川西須家河組三壓力模型研究

郭宇，王昊，李凱

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都　610059；2.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安　717612）

川西須家河組三壓力模型研究

郭宇1，王昊2，李凱1

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059；2.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安717612）

川西須家河組巖石致密、硬度高、可鉆性差、機(jī)械鉆速低、鉆井周期長，嚴(yán)重制約了油氣勘探開發(fā)等工作進(jìn)展，有必要對該區(qū)三壓力進(jìn)行研究。本文通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究獲得了巖石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比等巖石力學(xué)性質(zhì)及可鉆性參數(shù)，并利用現(xiàn)場測井資料，采用Eaton法建立了地層壓力計(jì)算模型，利用水力壓裂方法確定的破裂壓力結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)建立了利用測井資料估算川西須家河組地層破裂壓力的模型，并基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，通過水力壓裂模型反演方法獲得坍塌壓力。與實(shí)際地層壓力進(jìn)行對比結(jié)果表明測井計(jì)算的三壓力剖面模型可靠性較高。該研究為鉆頭優(yōu)選提供了一定的理論基礎(chǔ)，同時(shí)對鉆井工程設(shè)計(jì)和井壁穩(wěn)定性研究都具有十分重要的意義。

須家河組；三壓力；地層壓力；破裂壓力；坍塌壓力

地層壓力、破裂壓力和坍塌壓力是工程施工中非常重要的三個(gè)參數(shù)，對鉆井工程設(shè)計(jì)和井壁穩(wěn)定性研究都具有十分重要的意義［1-4］。然而由于川西須家河組巖石非常致密，巖石的塑性系數(shù)、硬度和抗壓強(qiáng)度高，巖石可鉆性差、研磨性強(qiáng)，且須四底部含有礫石，導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢、鉆頭壽命低等問題，其中川西新場地區(qū)須三段、須四段平均鉆速不足1 m［5，6］。為了提高該工區(qū)的勘探開發(fā)進(jìn)程，減少鉆探事故，針對須家河組開展巖石力學(xué)性質(zhì)研究，尤其是三壓力模型研究及剖面建立對于合理選用鉆頭，開展個(gè)性化鉆頭設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)鉆完井工藝具有重要意義。

1　工區(qū)內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)

1.1實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為精確測量川西須家河組巖石力學(xué)參數(shù)及可鉆性參數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)研究共選取實(shí)鉆巖心36塊，其基本資料（見表1）。

表1　試驗(yàn)巖樣基本資料

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器采用成都理工大學(xué)油氣藏國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“MTS巖石物理測試系統(tǒng)”。該儀器可以對巖石力學(xué)參數(shù)及聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行同步測試，該儀器基礎(chǔ)參數(shù)：測試圍壓0～140 MPa，溫度200℃以內(nèi)，孔隙壓力最大可加至70 MPa，軸向最高1 000 kN。測試壓力傳感器誤差小于1％，位移傳感器量程在正負(fù)50mm，位移量程分辨率為0.000 1mm，測試精度較高。對于聲學(xué)測試，其超聲波換能器對于直徑25mm柱體樣品的測試頻率為1 MHz，對于直徑50mm柱體樣品的測試頻率為500 kHz。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為模擬巖心所處地應(yīng)力環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過程中對不同深度段的巖心施加了不同的圍壓和溫度。通過三軸抗壓實(shí)驗(yàn)獲取了巖心的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，求取了巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)參數(shù)。巖樣巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果（見表2）。

2　地層三壓力剖面建立

2.1地層壓力

Eaton法是計(jì)算地層孔隙壓力的一種常用方法［7-10］，它是根據(jù)美國墨西哥灣等地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及測井資料建立起來的地層壓力計(jì)算模型：

式中：σV-垂向應(yīng)力；σW-地層水靜液柱壓力；c-壓實(shí)指數(shù)；Δtn-壓實(shí)趨勢線上的聲波；Δt-實(shí)測聲波。

在沒有實(shí)測資料的情況下Pp通常采用靜水液柱壓力，但在川西地區(qū)的含氣儲層中，Pp明顯高于靜水液柱壓力。

伊頓法需要做正常壓實(shí)趨勢線，根據(jù)壓實(shí)趨勢線計(jì)算實(shí)際深度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)?？梢赃x擇聲波時(shí)差、密度及電阻率等測井?dāng)?shù)據(jù)。應(yīng)用該方法的關(guān)鍵是要獲取可靠的鉆、測井參數(shù)資料，剔除資料中的異常數(shù)據(jù)，壓實(shí)趨勢線才能準(zhǔn)確地預(yù)測地層孔隙壓力。大邑地區(qū)泥巖地層聲波的壓實(shí)趨勢線（見圖1），泥巖聲波時(shí)差隨深度增加逐漸減小。

根據(jù)川西須家河組地區(qū)的測試資料代入伊頓法公式反演壓實(shí)指數(shù)c，發(fā)現(xiàn)c不是一個(gè)固定值，它隨深度變化而具有逐漸增大的趨勢，與反映地層特征的聲波曲線的關(guān)系則較好。

