含氣頁(yè)巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)分析及壓裂可行性預(yù)測(cè)

1、    含氣頁(yè)巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)分析及壓裂可行性預(yù)測(cè)    劉義生【摘 要】泥頁(yè)巖地層中黏土礦物含量高，塑性強(qiáng)，儲(chǔ)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(yè)巖中油氣資源的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)程。為了提高泥頁(yè)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(cè)井學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科理論為指導(dǎo)，充分發(fā)揮測(cè)井資料分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)勢(shì)，對(duì)泥頁(yè)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(kāi)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)分析，并給出應(yīng)用實(shí)例?！娟P(guān)鍵詞】測(cè)井評(píng)價(jià);頁(yè)巖氣藏;巖石力學(xué)參數(shù);地應(yīng)力;

2、井壁穩(wěn)定性： p631.84： a： 2095-2457（2019）03-0088-002doi：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.03.0350 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(cè)井方法出發(fā)，主要利用聲波，密度，伽馬和成像測(cè)井等資料，分析確定一個(gè)動(dòng)態(tài)的巖石力學(xué)模型1-3。與實(shí)驗(yàn)室利用巖樣在異于實(shí)際地下的條件下直接測(cè)試獲得的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)相比，相對(duì)容易獲取的測(cè)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(diǎn)，用來(lái)評(píng)價(jià)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(duì)含氣頁(yè)巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，通過(guò)模型建立對(duì)壓裂可行

3、性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。1 巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)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(shí)所表現(xiàn)出的物理性質(zhì)，是地應(yīng)力計(jì)算和井眼穩(wěn)定性分析以及壓裂模擬的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)室通常是對(duì)巖心在模擬地下環(huán)境下進(jìn)行實(shí)測(cè)得到，精度高但取心工作繁瑣且成本高，性?xún)r(jià)比低。而基于物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)關(guān)系式計(jì)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(dòng)應(yīng)力作用在彈性介質(zhì)上產(chǎn)生應(yīng)變，并且未超過(guò)介質(zhì)的彈性極限時(shí)，則會(huì)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(dòng)力學(xué)特性有關(guān)。對(duì)于頁(yè)巖等tiv（transverseisotropywithverticalaxis）各向異性地層，巖石

4、在各種動(dòng)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(chēng)為巖石的動(dòng)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(chēng)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(dòng)、靜力學(xué)參數(shù)會(huì)有較大差異性。而且通常來(lái)說(shuō)，動(dòng)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(cè)井曲線計(jì)算得到8-9。計(jì)算的強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果顯示儲(chǔ)層和上覆泥巖層的巖石的強(qiáng)度（ucs）相對(duì)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，

5、主要由地殼內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖體的自重及其地?zé)帷⒌厍蜃赞D(zhuǎn)速度的變化等因素產(chǎn)生，且未受工程擾動(dòng)。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(píng)價(jià)，通常利用rft（重復(fù)地層測(cè)試儀）或mdt（模塊式地層動(dòng)態(tài)測(cè)試儀）等對(duì)已鉆井測(cè)量得到，也可試井獲得。其中鉆井溢流時(shí)當(dāng)量泥漿密度盡管點(diǎn)少且分散，但用來(lái)評(píng)價(jià)孔隙壓力更直接和可靠8。在欠壓實(shí)的砂泥巖剖面中，可基于測(cè)井或地震資料，憑借壓實(shí)理論的推導(dǎo)和運(yùn)算，建立連續(xù)的孔隙壓力剖面。對(duì)于本井而言，鉆穿的巖石是致密的頁(yè)巖及碳酸鹽，趨勢(shì)線的方

6、法并不能確定其孔隙壓力。對(duì)于這些巖層，孔隙壓力需要直接測(cè)量確定。由于本井沒(méi)有直接測(cè)量的數(shù)據(jù)，根據(jù)斯倫貝謝經(jīng)驗(yàn)確定本井地層壓力為正常孔隙壓力。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(cè)井或巖心樣品）和埋深通過(guò)積分計(jì)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h還可直接由漏失試驗(yàn)（xlot）、微壓裂或mdt測(cè)井測(cè)得，并以此來(lái)校準(zhǔn)利用密度測(cè)井曲線和z計(jì)算得到的主地應(yīng)力大小。最大水平主應(yīng)力h不能直接測(cè)量，利用測(cè)井資料計(jì)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(lái)大致標(biāo)

7、定h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(jì)算得到了本井主應(yīng)力。3 力學(xué)模型的驗(yàn)證及可壓性分析利用井壁穩(wěn)定性分析對(duì)上述確定的地應(yīng)力模型進(jìn)行驗(yàn)證，肯定了該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出井壁崩落的位置以及原應(yīng)力場(chǎng)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(chǔ)層的可壓性相對(duì)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(jì)儲(chǔ)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

8、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(chǔ)層段地應(yīng)力要小于上下隔層的地應(yīng)力，而儲(chǔ)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(shí)還對(duì)增生縫的高度有較好的控制作用。（3）通過(guò)模型預(yù)測(cè)的儲(chǔ)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。【參考文獻(xiàn)】1謝潤(rùn)成.川西坳陷須家河組探井地應(yīng)力解釋與井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)d.成都：成都理工大學(xué)，2009.2楊火海.頁(yè)巖氣藏井壁穩(wěn)定性研究d.成都：西南石油大學(xué)，2012.3劉厚彬.泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性研究d.成都：西南石油大學(xué)，2006.4鐘敬敏.春曉氣田群定向井井壁穩(wěn)定性研究d.成都：西南石油大學(xué)，2004.5黃榮蹲，陳勉，鄧金根，王康平，陳治喜.泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定力學(xué)與化學(xué)的耦合研究j.鉆井液與完井液，1995，12（3）：15-21，25.6尹祖龍，衣玉靜.鉆井工程當(dāng)中的測(cè)井資料應(yīng)用j.中國(guó)化工貿(mào)易，2014，6（26）：109-110.7王麗忱.頁(yè)巖氣藏巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)井評(píng)價(jià)