含氣頁巖的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)分析及壓裂可行性預(yù)測

劉義生

【摘 要】泥頁巖地層中黏土礦物含量高，塑性強(qiáng)，儲層應(yīng)力敏感性強(qiáng)而穩(wěn)定性差，容易受到鉆采的影響發(fā)生坍塌、破裂、卡鉆或井漏等現(xiàn)象，嚴(yán)重制約頁巖中油氣資源的開發(fā)利用進(jìn)程。為了提高泥頁巖地層鉆采工程的安全性和效率，促進(jìn)快速的鉆進(jìn)和井眼的形成，降低一系列的成本支出，以巖石物理學(xué)、測井學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科理論為指導(dǎo)，充分發(fā)揮測井資料分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)勢，對泥頁巖地層的巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、井壁穩(wěn)定性和可壓性展開預(yù)測與評價分析，并給出應(yīng)用實例。

【關(guān)鍵詞】測井評價;頁巖氣藏;巖石力學(xué)參數(shù);地應(yīng)力;井壁穩(wěn)定性

中圖分類號： P631.84文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）03-0088-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.035

0 引言

巖石力學(xué)研究主要是根據(jù)區(qū)域構(gòu)造和地層巖性層序，從常規(guī)測井方法出發(fā)，主要利用聲波，密度，伽馬和成像測井等資料，分析確定一個動態(tài)的巖石力學(xué)模型[1-3]。與實驗室利用巖樣在異于實際地下的條件下直接測試獲得的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)相比，相對容易獲取的測井資料具有縱向連續(xù)性強(qiáng)，分辨率高，地質(zhì)信息豐富的特點，用來評價巖石力學(xué)性質(zhì)比較準(zhǔn)確和可靠[4-5]。本文以四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)威202井為例對含氣頁巖的動態(tài)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，通過模型建立對壓裂可行性進(jìn)行了預(yù)測。

1 巖石力學(xué)參數(shù)計算

巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括巖石的彈性模量和巖石強(qiáng)度，反映巖石受外力作用時所表現(xiàn)出的物理性質(zhì)，是地應(yīng)力計算和井眼穩(wěn)定性分析以及壓裂模擬的基礎(chǔ)。實驗室通常是對巖心在模擬地下環(huán)境下進(jìn)行實測得到，精度高但取心工作繁瑣且成本高，性價比低。而基于物理測井?dāng)?shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)關(guān)系式計算的方法經(jīng)濟(jì)高效，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，連續(xù)性強(qiáng)[6-7]。

1.1 彈性參數(shù)

當(dāng)動應(yīng)力作用在彈性介質(zhì)上產(chǎn)生應(yīng)變，并且未超過介質(zhì)的彈性極限時，則會發(fā)生應(yīng)力和應(yīng)變的傳遞而產(chǎn)生彈性波。該彈性波的傳播特征與巖石的動力學(xué)特性有關(guān)。

對于頁巖等TIV（TransverseIsotropywithVerticalaxis）各向異性地層，巖石在各種動載荷作用下所表現(xiàn)出的彈性模量、泊松比等性質(zhì)參數(shù)稱為巖石的動態(tài)力學(xué)參數(shù)。在靜載荷作用下巖石表現(xiàn)出的力學(xué)參數(shù)稱為靜態(tài)參數(shù)。在原狀地層中，由于裂縫、孔洞、地層層面等非均質(zhì)因素的影響，巖石動、靜力學(xué)參數(shù)會有較大差異性。而且通常來說，動態(tài)楊氏模量或泊松比在數(shù)值上要大于靜態(tài)參數(shù)。

1.2 強(qiáng)度參數(shù)

巖石力學(xué)的強(qiáng)度參數(shù)包含單軸抗壓強(qiáng)度（UCS），摩擦角（FANG）及抗拉強(qiáng)度（TSTR）。這些參數(shù)通常根據(jù)測井曲線計算得到[8-9]。計算的強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果顯示儲層和上覆泥巖層的巖石的強(qiáng)度（UCS）相對恒定，但下部碳酸鹽的強(qiáng)度很高，達(dá)到225MPa，和很多火成巖的強(qiáng)度相當(dāng)。

