地質(zhì)力學(xué)在永川深層頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用

龍章亮，鐘敬敏，胡永章，溫真桃，李 輝，曾賢薇

（1.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川德陽618000；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都610000；3.中國石化西南油氣分公司頁巖氣項目部，重慶402160；4.四川省煤田地質(zhì)局一四一地質(zhì)隊，四川德陽618000）

在國家頁巖氣發(fā)展戰(zhàn)略的政策指導(dǎo)下，2010年至今，通過持續(xù)頁巖氣技術(shù)攻關(guān)，國內(nèi)針對中淺層頁巖氣高效開發(fā)已經(jīng)擁有了較成熟的技術(shù)手段及開發(fā)策略，但深層頁巖氣開發(fā)仍然面臨很多困難。郭新江[1-3]等認為針對頁巖氣高效開發(fā)的主流認識主要在于“地質(zhì)工程一體化”應(yīng)進行綜合性研究，作為地質(zhì)與工程間的橋梁，系統(tǒng)的地質(zhì)力學(xué)研究是快速、高效開發(fā)頁巖氣的必由之路。在全國頁巖氣勘探開發(fā)進程和對地質(zhì)工程一體化研究認識的不斷積累中，地質(zhì)力學(xué)研究的重要性逐漸凸顯[4]。

地質(zhì)力學(xué)研究成本高，費時費力，目前多數(shù)頁巖氣開發(fā)區(qū)相關(guān)研究成果較少，然而地質(zhì)力學(xué)成果在工區(qū)鉆井優(yōu)化和壓裂設(shè)計中又起到關(guān)鍵作用。因此，地質(zhì)力學(xué)研究人員需要對頁巖氣工區(qū)主體工程工藝和面臨的復(fù)雜問題有充分的認識，以問題為導(dǎo)向，有針對性地進行研究工作，從而為工程工藝優(yōu)化和方案調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。下面以永川工區(qū)為例，簡單介紹地質(zhì)力學(xué)參數(shù)在永川鉆井和壓裂工藝中的應(yīng)用情況。

1 永川工區(qū)頁巖氣藏地質(zhì)力學(xué)特征及面臨問題

永川區(qū)塊位于華鎣山褶皺帶向南呈帚狀撒開的低背斜群，構(gòu)造褶皺強烈，斷層發(fā)育，向南逐漸減弱。工區(qū)內(nèi)的新店子背斜為北東向的長軸背斜，背斜軸部依次出露下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、嘉陵江組和上三疊統(tǒng)地層。工區(qū)整體表現(xiàn)為“兩凹夾一隆”的構(gòu)造格局，儲層地質(zhì)參數(shù)信息見表1。

目前，永川工區(qū)開發(fā)過程中，面臨的問題主要有以下幾點：

1）工區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，埋藏深度差異大，陸相地層石英含量高，研磨性強，海相地層含燧石和鮞?；?guī)r，可鉆性差。

2）龍?zhí)督M—石牛欄組地層易井壁失穩(wěn)，鉆速慢，施工周期長。

3）工區(qū)斷層發(fā)育，不同井區(qū)地應(yīng)力方向變化大，水平段部署方位需優(yōu)化。

4）工區(qū)地應(yīng)力值高，水平應(yīng)力差異大，壓裂難以形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。

針對以上問題，地質(zhì)力學(xué)研究人員開展了有針對性的巖石力學(xué)、可鉆性、地應(yīng)力、地層壓力、坍塌壓力、破裂壓力模型建立及預(yù)測，進而指導(dǎo)一系列工程工藝優(yōu)化措施，促進鉆井提速和壓裂增產(chǎn)。

表1 永川不同井區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)Table1 Geomechanical parameters of high quality shale reservoirs in Longmaxi formation of different well areas in Yongchuan

2 地質(zhì)力學(xué)促進鉆井提速降本

2.1 鉆頭優(yōu)選

針對永川工區(qū)陸、海相地層可鉆性差的問題，分別進行了可鉆性、硬度、研磨性等室內(nèi)實驗，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行了可鉆性剖面建立，從而可以更科學(xué)地選擇鉆頭型號[5-8]。

