應力儲層改造的基礎科學問題; 系統介紹了異常高應力儲層改造理論和技術框架, 總結了異常高應力儲層改造的關鍵技術和原創性工藝技術。

《異常高應力儲層改造技術與理論》內容豐富，涉及多個工程領域，可供石油開采、地質工程、采礦工程、巖土工程、交通工程、地下工程等相關專業的科研人員、工程技術人員和研究生借鑒參考。

**章緒論
**節異常高應力儲層改造研究的意義
石油天然氣行業在國民經濟發展乃至國家能源安全中具有十分重要的地位，持續高位的石油和天然氣對外依存度已經對我國經濟社會可持續發展和能源安全構成威脅。勘探實踐證明，在組成地殼的沉積巖、巖漿巖和變質巖中都發現有油氣田，而99%以上的油氣儲量集中在沉積巖中，其中又以砂巖和碳酸鹽巖儲集層為主。隨著石油、天然氣勘探和開發程度的提高，低滲透油田儲量所占的比例越來越大，在探明未動用石油地質儲量中，低滲透儲量所占比例高達60%以上。低滲、致密油氣藏已成為我國油氣產量增長的主要接替，而且探明的低滲透儲量儲層比例還在逐年增加。在這類儲層中，有相當比例為異常高破裂壓力儲層。壓裂、酸化壓裂是實現此類儲層勘探評價、試油試采和有效開發的關鍵工程技術。但“地層壓不開，液體注不進”一直是部分深層、致密、低滲透儲層改造的工程技術難題(郭建春等，2011)。
部分深層、致密、低滲透儲層改造破裂失敗典型的井的統計見表1-1。在異常高應力儲層的改造過程中普遍表現出以下特征：①壓裂井段屬于深井或超深井，深度一般為3000～7000m，儲層的埋藏深度跨度大；②巖性多樣，不僅僅在砂巖儲層中出現，同時在碳酸鹽巖儲層中也有出現；③儲層物性差、滲透率低，需要通過壓裂酸化改造形成高速的人工裂縫流動通道，才能獲得經濟開發的產量；④壓裂改造過程中排量低、井底流體壓力高，難以有效破裂和撐開儲層；⑤改造過程中高應力儲層的井廣泛分布于我國多個盆地，尤其以四川盆地、塔里木盆地*為突出。
表1-1部分深層、致密、低滲透儲層改造破裂失敗典型的井
為了實現對異常高應力儲層的有效改造，必須針對異常高應力儲層改造過程中的深部巖體力學基礎、儲層巖石破裂機理、深部儲層裂縫性儲層水力裂縫擴展機理、降低儲層破裂壓力技術以及改造的配套措施進行深入研究，提高異常高應力儲層改造的成功率和有效率。
第二節異常高地應力儲層基本概念
一、地應力的基本概念
地應力是指存在于地殼中未受工程擾動的天然應力，包括由重力﹑地球自轉速度變化﹑地熱及其他因素產生的應力，也可以理解為地下某深度處巖石受周圍巖體的擠壓力。地應力是由巖體種類和地質構造運動等綜合作用形成的，當地應力形成后，許多局部因素又使其發生變化，導致地應力的分布十分復雜，使得局部應力和區域應力之間有很大差別。
(一)地應力的概念
沉積盆地中的巖層處于三軸應力狀態下。“應力狀態”是指應力的大小和方向，通常采用三個法向應力來表示巖石單元的應力環境：σ1、σ2、σ3，分別代表**、中間、*小三個主應力；相應的使用σV、σH、σh，分別代表垂向、水平**、水平*小主應力。
現今地應力是相對古應力而言，是指地層目前的應力狀態。古地應力是地質歷史時期中某時間的應力狀態(包括巖石變形時的應力)。目前地應力一般是巖層在地質歷史中經過多期變形、破裂后(應力集中、釋放過程)到目前還“剩余”的應力。由于現今構造還在不斷活動，現今地應力隨時間不斷變化；但是對于大部分沉積盆地，在相當長一段時間內，由于變化速度小，通常認為其是相對“穩定”的。正確認識地應力的來源及組成對于異常高應力儲層的壓裂改造具有重要意義。
(二)地應力的來源
地應力的來源較復雜，一般包括上覆巖層重力、地層壓力、構造活動力。