表2　川西須家河組巖石力學(xué)參數(shù)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

圖1　泥巖段聲波時(shí)差與深度的關(guān)系圖

圖2　DY測井壓實(shí)指數(shù)c與聲波時(shí)差關(guān)系

川西地區(qū)c值與聲波曲線的關(guān)系圖（見圖2），二者具有較好的非線性關(guān)系。由此建立大邑須家河組的Eaton法預(yù)測地層孔隙壓力模型為：

采用相同的方法對大邑地區(qū)進(jìn)行地層壓力計(jì)算。根據(jù)實(shí)測資料和測井計(jì)算成果反演壓實(shí)指數(shù)c，也表明該值具有隨深度增加而逐漸增大的趨勢，與聲波曲線關(guān)系較好。在大邑地區(qū)，具有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

DY須二段地層壓力測井計(jì)算儲層段地層壓力78.8 MPa～83.3 MPa，平均地壓梯度在1.67 MPa/100m；在4 912 m實(shí)測地層壓力為81.50 MPa，地壓梯度為1.69 MPa/100m，測井計(jì)算成果與實(shí)際情況吻合較好。

川西須家河組實(shí)測的地層壓力與測井計(jì)算的地層壓力成果對比表（見表3），從表3中可以看出二者的誤差較小，平均誤差為8.05％，說明測井計(jì)算成果較可靠，滿足鉆井工程等需要。

研究中還發(fā)現(xiàn)地層壓力與深度關(guān)系密切。DY地區(qū)實(shí)測地層壓力資料顯示地層壓力隨深度增加而增大，地壓梯度隨深度增加而減?。ㄒ妶D3、圖4）。該地區(qū)須家河組地壓梯度在縱向上則變化不大，地層壓力梯度一般在1.05 MPa/100m～1.24 MPa/100m；但在須二段則可能鉆遇異常高壓的裂縫性氣層，其地壓梯度遠(yuǎn)高于常壓地層，這在鉆井工程中應(yīng)予以重視。

2.2破裂壓力

目前，一般通過兩種途徑獲取該參數(shù)：（1）室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試或現(xiàn)場水力壓裂施工監(jiān)測；（2）利用測井資料提取地層破裂壓力［11-13］。

周文［14］認(rèn)為井筒液柱壓力要使地層達(dá)到破裂（產(chǎn)生新的裂縫），其大小必須等于井壁附近最小周向應(yīng)力和巖石抗拉強(qiáng)度之和。在考慮壓井液具有濾失性和巖石基質(zhì)具有滲透性基礎(chǔ)上，經(jīng)推導(dǎo)得到如下井壁垂直破裂時(shí)破裂壓力預(yù)測公式：

表3　川西地區(qū)實(shí)測與測井計(jì)算地層壓力參數(shù)對比表

圖3　DY地層壓力與垂深關(guān)系　

這里定義巖石滲透系數(shù)為η=1-Kb/Kma，式中：Kb-無裂縫井壁巖石滲透率，Kma-巖石骨架滲透率，一般取1。如果壓井液為非滲透液時(shí)，η=1。

在實(shí)際計(jì)算中，利用水力壓裂方法確定的破裂壓力結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)建立了利用測井資料估算川西須家河組地層破裂壓力的模型和參數(shù)剖面。

X井4 915 m～4 920 m井段壓裂成果圖（見圖5）：該段施工壓力為84 MPa～100 MPa，其中儲層段的破裂壓力梯度最高達(dá)到2.03 MPa/100m；由于對儲層段改造很成功，測試獲得天然氣產(chǎn)量13×104m3/d。該段測井計(jì)算的破裂壓力Pf值為104 MPa，地壓梯度GPf為2.08 MPa/100m；相對致密地層的破裂壓力比儲層段更高，達(dá)到115 MPa/2.25，表明測井計(jì)算成果與實(shí)際情況較吻合。

圖4　DY地壓梯度與垂深關(guān)系

川西區(qū)實(shí)測的破裂壓力與測井計(jì)算的破裂壓力成果對比表（見表4）。從表4中可以看出二者的誤差為6.25％，說明測井計(jì)算成果較可靠。通過研究還發(fā)現(xiàn)，破裂壓力與深度及最小水平主應(yīng)力具有很好的相關(guān)性。

該地區(qū)破裂壓力與垂深的關(guān)系圖（見圖6）。隨著深度的增加，破裂壓力逐漸增加，增加相對平穩(wěn)，致密地層的破裂壓力梯度可達(dá)到2.23 MPa/100m以上。在優(yōu)質(zhì)儲層段及含煤地層，破裂壓力明顯降低。一般情況下，地層中最小水平主應(yīng)力越大，破裂壓力越大，二者存在正相關(guān)關(guān)系。破裂壓力與最小水平主應(yīng)力的關(guān)系圖（見圖7），圖7表明隨著最小水平主應(yīng)力增大，破裂壓力呈非線性增大。