1）可鉆性實驗

由于地面及地層條件下巖石的可鉆性級值相差較大，以往使用地面條件下巖石的可鉆性級值優(yōu)選鉆頭、確定鉆井參數(shù)、預(yù)測鉆井效率的做法顯然是不合適的[7]。因此，進行了20 組可鉆性實驗（地面條件11 組、地層條件9 組），在實驗過程中充分考慮了難鉆地層深度、鉆井液密度、地層壓力以及地應(yīng)力影響；徑向采用液壓油加圍壓模擬應(yīng)力環(huán)境，軸向加液柱壓力模擬鉆井過程，同一塊巖心正面采用牙輪微鉆頭，反面采用PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）微鉆頭（圖1），避免因巖心差異產(chǎn)生誤差。

圖1 牙輪鉆頭（左）、PDC鉆頭（右）可鉆性實驗樣品Fig.1 Drillability test sample of cone bit（left）and PDC bit（right）

從表2看，地面條件下PDC 比牙輪可鉆性差，PDC鉆頭平均微鉆時約為牙輪鉆頭的5倍。地層條件下PDC 明顯比牙輪鉆頭可鉆性好，牙輪鉆頭平均微鉆時約為PDC鉆頭的6倍。兩種實驗條件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異主要受液柱壓力的影響，圍壓和溫度影響不明顯。根據(jù)實驗結(jié)果，PDC鉆頭較牙輪鉆頭更適合用于永川工區(qū)井底壓力較大的地層巖石。

表2 牙輪鉆頭與PDC鉆頭平均微鉆時對比Table2 Comparison of average micro drilling time between cone bit and PDC bit s

2）可鉆性剖面建立

根據(jù)可鉆性實驗數(shù)據(jù)擬合可鉆性級值計算模型，結(jié)合工區(qū)巖石強度實驗和單井測井資料，預(yù)測井區(qū)PDC可鉆性級值、研磨性、硬度、抗壓強度、抗剪強度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過建立縱向巖石可鉆性剖面將鉆遇地層進行分級[9-10]。根據(jù)永川地層可鉆性、研磨性、硬度、抗壓強度、抗剪強度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差縱向剖面（圖2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，地層屬于中軟—中硬地層。其中，中軟地層為龍?zhí)督M；中硬地層有自流井組、須家河組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、茅口組、棲霞組；中等地層有石牛欄組、龍馬溪組。

3）鉆頭優(yōu)選

陸相地層：抗壓強度、硬度值表明為中硬地層，推薦胎體鉆頭；巖石研磨性級別為5～7，推薦冠部輪廓以中冠形為主、切削齒數(shù)為40～50個、齒徑為13～16 mm的鉆頭，降低地層磨損；可鉆性級值為4～5，推薦使用5～6刀翼鉆頭；根據(jù)IADC（鉆頭國際標(biāo)準(zhǔn)）編碼，推薦M323或M423鉆頭。

海相地層：抗剪標(biāo)準(zhǔn)偏差較小表明縱向非均質(zhì)性不強，夾層影響較弱，沖擊載荷??；研磨性較陸相地層弱，部分難鉆地層可鉆性級值較陸相地層強；根據(jù)IADC 編碼，中軟地層推薦M223鉆頭，中硬地層推薦M323或M423鉆頭，水平段鉆進推薦M323或M322鉆頭，可采用短冠形鉆頭增加水平段鉆進穩(wěn)定性。

圖2 陸相須家河組地層PDC可鉆性剖面預(yù)測Fig.2 Prediction of PDC drillability profile of continental Xujiahe Formation

分層鉆頭選型推薦見表3。

2.2 安全鉆井液密度窗口的確定

針對永川南區(qū)海相地層易失穩(wěn)、鉆速慢、施工周期長的問題，分別對不同井斜不同鉆井方位條件下的坍塌壓力、原始地層孔隙壓力、破裂壓力等參數(shù)進行了模擬預(yù)測，在此基礎(chǔ)上提出了安全鉆井液密度窗口[11-14]。

1）原始地層孔隙壓力確定

大規(guī)模水力壓裂后地層孔隙壓力增加導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)偏大，因此分別采用了Eaton 法、定容封閉氣藏物質(zhì)平衡法分析低滲頁巖孔隙壓力的壓裂增壓機制、考慮滲透率影響的井壁圍巖孔隙壓力等求取方法得到了該地區(qū)壓裂前原始地層孔隙壓力。分析結(jié)果認為：永川南區(qū)鉆井時考慮鉆遇裂縫的情況下原始地層孔隙壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.35～1.60 g/cm3。

