砂礫巖油藏影響壓裂效果關(guān)鍵地質(zhì)力學(xué)因素研究及應(yīng)用

熊 健 林海宇 唐 勇 劉向君* 王小軍 梁利喜

(①西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610500；②中石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000)

0 引言

近年來(lái)，針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地砂礫巖油藏的勘探開發(fā)取得重要突破，特別是瑪湖凹陷三疊系百口泉組以及二疊系上烏爾禾組砂礫儲(chǔ)層有著巨大的勘探開發(fā)潛力[1-2]，其中二疊系上烏爾禾組為扇三角洲沉積，整體為一套由礫巖、泥巖組成的超覆退積的粗粒碎屑巖體,地層厚度為0～300m[3]。目前，針對(duì)該儲(chǔ)層進(jìn)行的大量研究主要集中在沉積特征[4-6]、成藏控制因素[7]、成巖作用特征[8-10]、儲(chǔ)層特征[11-13]、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)[14-15]等方面，取得的研究成果有效支撐了瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層的勘探與開發(fā)。

地質(zhì)工程一體化技術(shù)是致密砂礫巖油藏實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)的有效途徑[16-17]，已經(jīng)在新疆油田瑪湖凹陷三疊系百口泉組致密砂礫巖油藏開發(fā)中得到應(yīng)用并取得了良好的效果，目前正逐步在該區(qū)烏爾禾組致密砂礫巖油藏開發(fā)中推廣應(yīng)用[18]。地質(zhì)力學(xué)參數(shù)在地質(zhì)工程一體化中起橋梁作用，能確保地質(zhì)認(rèn)識(shí)和工程技術(shù)無(wú)縫銜接，切實(shí)解決工程難題[19]。儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)一般涉及巖石力學(xué)、孔隙壓力、地應(yīng)力等方面，是井位優(yōu)選、鉆井井壁穩(wěn)定、儲(chǔ)層改造等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤巖、頁(yè)巖、砂巖、碳酸鹽巖、砂礫巖等儲(chǔ)層[20-26]的地質(zhì)力學(xué)規(guī)律已有較多研究，并取得了一定的認(rèn)識(shí)。為了更好地開發(fā)瑪湖凹陷烏爾禾組油藏，有必要對(duì)烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層巖石地質(zhì)力學(xué)特性展開深入研究，掌握儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)規(guī)律。

體積壓裂也是高效開發(fā)致密砂礫巖油藏的技術(shù)方法之一[16-17]，壓裂效果很大程度上決定了油氣產(chǎn)能，開展影響壓裂效果主控因素的研究對(duì)優(yōu)選砂礫巖儲(chǔ)層壓裂井段、設(shè)計(jì)砂礫巖油藏開采方案等具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。之前，學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖氣藏、煤層氣藏、致密油藏、砂礫巖油藏等多種類型儲(chǔ)層的壓裂效果評(píng)價(jià)方法做了大量的研究工作[27-29]，楊兆中等[30]基于Apriori關(guān)聯(lián)分析法研究了壓裂施工工藝參數(shù)對(duì)煤層氣壓裂效果的影響，并優(yōu)化了壓裂施工參數(shù)；李玉偉等[31]利用模糊綜合評(píng)判與灰色關(guān)聯(lián)方法分析了水平井儲(chǔ)層參數(shù)與壓后日增產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)程度；李小剛等[32]基于灰色關(guān)聯(lián)法分析了儲(chǔ)層因素和壓裂施工工藝因素對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層壓后產(chǎn)能的影響程度；龍章亮等[33]基于灰色關(guān)聯(lián)法分析了頁(yè)巖儲(chǔ)層中儲(chǔ)層、壓裂施工工藝和力學(xué)參數(shù)等共12個(gè)因素對(duì)無(wú)阻流量的影響程度，提出了一種可壓指數(shù)。這些研究從儲(chǔ)層地質(zhì)因素或壓裂施工工藝因素等方面研究了影響壓裂效果的各個(gè)因素之間的主次關(guān)系，對(duì)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。然而，在影響壓裂效果的主控因素評(píng)價(jià)中，考慮儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)因素的研究和認(rèn)識(shí)相對(duì)較少。

