葡萄花油田不同儲(chǔ)層破裂壓力標(biāo)定方法研究

陳映赫

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

1 葡萄花油田概述

葡萄花油田葡一組油層是松遼盆地北部大型河流三角洲沉積體系向南的延伸部分.經(jīng)研究表明，此類油田砂體發(fā)育窄小，連續(xù)性差，綜合調(diào)整挖潛難度大，影響了油田開發(fā)的整體效果.

研究泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，利用斷續(xù)砂體間發(fā)育的泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層為連接紐帶來(lái)改善砂體間的連通狀況，可為挖掘剩余油打下良好的基礎(chǔ).

1.1 巖性和物性特征

（1）巖性特點(diǎn)

據(jù)葡萄花油田密閉取心井及探井資料統(tǒng)計(jì)分析,該類儲(chǔ)層的粒度中值為0.05mm，分選因數(shù)為4.5，其中大部分巖樣為泥質(zhì)粉砂巖,泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為34.0%，可以將該類儲(chǔ)層定義為泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層.葡南油田泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的黏土礦物成分主要為高嶺石,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.6%；其次為伊利石和綠泥石，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.0%和25.2%.

1.1.1 儲(chǔ)層分布特征

葡萄花油田儲(chǔ)層沉積類型主要為水下分流河道沉積，沉積時(shí)的水動(dòng)力條件相對(duì)比較弱，環(huán)境比較穩(wěn)定.葡萄花油層的泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層與表內(nèi)儲(chǔ)層屬于同一水下沉積體系產(chǎn)物，是表內(nèi)儲(chǔ)層巖性向泥巖過(guò)渡類型砂體，是表內(nèi)儲(chǔ)層的自然延伸，因此，泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的沉積特征及分布特點(diǎn)與表內(nèi)儲(chǔ)層有著密切的關(guān)系.

按照泥質(zhì)粉砂巖對(duì)水驅(qū)開發(fā)的作用,可以把泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的分布分為3種類型：(1)砂體邊部型；(2)相對(duì)連片型；(3)獨(dú)立型.

1.1.2 開發(fā)特征

據(jù)葡南油田38口油井射開的66個(gè)總厚度為56.3m的泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的產(chǎn)液狀況分析表明,產(chǎn)液層有28個(gè),占射開泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的42.4%;產(chǎn)液層厚度為23.1m,占射開泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層厚度的41.0%;

1.2 破裂壓力概述

1.2.1 破裂壓力概念

地層破裂壓力(PB)定義為使地層產(chǎn)生水力裂縫或張開原有裂縫時(shí)的井底壓力,要實(shí)現(xiàn)水力加砂壓裂的前提條件是要有足夠的地面泵壓使井底目的層地層開裂.

1.2.2 破裂壓力的獲取途徑

水力壓裂是油氣井最常用的一種增產(chǎn)措施，而地層破裂壓力是壓裂設(shè)計(jì)和施工工藝的一項(xiàng)重要參數(shù)，該參數(shù)的正確與否，將關(guān)系到能否保證壓開地層等問(wèn)題.

1.2.3 地層破裂力學(xué)模型

壓裂作業(yè)時(shí)，地層破裂力學(xué)模型如圖1所示.此時(shí)，地層裂隙受地應(yīng)力與壓裂液共同作用.考慮深層水力壓裂主要是形成垂直裂縫，且裂縫穿透整個(gè)油層.地應(yīng)力與壓裂液應(yīng)力的最終有效合應(yīng)力在裂隙壁面上是拉應(yīng)力，當(dāng)其合成應(yīng)力強(qiáng)度因子K達(dá)到臨界值時(shí)，裂隙就開始失穩(wěn)延伸.

圖1 壓裂施工地層破裂模型

2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)裝置是從美國(guó)Phenix 公司引進(jìn)的三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，該裝置由下列幾部分組成：①加載框架；②圍壓系統(tǒng)；③孔隙壓力系統(tǒng)；④計(jì)算機(jī)采集和控制系統(tǒng)；⑤試驗(yàn)艙.

2.2 實(shí)驗(yàn)基本方法與過(guò)程

巖樣制備：對(duì)巖心軸向鉆取直徑為25mm的圓柱形試樣，圓柱表面必須保持光滑.把準(zhǔn)備好的巖樣放置在聚四氟乙烯制成的熱縮套內(nèi)，兩端安上帶有小孔的金屬端帽.

實(shí)驗(yàn)基本方法：上述制備成的巖樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)主要使用下列幾種方法:

(1)單軸壓縮試驗(yàn)；

(2)靜水加壓試驗(yàn)；

(3)三軸壓縮試驗(yàn).

