0 引言
塔里木盆地是一个由古生界海相克拉通盆地与中新生界陆相前陆盆地组成的大型叠合复合盆地。库车坳陷位于其北缘，北起南天山褶皱带的南缘，南为塔北隆起，东起阳霞凹陷，西至乌什凹陷，以中新生代沉积为主，整体呈NEE向展布，面积约为3.7×104 km2。库车坳陷孕育丰富的天然气资源，但埋藏深度大，克深2、博孜1等气藏的白垩系砂岩储层埋深超过6 000 m，克深9、博孜8等气藏的储层埋深甚至超过8 000 m，属典型的超深层范畴［1-2］。岩石在该深度下承受巨大的上覆压力，最大超过200 MPa，水平应力差亦较高，可超过50 MPa。这种条件下，储层岩石基质孔隙度低，约为4%~7%，但裂缝普遍发育，属于超深裂缝性低孔砂岩储层，极强的地应力是这类储层显著的特征之一，对储层品质有重要影响［3-6］。唐雁刚等［7］指出超深层强挤压导致裂缝规模发育改善了储集条件，是保证其在6 000 m以深的储层中仍存在高产稳产井的重要保证；江同文等［8］、张辉等［9］认为现今地应力作用下的断层、裂缝活动性对库车坳陷气井产能有重要影响，并提出了气田开发方案的优化方法；田军等［10］、杨海军等［11］阐述了以现今地应力研究为核心的地质力学技术在塔里木盆地高效勘探开发中的重要作用及助推地质工程一体化的具体实践。然而随着勘探开发的深入，库车坳陷储层极强的非均质性带来的诸多问题日益凸显，当前生产实践反映了库车坳陷普遍存在的一个现象，即在同一构造之内岩石物理属性近似的气井，产能差异巨大，甚至在同一构造相邻2口井的产能也有天壤之别，无阻流量甚至能相差40余倍［8］，表明即使常规岩石物理属性相差很小的井，二者的储层品质差异可能很大。传统储层品质评价主要基于储层岩石基质和裂缝的孔渗分析，忽略了地应力相关因素，往往无法分辨优劣，造成误判，一些处于构造高点、物性好、往往认为效果好的井，最终产能并不理想，而一些构造略低、物性一般、试油评价前认为一般的井，效果却远超预期。为了提高库车坳陷勘探开发进程和效率，亟需革新超深层领域储层评价的理论认识与技术方法，定义、寻找和高效开发超深优质储层成为当务之急。为此，笔者从现今地应力角度出发，开展系统的地质力学研究，包括岩石力学性质分析，评价现今地应力场和天然裂缝活动性，并提出了量化表征应力集中的参数，结合物性分析和地质力学评价，实现有利区带的优选，为库车坳陷超深储层评价提供了理论和技术支撑。
1 地质概况和应力控产机理的发现
库车坳陷在平面上表现为“四带三凹”的构造格局，即北部单斜带、克拉苏构造带、秋里塔格构造带和南部斜坡带，以及乌什凹陷、拜城凹陷和阳霞凹陷（图1）［12-14］，具有“分层滑脱、垂向叠置” 的变形模式［15-18］，纵向划分为3个构造层，盐上主要为断层相关褶皱；盐层表现为典型的盐构造；盐下发育逆冲叠瓦构造和突发构造。库车坳陷克拉苏构造带主力勘探目的层为白垩系，自上到下可分为巴什基奇克组和巴西改组。巴什基奇克组自上到下分3段：其中第一段受古沉积环境的影响而缺失；第二、三段分别为辫状河三角洲前缘、扇三角洲前缘沉积，发育水下分流河道及分流间湾微相。巴西改组分2段，为辫状河三角洲前缘沉积，其中第二段主要为辫状河三角洲前缘水下分流河道、河口砂坝微相沉积。白垩系储层孔隙度一般为4.0%~11.0%，平均为7.0%；渗透率主峰为（0.035~0.5）×10-3 μm2，平均为0.234×10-3 μm2。
库车坳陷天然气勘探开发实践表明，诸多气藏单井产能差异巨大，即使同一区块相邻的井，在常规岩石物理性质近似的条件下，改造后的产量也差异数倍。如表1所示，库车坳陷西部D气藏的3口井，岩性均为岩屑长石砂岩，其中石英、长石含量相对稳定，孔隙度比较近似，大约为7.6%~7.8%，D3井有效厚度最大，D1井最小。其中D1井改造后日产天然气量约为30×104 m3，D2井改造后日产天然气量超50×104 m3，而有效厚度最大的D3井改造后的日产气量仅约为10×104 m3。