為此，開展了針對(duì)烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層影響壓裂效果關(guān)鍵地質(zhì)力學(xué)因素相關(guān)研究。本文以瑪湖凹陷烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層巖石為研究對(duì)象，基于室內(nèi)同步的物理實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了烏爾禾組巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)井預(yù)測(cè)模型；基于已鉆井壓裂、測(cè)井資料，建立了烏爾禾組地層孔隙壓力、地應(yīng)力測(cè)井預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合油井壓后產(chǎn)能資料，采用灰色關(guān)聯(lián)法得到了各地質(zhì)力學(xué)參數(shù)與米采液指數(shù)(指在單位生產(chǎn)壓差下單位厚度儲(chǔ)層的日產(chǎn)液量)的關(guān)聯(lián)程度。之后，采用層次分析法構(gòu)建了儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型，為儲(chǔ)層壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特性

1.1 巖石力學(xué)特性

儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)的研究范圍涉及儲(chǔ)層巖石力學(xué)、地層孔隙壓力、地應(yīng)力等方面，其中儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)是儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)研究的基礎(chǔ)。為了獲取儲(chǔ)層段巖石力學(xué)特性，需建立基于測(cè)井信息的巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型，進(jìn)而得到單井巖石力學(xué)參數(shù)剖面。目前已建立的不同地區(qū)、不同巖性的巖石力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，使用范圍存在局限性[34]。因此，需要建立針對(duì)瑪湖凹陷烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層的巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)井計(jì)算模型。

以烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層井下巖石樣品為研究對(duì)象，對(duì)巖樣進(jìn)行基礎(chǔ)物性測(cè)試。通過聲波和強(qiáng)度同步測(cè)試系統(tǒng)[35]對(duì)巖樣進(jìn)行測(cè)試和篩選。力學(xué)測(cè)試主要包括單軸抗壓強(qiáng)度(12塊巖樣)、三軸壓縮測(cè)試(10塊巖樣)和巴西劈裂測(cè)試(12塊巖樣)，并且對(duì)全部巖樣進(jìn)行體積密度和超聲波測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層巖石樣品力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

基于測(cè)試結(jié)果，建立了烏爾禾組儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)與聲波、體積密度之間的關(guān)系，圖1a～圖1c分別顯示巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石抗張強(qiáng)度、巖石彈性模量與聲波時(shí)差/密度(1/IP)呈明顯的負(fù)相關(guān)性；圖1d顯示巖石泊松比與聲波時(shí)差/密度(1/IP)間呈明顯的正相關(guān)性，并分別擬合出各自的相關(guān)公式。根據(jù)儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)的響應(yīng)機(jī)制，建立了儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)井計(jì)算模型。

圖1 巖石力學(xué)參數(shù)與聲波、密度間的關(guān)系

同時(shí)，基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線建立的巖石脆性指數(shù)計(jì)算方法[36]，獲取了烏爾禾組儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)的范圍(16.96～62.20)和平均值(37.90)。在此基礎(chǔ)上，研究了烏爾禾組儲(chǔ)層脆性指數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)、聲波、體積密度間的關(guān)系(圖2)，并建立儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)的測(cè)井計(jì)算模型。由圖可見，巖石脆性指數(shù)與靜態(tài)彈性模量呈明顯的正相關(guān)性。