2）地層坍塌壓力確定

永川南區(qū)龍馬溪組坍塌壓力系數(shù)為1.60～1.80，水平段沿著水平最小主應(yīng)力方向鉆進，井壁相對最不穩(wěn)定，坍塌壓力系數(shù)最高可達1.80；永川南區(qū)新部署井水平段軌跡方向主體沿斷層方向，與水平最小主應(yīng)力方向有一定夾角，井壁穩(wěn)定性良好，坍塌壓力系數(shù)為1.60左右，見圖3。因此，考慮坍塌壓力，水平段鉆井液密度下限為1.60 g/cm3。

3）安全鉆井液密度窗口推薦

由于工區(qū)破裂壓力系數(shù)總體較高，鉆井液當(dāng)量密度為2.50～3.20 g/cm3，目前使用的鉆井液密度范圍不會壓破地層導(dǎo)致井漏。因此，綜合地層坍塌壓力、破裂壓力、頁巖地層原始孔隙壓力和鉆遇裂縫時頁巖地層動態(tài)孔隙壓力的分析結(jié)果，以及氣井的鉆井液密度設(shè)計要求，即氣井附加值（0.07～0.15 g/cm3），確定了儲層的鉆井液密度窗口，詳見表4。

表3 永川地層巖石可鉆性特征參數(shù)Table3 Rock drillability characteristic parameters in Yongchuan formation

圖3 永川南區(qū)頁巖地層30°，60°，90°井斜不同方位坍塌壓力餅狀圖對比Fig.3 Comparison of collapse pressure at different directions of 30°,60°and 90°well deviation in shale formation of southern Yongchuan

2.3 井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

永川中部背斜區(qū)嘉陵江組、飛仙關(guān)組地層鉆遇斷層和裂縫幾率較大，地層壓力相對較小，為預(yù)防井漏復(fù)雜，使用鉆井液密度相對較??；龍?zhí)督M、茅口組氣顯示活躍，龍?zhí)督M主要巖性為煤層與頁巖互層，茅口組主要為灰?guī)r地層，龍?zhí)督M易發(fā)生井壁失穩(wěn)，使用鉆井液密度相對較高。結(jié)合井區(qū)地層坍塌壓力、孔隙壓力、破裂壓力剖面（圖4）認識，龍?zhí)督M以上地層的地層壓力差異不大，且坍塌壓力總體小于地層壓力，以地層壓力為下限設(shè)計鉆井液密度能夠滿足井壁穩(wěn)定需求，一開必封點有上提空間。通過上移必封點以及下移造斜點，可以減少大尺寸井眼鉆進及定向井段和斜井段段長，從而減少鉆井進尺，提高鉆井效率，降低鉆井成本。

圖4 永川中部背斜區(qū)地層坍塌壓力、地層孔隙壓力、地層破裂壓力剖面Fig.4 Profile of collapse pressure,pore pressure and fracture pressure in anticline area of central Yongchuan

3 地質(zhì)力學(xué)助力壓裂增產(chǎn)增效

3.1 區(qū)域地應(yīng)力有限元模擬

針對永川工區(qū)斷層發(fā)育、不同井區(qū)地應(yīng)力方向變化大、水平井部署方位有待優(yōu)化等問題，進行了工區(qū)范圍內(nèi)的區(qū)域地應(yīng)力大小和方向有限元模擬[15]。根據(jù)模擬結(jié)果（圖5），建議永川不同井區(qū)水平井主體部署方位。若考慮斷層，建議部署水平段方位與最小水平主應(yīng)力方向夾角不超過40°。

表4 永川南區(qū)新部署水平井安全鉆井液密度窗口推薦范圍Table4 Recommended range of safe drilling fluid density window for newly deployed horizontal wells in southern Yongchuan

3.2 裂縫擴展影響因素分析

針對工區(qū)地應(yīng)力值高、水平應(yīng)力差異大，壓裂難以形成網(wǎng)絡(luò)裂縫的問題，進行水力裂縫與天然裂縫相互作用的仿真模擬[16-17]。通過模擬結(jié)果（圖6）認識到：