1.上覆巖層重力及“誘導”的水平應力
地殼上部巖體由于受地心引力而引起的應力稱為自重應力。巖體自重作用不僅產生垂向應力，而且由于巖石的泊松效應和流變效應也會產生水平應力。在研究過程中，通常可以把巖體視為連續、均勻且各向同性的彈性體，因此通常可以采用連續介質力學原理來研究巖體的自重應力(沈明榮等，2006)。
圖1-1巖體單元的自重應力狀態
如圖1-1所示，在巖體中距地面深度為H處取一單元體，單元體的垂直應力即為單元體上覆巖體的重量，即
考慮到地層孔隙流體壓力作用，部分上覆巖層重力被孔隙流體壓力所支撐。但由于顆粒間膠結作用，孔隙壓力并未全部支撐上覆巖層壓力，于是有效垂向應力為
式中，pp——地層孔隙壓力，MPa；
α——Biot系數，即孔隙彈性常數，無因次。
當把巖體視為各向同性的彈性體時，由于巖體在各個方向都受到與其相鄰巖體的約束，不能產生橫向變形，即εx=εy=0，而相鄰巖體的約束就相當于對單元體施加了側向應力，根據胡克定律，于是有
式中，x，y——分別為地層水平面x、y方向的有效應力，MPa；
E——巖石楊氏模量，MPa；
μ———巖石泊松比，無因次。
E和μ是反映地層巖石的力學特征參數，與巖石類型及所處的環境有關。
假設水平方向應力場是均勻的，則有
地層巖石的泊松比一般為0.20～0.35，泊松比越大，水平應力就越接近垂向應力。考慮孔隙流體壓力后的地層水平應力為
因此，巖體自重引發的應力可以表示為
2.構造應力
地殼形成之后，在漫長的地質年代中經歷了多次構造運動。由于地質構造、板塊運動、地震活動等地殼動力學因素所造成的附加應力分量稱為構造應力。構造應力存在著明顯的各向異性，因此原地應力也是各向異性的，其**水平主應力方向常常與構造應力的合矢量方向一致。由于構造運動所引發的應力是構造應力的主要組成部分，而構造應力往往以矢量形式疊加在水平應力之上，使得水平方向的應力場不均勻。
當存在構造應力作用時，由于在兩個水平主方向上所附加的有效應力不相等，因此構造應力是導致水平方向上兩個主應力不相等的根本原因。設水平方向的構造應力分別為σx2和σy2，假設水平方向的兩個構造應力系數為定值，σx2和σy2隨深度均勻變化，用有效上覆巖體壓力來表示水平構造應力的大小，于是有
式中，σx2——地層水平面x方向的構造應力，MPa；
σy2——地層水平面y方向的構造應力，MPa；
ξx——地層水平面x方向的構造應力系數，MPa-1；
ξy——地層水平面y方向的構造應力系數，MPa-1；
除構造應力會影響原地應力外，溫度變化以及巖層軟化等也會影響巖層地應力。
3.溫度變化引起的熱應力
在油氣藏開發過程中，火燒油層、注熱水和注蒸汽熱采可以改變儲層乃至整個油藏的應力的大小和方向：在熱采過程的有限受熱條件與穩定狀態下，會產生高切向和徑向應力；在地質條件允許產生熱膨脹的巖石中，受熱過程會產生明顯的張應力。考慮巖石為各向同性體，在溫度改變時，地層能很快傳遞消耗由于溫度引起的垂向應力改變，使垂向主應力保持與上覆巖層重力的平衡。由于油藏邊界可視為無窮大，其側向變形受到約束，可將溫度改變引起的側向應變視為零，則
式中，Δσh——地層水平面x方向的由于溫度變化引起的誘導應力，MPa；
ΔσH——為地層水平面y方向的由于溫度變化引起的誘導應力，MPa；
T——為地層溫度，℃；
ΔT——地層溫度的變化量，℃；
4.其他應力
地應力的其他來源主要有塑性泥巖、鹽巖、石膏的“流動”可能使地應力“軟化”，造成地應力狀態“趨同”，并可能達到與巖層靜壓力相當；巖石中的礦相變化引起的局部應力變化，如礦物體積的改變等。
