20世纪70年代，中国首次在川东北元坝地区发现致密砂岩气藏，元坝地区三叠系须家河组是川东北非常规油气资源的主要储集体，具备较好的源储条件和良好的开发前景^[1]。元坝地区须家河组自三叠纪以来经历多期次构造旋回演化，受各向持续挤压、逆冲推覆，形成了现今的NE向构造叠加NW向断裂的构造格局，天然裂缝分布异常复杂，储层非均质性极强^[2]。由于历史多期构造作用的影响，区域内现今地应力场与断层、褶皱等构造，具有复杂的耦合特征，导致应力场分布呈明显的空间差异性，增加了勘探开发的难度。现今地应力场的变化是断缝体分布重构和天然裂缝有效性的关键影响因素之一，制约了气藏开发相应的策略制定和工程部署，因此开展现今地应力场的评价具有重要实际意义。

地应力评价方法可分为直接法和间接法2类^[3]。直接法通过现场测试和实验直接测量地应力，主要包括水力压裂测试、岩心应力测试、岩石力学测试、井壁应力测试等^[4]，岩心应力测试和岩石力学测试具有较高精度^[5-6]，但可能对样本造成破坏，从而影响后续研究；井壁应力测试适用于动态监测，但设备成本较高^[7]。直接法受限于成本及数据离散，难以表征垂向连续性。间接法则依托数据进行地应力反演，如基于偶极横波测井计算地应力大小，电成像测井通过井壁崩落和诱导缝识别主应力方向，三维有限元模拟反演地应力的空间分布^[8-10]。其中，基于测井资料的地应力评价，具有数据连续性好，纵向分辨率高的特征，在实际应用中得到广泛推广^[11]。元坝地区三叠系须家河组四段钻井数量有限但测井资料丰富，因此开展现今地应力测井评价能在有限井位条件下实现区域应力场的精细刻画。

在川东北地区构造演化分析的基础上，重新厘定了元坝地区自燕山期以来的构造变形时空序列，揭示了不同方向的挤压推覆对现今地应力场分布的调控作用，为现今地应力测井评价提供基础。基于常规测井和偶极横波、成像测井等特殊测井，定量解释了元坝地区三叠系须家河组四段储层的现今地应力大小和方向，分析了地应力在平面和纵向上的结构特征，同时结合多源数据，评估了地应力方向的变化规律及其与断裂带之间的关系，以期为油气勘探和人工压裂改造等高效开发措施提供实践参考。

川东北地区位于上扬子地台的北缘，主体位于米仓山—大巴山山脉的前缘地带，处于川东弧形褶皱带东北倾伏端，该地区北邻东西向秦岭造山带，西接松潘—甘孜造山带及北东向龙门山冲断带，南侧为四川盆地的宽缓变形区，东部为大巴山北西—南东向弧形推覆构造带^[12]（图 1）。研究表明，川东北地区构造形变主要受晚燕山期—喜山中期构造运动的影响，期间该地区形成了北东向和北西向两大类主体构造。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 川东北构造单元划分地质简图（a）及元坝地区三叠系须家河组四段岩性地层综合柱状图（b）（据文献[13]修改） Fig. 1 Structural units division and geology map of northwestern Sichuan Basin(a)and stratigraphic column of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area(b)

燕山期主要发生在中生代—新生代早期，这一时期的构造运动导致了四川盆地及周边地区的地壳抬升和断裂发育。燕山早期研究区北东向构造变形启动，构造应力场方位为北西向，通南巴背斜开始形成。燕山中晚期的构造活动在元坝地区中部形成了多条近南北向断裂带，为后续的油气聚集成藏提供了基础，通南巴背斜进一步隆起，北东向构造褶皱加剧并定型（图 2a）。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 川东北元坝地区三叠系须家河组四段燕山中晚期（a）、喜山早期（b）及喜山中期（c）构造行迹图 Fig. 2 Tectonic deformation patterns of Middle-Late Yanshanian(a), Early Himalayan(b)and Middle Himalayan(c) of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

喜山期主要发生在新生代，区域内经历了强烈的由造山运动引起的构造变形。喜山早期，元坝地区受北东向大巴山逆冲推覆的影响，北东向构造开始接受北西向叠加改造（图 2b）。喜山中期，区域持续受北东向的挤压推覆，构造变形进一步加剧，最终导致了现今复杂的构造形态和多期次、多走向断裂系统的形成（图 2c）。

川东北及周边地区的构造形态表现出明显的复杂性，主要由多期构造应力叠加形成。多种因素影响下川东北地区存在多条主要断裂带，如米仓山断裂、大巴山断裂等，这些断裂的发育不仅影响了地层的稳定性，也对气藏的形成和分布产生了重要影响^[14]。川东北元坝地区三叠系须家河组四段经历了燕山期和喜山期的多期构造演化阶段，现今地应力的准确评价对该区油气有效勘探尤为关键。

