瑪131井區(qū)百口泉組礫巖儲集層可壓裂性評價

蔡文軍，馮永存，閆偉，蔣慶平，孟祥龍，劉凱

（1.中國石油大學(xué)（北京）a.石油工程學(xué)院；b.非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102200；2.中國石油 新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

水力壓裂作為一種有效的儲集層改造增產(chǎn)技術(shù)，在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中被廣泛應(yīng)用。但不同地區(qū)儲集層的物性差異巨大，同一區(qū)域的非常規(guī)儲集層也存在不同程度的差異。為了劃定目標(biāo)油層的工程甜點，在長期的非常規(guī)油氣藏開發(fā)實踐過程中，提出了各種各樣的可壓裂性模型。如基于楊氏模量和泊松比的巖石脆性計算模型[1]，就被廣泛用于非常規(guī)油氣田；也有學(xué)者通過引入斷裂韌性參數(shù)，構(gòu)建了新的可壓裂性模型[2]；針對四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，提出頁巖儲集層可壓裂性主要影響因素為頁巖脆性、斷裂韌性和天然弱面[3]；針對已有方法只能對儲集層近井地帶進(jìn)行評估的局限性，提出一種基于巖屑、巖心、井筒和儲集層多尺度參數(shù)的致密砂巖三維可壓裂性評價模型[4]；以大港探區(qū)滄東凹陷孔二段發(fā)育典型的陸相頁巖油為背景，提出的基于巖石脆性、天然裂縫、地應(yīng)力等因素的陸相頁巖油巖石可壓裂性模型[5]；在脆性指數(shù)模型的基礎(chǔ)上引入最小地應(yīng)力，形成的可壓裂性評價模型等[6]。儲集層可壓裂性評價模型經(jīng)歷了從單一的脆性指數(shù)評價到多因素綜合評價，再到基于地震數(shù)據(jù)的三維評價的發(fā)展歷程。盡管如此，大多數(shù)針對頁巖儲集層的可壓裂性評價方法通常忽視了三維地震數(shù)據(jù)和三維地質(zhì)模型，較難對整個區(qū)域的工程甜點進(jìn)行精細(xì)劃分和管理。

為探究小井距（100～150 m）壓裂在致密礫巖油藏開發(fā)中的適用性，亟需建立配套的致密儲集層可壓裂性評價模型，以優(yōu)選壓裂井位和壓裂層段。本文基于瑪131井區(qū)12口水平井的微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)知，儲集層裂縫發(fā)育與以彈性模量為主的脆性指數(shù)存在正相關(guān)的關(guān)系；同時，可壓裂性模型不僅能用于潛在層的探測，還能有效利用井間的應(yīng)力干擾作用，避免壓裂過程中的竄層現(xiàn)象。因此，本文優(yōu)選了彈性模量、泊松比、最小地應(yīng)力等地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，結(jié)合巖心、測井和地震資料，對研究區(qū)進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)建模，通過有限元的方法，采用孔隙-彈塑性模型，計算研究區(qū)的三維水平地應(yīng)力[7-13]，進(jìn)行儲集層可壓裂性評價，為研究區(qū)百口泉組礫巖儲集層壓裂提供依據(jù)。

1 油藏特征

瑪湖凹陷三疊系百口泉組埋深2 500～4 000 m，厚度為110～140 m，縱向上分為百三段、百二段和百一段，均有油層分布。油層總厚度為6～25 m，平均為12 m，單油層厚度為2～10 m。瑪131 井區(qū)位于瑪湖凹陷北斜坡區(qū)，東西長約3.8 km，南北寬約2.9 km，總面積約11 km2。研究區(qū)構(gòu)造簡單，總體呈南傾單斜，地層傾角4°，埋深由北部3 010 m加深到南部3 130 m，百三段頂部海拔由2 550 m 加深到2 670 m。該區(qū)域百三段和百二段油層厚度均較大，地面條件簡單，可進(jìn)行立體井網(wǎng)部署，具備大平臺實施條件。

2 致密礫巖儲集層特征

2.1 巖石特性

根據(jù)巖心鑄體薄片鑒定結(jié)果可知，瑪131 井區(qū)百口泉組砂礫巖儲集層儲集空間主要有粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔和微裂縫（圖1）。其中，粒內(nèi)溶孔占60.06%，粒間溶孔占33.20%，微裂縫占6.06%。根據(jù)物性分析資料可知，百口泉組孔隙度為7.7%～11.8%，滲透率為0.35～1.40 mD，屬于低孔低滲儲集層。礫石間的接觸面是力學(xué)弱面，礫石在外力作用下易沿礫石間接觸面發(fā)生錯動或滑移，使其在力學(xué)實驗中表現(xiàn)出偏塑性的特征[14]。