二、異常高應力儲層的概念
近年來，隨著經濟的發展，交通隧道、水電站地下廠房、井巷坑道等地下工程迅速發展，其“長、打、深、群”的特點日趨明顯，而由于它們所處的復雜地質環境往往易于形成高地應力區，并經常引發巖爆、大變形等相關地質災害。高地應力及其對地下工程圍巖穩定性的影響問題已經引起世界巖石力學和工程地質學界的廣泛重視。但由于巖體的復雜性和受地質環境條件影響，高地應力問題研究尚不健全，目前高地應力含義至今也無統一認識。
例如，工程實踐中通常將超過20～30MPa的硬質巖體內初始應力稱為高地應力；法國隧道協會、日本應用地質協會和蘇聯頓巴斯礦區等則采用巖石單軸抗壓強度(R1)和**主應力σ1的比值R1/σ1(即巖石強度應力比)來劃分地應力級別(表1-2)。這樣劃分和評價的實質是反映巖體承受壓應力的相對能力。陶振宇(1900)對高地應力給出了一個定性的規定，是指其初始應力狀態，特別是水平初始應力分量大大超過其上覆巖層的巖體重量。這一定性規定強調了水平地應力的作用。天津大學薛璽成等(1987)則建議用式(1-9)來劃分地應力量級：
表1-3地應力分級方案(薛璽成，1987)
說明n=1時為純自重應力場在應力場中有30%～50%是構造應力產生，其余為重力場應力50%以上的地應力由構造應力產生
可以看出，不同學者和機構對于高地應力的定義有很大區別，目前還沒有形成一個統一的方案。
事實上，高地應力是一個相對的概念，并且與巖體所經受的應力歷史和巖體強度、彈性模量等諸多因素有關。在強烈構造作用地區，地應力水平與巖體強度有關；輕緩構造作用地區，巖體內地應力大小與巖石彈性模量相關，即彈性模量大的巖體內地應力高，彈性模量小的巖石內地應力低。以上是針對地下工程埋藏深度距離地面較淺時關于高地應力的定義。而在深層油氣藏資源的改造過程中，一般是從油氣藏埋藏深度和壓裂工程特點出發來定義高地應力儲層。在本書中，界定高地應力儲層是指儲層埋藏深、地層溫度高、地層壓力高、部分儲層發育有天然裂縫的儲層，在目前國內常規壓裂裝備能力下(地面限壓95MPa)不能有效壓開的地層；或者是壓開儲層后由于施工排量低不能有效實現壓裂酸化改造的儲層。
根據地應力的來源分析、異常高應力儲層的描述可以看出，高地應力儲層一般可能會出現在兩類地層中：一是儲層埋藏深度大，由于垂向應力產生的誘導水平主應力高導致異常高地應力；二是由于儲層巖石受擠壓產生斷層導致構造應力強而形成的異常高地應力。
異常高地應力儲層由于普遍具有埋藏深、構造應力強、儲層滲透低的特點，使得絕大多數的油氣藏鉆完井投產后沒有經濟產量，一般均需要通過壓裂、酸化改造才能獲得經濟產能，因此針對異常高地應力儲層改造理論與技術的研究就顯得迫切重要。
第三節異常高應力儲層油氣資源概述
近年來，世界各大主力油田經過近半個世紀開發，淺層油氣的發現已經呈下降趨勢。世界各國為了滿足能源安全和能源供給，紛紛將勘探目標層轉向深層。
一、國外異常高應力儲層油氣資源
美國地質調查局新一輪深層油氣資源評價表明，全球待發現的深層常規天然氣達23.9×1012m3，占所有天然氣資源的17%。以美國為例(王宇等，2012)，僅美國就有20715口鉆井深度超過4.5km，其中有11522口井產出了石油或天然氣；深度超過6000m的生產井有968口，共有52口鉆探深度超過7500ｍ的超深井，27口井在不同層段產出油或氣，超深井鉆探成功率達到了50%。美國西內盆地阿納達科凹陷米爾斯蘭奇氣田7663～8083m的下奧陶統碳酸鹽巖內發現了世界上*深的氣藏；在美國灣岸(Gulf Coast)