横波时差测井可用于评估地下岩石弹性特性、孔隙度及流体饱和度，其物理机制在砂岩和泥岩中有所不同，主要涉及界面反射与折射、孔隙流体的作用以及泥层的吸湿膨胀和粘滞等因素^[15]。通过测量和分析横波传播时间差与衰减特性，可以获得砂岩和泥岩中的重要弹性参数与岩石物理信息。

川东北元坝地区三叠系须家河组四段自上而下划分为3个亚段，其中上中亚段砂泥岩频繁互层，局部夹薄层煤岩沉积，中亚段存在15 m以上较厚泥质沉积，下亚段为较厚的大套三角洲砂岩。研究区横波时差数据由偶极声波资料和阵列声波测井提取获得，通过分析常规测井各系列与横波时差的相关性，选取指示关系较好的GR和AC测井曲线，考虑岩性（GR = 80）分别建立与元坝地区三叠系须四段砂岩和泥岩基于常规测井资料的解释模型。

泥岩提取模型

砂岩提取模型

式中：AC为声波时差，μs/m；DTS为横波时差，μs/m；GR为自然伽马，API。

根据提取解释模型计算泥岩和砂岩横波时差值，并与实际测试数据比对，结果显示泥岩计算横波时差吻合率大于84%（图 3a），砂岩计算横波时差吻合率大于79%（图 3b），二者解释模型的吻合率均较高，表明该模型具有较好的可靠性，可以用于后续地应力解释。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 川东北元坝地区A176井三叠系须家河组四段泥岩（a）及砂岩（b）计算横波时差与实测横波时差相关性 Fig. 3 Correlation between measured and calculated shear wave time differences of mudstones(a)and sandstones(b)of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation from well A176 in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

岩石力学特性是储层改造最关键的基础信息之一，直接影响到水力压裂裂缝的形态甚至施工的成败^[16]。利用测井资料反算获取岩石力学参数信息相对容易，具有分析深度大，数据连续，经济高效的特征。对于油气田来说，储层连续性较好，且厚度较大，无法采用实验方法测定整个储层段的岩石力学参数。根据弹性力学理论，岩石动态泊松比与声波时差存在以下关系^[17]

式中：Δt_s为纵波时差，μs/m；Δt_p为横波时差，μs/m；μ为动态泊松比。

由于测井曲线的生成与岩石力学真实状况存在动静态的差异，故利用室内三轴岩石力学实验与测井解释结果相对比的手段，获取这一动静态误差的转换关系，可提高结果的可靠性^[18]。基于以上方法，利用元坝地区三叠系须家河组四段的泊松比实验数据μ_s与泊松比测井计算数据μ_d，建立了静态与动态力学参数矫正模型（图 4）。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 川东北元坝地区三叠系须家河组四段动静态泊松比转换关系 Fig. 4 Dynamic and static poisson's ratio conversion rela‐ tionship of the fourth member of Triassic Xujiahe Forma‐ tion in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

Biot系数又称有效应力系数，是地层可压缩性、孔隙度与体积模量的函数，是一个重要的多孔介质力学参数，体现了孔隙压力对有效应力的贡献程度^[19-20]。对于地下深埋油气储层复杂程度不一，该系数还受应力大小、测试方案、岩石物性及岩石组分等因素影响^[21]。川西须家河组与研究区构造演化和沉积环境相似，且研究层位相同，参考川西经验公式计算该系数^[22]。

式中：α为Biot系数。

首先利用密度测井计算垂向地应力，然后结合砂岩储层自身的各向异性和非均质性，选择合适的模型计算水平地应力。

垂向主应力

式中：σ_V为垂向应力，MPa；ρ为岩石密度，g/cm³；g为重力加速度，m/s²；h为地层深度，m。没有密度测井的深度段，密度通常参考地区经验值在2.4~ 2.7 g/cm³选取。

黄氏模型是目前地应力评价应用最广泛的模型之一，该模型认为深部地层的原岩应力是由上覆岩层应力和水平方向的构造残余应力叠加而成，其对中国常见的深部地层三向应力关系为走滑应力状态的地层解释效果较好，具有较高的适用性和准确性，其表达式为