2.3 巖石的抗剪強(qiáng)度

根據(jù)庫(kù)侖—納維葉 (Coulomb-Navior)強(qiáng)度準(zhǔn)則，巖石破壞時(shí)，剪切面上的剪切應(yīng)力τ，必須克服巖石固有的剪切強(qiáng)度τ0值(稱為粘聚力)加上作用于剪切面上的摩擦阻力μ·σ，即：

式中：μ—巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)，μ=tan(φ)；

φ—巖石的內(nèi)摩擦角(°)；

σ—剪切面上的正應(yīng)力(MPa).

通常巖石的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力，可用兩個(gè)以上不同圍壓下三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行確定.

將制備好的巖樣按要求裝在三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)艙.首先施加圍壓到設(shè)定值，然后加垂直載荷σ1至巖樣破壞，得到巖樣破壞時(shí)σ1和σ3值，于是在σ—τ坐標(biāo)系上畫出一個(gè)破壞時(shí)應(yīng)力莫爾圓，用相同(同一個(gè)巖體)巖樣，不同圍壓(σ3)和相應(yīng)垂直應(yīng)力(σ1)做巖樣破壞試驗(yàn)，又得到一個(gè)破壞應(yīng)力莫爾圓，依此可獲得一系列σ1和σ3巖樣破壞試驗(yàn)值，繪出一組破壞應(yīng)力圓.

2.4 巖石的抗拉強(qiáng)度

將一個(gè)薄圓盤試件沿其直徑方向上加載，在沿著加載直徑上分布著垂直于加載方向的拉伸應(yīng)力.圓盤的破裂是從圓的中心開始,并沿著加載直徑向上下兩個(gè)方向擴(kuò)展開來(lái).當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖樣的抗拉強(qiáng)度σt時(shí)，試件在加載點(diǎn)聯(lián)機(jī)上呈現(xiàn)清晰的破裂.巖石的抗張強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

式中：σt—巖石的抗張強(qiáng)度(MPa)；

P—巖盤破裂時(shí)的載荷(N)；

r0—圓盤半徑(mm)；

t—圓盤厚度(mm).

2.5 小結(jié)

針對(duì)葡I層各小層砂巖進(jìn)行了巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度分布在22.588-85.331MPa，楊氏模量分布在3579.8-9824.6MPa，泊松比分布在0.174-0.270，抗拉強(qiáng)度分布在1.27-2.19MPa.

3 地應(yīng)力計(jì)算及破裂壓力預(yù)測(cè)

3.1 地應(yīng)力計(jì)算

3.1.1 地應(yīng)力的研究意義

地應(yīng)力研究在油氣勘探開發(fā)中有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義及經(jīng)濟(jì)意義，地應(yīng)力剖面是地應(yīng)力研究的基礎(chǔ)圖件；它能直觀地反映地應(yīng)力場(chǎng)在縱向(不同深度和層位)上的變化規(guī)律，對(duì)于壓裂施工而言，施工排量、壓力、壓裂液的選擇、裂縫高度、寬度、壓裂選井、壓裂效果和壓裂方式等方面，都與油藏的地應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān).要進(jìn)行科學(xué)壓裂必須掌握詳盡的地應(yīng)力剖面和巖石力學(xué)參數(shù)剖面.

3.1.2 垂向應(yīng)力計(jì)算

瑞士地質(zhì)學(xué)家Heim認(rèn)為垂向地應(yīng)力σv是由上覆地層重力引起的，它是隨著地層密度和深度變化的，因此可用密度測(cè)井資料來(lái)求出垂向地應(yīng)力：

式中：h—地層埋藏深度（m）；

ρ(h)—地層密度隨地層深度變化的函數(shù)；

g—重力加速度.

3.2 破裂壓力預(yù)測(cè)模型

通常井壁巖石所受的應(yīng)力狀態(tài)可用徑向應(yīng)力σr、周向應(yīng)力 σθ、垂向應(yīng)力 σz及剪應(yīng)力 τz來(lái)表示.對(duì)于垂直井 τz=0，此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為{σr，σθ，σz}.

3.3 破裂壓力敏感性分析

破裂壓力和孔隙度呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨孔隙度和泊松比增大破裂壓力降低，但降低的幅度逐漸減??；和畢奧特系數(shù)呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨畢奧特系數(shù)增大破裂壓力增大，當(dāng)畢奧特系數(shù)達(dá)到1時(shí)，破裂壓力獲得最大值；破裂壓力和抗拉強(qiáng)度、上覆巖層壓力呈現(xiàn)正比關(guān)系，隨抗拉強(qiáng)度、上覆巖層壓力增大而增大，和孔隙壓力呈現(xiàn)反比關(guān)系，隨孔隙壓力增大破裂壓力減小.

3.4 地層破裂壓力預(yù)測(cè)值和壓裂施工曲線反演值對(duì)比分析

利用相對(duì)誤差，可以計(jì)算預(yù)測(cè)地應(yīng)力值與壓裂反演的地應(yīng)力值的符合率.相對(duì)誤差計(jì)算公式如下：

式中：δ—實(shí)際相對(duì)誤差；

x—預(yù)測(cè)值；

x*—壓裂反演值.