1）當(dāng)均勻地層不存在天然裂縫或裂縫膠結(jié)強度過大時，水力裂縫通常不會發(fā)生轉(zhuǎn)向，主要形成雙翼對稱主裂縫。

2）當(dāng)?shù)貙哟嬖谀z結(jié)強度低的天然裂縫時，不同應(yīng)力差作用下形成縫網(wǎng)的復(fù)雜度也不一樣。應(yīng)力差是影響縫網(wǎng)復(fù)雜度的重要因素：當(dāng)σH＜1.05σh時，縫網(wǎng)更傾向于向天然裂縫方向擴展；當(dāng)σH＞1.15σh時，縫網(wǎng)更傾向于向主裂縫方向擴展；當(dāng)σH＝（1.05～1.15）σh時，縫網(wǎng)交錯最為復(fù)雜。

3）永川南區(qū)應(yīng)力差模式主體為σH＝（1.09～1.12）σh，背斜區(qū)應(yīng)力差模式主體為σH＝（1.10～1.23）σh，北區(qū)應(yīng)力差模式主體為σH＝（1.13～1.25）σh，永川南區(qū)具有形成網(wǎng)狀復(fù)雜縫的條件，北區(qū)縫網(wǎng)更傾向于向主裂縫方向擴展。永川北區(qū)已壓裂井G函數(shù)分析認為人工裂縫主要以單一裂縫為主，裂縫復(fù)雜程度低，該結(jié)論驗證了此次仿真模擬的結(jié)果。

圖5 永川工區(qū)地應(yīng)力大小及方向三維有限元模擬Fig.5 3D finite element simulation of stress magnitude and direction in Yongchuan work area

圖6 永川工區(qū)不同水平應(yīng)力差模式下水力裂縫與天然裂縫作用關(guān)系仿真模擬Fig.6 Simulation of interaction between hydraulic fracture and natural fracture under different horizontal stress difference modes in Yongchuan work area

根據(jù)以上模擬結(jié)果提出了永川不同井區(qū)工程工藝對策建議：南區(qū)水平應(yīng)力差較小，有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)，建議開展“少段多簇、密切割”、粉砂替代粉陶、提高小粒徑支撐劑比例等現(xiàn)場工藝試驗，提產(chǎn)降本；北區(qū)斷裂不發(fā)育，水平應(yīng)力差較大，壓裂縫以單一主縫為主要形態(tài)，開展單段單簇壓裂試驗，提高單井產(chǎn)量；背斜區(qū)通過水力壓裂具有形成較復(fù)雜縫網(wǎng)的條件，斷層發(fā)育導(dǎo)致軌跡調(diào)整頻繁，保證優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率是關(guān)鍵。

3.3 水平井地質(zhì)-工程雙甜點指導(dǎo)分簇分段

地質(zhì)-工程雙甜點預(yù)測是地質(zhì)工程一體化的最好表現(xiàn)形式，其通過對水平主應(yīng)力、應(yīng)力差、巖石力學(xué)、脆性指數(shù)等參數(shù)分析預(yù)測（圖7），最終結(jié)合地質(zhì)甜點優(yōu)選出水平應(yīng)力和應(yīng)力差相對較小、脆性指數(shù)較大的井段作為水平井分簇分段的主要依據(jù)[18-21]。另外，永川頁巖氣水平井分簇分段設(shè)計還需考慮以下幾點：

1）分段時，段內(nèi)盡量不跨小層和裂縫發(fā)育段，射孔盡量避開巖性變化處，避免層間差異影響不同簇間裂縫起裂延伸。

2）選擇錄井顯示較好、含氣性好、脆性較高的點射孔，單段射孔點最小主應(yīng)力要盡量相似，射孔位置相對均勻；另外，射孔井段應(yīng)避開套管接箍，且保證與橋塞距離安全。

3）水平井固井質(zhì)量好的井段，不考慮固井質(zhì)量對分段的影響；針對固井質(zhì)量差的井段，應(yīng)盡量分在單段內(nèi)，并可適當(dāng)增加段簇距離。