圖2 脆性指數(shù)與彈性模量間的關(guān)系

1.2 地層孔隙壓力

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地層壓力對(duì)優(yōu)質(zhì)高效安全鉆井、儲(chǔ)層壓裂改造等具有重要的意義。目前，預(yù)測(cè)地層壓力的方法有多種，其中基于測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層孔隙壓力最為常用，又大致分為等效深度法、Eaton(伊頓法)和有效應(yīng)力法三種。前兩種方法需要建立正常壓實(shí)趨勢(shì)線，主要考慮聲波、電阻率、自然伽馬等單因素的影響；有效應(yīng)力法通過建立有效應(yīng)力與測(cè)井巖石物理響應(yīng)的關(guān)系預(yù)測(cè)地層孔隙壓力，該方法綜合考慮了多種因素的影響，可避免單因素導(dǎo)致的精度低、誤差大的問題[37]。利用地層孔隙壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相應(yīng)井段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸分析，可得到有效應(yīng)力計(jì)算模型

σe=0.00556DEPTH+0.09717AC+

11.2367lnGR-64.7978

(1)

式中：DEPTH為地層深度；AC為聲波時(shí)差值；GR為自然伽馬值。

基于測(cè)井資料和式(1)得到計(jì)算有效應(yīng)力值，與實(shí)測(cè)有效應(yīng)力作對(duì)比(圖3)可以看出，計(jì)算有效應(yīng)力值與實(shí)測(cè)有效應(yīng)力值非常接近，說(shuō)明模型具有較高的精度，能夠滿足工程需求?；谟行?yīng)力理論，結(jié)合密度測(cè)井資料，得到烏爾禾組儲(chǔ)層地層壓力計(jì)算公式

圖3 實(shí)測(cè)有效應(yīng)力值與計(jì)算有效應(yīng)力值間的關(guān)系

(2)

式中：σV為垂向應(yīng)力；H0為測(cè)井起始點(diǎn)深度；ρ0(h)為未測(cè)井段深度為h點(diǎn)的密度；ρ(h)為深度為h點(diǎn)的測(cè)井密度；g為重力加速度，取9.8 kg·m/s2。

1.3 地應(yīng)力

儲(chǔ)層地應(yīng)力是鉆井工程及壓裂工程所需的基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)研究區(qū)油氣勘探與開發(fā)具有重要意義。確定地應(yīng)力參數(shù)的方法有很多，其中基于水力壓裂資料反演是測(cè)量深部地層應(yīng)力最有效的方法，也是國(guó)際巖石力學(xué)測(cè)試技術(shù)委員會(huì)推薦的巖體應(yīng)力測(cè)量的主要方法之一[38]。該方法基于壓裂施工曲線得到地層的破裂壓力和閉合壓力，進(jìn)而計(jì)算得到某深度點(diǎn)地層水平最小主應(yīng)力和水平最大主應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合式(3)彈簧組合模型獲取該深度點(diǎn)的構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)，并獲得單井的地應(yīng)力剖面。利用該方法計(jì)算得到烏爾禾組儲(chǔ)層的沿最大主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)平均值分別為6.497×10-3和2.106×10-4，利用式(3)即可獲得該儲(chǔ)層的地應(yīng)力計(jì)算模型。

(3)

其中

(4)

式中：σH、σh分別為水平最大、最小主應(yīng)力；α為biot系數(shù)；εH、εh分別為沿最大主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)。

基于以上構(gòu)建的巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型、孔隙壓力計(jì)算模型和地應(yīng)力計(jì)算模型，結(jié)合測(cè)井資料，可得到單井烏爾禾組儲(chǔ)層段地質(zhì)力學(xué)剖面圖。圖4為瑪湖凹陷A井的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)剖面圖，綜合統(tǒng)計(jì)研究區(qū)已鉆井的單井計(jì)算結(jié)果，可得到研究區(qū)烏爾禾組儲(chǔ)層巖石單軸抗壓強(qiáng)度范圍為33～48MPa，抗張強(qiáng)度范圍為3.86～7.94MPa，彈性模量范圍為12016～19887MPa，泊松比范圍為0.30～0.34，脆性指數(shù)范圍為22～42，烏爾禾組儲(chǔ)層地層壓力主要范圍在1.07～1.41MPa/100m。烏爾禾組儲(chǔ)層主要以潛在正斷型地層為主，即，其中垂向應(yīng)力梯度范圍為2.35～2.36MPa/100m，水平最大主應(yīng)力梯度范圍為1.91～2.10MPa/100m，水平最小主應(yīng)力梯度范圍為1.71～1.86MPa/100m。

