地層破裂壓力測(cè)井解釋技術(shù)在LG地區(qū)的應(yīng)用

摘 要

摘要：確定地層破裂壓力和水力壓裂裂縫延伸幾何形態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)合理的壓裂方案、提供合理的壓裂施工壓力、避免壓裂裂縫高度過(guò)高導(dǎo)致地層間的層間竄漏、更好地達(dá)到改善儲(chǔ)層的目的
摘要：確定地層破裂壓力和水力壓裂裂縫延伸幾何形態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)合理的壓裂方案、提供合理的壓裂施工壓力、避免壓裂裂縫高度過(guò)高導(dǎo)致地層間的層間竄漏、更好地達(dá)到改善儲(chǔ)層的目的至關(guān)重要。針對(duì)LG地區(qū)碳酸鹽巖氣藏特點(diǎn)，介紹了用測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層破裂壓力和裂縫高度的基本原理和方法，并選擇LG地區(qū)5口井的測(cè)井資料進(jìn)行了地層破裂壓力和裂縫高度預(yù)測(cè)處理。結(jié)果表明：LG地區(qū)地層破裂壓力測(cè)井計(jì)算方法和裂縫高度預(yù)測(cè)方法合理，為L(zhǎng)G地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層改造提供的施工參數(shù)較為可靠；在LG地區(qū)某井長(zhǎng)興組綜合運(yùn)用地層破裂壓力和裂縫高度預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)選了試油層位，獲得了日產(chǎn)百萬(wàn)立方米的高產(chǎn)天然氣，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和較好的應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞：四川盆地；碳酸鹽巖；儲(chǔ)集層；改造；地層破裂壓力；裂縫高度；測(cè)井；計(jì)算
1 LG地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的基本特征
    LG地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，儲(chǔ)滲空間形態(tài)各異，大小懸殊，分布不均，同一套儲(chǔ)層內(nèi)部縱向上儲(chǔ)層類型均有較大變化，油氣儲(chǔ)集空間多為裂縫-孔洞型。對(duì)于這類碳酸鹽巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層內(nèi)部巖石破裂壓力變化較大，而裂縫越發(fā)育，地層破裂壓力越低，這就要求針對(duì)裂縫性儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂施工作業(yè)時(shí)，要特別注意壓力的控制，以免引起底水上竄。因此，準(zhǔn)確把握巖石的破裂壓力對(duì)于優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，提高壓裂效果至關(guān)重要。針對(duì)LG地區(qū)礁灘碳酸鹽巖氣藏的地質(zhì)和工程特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了利用測(cè)井資料計(jì)算地層破裂壓力、優(yōu)化壓裂參數(shù)的方法，選擇該地區(qū)5口井資料作了處理，為改造該地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層提供了重要的施工參數(shù)，并為L(zhǎng)G地區(qū)某井長(zhǎng)興組獲得日產(chǎn)120.57×104m3的高產(chǎn)天然氣提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和較好的應(yīng)用效果。
1.1 儲(chǔ)層的巖性特征
