瑪湖凹陷砂礫巖儲層巖石力學特征與壓裂對策研究

郝紅永，楊興渝，牛 麗，郭晟豪，孫占玲，徐冬梅，徐景潤，周紅梅

中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依

1.引言

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣斷階帶下盤，東抵達巴松凸起與夏鹽凸起，西靠烏夏斷裂帶，南接中拐凸起，北達石英灘凸起與英西凹陷(圖1)[1]。近期勘探成果發(fā)現(xiàn)瑪湖凹陷百口泉組具有扇控大面積含油特征，2014年僅瑪湖凹陷瑪131井區(qū)塊上交探明儲量近億噸，雖然勘探成果頗豐，但根據(jù)大量薄片資料分析發(fā)現(xiàn)瑪131井區(qū)塊百口泉組儲層平均孔隙度僅為10.1%，平均滲透率僅有0.9 mD，屬于典型的低孔特低滲較差孔隙結構儲層，單井產(chǎn)量低，開發(fā)難度大[2][3]。

測井解釋發(fā)現(xiàn)瑪湖凹陷百口泉組儲層厚度達200 m左右，根據(jù)內(nèi)部巖性旋回特征自下而上分為百口泉組一段、百口泉組二段、百口泉組三段，主要巖性為砂礫巖夾泥巖，砂礫巖厚度大，屬于低孔特低滲較差孔隙結構。為實現(xiàn)對瑪湖凹陷百口泉組油藏的高效開發(fā)，計劃在該區(qū)塊大規(guī)模推廣應用水平井壓裂改造技術。由于目前對砂礫巖油藏儲層的巖石力學特性認識尚不清楚，制約了對該油藏地應力、儲層脆性和壓裂縫網(wǎng)擴展機理等的研究，影響了壓裂施工的針對性和有效性。因此，通過對瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲層巖石力學試驗研究，掌握儲層地應力、巖石力學特性，對于制定該區(qū)塊合理的壓裂施工方案以及最終的大規(guī)模、高效開發(fā)具有重要指導意義。

Figure 1.The structural position of Mahu Depression圖1.瑪湖凹陷構造位置

2.巖石力學試驗及試驗結果

在同一塊巖樣上取1個垂直方向與3個水平方向(各相隔45?)直徑25 mm的巖心，利用聲發(fā)射測試儀測試求取取心點的地應力大?。焕肨AW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機模擬儲層應力環(huán)境測試巖心彈性參數(shù)；利用巖石硬度儀和支撐劑嵌入試驗儀分別測試儲層巖心硬度和支撐劑嵌入情況，為最終合理的壓裂施工方案設計提供有力數(shù)據(jù)支撐。

2.1.聲發(fā)射Kaiser效應試驗

聲發(fā)射Kaiser效應法測定地應力：在實驗室通過對地層巖心進行勻速加載，用聲發(fā)射儀接收巖心受載過程中巖心所發(fā)出的聲波信號，由于巖心在地下受到三向應力作用，所以要在不同方向取心進行試驗，通常在室內(nèi)對取自現(xiàn)場的巖心進行取心時要在垂直方向取1塊，在垂直巖心軸線平面內(nèi)相隔45?取3塊(如圖2)，由上述4個方向巖心進行試驗測得4個方向的正應力，利用式(1)可確定取心深度地層巖石所處的地應力，試驗結果見表1。

Figure 2.The schematic diagram of drilling coring in acoustic emission Kaiser effect test圖2.聲發(fā)射Kaiser效應試驗巖樣取心示意圖

Table 1.The Kaiser core test results of Baikouquan Formation in Mahu Depression表1.瑪湖凹陷百口泉組巖心聲發(fā)射Kaiser試驗結果

式中：1σ、2σ、3σ分別為0?、45?、90?水平向巖心Kaiser點應力，MPa；σ⊥為垂直方向巖心的Kaiser點應力，MPa；Hσ、hσ分別為最大、最小水平主地應力，MPa；Vσ為上覆地層壓力，MPa；pp為地層孔隙壓力，MPa；α為有效應力系數(shù)，1；pc為圍壓，MPa。

2.2.三軸應力試驗

巖石三軸應力試驗采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗機進行，全套裝置由加溫恒溫系統(tǒng)、高壓三軸室、圍壓加壓系統(tǒng)、軸向加壓系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等5個主要部分組成。通過圍壓系統(tǒng)勻速加載圍壓模擬巖心地層環(huán)境條件下所處應力環(huán)境，測試巖心彈性參數(shù)，試驗結果見表2。

Table 2.The Results of triaxial mechanical test of cores in Baikouquan Formation of Mahu Depression表2.瑪湖凹陷百口泉組巖心三軸巖石力學試驗結果

巖心受壓破壞后多呈現(xiàn)裂縫扭曲現(xiàn)象，典型結果見圖3。

Figure 3.The test result of core compressive and failure test圖3.巖心抗壓破壞試驗結果圖

2.3.硬度試驗

利用壓入硬度儀對取得的瑪137井百口泉組不同深度巖心進行硬度試驗，并按照壓入硬度分級標準進行分級，試驗結果見表3。

Table 3.The test results of core hardness detection in Well Ma137表3.瑪137井巖心硬度測試結果