最大主应力

最小主应力

式中：σ_H为水平最大主应力，MPa；σ_h为水平最小主应力，MPa；P_p为地层压力，MPa；μ为泊松比；A，B均为构造应力系数。

压裂法（水压致裂法）可直接计算得到水平两向主应力大小，垂向主应力利用密度曲线积分获得，同时利用以上测井计算模型得到相应层段的泊松比、Biot系数。通过以上步骤，构造应力系数可通过水力压裂、声发射实验等所求取的水平两向地应力结果带入公式（6）和（7）反算得到，元坝地区通过压裂法计算得到的A和B值分别为0.865 7和0.519 6。

计算结果表明，元坝地区基于横波资料的地应力解释模型吻合率在85% 以上。其中，测井计算最大主应力与实测最大主应力的吻合率为88%，测井计算最小主应力与实测最小主应力的吻合率为87%（图 5）。通过上述方法建立的单井地应力测井解释剖面分析，发现3个方向主应力之间大小关系满足最大主应力>垂向主应力>最小主应力（图 6），呈典型的走滑应力性质，表明本次建立的三向应力测井解释模型适用性较好。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 川东北元坝地区三叠系须家河组四段测井解释最小水平主应力与实测结果的关系 Fig. 5 Relationship of minimum horizontal principal stress between well logging interpretation and measured results of the fourth member of Triassic Xujiahe Forma‐ tion in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 川东北元坝地区三叠系须家河组四段岩石力学参数及地应力解释剖面 Fig. 6 Rock mechanic parameters and geostress interpretation profile of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

受井周围应力影响，井眼可能出现变形和崩落。通过双井径测井技术，结合互为60°夹角的极板井径曲线、井斜角、Ⅰ号极板相对方位角、Ⅰ号极板方位角、井斜方位角等数据，可以计算出扩径区域^[23-24]。当井壁出现连续崩落段时，利用椭圆拟合算法，可得到崩落椭圆的长轴方向，从而确定崩落椭圆的短轴方向，即最大水平主应力方向（图 7）。在泥岩段，若发生瞬时井壁垮塌（掉块）现象，则无法作为识别地应力方向的依据，需结合成像特征进一步判断。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 川东北元坝地区A4井4 406~4 416 m砂岩段井壁崩落双井径识别特征 Fig. 7 Dual-caliper identification features of borehole wall collapse in sandstone section(4 406-4 416 m)of well A4 in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

电成像测井具有分辨率高的特征，能较好地反映地下地层信息。在钻井过程中由于泥浆的压力与井筒内地层现今地应力之间存在应力差，导致应力分布不平衡，产生井壁崩落及诱导缝的现象^[25]。井壁崩落部位在电成像上呈低阻暗色条带（图 8a），180°对称分布于井壁上，可较好指示水平主应力方向^[26]。诱导缝在成像测井上主要呈倒八字或竖直状的暗色条带（图 8b，8c），与围岩电阻率有明显差异，可较好指示最大水平主应力方向，当双井径指示不明显时，进一步利用成像特征判别地应力方向^[27]。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 川东北元坝地区三叠系须家河组四段井壁崩落（a）及诱导缝（b，c）判别地应力方向 Fig. 8 Determination of geostress orientation using borehole wall collapse(a)and induced fractures(b, c)in the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

由于应力分布不平衡引起地层产生各向异性，导致声波在传播过程中分裂成沿最大主应力和最小主应力传播的快、慢横波，因此快横波方位角能够较好地反映最大主应力方向，常用快、慢横波时差各向异性衡量地层的各向异性^[28-30]。各向异性系数计算公式为

式中：ANI为时差各向性系数；Δt_ss为快横波时差，µs/m；Δt_sf为慢横波时差，µs/m。

由于裂缝、断层及层理也会引起地层产生各向异性，因此利用横波各向异性进行地应力方向判别还需结合地层信息。图 9为利用横波各向异性的地应力判别结果，在深度4 720~4 750 m，快横波方位结合区域地质背景及其他方法识别结果，可以判定元坝地区最大水平主应力方向为SEE100°~120°。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 川东北元坝地区三叠系须家河组四段横波各向异性判别地应力方向 Fig. 9 Determination of geostress orientation by shear wave anisotropy of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

地应力实验测试主要利用岩心应力释放后会产生微裂隙，其波速的各向异性来判断主应力方向。多井径测井通过实测井筒直径变化判断主应力方向，电成像特殊测井则通过井壁崩落方位结合钻井诱导缝的方位综合判断主应力方向，具有较高的可信度。偶极子声波成像测井通过分析横波反射成像资料得到近井周围各向异性变化数据来判断主应力方向。通过对比几种地应力方向识别方法，元坝地区在天然裂缝发育层段，实验测试及测井资料各向异性数据容易失真，难以判断主应力方向，需结合构造区地质力学特征综合分析。在非天然裂缝发育层段，两向应力差异系数较小时，偶极横波测井得到的各向异性数据可辅助判别主应力方向。因此，以上基于“岩心测试-井筒结构恢复-井旁波速各向异性提取-井区地质力学分析”的多源数据综合地应力方向识别方法，融合了从局部到区域不同尺度的地应力方向识别，可准确判断元坝地区的水平主应力方向。