地層破裂壓力的預(yù)測(cè)值與反演值的相對(duì)誤差主要分布在0.14%和8.89%之間，個(gè)別合層壓裂小層誤差超過(guò)10%，分析其主要原因?yàn)楹蠈訅毫褧r(shí)只有一個(gè)或幾個(gè)破裂壓力低值層位被壓開，破裂壓力高值層位沒(méi)有別壓開，此時(shí)依然采用壓裂施工曲線反演未被壓開小層的破裂壓力，造成該反演值偏低，導(dǎo)致預(yù)測(cè)值與反演值誤差增大.上述結(jié)果說(shuō)明利用壓裂施工曲線反演地層破裂壓力，在合層壓裂層段應(yīng)用時(shí)會(huì)受到限制，造成一些破裂壓裂高值層預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤.破裂壓力預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)符合率超過(guò)91%，能夠滿足工程要求，較好的預(yù)測(cè)井下地層破裂壓力.

4 結(jié)論

葡萄花油田葡一組油層是松遼盆地北部大型河流三角洲沉積體系向南的延伸部分.經(jīng)研究表明，此類油田砂體發(fā)育窄小，連續(xù)性差，綜合調(diào)整挖潛難度大，影響了油田開發(fā)的整體效果.研究泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，利用斷續(xù)砂體間發(fā)育的泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層為連接紐帶來(lái)改善砂體間的連通狀況，可為挖掘剩余油打下良好的基礎(chǔ).實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)建立了垂直縫和水平縫破裂壓力預(yù)測(cè)模型，并討論了孔隙度、滲透率、巖石脆性、彈性、敏感性等參數(shù)對(duì)油層破裂壓力的影響規(guī)律，破裂壓力和孔隙度呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨孔隙度和泊松比增大破裂壓力降低，但降低的幅度逐漸減??；和畢奧特系數(shù)呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨畢奧特系數(shù)增大破裂壓力增大，當(dāng)畢奧特系數(shù)達(dá)到1時(shí)，破裂壓力獲得最大值；破裂壓力和抗拉強(qiáng)度、上覆巖層壓力呈現(xiàn)正比關(guān)系，隨抗拉強(qiáng)度、上覆巖層壓力增大而增大，和孔隙壓力呈現(xiàn)反比關(guān)系，隨孔隙壓力增大破裂壓力減小.

(2)建立了依據(jù)已實(shí)施壓裂井施工情況的反演儲(chǔ)層破裂壓力模型.并將破裂壓力預(yù)測(cè)模型和利用壓裂施工曲線反演破裂壓力的模型進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，二者相關(guān)性很好，誤差分布在0.14%至8.59%，符合率超過(guò)91%，模型精度滿足工程需要.

（3）葡萄花油層原始油藏壓力系數(shù)低，屬于欠壓油藏；油田壓力系統(tǒng)整體水平仍偏低，且不均衡，但經(jīng)過(guò)加強(qiáng)開發(fā)調(diào)整，地層壓力呈逐漸上升趨勢(shì)，壓力系統(tǒng)趨向合理.

（4）針對(duì)葡1層各小層砂巖進(jìn)行了巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度分布在22.588-85.331MPa，楊氏模量分布在3579.8-9824.6MPa，泊松比分布在0.174-0.270，抗拉強(qiáng)度分布在1.27-2.19MPa.

（5）針對(duì)葡1層各小層砂巖進(jìn)行了應(yīng)力敏感性試驗(yàn)，滲透率損害率分布在1.394%-5.999%，為弱應(yīng)力敏感性.在降壓過(guò)程中，脫落的細(xì)小顆粒隨著氣體的流動(dòng)發(fā)生了運(yùn)移，堵塞了大的孔喉通道，所以隨著有效應(yīng)力的減小，滲透率不斷減低.

（6）通過(guò)垂直縫和水平縫破裂壓力預(yù)測(cè)模型，討論了孔隙度、滲透率、巖石脆性、彈性、敏感性等參數(shù)對(duì)油層破裂壓力影響規(guī)律，破裂壓力和孔隙度呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨孔隙度和泊松比增大破裂壓力降低，但降低的幅度逐漸減小；和畢奧特系數(shù)呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，隨畢奧特系數(shù)增大破裂壓力增大，當(dāng)畢奧特系數(shù)達(dá)到1時(shí)，破裂壓力獲得最大值；破裂壓力和抗拉強(qiáng)度、上覆巖層壓力呈現(xiàn)正比關(guān)系，隨抗拉強(qiáng)度、上覆巖層壓力增大而增大，和孔隙壓力呈現(xiàn)反比關(guān)系，隨孔隙壓力增大破裂壓力減小.

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