摘要：A油田储层裂缝发育，随着注水开发主次要方向裂缝的启闭发生变化，其变化与注水井附近的应力及注水压力有着直接的关系，本文从应力分析角度，结合油田开发实际情况反映，分析了裂缝变化规律。
关键词：地应力；主要方向裂缝；次要方向裂缝；裂缝重张压力
一、问题的提出
A油田在勘探过程中就发现，储层中发育裂缝，而且裂缝具有明显的方向性。通过对裂缝监测的试验研究，并根据地质力学原理，从构造、断裂与裂缝的生成关系分析，确定主要裂缝的分布方向为近东西向，即NE85o，同时在近南北向存在着次要裂缝，几何形态为垂直裂缝。在A油田裂缝最发育的F区块，通过转为线性注水，缓解了开发初期东西向裂缝开启造成的平面矛盾，但在后来的开发中，部分油井排油井突然水淹，具有明显的裂缝见水特征，显然这是油层中的次要裂缝开启造成的，也说明油层中的裂缝形态是在不断变化的。一方面是主要裂缝的开启与进一步延伸，另一方面是次要裂缝的开启，而且裂缝形态变化很可能是由闭合到开启，又由开启到闭合的动态变化过程，在此变化过程中，会直接影响油水井的生产。因此，研究裂缝变化规律，对油田开发具有指导意义。
二、主要裂缝的开启、延伸与闭合规律分析
根据文献[1]，设井深H米处水平截面上，水平主应力为
和
，且
>
，则在距井轴r处与σx成θ角处一点的径向、切向正应力和剪应力分量为：
（1）
（2）
（3）
，
，
——分别是孔轴为竖直轴的柱面坐标系中的径向、切向主应力和剪切应力；
——以最大水平主应力为起点的圆心角；
——井底液体压力；
，
——分别为水平最大、最小主应力；
——井眼半径；
——与井轴距离。
取
=
，即在井壁上各应力为：
（4）
（5）
（6）
考虑到油层内孔隙压力，则有效应力等于正应力减去孔隙压力
：
（7）
地层产生裂缝的条件是有效切向正应力等于岩石抗张强度
，
（8）
在
和
的位置上，即在最大水平主应力方向上首先发生破裂，此时
即破裂压力
。
（9）
（9）式说明油层的破裂压力受水平主应力及孔隙压力的控制。
开发初期，油层中的地应力主要由两部分组成，其中一部分有效水平主地应力是垂直上覆有效应力和岩石泊松比的函数；另一部分是由构造运动产生的附加有效应力，在任何一水平面上是个常数，但随其所处的深度的增加而均匀地增大。根据水平主应力的构成则可进一步得破裂压力公式为：
（10）
——地层构造应力系数；
——上覆岩压；
——岩石的泊松比。
通过投产压裂监测数据，回归出初期的相关参数，代入（10）式，就可以求得K值。
分析A油田油井一次压裂资料，可以得到油层初期的破裂压力（Pbo）、抗张强度（St）、孔隙流体压力（Pto）、上覆岩层压力（S）与深度（H）的回归方程分别为：
抗张强度St：
St =-4.35+1.07×10-2H
开发初期裂缝破裂压力Pbo：
Pbo = -1.78+2.68×10-2H
上覆岩石压力为：
S =0.023H
将上述参数代入（10），推出
，则可以得到裂缝的重张压力
的计算公式：
（11）
通过上述公式可以得到水井的重张压力
，
减去静水柱压力再加上水力摩阻，得到水井重张压力井口值，当注水压力超过该值时，裂缝即开启。
公式（11）说明，裂缝重张压力随着孔隙压力的上升而上升。A油田水井吸水指示曲线上的拐点逐年上升，反映了裂缝重张压力的这种上升趋势。
三、次要裂缝的开启规律分析
A油田经过多年的开发，就一口注水井而言，在裂缝已经开启的情况下，将导致一个椭圆形的压降及温度变化区，裂缝延伸方向的附加应力远小于垂直于裂缝方向上的附加应力。附加应力的存在和不断增大，会对水井近井地带的局部应力场造成改变。显然原应力场在裂缝方向的应力为水平最大主应力，而垂直裂缝方向为水平最小主应力，水平最小主应力在附加应力作用下增加速度远大于水平最大主应力的增加速度。一定条件下，水平最小主应力就变为最大主应力，这时在注水开发中，次要裂缝就可能会开启。
1、裂缝注水区域孔隙压力分布不均形成的应力变化
许多资料显示，储层压力的变化会对储层应力产生影响。当储层压力衰减时，地层孔隙压力减小，储层岩石有发生体积收缩的趋势，由于围岩的存在，体积收缩的趋势转化为应力减小；反过来，当储层压力上升时，应力增加。
在北海Ekofisk油田，L.W.Teufel等人对其32口水井压裂资料进行分析，表明最小水平主应力的改变量大约为孔隙压力改变量的80%。另有报道加拿大Sable Sub-basin的地应力实例，最小水平主应力为孔隙压力变化的64%。[2]
平面上最大最小主应力的增值差与注水压力及渗透率倍数的关系。由图中可以看出，随着注水压力的提高，应力增值差也相应提高；随着渗透率的差别增大，应力增值差也逐渐增大，但差别达到一定程度后，应力差变化不大。
如渗透率倍数K=6，井口压力为10MPa，可以计算出最小水平主应力比最大主应力多增加4.9MPa．
四、几点认识
1、油田注水开发中裂缝形态会发生变化，首先是随着注水压力的提高，主要裂缝开启，形成裂缝注水体系，由于水井本身及周围井工作制度的改变，裂缝形态会由开启到闭合，也可以由闭合到开启；
2、形成裂缝注水后，在水井附近的局部区域内，因为孔隙压力分布不均匀，产生的附加应力在不同方向上存在较大差异，在次要裂缝方向上的增加值大于主要裂缝方向的增加值；同时，由于温度分布不均而产生应力变化不均匀，在次要裂缝方向由于注入水波及较少，油层温度变化较小，应力下降较小，而在主要裂缝方向则相反。两者同时作用，局部地应力变化，水平最大、最小主应力不断接近，一定条件下，水平最小主应力可能
变化为水平最大主应力；
3、水平最小主应力接近或变化为最大主应力情况下，如果持续超压注水，则在一定时间内又会造成次要裂缝开启；次要裂缝开启与主要裂缝开启有先后关系，与超压程度及持续注水时间有一定的关系，通过控制注水压力是可以避免的。在线性注水区可以采取周期注水，充分利用裂缝与基质间的渗析作用，可以有效地均衡水井附近的压力，减小水平主应力的变化。
参考文献：
[1] 金东明等.合理注水压力上限研究.朝阳沟油田九五年采油工程年报.1996
[2] 李志明，张金株地应力与油气勘探开发.北京：石油工业出版社.1997
[3] 王经荣，薛中天编著.高压注水井裂缝分析及合理压力界限的确定.大庆石油地质与开发.2003.3
[4] 樊庆隆等.小层孔隙流体压力预测与应用 大庆油.1995年油藏工作论文集.石油工业出版社.1996
[5] 王仲茂，卢万恒，胡江明编著.油田油水井套管损坏的机理及防治.北京：石油工业出版社.1995
论文作者:李庆辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/4
标签：应力论文; 裂缝论文; 压力论文; 水平论文; 孔隙论文; 水井论文; 油田论文; 《基层建设》2019年第10期论文;