圖4 A井礫巖段地質(zhì)力學(xué)參數(shù)剖面圖(3675～3708m)

2 影響壓裂效果的主控因素分析

影響壓裂效果的儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)因素包括單軸抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、地層壓力、水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和水平應(yīng)力差等9個(gè)參數(shù)。壓裂效果評(píng)價(jià)主要采用米采液指數(shù)法，其值越高，壓裂效果越好，反之壓裂效果越差。從射孔壓裂段提取每段地層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，并分析影響因素與壓裂后的米采液指數(shù)間的關(guān)聯(lián)程度。由于不同的影響因素存在量綱和數(shù)量級(jí)的差異，因此需采用極值變換法對(duì)各影響因素的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即

(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)

(5)

式中:Xi(k)為第i個(gè)影響因素中的第k個(gè)值；Yi(k)為第i個(gè)影響因素中的第k個(gè)值的歸一化值；m、n分別為影響因素個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖5分析了歸一化后各影響因素與米采液指數(shù)之間的關(guān)系，可以看出，脆性指數(shù)、彈性模量與米采液指數(shù)呈正相關(guān)(圖5c、圖5d)，即影響因素值越大，米采液指數(shù)越大，儲(chǔ)層壓裂效果越好；單軸抗壓強(qiáng)度(圖5a)、抗張強(qiáng)度(圖5b)、泊松比(圖5e)、水平應(yīng)力差(圖5j)與米采液指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即影響因素值越大，米采液指數(shù)越小，儲(chǔ)層壓裂效果越差；地層壓力、水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力與米采液指數(shù)沒有明顯的相關(guān)性(圖5f～圖5h)。另外，圖中還可以看出，雖然各影響因素與米采液指數(shù)之間存在線性相關(guān)，但是相關(guān)系數(shù)較低，因此本文只是定性評(píng)價(jià)各影響因素對(duì)壓裂效果的影響，沒有進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

圖5 歸一化地質(zhì)力學(xué)參數(shù)與米采液指數(shù)間的關(guān)系

劉會(huì)虎等[27]、李玉偉等[31]、李小剛等[32]、龍章亮等[33]采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)影響煤層氣藏、頁(yè)巖氣藏、致密油藏和砂礫巖油藏壓裂效果的主控因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為灰色關(guān)聯(lián)法是分析影響儲(chǔ)層壓裂效果主控因素的有效方法。該方法是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，可通過求解未知的非線性問題中各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度，反映各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的重要性，從而確定各影響因素的主次。通過計(jì)算得到影響壓裂效果儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)影響因素的指標(biāo)權(quán)重，避免了人為經(jīng)驗(yàn)確定各影響因素指標(biāo)權(quán)重的主觀性。因此，本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定影響烏爾禾組儲(chǔ)層壓裂效果的地質(zhì)力學(xué)主控因素。

采用式(5)對(duì)各影響因素和米采液指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算與分析。利用式(6)計(jì)算各影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)

(6)

式中：ξi(k)為第i個(gè)影響因素的第k個(gè)參考點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|,為歸一化后第i個(gè)影響因素值(Xi(k))與參考數(shù)列值(X0(k))差值的絕對(duì)值；d為分辨系數(shù)，一般情況取0.5。