表1 库车坳陷诸井参数对比Table 1 Comparison of well parameters in Kuqa Depression |
| 井名 | 深度/m | 厚度/m | 孔隙度/% | 现今最小水平主应力/MPa | 裂缝密度/（条/m） | 裂缝活动性 | 日产气量/（104 m3） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K1 | 5 125 | 155 | 6.5 | 144 | 0.36 | 0.22 | >40 |
| K2 | 5 130 | 150 | 7.2 | 152 | 0.91 | 0.19 | <10 |
| D1 | 5 080 | 205 | 7.8 | 104 | 0.11 | 0.28 | ≈30 |
| D2 | 4 800 | 255 | 7.6 | 99 | 0.12 | 0.36 | >50 |
| D3 | 5 050 | 280 | 7.7 | 106 | 0.10 | 0.23 | ≈10 |
虽然从常规岩石物理性质上无法准确判断2口井的优劣，但对比发现在现今地应力和裂缝活动性上存在差异。高产井D2井的现今最小水平主应力（S h）值较低、天然裂缝密度相对较大且裂缝活动性好（裂缝面上剪应力与有效正应力的比值高），而低产井D3井的现今最小水平主应力（S h）值较高、天然裂缝密度相对较大且裂缝活动性较差（裂缝面上剪应力与有效正应力的比值低）。这说明其产能差异与地应力及其控制下的裂缝渗透性有极大的关联。库车坳陷东部K气藏上K1和K2两口井的例子同样证明了上述观点。
另外，实践中发现一个特殊现象，低产井普遍存在大段连续的井壁连续崩落，这种崩落甚至出现于整个目的层段。如图3所示，例举了库车坳陷3口低产井的井眼扩径和FMI图像上表现出的崩落情况。其中A1401井在整个目的层具有明显的井壁崩落，扩径非常明显；B2井在巴什基奇克组第二段（K1 bs 2）和巴西改组第二段具有明显的井壁崩落；而D903井的崩落出现在巴什基奇克组第二段（K1 bs 2）顶部。一般而言，井壁崩落是由于钻井过程中井壁发生的应力集中超过了井孔周围岩石的破裂强度。因此笔者将这个现象称为强应力现象，表明存在较强的应力集中。但它有时在地应力数值低的位置也可能会出现，会干扰优势低应力区的选择。由于库车坳陷近20口的低产/失利井具有“强应力”现象，所以认为井壁连续崩落与低产/失利具有一定关联。
综上现象分析，超深储层中高产层位具有如下特征：①没有明显的“强应力”现象；②应力低的层段；③裂缝发育的部位；④裂缝活动性好。
2 强应力参数的提出
2.1 优质储层的力学成因机理
为探索超深储层岩石力学性质与储层品质的关系，对取自库车坳陷A8井的细砂岩岩心样品（样品深度为8 085.5 m）开展了单轴和三轴岩石力学试验，样品为Φ=25 mm×50 mm的柱塞样。三轴岩石力学实验设定围压为80 MPa，加载速率为0.07 mm/min；单轴岩石力学实验过程中实时进行CT扫描。结果显示见图4，OA段为压密阶段，表示受力过程中输入的能量逐渐增加，岩石积累的弹性应变能也缓慢增加，内部原生缺陷不断闭合，矿物颗粒旋转摩擦滑移调整；AB段为弹性阶段，岩石仍然不断吸收能量，且绝大多数转变为弹性应变能积累在岩石内部；BC段为稳定破裂发展阶段，岩石内部微裂纹开始延伸扩展，能量开始缓慢耗散释放，但弹性应变能仍然占主导；CD段为不稳定破裂阶段，微裂纹进一步扩展贯穿，能量耗散增强，弹性应变能的积累减弱；DE段为峰后阶段，形成宏观裂缝，岩体发生破坏，弹性应变能释放［22］。在这个过程中岩石的渗透率不断变化，经历持续下降—平缓下降—逐渐增高—急剧增高4个阶段。其中C点的状态表示应变能聚集强、耗散少，内部微裂缝大量发育但未贯通，岩石体积略微增大，即“膨胀”现象［23］，此时岩石孔隙度最高但渗透率极低，渗透性能极差。