2 地應(yīng)力

地應(yīng)力作為地殼中物質(zhì)的天然內(nèi)應(yīng)力，主要由地殼內(nèi)部的構(gòu)造運動、巖體的自重及其地?zé)?、地球自轉(zhuǎn)速度的變化等因素產(chǎn)生，且未受工程擾動。它影響著地下介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和鉆探工程中井壁的穩(wěn)定性。油氣富集帶的構(gòu)造應(yīng)力大小和方向與鉆采息息相關(guān)。

2.1 孔隙壓力

為了確定不同深度的地層孔隙中的流體所承受的壓力需要進(jìn)行孔隙壓力評價，通常利用RFT（重復(fù)地層測試儀）或MDT（模塊式地層動態(tài)測試儀）等對已鉆井測量得到，也可試井獲得。其中鉆井溢流時當(dāng)量泥漿密度盡管點少且分散，但用來評價孔隙壓力更直接和可靠[8]。

在欠壓實的砂泥巖剖面中，可基于測井或地震資料，憑借壓實理論的推導(dǎo)和運算，建立連續(xù)的孔隙壓力剖面。對于本井而言，鉆穿的巖石是致密的頁巖及碳酸鹽，趨勢線的方法并不能確定其孔隙壓力。對于這些巖層，孔隙壓力需要直接測量確定。由于本井沒有直接測量的數(shù)據(jù)，根據(jù)斯倫貝謝經(jīng)驗確定本井地層壓力為正?？紫秹毫?。

2.2 上覆壓力

上覆壓力為上覆巖層和其中孔隙流體的重力之和，目前一般是由地層體積密度（電纜測井或巖心樣品）和埋深通過積分計算獲得：

2.3 水平地應(yīng)力

地應(yīng)力可由水力壓裂方法推導(dǎo)出，利用的是井眼受力狀況與巖石破裂的原理。而某深度處的最小水平主應(yīng)力σh還可直接由漏失試驗（XLOT）、微壓裂或MDT測井測得，并以此來校準(zhǔn)利用密度測井曲線和σz計算得到的主地應(yīng)力大小。

最大水平主應(yīng)力σH不能直接測量，利用測井資料計算出最小水平主應(yīng)力后，可以利用井眼圖象和巖石破壞模型來大致標(biāo)定σH的大小。采用多孔彈性模型，利用各向同性及各向異性方法分別計算得到了本井主應(yīng)力。

3 力學(xué)模型的驗證及可壓性分析

利用井壁穩(wěn)定性分析對上述確定的地應(yīng)力模型進(jìn)行驗證，肯定了該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測出井壁崩落的位置以及原應(yīng)力場的可靠性。處理井段井壁穩(wěn)定性分析表明，根據(jù)前面確定的靜態(tài)楊氏模量、泊松比及最小水平主應(yīng)力，儲層的可壓性相對較高，最小水平主應(yīng)力較上覆巖層及下部碳酸鹽低，這表明該井段的完井質(zhì)量較高。表1給出了預(yù)計儲層段及上覆巖層、底層的巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力的匯總。

4 結(jié)論

（1）該井某些井段出現(xiàn)顯著的井壁坍塌現(xiàn)象，指示出特定部位的最大與最小水平主應(yīng)力存在較大差異，這有助于人工壓裂縫的產(chǎn)生，但大的水平應(yīng)力差異系數(shù)不利于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成。

（2）該井目的層內(nèi)的儲層段地應(yīng)力要小于上下隔層的地應(yīng)力，而儲層段的可壓性指數(shù)更高，可壓性比隔層好，故目的層易于壓裂的同時還對增生縫的高度有較好的控制作用。

（3）通過模型預(yù)測的儲層段楊氏模量為23.3GPa，泊松比為0.17，最小水平主應(yīng)力為50.6MPa，與上覆、下疊巖層的巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力有較大的差異。

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