將米采液指數(shù)設(shè)為參考數(shù)列，各影響因素設(shè)為比較數(shù)列，通過計(jì)算位移差評(píng)價(jià)比較數(shù)列(各影響因素)與參考數(shù)列(米采液指數(shù))之間的相似程度。位移差越小，關(guān)聯(lián)度越接近1，則比較數(shù)列和參考數(shù)列形態(tài)越接近；反之，兩者的相似程度越低。

對(duì)各影響因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行均值化處理，所得平均值能夠定量反映各影響因素的關(guān)聯(lián)程度，計(jì)算公式為

(7)

式中：γi為第i個(gè)比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)度；n為該數(shù)列中參考點(diǎn)總數(shù)。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小排序可確定研究區(qū)烏爾禾組儲(chǔ)層各因素對(duì)壓裂效果的影響程度，結(jié)果如表2所示。可以看出，各影響因素的關(guān)聯(lián)度數(shù)值存在明顯差異，與關(guān)聯(lián)度對(duì)應(yīng)的各因素對(duì)壓裂效果的影響程度由大到小排序依次為水平應(yīng)力差、脆性指數(shù)、彈性模量、抗張強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力、地層壓力、泊松比。結(jié)合圖4可知，水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力、地層壓力、泊松比等4個(gè)影響因素與米采液指數(shù)的相關(guān)性較低，判別系數(shù)R2都較小(R2<0.12)，且對(duì)壓裂效果的影響排序偏后，因而綜合判斷這些因素對(duì)米采液指數(shù)影響不顯著，應(yīng)予以排除。因此，烏爾禾組儲(chǔ)層影響壓裂效果的地質(zhì)力學(xué)主控因素為水平應(yīng)力差、脆性指數(shù)、彈性模量、抗張強(qiáng)度以及單軸抗壓強(qiáng)度。

表2 各影響因素與米采液指數(shù)的關(guān)聯(lián)度及排序

3 儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)

可壓裂性評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)儲(chǔ)層的工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義，已有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，在構(gòu)建儲(chǔ)層壓裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)中常用層次分析法確定各因素的權(quán)重系數(shù)。唐穎等[39]、賴富強(qiáng)等[40]、崔春蘭等[41]、曾治平等[42]利用層次分析法構(gòu)建了考慮多種因素的可壓裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)，在針對(duì)頁(yè)巖氣、致密氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)中均取得較好的應(yīng)用效果。層次分析法的基本思想是將所要分析的問題層次化，即根據(jù)問題的性質(zhì)和所要達(dá)成的總目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，再通過兩兩比較得出各因素的重要性，建立判斷矩陣計(jì)算各因素對(duì)于目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[43]。利用層次分析法確定各因素的權(quán)重系數(shù)時(shí)，需要根據(jù)各因素間影響程度關(guān)系構(gòu)造判斷矩陣，在基于灰色關(guān)聯(lián)法確定各因素的影響程度排序時(shí)，可有效避免人為經(jīng)驗(yàn)對(duì)排序的影響。此外，需要對(duì)影響壓裂效果的地質(zhì)力學(xué)主控因素進(jìn)行正向或負(fù)向歸一化處理，使主控因素都變成正向參數(shù)，經(jīng)歸一化后的主控因素越大，米采液指數(shù)越大，儲(chǔ)層壓裂效果越好。其中脆性指數(shù)、彈性模量為正相關(guān)指標(biāo)，而水平應(yīng)力差、抗張強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度為負(fù)相關(guān)指標(biāo)。本文研究中因脆性指數(shù)的預(yù)測(cè)模型是基于彈性模量建立，因此將脆性指數(shù)和彈性模量歸為一個(gè)影響因素，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)只考慮其中之一即可。