2.4.支撐劑嵌入試驗

利用巖心支撐劑嵌入試驗儀勻速加載52 MPa，對20～40目低密高強度陶粒支撐劑進行瑪139井百口泉巖心嵌入試驗，利用顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)礫石單體嵌入量較低，約25%粒徑；基質(zhì)部分嵌入量較深，可達100%粒徑。

3.試驗結果分析與砂礫巖儲層壓裂對策

1)4組聲發(fā)射 Kaiser效應試驗得到的瑪湖凹陷百口泉組儲層最大、最小兩向應力差為 11.30～16.14 MPa，最大、最小兩向應力差較高，致使地層下儲層巖石趨于偏塑性，水力壓裂形成體積復雜縫的可能性極小，為最大限度擴大滲流面積，實現(xiàn)各級裂縫的有效支撐，推薦采用密切割方式的分簇射孔分段體積壓裂工藝[4]。

2)統(tǒng)計分析8組巖石三軸應力試驗結果發(fā)現(xiàn)，瑪湖凹陷百口泉組儲層巖心靜態(tài)彈性模量22.79～27.94 GPa，靜態(tài)彈性模量均小于28.00 GPa，水力壓裂形成的人工裂縫形態(tài)以平面縫為主，近井帶推薦采用滑溜水盡可能造復雜裂縫，且大位移水平井改造層段較長，應適當提高排量，充分壓開地層。

3)4組地應力測試點最小水平主地應力為50.11～58.08 MPa，壓裂施工后閉合壓力較高；6組壓入硬度試驗表明瑪湖凹陷百口泉組儲層巖石硬度屬中軟～軟級別，儲層巖石較軟；4組瑪 139儲層巖心支撐劑嵌入試驗表明礫石單體嵌入量約 25%粒徑，基質(zhì)部分嵌入量達 100%粒徑，支撐劑總體嵌入較深。為達到理想壓裂改造效果，推薦適當加大加砂規(guī)模，提高支撐劑鋪置濃度[5][6]。

4)另外，瑪湖凹陷百口泉組儲層礫石發(fā)育、分選差，巖石應力試驗中發(fā)現(xiàn)巖心受壓破壞時易引起裂縫扭曲，這會造成近井筒摩阻較大、前置液階段起泵泵壓高，推薦采用前置酸預處理措施和多段塞方式降低近井筒摩阻，從而降低施工壓力、降低造縫難度。

4.現(xiàn)場實施效果

MaHW1325井是瑪湖凹陷瑪131井區(qū)百口泉組油藏首口開發(fā)試驗水平井，水平段長度達2007 m，針對瑪湖凹陷百口泉組低孔特低滲砂礫巖儲層地應力以及巖石力學特征，2015年12月完成了對MaHW1325井進行橋塞-分簇射孔 22段體積壓裂，采用前置液擠酸預處理、小粒徑段塞等方式減少加砂施工難度，為實現(xiàn)壓裂改造效果采取適當提高施工排量、加大支撐劑鋪設厚度以及近井地帶滑溜水造復雜裂縫等措施。施工排量6～10 m3/min，施工最高壓力86 MPa，入井壓裂液總計23,700 m3，入井支撐劑總計1702 m3，分段施工排量和最高壓力見圖4。

Figure 4.The sectional statistics of maximum pump pressure and displacement of Well MaHW1325圖4.MaHW1325井最高泵壓與施工排量分段統(tǒng)計

截止到2017年8月下旬MaHW1325井生產(chǎn)528 d，累計產(chǎn)油12,786.8 t，平均日產(chǎn)油24.2 t，產(chǎn)油量和壓力均保持穩(wěn)定，生產(chǎn)效果較好，證明試驗井MaHW1325井的壓裂改造方案比較成功，對瑪湖凹陷百口泉組低孔特低滲砂礫巖油藏高效開發(fā)具有重要指導意義。

5.結論與建議

1)瑪湖凹陷百口泉組砂礫巖儲層兩向地應力差高，巖石儲層巖心彈性模量小，壓裂形成人工裂縫形態(tài)以平面縫為主，很難實現(xiàn)各級裂縫的有效支撐，推薦采用密切割分段體積壓裂工藝增大改造效果；同時，近井帶推薦采用滑溜水盡可能造長、復雜裂縫；儲層巖石硬度級別為軟～中軟，為達到理想壓裂改造效果，需要適當加大加砂規(guī)模，提高支撐劑鋪置厚度。

2)砂礫巖儲層壓裂破壞時易引起裂縫扭曲，極易造成近井筒摩阻較大，推薦采用前置酸預處理措施和多段塞方式降低近井筒摩阻，降低施工壓力。

3)試驗井MaHW1325井產(chǎn)液量、產(chǎn)油量和壓力均保持穩(wěn)定，生產(chǎn)效果較好，證明試驗井MaHW1325井的壓裂改造方案比較成功，對瑪湖凹陷百口泉組低孔特低滲砂礫巖油藏大規(guī)模高效開發(fā)具有重要指導和借鑒意義。