    LG地區(qū)位于四川省境內(nèi)，地面為一個(gè)較平緩的北西向不規(guī)則穹隆背斜。LG地區(qū)飛仙關(guān)組儲(chǔ)層巖性主要為溶孔云巖、灰質(zhì)云巖和石灰?guī)r；長(zhǎng)興組生物礁發(fā)育，處于礁主體的礁灘儲(chǔ)層主要分布于近長(zhǎng)興組頂部，巖性純，巖性主要為白云巖和灰質(zhì)云巖，見(jiàn)裂縫和溶蝕孔洞，處于礁前和礁后的儲(chǔ)層主要發(fā)育于長(zhǎng)興組的中下部，巖性包括石灰?guī)r、灰質(zhì)云巖、云質(zhì)灰?guī)r。
1.2 儲(chǔ)層物性特征
    LG地區(qū)飛仙關(guān)組儲(chǔ)層以孔洞為主，部分層段發(fā)育裂縫，儲(chǔ)層類型主要為孔隙型、裂縫-孔隙型，孔隙度主要分布在2%～18%，滲透率介于0.01×10-3～220×10-3μm2。長(zhǎng)興組儲(chǔ)層孔隙度相對(duì)較低，裂縫相對(duì)發(fā)育，部分層段發(fā)育非均勻分布的溶洞，孔隙度主要分布在2%～10%，滲透率介于0.01×10-3～10×10-3μm2，儲(chǔ)層類型主要為裂縫-孔隙型，其次為孔洞型。
2 基本原理
2.1 地層破裂壓力預(yù)測(cè)基本原理
    利用測(cè)井資料進(jìn)行地層破裂壓力預(yù)測(cè)，首先必須求出地層的彈性模量和地層及井眼周圍的應(yīng)力分布。井眼的形成打破了原地應(yīng)力的平衡狀態(tài)，應(yīng)力在井眼周圍巖石中重新分布，引起應(yīng)力集中，井內(nèi)壓力過(guò)高時(shí)地層將被壓開(kāi)，使其原有的裂縫更加張開(kāi)延伸或形成新的裂縫，此時(shí)井內(nèi)的泥漿柱靜壓力稱為地層的破裂壓力。地層破裂壓力的大小與地應(yīng)力大小、地層強(qiáng)度和孔隙、裂縫的發(fā)育程度密切相關(guān)。從力學(xué)角度說(shuō)，當(dāng)井壁地層所受的拉應(yīng)力超過(guò)地層抗拉強(qiáng)度時(shí)，地層將發(fā)生破裂。井壁上的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)壓裂的結(jié)果起著決定性的作用。
    起始?jí)毫训膲毫?地層破裂壓力)函數(shù)為：
    pf=3Sx-Sy-αpp+T
式中：pf為起始?jí)毫训膲毫?；pp為地層孔隙壓力，α為Biot彈性常數(shù)； T為巖石抗張強(qiáng)度；Sx為最小水平應(yīng)力；Sy為最大水平應(yīng)力。
    pp可以通過(guò)試油資料測(cè)量或用聲波資料求出[1]，α和T可通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，Sx和Sy的計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[2]、[3]。
    地層初始?jí)毫押?，連續(xù)泵入壓裂液將導(dǎo)致裂縫沿著平行于最大應(yīng)力和垂直于最小應(yīng)力的平面延伸。這種連續(xù)性壓裂的壓力將低于再壓裂的壓力，但應(yīng)大于最小水平應(yīng)力。
2.2 地層裂縫高度預(yù)測(cè)的基本原理
2.2.1裂縫高度
    當(dāng)在井筒內(nèi)增加壓力時(shí)，將會(huì)在與最小主應(yīng)力(Sx)方向相垂直的平面上出現(xiàn)破裂裂縫。誘導(dǎo)這一裂縫所需要的壓力稱為破裂壓力，一旦裂縫已經(jīng)壓開(kāi)，保持裂縫開(kāi)口所需要的壓力(在垂直裂縫的情況下)將等于最小水平應(yīng)力，這一應(yīng)力就是通常所說(shuō)的閉合應(yīng)力。在構(gòu)造緩沖區(qū)，最小主應(yīng)力通常是水平的，因此裂縫將沿著垂直面產(chǎn)生。在壓裂過(guò)程中，壓裂液產(chǎn)生張力，在縱向壓裂的情況下，其壓力與地層的水平壓應(yīng)力相抵消。如果地層的頂部或底部的應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)超過(guò)地層的斷裂韌度，則預(yù)計(jì)裂縫將沿縱向延伸。因此，預(yù)測(cè)裂縫是否沿縱向延伸取決于裂縫上下地層的應(yīng)力強(qiáng)度因子。
    在計(jì)算中，主要的變量是裂縫高度、裂縫中的流體壓力及最小水平應(yīng)力的大小。最小水平應(yīng)力的大小隨深度(Z)的變化而變化。
2.2.2裂縫高度延伸的強(qiáng)度因子計(jì)算[4]
裂縫高度延伸的強(qiáng)度因子計(jì)算式為：
 