根據(jù)上述方法，對(duì)確定影響烏爾禾組儲(chǔ)層壓裂效果的主控因素進(jìn)行對(duì)比，衡量各因素的重要性，并應(yīng)用數(shù)字1～9和對(duì)應(yīng)的倒數(shù)進(jìn)行標(biāo)度，確定各因素的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)了基于矩陣標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣(aij表述因素i對(duì)因素j的重要性值)，構(gòu)建的儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣如表3所示。在構(gòu)建判斷矩陣的基礎(chǔ)上，利用層次分析理論中的特征向量法計(jì)算各主控因素的權(quán)重向量(權(quán)重系數(shù))，得到了研究區(qū)水平應(yīng)力差、脆性指數(shù)、抗張強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度等因素的權(quán)重系數(shù)依次為0.41、0.29、0.20、0.10。

表3 儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣

基于層次分析法得到的各主控因素權(quán)重系數(shù)，建立烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)模型

XE=0.41Δσg+0.29Bg+0.20σtg+0.10σcg

(8)

式中：XE為儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)；Δσg為歸一化水平應(yīng)力差；Bg為歸一化脆性指數(shù)；σtg為歸一化抗張強(qiáng)度；σcg為歸一化單軸抗壓強(qiáng)度。

計(jì)算的儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)與米采液指數(shù)關(guān)系如圖6所示，可見，儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)與米采液指數(shù)呈明顯的正相關(guān)性，儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)值越大，儲(chǔ)層壓裂效果越好，米采液指數(shù)值越大，說(shuō)明構(gòu)建的權(quán)重系數(shù)具有一定的可靠性。

圖6 儲(chǔ)層壓裂工程分類評(píng)價(jià)指標(biāo)和米采液指數(shù)的關(guān)系

結(jié)合研究區(qū)已有資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為四類，從Ⅰ類到Ⅳ類儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)值逐漸降低：①Ⅰ類(壓裂效果最優(yōu))，XE≥0.6；②Ⅱ類(壓裂效果次優(yōu))，0.43≤XE<0.6；③Ⅲ類(壓裂效果較差)，0.3≤XE<0.43；④Ⅳ類(壓裂效果差)，XE<0.3。儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)與水平主應(yīng)力差、脆性指數(shù)、抗張強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度間關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?，儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)指標(biāo)與脆性指數(shù)呈正相關(guān)(圖7b)，與水平應(yīng)力差(圖7a)、抗張強(qiáng)度(圖7c)以及單軸抗壓強(qiáng)度(圖7d)呈負(fù)相關(guān)，即儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著水平主應(yīng)力差、抗張強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度的增加而減小，隨著脆性指數(shù)的增加而增加。

圖7 儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)與地質(zhì)力學(xué)參數(shù)關(guān)系

基于構(gòu)建的巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)計(jì)算模型和孔隙壓力、地應(yīng)力計(jì)算模型，獲取單井的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)剖面，結(jié)合構(gòu)建的儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，得到瑪湖凹陷B井儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)單井剖面圖(圖8)。由圖可見，B井儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)分類以Ⅱ、Ⅲ類為主，Ⅰ、Ⅳ類較少。該井有兩個(gè)射孔壓裂段，其中評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ類的壓裂效果明顯好于Ⅲ類，說(shuō)明儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)模型具有一定參考性。

圖8 B井的儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)剖面

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)基于室內(nèi)同步的物理實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)井計(jì)算模型，基于此模型并結(jié)合已鉆井壓裂、測(cè)井資料，建立了烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層地層孔隙壓力、地應(yīng)力剖面計(jì)算模型。

(2)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，從地質(zhì)力學(xué)角度對(duì)儲(chǔ)層壓裂效果影響因素的權(quán)重和目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行定量分析，明確了影響烏爾禾組儲(chǔ)層壓裂效果的地質(zhì)力學(xué)主控因素。

(3)運(yùn)用層次分析法確定了水平應(yīng)力差、脆性指數(shù)、抗張強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度等主控因素的權(quán)重系數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建了壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，得出研究區(qū)烏爾禾組砂礫巖儲(chǔ)層壓裂工程評(píng)價(jià)指標(biāo)與米采液指數(shù)呈明顯的正相關(guān)。