綜上，以A井為例，劃分為24段146簇改造。

4 應(yīng)用效果

通過以地質(zhì)力學(xué)研究成果為基礎(chǔ)的鉆頭選型、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液密度等參數(shù)優(yōu)化，并且探索降密度施工和減小井底壓差等提速工藝技術(shù)。2019年開發(fā)階段與之前評價階段相比，已實施水平井的平均機械鉆速提高60.55%，鉆完井周期縮短16.03%，單井節(jié)省一開固井套管、水泥等物資約40萬元；壓裂方案優(yōu)化后同平臺水平井產(chǎn)量提升幅度大，增產(chǎn)效果明顯。比如：永頁5-2HF井三開水平段油基鉆井液密度控制在1.77 g/cm3（優(yōu)化前鄰井永頁5-1HF井鉆井液密度為1.85 g/cm3），未出現(xiàn)工程復(fù)雜情況，三開平均鉆時為9.51 min/m（相比鄰井平均鉆時下降36.39%），該井I 類儲層鉆遇率為93.6%，采用密切割工藝，獲得無阻流量37.4×104m3/d，較鄰井永頁5-1HF井提高了2.2倍。

圖7 A井地質(zhì)-工程甜點預(yù)測及分段分簇方案Fig.7 Prediction of geological engineering sweet spot and segmented clustering scheme of Well-A

5 結(jié)論

永川地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，埋藏深度差異大,分井區(qū)進行了龍馬溪組優(yōu)質(zhì)儲層精細描述，建立了不同井區(qū)巖石力學(xué)、地層壓力、地應(yīng)力、坍塌壓力、破裂壓力等地質(zhì)力學(xué)模型。有針對性的工程工藝對策依托于精確的、不斷更新的地質(zhì)力學(xué)模型建立，研究人員可適時結(jié)合地質(zhì)最新認識，將最新成果耦合進入一維、三維以及四維地質(zhì)力學(xué)模型中，從而為工程工藝設(shè)計優(yōu)化和措施調(diào)整提供服務(wù)。

1）針對工區(qū)可鉆性差的問題，通過可鉆性實驗明確了永川工區(qū)地層條件下PDC鉆頭優(yōu)于牙輪鉆頭，利用建立的可鉆性剖面將地層進行參數(shù)分級，從而根據(jù)鉆頭適應(yīng)性分地層進行了推薦。陸相地層主推M323 或M423鉆頭，海相地層主推M323、M322 或M423鉆頭。

2）針對工區(qū)海相地層易坍塌、鉆時慢的問題，對不同井斜不同鉆井方位條件下的坍塌壓力、原始地層孔隙壓力、破裂壓力等參數(shù)進行了模擬預(yù)測，在此基礎(chǔ)上建議三開開鉆鉆井液密度為1.60 g/cm3，水平段使用鉆井液密度不超過1.80 g/cm3。

3）針對工區(qū)地應(yīng)力方向認識不清的問題，開展了三維地應(yīng)力場有限元模擬，模擬結(jié)果顯示工區(qū)主體方位為近東西向，由于斷層發(fā)育，部分井區(qū)應(yīng)力方向有明顯偏轉(zhuǎn)，在水平井部署時應(yīng)兼顧斷層走向，水平段方位與最小水平主應(yīng)力方向夾角不超過40°。

4）針對地應(yīng)力值高、水平應(yīng)力差異大、壓裂難以形成網(wǎng)絡(luò)裂縫的問題，分井區(qū)進行了不同水平應(yīng)力差模式下的裂縫擴展仿真模擬，明確了永川南區(qū)具備形成復(fù)雜縫網(wǎng)的條件，建議開展“少段多簇、密切割”工藝，提產(chǎn)降本；北區(qū)水力壓裂縫以單一主縫為主要形態(tài)，建議開展單段單簇壓裂工藝提高單井產(chǎn)量。

5）在分區(qū)優(yōu)化壓裂方案的基礎(chǔ)上，通過對單井進行水平段地質(zhì)-工程雙甜點預(yù)測，結(jié)合地質(zhì)甜點優(yōu)選出水平應(yīng)力和應(yīng)力差相對較小、脆性指數(shù)較大的井段，有針對性地開展分段、分簇、射孔方案優(yōu)化和壓裂參數(shù)調(diào)整，從而真正實現(xiàn)“地質(zhì)工程一體化”，利用地質(zhì)力學(xué)促進增產(chǎn)增效。