需要说明的是，岩石应力—应变曲线中处于应变释放阶段的F点与处于应力积累阶段的C点，虽然同样具有较低的应力值，但前者处于应力积累阶段而后者处于应力释放阶段，二者对应的应变和渗透率也截然不同，说明低应力也可能存在不利的应力集中现象，并不能单纯用应力值或者差应力的高低判定地质体（岩石）应力集中程度。
综上所述，从地质力学角度而言，研究区潜在油气有利储层包含以下特征：①不存在地应力集中现象；②具有较低地应力值的部位；③天然裂缝发育程度高且活动性好。
2.2 考虑地应力相关因素的储层品质评价方法
由于岩性、厚度、岩石组分、孔隙率、渗透率、含油饱和度等常规储层物性参数难以全面准确地评价储层品质，为了提高精度避免误判，笔者认为在物性分析的基础之上，还需考虑地应力相关因素，即将现今地应力值、裂缝发育及活动性，以及“强应力”现象纳入储层品质评价。
前文已述，“强应力”现象是一种应力集中，其是地应力和岩石强度之间“博弈”导致，因此确定地应力与岩石强度二者的平衡区间是分析“强应力”的关键。为此，作者提出了表征应力集中程度的参数Q e，由于地应力与岩石强度二者“博弈”导致“强应力”现象，而岩石强度是有效应力决定的，因此采用最大水平主应力、地层孔隙压力和单轴抗压强度3个参数来计算Q e的数值，表达式如下：
式中：S H、P p和C分别为最大水平主应力值、地层孔隙压力与单轴抗压强度，单位均为MPa。
通过对数口井进行Q e值的计算表明，当Q e值高于某一数值，曲线分布规律与井眼扩径分布规律一致，则认为具有应力集中，具体数值在区块之间略有差异。对于库车坳陷博孜大北区带的多数井，Q e的临界值为0.53。如图5所示，为前文所提的2口低产井的地应力测井解释和应力集中参数Q e的分布。可见应力集中参数分布与井眼扩径趋势的吻合度很高，扩径大的层段，计算所得的应力集中参数Q e值较高，无明显扩径的层段，计算所得的应力集中参数Q e值低。
据此发现，应力集中参数与气井产能具有较高关联，低产的B2井、D903井及A1401井均存在Q e的高值层段，而A104、A9、D2等日产50×104 m3天然气的高产井，其Q e值整体较低，表明基本不具有应力集中。这进一步证实了地应力对优质储层和产能具有显著的控制作用。
综上所述，基于地应力及相关参数对储层品质进行了量化分级（表2），根据生产实践确定各参数的分级区间。最小水平主应力（S h）量值是首要考虑的因素，实践表明优质储层均具有较低的S h值，根据库车坳陷大量单井评价确定了S h的分级区间，即S h低于单井平均值的4%，认为是低应力范围；处于平均值的±2%认为是良好的应力范围；若高于平均值的2%~6%，认为属于较高的应力范围；若高于平均值6%，判定为不利的高应力区间。前文已述，强应力占比是评价气藏品质的另一项地应力因素，根据生产实践确定了应力集中参数Q e的分级区间，即Q e值低于0.5，表明是单井应力集中程度不高，钻遇优质储层可能性大；若Q e值介于0.5~0.7之间，表明单井上有一定程度的应力集中，优质储层段比较有限；若Q e值为0.7~0.9，表明应力集中程度较高，优质储层段有限；若Q e值高于0.9，表明目的层全井段应力集中程度非常高，说明钻遇了不利的储层。
表2 基于地应力及相关参数的量化分级方案Table 2 Quantitative classification scheme according to in-situ stress and related parameters |
| 最小水平主应力相对值 /无量纲 | 应力集中参数Q e /无量纲 | 最大水平主应力方位和裂缝走向夹角/（°） | 裂缝活动性（τ/σn） /无量纲 | 裂缝密度 /（条/m） | 分级 |