式中：Ktop、Kbot分別為裂縫頂部和底部的應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂縫高度2h指垂直于最小水平應(yīng)力的距離。
2.2.3巖石韌度(K1c)的計(jì)算[4]
巖石韌度的計(jì)算為：
 
其中：S’x=pw(1-α)
   
    如果忽略裂縫中的摩擦損失，假定流體壓力等于井眼流體壓力，那么確定垂直裂縫是否延伸就變成計(jì)算Ktop和Kbot的值及確定在何處起超過(guò)K1c的問(wèn)題。如果地層的頂部或底部的應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)地層的斷裂韌度，則裂縫將沿縱向延伸，否則不延伸。不管在何深度都是如此。裂縫的每次延伸都必須重新計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。
3 地層破裂壓力預(yù)測(cè)在LG地區(qū)的應(yīng)用
    根據(jù)測(cè)井資料及有關(guān)參數(shù)處理了LG地區(qū)5口井的資料，求出了地層破裂壓力、裂縫高度的有關(guān)數(shù)據(jù)，并繪制了裂縫高度延伸圖。
3.1 地層破裂壓力預(yù)測(cè)
    巖石力學(xué)性質(zhì)包括巖石的彈性模量和巖石強(qiáng)度。用地層破裂壓力預(yù)測(cè)軟件計(jì)算的彈性模量和巖石強(qiáng)度是動(dòng)態(tài)的，與巖石的靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)之間有一定的差別，需要用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)將動(dòng)態(tài)彈性模量和強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成靜態(tài)數(shù)據(jù)。利用破裂壓力軟件計(jì)算了該區(qū)飛仙關(guān)組和長(zhǎng)興組的地層彈性參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表
井號(hào)
楊氏模量(GPa)
泊松比
破裂壓力(MPa)
LGX
73.4
0.29
122.1
LGY
74.0
0.31
122.4
LGZ
78.7
0.30
100.0
    可見(jiàn)地層破裂壓力曲線隨著巖性的變化而變化。地層破裂壓力值越高，地層越難以壓開(kāi)，越易成為阻礙裂縫延伸的障礙帶；破裂壓力值越低，地層越容易破裂，裂縫也容易延伸。
    對(duì)測(cè)井資料預(yù)測(cè)的破裂壓力與實(shí)際施工的參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者有較好的一致性。LGX井酸壓井段6055～6124m，其酸壓施工的實(shí)際破裂壓力值為127.4MPa，而計(jì)算的破裂壓力值為122.1MPa，誤差為4%。LGY井酸壓井段5953.00～5990.00m，破裂壓力測(cè)量值為128.6MPa，而計(jì)算的破裂壓力值為122.4MPa，誤差為2%。LGZ井飛仙關(guān)組射孔井段4781.00～4812.00m，該段地層破裂壓力測(cè)量值為97MPa，計(jì)算值為100MPa，誤差為2%。
    總之，對(duì)比LG地區(qū)測(cè)井預(yù)測(cè)破裂壓力與實(shí)測(cè)破裂壓力值，誤差小于5%，說(shuō)明LG地區(qū)測(cè)井預(yù)測(cè)的地層破裂壓力是比較準(zhǔn)確的，為該地區(qū)酸化壓裂改造提供了可靠的施工參數(shù)。
3.2 裂縫高度預(yù)測(cè)
    根據(jù)地層破裂壓力預(yù)測(cè)輸出的有關(guān)參數(shù)，計(jì)算出頂部和底部應(yīng)力強(qiáng)度因子。從射孔井段開(kāi)始，上、下逐點(diǎn)比較應(yīng)力強(qiáng)度因子和巖石韌度的大小，確定在不同的壓力增量情況下，裂縫的延伸及裂縫高度。若應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖石韌度，裂縫延伸，否則不延伸。裂縫高度橢圓圖是根據(jù)軟件輸出的數(shù)據(jù)繪制而成的。
    圖1是LG地區(qū)A井裂縫高度預(yù)測(cè)圖，可以看出：當(dāng)壓力增量為1MPa時(shí)，形成高度為8m的壓裂縫，壓裂縫延伸井段為5794～5804m；當(dāng)壓力增量超過(guò)1.0MPa時(shí)，壓裂縫繼續(xù)略有延伸。用A井套前、套后交叉偶極橫波測(cè)井資料檢測(cè)[5]了其裂縫高度(圖2)，可以看出：壓裂前，5794～5804m各向異性不明顯，壓裂后，該井段呈現(xiàn)一定的各向異性，由此判斷壓裂縫井段為5794～5 804m，縫高為8m，表明該井實(shí)際的水力壓裂裂縫井段為5794～5804m，與預(yù)測(cè)結(jié)果一致。
 
3.3 綜合運(yùn)用地層破裂壓力和裂縫高度預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)選試油層位
用測(cè)井資料計(jì)算了LG地區(qū)井長(zhǎng)興組的地應(yīng)力和破裂壓力大小(圖3)，地應(yīng)力平均在60MPa左右，地層破裂壓力平均在125MPa左右。而該層段解釋了6個(gè)儲(chǔ)層(圖3)，包括1個(gè)含氣層(8#)，3個(gè)氣層(9#、10#、11#)，1個(gè)氣水同層(12#)和1個(gè)水層(13#)。為了避免壓開(kāi)水層，通常的做法是打開(kāi)8#、9#、10#儲(chǔ)層，能否進(jìn)一步打開(kāi)長(zhǎng)興組厚度為5.8m的11#儲(chǔ)層是這次分析的重點(diǎn)，因?yàn)?1#儲(chǔ)層下面相隔不遠(yuǎn)即是水層。為此利用測(cè)井資料對(duì)B井長(zhǎng)興組各儲(chǔ)層段的地層破裂壓力和水力壓裂縫延伸情況(圖4)做了精細(xì)評(píng)價(jià)工作。分析后認(rèn)為，如果同時(shí)射開(kāi)4個(gè)氣層(8#～11#)，地層首先從中部108層壓開(kāi)，然后再向上下延伸，而11#和12#儲(chǔ)層之間有破裂壓力障礙帶，且無(wú)天然裂縫和鉆井誘導(dǎo)縫溝通，如果控制好泵壓，水力壓裂縫不會(huì)延伸到下面水層。甲方采納了該建議，最終該井測(cè)試獲日產(chǎn)120.57×104m3天然氣，無(wú)水。該成果為B井成為該地區(qū)長(zhǎng)興組產(chǎn)量最高的一口井提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，取得了較好的應(yīng)用效果。
 
4 結(jié)論
    1) 地層破裂壓力與地層孔隙壓力、最大水平應(yīng)力、最小水平應(yīng)力和地層的力學(xué)性質(zhì)以及巖石成分密切相關(guān)。
    2) 綜合運(yùn)用地層破裂壓力和裂縫高度測(cè)井解釋技術(shù)可為優(yōu)選試油層位提供依據(jù)。
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(本文作者：齊寶權(quán) 謝剛 張樹(shù)東 文澤軍 劉子平 川慶鉆探工程公司測(cè)井公司)