当σ_V> σ_H > σ_h时，属于Ⅰ型应力状态，主要产生正断层或近于直立高角度破裂；当σ_H > σ_h > σ_V时，属于Ⅱ型应力状态，主要产生逆断层；当σ_H > σ_V > σ_h时，属于Ⅲ型应力状态，主要产生走滑平移断层。计算结果显示，研究区最大水平主应力主要为110~ 140 MPa，最小水平主应力主要为80~100 MPa，垂向主应力主要为105~125 MPa，三向应力关系为σ_H > σ_V > σ_h的走滑应力状态，属于Ⅲ型地应力类型。纵向上，元坝地区三叠系须四中亚段泥岩发育，受泥岩的蠕变性影响，上中亚段地应力大小整体偏高（参见图 6），下亚段3个砂组的地应力大小总体随埋深逐渐增大。平面上，地应力总体由埋深控制，但元坝地区断裂发育且断裂发育规模越大，断裂带附近应力释放调整明显（图 10a，10b），如A17井区附近断层条数多、断裂规模较大，井区附近地应力大小普遍减小。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 川东北元坝地区三叠系须家河组四段现今地应力平面分布 Fig. 10 Planar distribution of current geostress of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

通过建立的多源数据地应力方向综合判断方法，对元坝地区三叠系须家河组四段现今主应力方向进行评价，水平主应力方向为NWW—SEE，整体平面变化不大（图 10c）。断裂对附近钻井地应力方向存在扰动，整体由浅—深顺时针减小约10°~ 15°，元坝地区中部断裂过渡带存在应力交会转换，可能造成地应力方向变化规律不同。

以上地应力的测井评价结果在深部致密储层的单井优化部署、储层压裂改造设计以及天然裂缝有效性评价等方面具有实际的工程指导意义。基于地应力场分析，在定向井/水平井部署时，通过使井筒位移方向与现今最大水平主应力方向保持一定夹角（即沿最小水平主应力方向延伸），可实现井轨迹的力学优化，有利于后期分段压裂形成复杂缝网。元坝地区地质统计结果表明，当天然裂缝走向与现今地应力方向夹角小于40°时，裂缝系统表现出更高的渗流能力，其中三叠系须家河组四段1—2砂组的优势裂缝方位夹角普遍小于3砂组，对应单井实测产量也明显提升。此外，通过构建地应力结构剖面进行试气层段优选（图 11），选取应力结构指数较低的张性带作为试气目标具有更好的产能潜力。工程实践证实，元坝地区按照地质力学导向原则部署的试气层段，其测试无阻流量最高可达104×104 m3/d，验证了深层致密气藏基于地应力场分析的开发策略的科学性与工程适用性。

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 川东北元坝地区A171井三叠系须家河组四段地质力学剖面特征及试气选层 Fig. 11 Geomechanical profile characteristics and gas-testing layer selection of the fourth member of Triassic Xujiahe Formation in well A171, Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

（1）通过重新厘定元坝地区自燕山期以来的构造变形时空序列，揭示了不同方向的挤压推覆对现今地应力场分布的调控作用。川东北元坝地区三叠系须家河组四段现今NE向构造叠加NW向改造和多期次、多走向断裂发育的现今格局，主要受控于燕山中晚期的NW—SE向、喜山早期—中期的NE—SW向挤压推覆构造作用。

（2）基于横波资料等建立的测井模型对元坝地区三叠系须家河组四段进行地应力评价，模型采用矫正后的弹性力学参数和压裂工程资料匹配的构造应力系数，计算结果与实测地应力吻合率大于85%，表明测井模型在元坝地区地应力的评价结果可靠。研究区须家河组四段受盆地周缘挤压影响，经历了燕山中晚期—喜山中期多期次挤压推覆构造作用，综合多井径、电成像、偶极横波测井资料对现今地应力方向进行判别，水平主应力方向为NWW—SEE向，多维度验证了地应力的平面分布规律。

（3）评价结果表明，元坝地区三叠系须家河组四段储层现今三向应力关系表现为σ_H > σ_V> σ_h的走滑应力状态，揭示了研究区须家河组四段现今地应力场与构造运动协同演化机制，地应力场的大小及分布特征受埋深与构造耦合效应的双重因素控制，地应力大小在垂向载荷（埋深）的总体控制下，局部因断裂活动应力释放、地层变形扰动等，调整了元坝地区现今地应力场的差异分布格局。