|---|---|---|---|---|---|
| 低于平均值4% | <0.5 | <30 | >0.35 | >0.4 | 一级 |
| 平均值±2% | 0.5~0.7 | 30~45 | 0.25~0.35 | >0.3 | 二级 |
| 高于平均值2%~6% | 0.7~0.9 | 60左右 | 0.15~0.25 | >0.1 | 三级 |
| 高于平均值6% | >0.9 | 近于垂直 | <0.15 | 近于无 | 四级 |
同理，对力—缝夹角、天然裂缝密度及活动性制定了量化分级。通过该方法，能够有效区分物性相似条件下储层品质的差异，提高储层分级的评价精度。
3 讨论
3.1 井位部署建议
库车坳陷A3气藏中，A3井与A301井为直井，而A3X井为斜井，3口井的最小水平主应力分别为130 MPa、128 MPa、127 MPa；裂缝钻遇数量分别为10条、38条及67条；日产气量分别为33×104 m3、35×104 m3、100×104 m3。可见斜井具有较低的平均应力值与较高的裂缝钻遇率，且单井产量远高于直井。文献［29］同样阐述了库车坳陷一口大斜度井——克深1002井具有产量高、安全稳定、钻井周期短的多重优势。
3.2 侧钻增产措施
A1401井侧钻的水平距离为140 m，侧钻后现今最小水平主应力平均降低9 MPa，水平应力差降低10.5 MPa，成像测井上未出现连续的井壁垮塌，应力集中参数Q e值从0.82降低为0.63，表明钻出了应力集中的高值区域，最终也获得了高产。这表明，如果误钻局部不利区也有弥补的方式，正所谓“亡羊补牢，为时不晚”，精准侧钻思路改变了以往只能靠改造增产的唯一做法，开拓了增产的方式。
3.3 不足与展望
应力集中参数Q e的提出进一步提高了超深裂缝性储层的品质评价精度，丰富了应力控储、控产认识，扭转了库车坳陷多口井的误判。然而，目前Q e临界值的选取是基于多口井的经验认识，在不同区块有所差异，其内在机理还有待挖掘。另外，文中所提的裂缝性储层品质分级方案在库车坳陷当前实践中具有合理性和较高可行性，但相关参数具体的量化分级在不同区块也有所差异。由于储层裂缝系统的复杂性，超深层研究仍然是当前的一大难题。
目前随着地质工程一体化理念不断创新和发展，逐渐形成了一体化的技术体系和管理模式。正在以提高产能为关键问题，以三维模型为核心，以地质—油藏为基础，并以储层地质力学为地质认识和工程技术之间的桥梁，开展具有针对性、预测性、指导性、实效性及时效性的动态研究和及时应用。在库车坳陷，基于一体化的井位部署工作和大斜度井的思路不断普及应用，已在克深10、大北11、大北17等区块成功部署大斜度井10余口，证实这是克服非均质性和各向异性的有效手段。另外，基于地应力研究的储层品质评价方法提高了精度，扭转了以往的误判，支持了10余口井的复杂问题分析。应力控产机理和该储层品质评价方法以及大斜度井的部署思路同样可以推广至塔里木盆地塔西南山前的裂缝性储层及台盆区碳酸盐岩缝洞性储层，相关研究在工程领域也有重要作用。
4 结论
（1）塔里木盆地库车坳陷超深储层的高产部位具有低应力且裂缝活动性好的特点，现今地应力及其控制下的裂缝渗透性是决定超深层产能的重要因素，以井壁连续崩落为特征的局部应力集中部位是不利的位置。
（2）“强应力”是地应力和岩石强度之间“博弈”导致，根据二者平衡关系确定的应力集中参数有效表征了“强应力”的分布，将地应力影响下的相关参数纳入储层品质评价提高了储层分级的精度。
（3）针对超深裂缝性储层非均质性强的问题，宜充分利用大斜度井有多穿有利区、多垂直穿裂缝的多重优势，解决复杂问题，提高勘探开发效率。
甘公网安备 62010202000678号