2.3坍塌壓力

圖5　X井須二段4 915 m～4 920 m壓裂成果圖

在井壁穩(wěn)定性研究中，常用的巖石力學(xué)剪切破壞準(zhǔn)則有Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Drucker-Prager準(zhǔn)則，對于直井一般采用前者［15，16］。根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，地層的坍塌壓力Pc計(jì)算公式為：

表4　X井須二段實(shí)測與測井計(jì)算破裂壓力參數(shù)對比表

圖6　DY地區(qū)破裂壓力與垂深關(guān)系　

其中：n-修正系數(shù)，σH、σh-分別為最大和最小水平主應(yīng)力，MPa。

考慮到在某些情況下摩爾-庫侖準(zhǔn)則與實(shí)際情況的差異，在一些文獻(xiàn)中提出了改進(jìn)的模型，加入了一個(gè)修正系數(shù)n（0.9～0.95），計(jì)算模型為：

由于難以直接測量地層坍塌壓力，目前一般是通過水力壓裂模型反演方法獲得坍塌壓力。在實(shí)際處理中參考了川西實(shí)鉆井及鄰區(qū)資料進(jìn)行計(jì)算，測井資料顯示在泥巖、含煤線地層的坍塌壓力明顯較高，井壁穩(wěn)定性相對較差；在砂巖的坍塌壓力相對較低，井壁穩(wěn)定性較好。處理結(jié)果與實(shí)鉆情況較吻合。

DY地區(qū)部分井的測井計(jì)算坍塌壓力與深度關(guān)系圖（見圖8）。圖8表明須家河組的地層坍塌壓力總體較高，須五～須三泥巖及含煤地層的坍塌壓力更高，須二段的坍塌壓力相對較低。須家河組地層坍塌壓力變化范圍較大，尤其在含煤地層的坍塌壓力很高（井壁穩(wěn)定性差）；須二段的坍塌壓力略有降低，但泥巖地層的坍塌壓力依然相對較高。

圖7　DY最小水平主應(yīng)力和破裂壓力關(guān)系

圖8　DY坍塌壓力與垂深關(guān)系

3　結(jié)論

（1）川西地區(qū)的測試資料表明壓實(shí)指數(shù)隨深度變化而具有逐漸增大的趨勢，與反映地層特征的聲波曲線的關(guān)系則較好，并在此基礎(chǔ)上建立了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。此外地層壓力隨深度增加而增加，具有較好的相關(guān)關(guān)系；地層壓力梯度具有隨深度增加而逐漸減小的趨勢，但與深度相關(guān)性很差。

（2）研究發(fā)現(xiàn)破裂壓力與深度及最小水平主應(yīng)力具有很好的相關(guān)性，隨著深度的增加，破裂壓力逐漸增加，致密地層的破裂壓力梯度可達(dá)到2.23 MPa/100m以上。在優(yōu)質(zhì)儲層段及含煤地層，破裂壓力明顯降低。

（3）須家河組的地層坍塌壓力總體較高，須五～須三泥巖及含煤地層的坍塌壓力更高，須二段的坍塌壓力相對較低。

（4）通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，基于測井資料建立了三壓力模型，繪制了地層三壓力剖面，與實(shí)際地層壓力進(jìn)行對比結(jié)果表明測井計(jì)算的三壓力剖面模型可靠性較高，對鉆井工程設(shè)計(jì)和井壁穩(wěn)定性研究都具有十分重要的意義。

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Research on three pressure models in west Sichuan Xujiahe formation

GUO Yu1，WANG Hao2，LI Kai1
（1.College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.Oil Production Plant 8 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 717612，China）

Tight rock，high hardness，poor drillability，low penetration rate and long drilling period occur in west Sichuan Xujiahe formation，resisting petroleum reservoir exploration and development seriously，therefore，it's urgent to study formation pressure，bursting pressure and collapse pressure.In this article，large amounts of tests were performed to draw rock compressive strength，Young's modulus，Poisson's ratio and drillability parameters.Based on field logging data，Eaton method was employed to draw formation pressure predicting model，bursting pressure method was built on the basis of combination of lithomechanics parameters and bursting pressure calculated by hydrofracture method，and based on Mohr-Coulomb principle，hydrofracture inversion method was employed to build collapse pressure model.Compared with actual formation pressure，three pressure models based on logging data are calculable highly.This research provides theoretical basis for bit optimization and lays signifi-cance for drilling engineering design and wellbore stability study.

Xujiahe formation；three pressure models；formation pressure；bursting pressure；collapse pressure

TE142

A

1673-5285（2016）08-0079-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.018

2016-07-04

2016-07-26

郭宇，男（1991-），漢族，四川西昌人，碩士研究生，主要從事油氣田開發(fā)及油氣藏?cái)?shù)值模擬方面的研究工作，郵箱：540886111@qq.com。