2.2 力學(xué)特征

針對瑪131 井區(qū)已鉆井儲集層取心，進(jìn)行了單軸、三軸抗壓強度實驗和抗拉強度實驗。制備39 塊巖心樣品用于單軸和三軸抗壓強度實驗，13 塊用于抗拉強度實驗的巖心，包括砂礫巖和泥巖2 種巖性，取心深度為3 062～3 070 m。實驗結(jié)果表明，巖心單軸抗壓強度基本在20～60 MPa，且大多位于30～60 MPa。圍壓條件下巖心抗壓強度增大，10～30 MPa 圍壓下抗壓強度均在100 MPa 以上。單軸條件下彈性模量基本在10～15 GPa，泊松比為0.20～0.25。在有圍壓的條件下，百口泉組儲集層平均彈性模量為21 GPa，泊松比為0.21。砂礫巖抗拉強度基本在2.5～5.0 MPa，泥巖抗拉強度平均為3.4 MPa，與單軸抗壓強度數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，單軸抗壓強度約為抗拉強度的8～13倍。根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，砂礫巖黏聚力基本為8～11 MPa，內(nèi)摩擦角大多在45°左右，抗剪切破壞能力差；褐色泥巖黏聚力大于20 MPa，內(nèi)摩擦角約為31°～36°。本次礫巖力學(xué)實驗所測得的彈性模量、泊松比等參數(shù)與文獻(xiàn)[15]可以相互驗證。

3 現(xiàn)場地應(yīng)力監(jiān)測

3.1 地應(yīng)力測試

利用流體注入診斷測試（DFIT）數(shù)據(jù)，可以確定現(xiàn)場地應(yīng)力在垂向上的變化，在高于地層破裂壓力情況下，以約2 m3/min 的小排量注入壓裂液后停泵，通過監(jiān)測井口自然壓降，獲得對應(yīng)的壓降曲線。DFIT 技術(shù)注入量相對較大（壓裂液約20 m3），測試中一般只記錄地面的壓力數(shù)據(jù)，忽略了管路、孔眼摩阻、壓裂裂縫附近地層孔隙壓力增加等對地應(yīng)力評價的影響。測試Ma1245井和Ma1252井共2口井（表1）。

表1 流體注入診斷測試結(jié)果Table 1.Results of diagnostic fluid injection tests

3.2 微地震監(jiān)測

分析Ma1248 井和Ma1252 井的裂縫長度和改造體積（產(chǎn)生的縫網(wǎng)體積大小）與脆性指數(shù)的關(guān)系，其中脆性指數(shù)是采用文獻(xiàn)［1］的模型計算得出。微地震監(jiān)測結(jié)果表明，壓裂過程中，在脆性指數(shù)大的區(qū)域，監(jiān)測到較多的微地震信號。當(dāng)脆性指數(shù)大于58%時，監(jiān)測到裂縫擴展長度為100～300 m，改造體積大于1.2×106m3。儲集層內(nèi)裂縫長度和改造體積與脆性呈正相關(guān)。

4 三維地應(yīng)力建模

上述巖石物性分析和巖石力學(xué)實驗表明，致密礫巖存在明顯的塑性變形，本文采用摩爾-庫倫彈塑性變形準(zhǔn)則來描述研究區(qū)的巖石變形狀態(tài)。

4.1 三維地質(zhì)力學(xué)建模方法

基于地震數(shù)據(jù)解釋得到研究區(qū)的構(gòu)造面，生成能夠真實反映構(gòu)造變化的地質(zhì)模型，接著確定彈性模量、泊松比等非均質(zhì)材料屬性，并建立三維孔隙壓力模型。通過構(gòu)建三維地質(zhì)力學(xué)模型，并采用孔隙-彈塑性模型計算三維地應(yīng)力，得到三維地應(yīng)力分布，采用有限的實測值來控制三維地應(yīng)力結(jié)果。對于深部巖石，需要考慮由孔隙流體均勻壓縮固體顆粒引起的體積應(yīng)變。本文使用的孔隙-彈塑性模型，通過有效應(yīng)力來分析孔隙流體的影響，具體計算公式如下：

4.2 三維屬性體模型

基于測井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)，通過克里金插值方法得到研究區(qū)的三維縱波速度，地震層速度數(shù)據(jù)用來約束數(shù)據(jù)體的空間橫向分布規(guī)律。結(jié)合室內(nèi)巖心測試結(jié)果，分別計算研究區(qū)的楊氏模量和泊松比等參數(shù)的三維分布規(guī)律。研究區(qū)儲集層的各種力學(xué)屬性在同一層位內(nèi)和不同層位間均呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。在單井孔隙壓力預(yù)測的基礎(chǔ)上，以地震層速度為約束條件，使用Eaton 法預(yù)測三維孔隙壓力[16]（圖2）。

5 結(jié)果與討論

5.1 原地應(yīng)力場

圖3 顯示了三維最大水平地應(yīng)力、三維最小水平地應(yīng)和三維上覆巖層壓力的最終計算結(jié)果。最大水平地應(yīng)力為52.64～72.73 MPa，中值為64.36 MPa；最小水平地應(yīng)為42.21～50.62 MPa，中值為45.50 MPa；上覆巖層壓力為70.59～76.32 MPa，中值為73.96 MPa。總體來看，上覆巖層壓力＞最大水平地應(yīng)力＞最小水平地應(yīng)力，示范區(qū)屬于正斷層控制范圍。

利用已有實測值對示范區(qū)地應(yīng)力的數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，通過DFIT技術(shù)獲得Ma1245井和Ma1252井的最大水平地應(yīng)力和最小水平地應(yīng)力，最大水平地應(yīng)力分別為68.25 MPa 和62.24 MPa，均處于三維最大水平地應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果范圍內(nèi)（52.64～72.73 MPa）；最小水平地應(yīng)力分別為49.16 MPa 和47.20 MPa，均處于三維最小水平地應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果范圍內(nèi)（42.21～50.62 MPa）。

5.2 三維可壓裂性分布特征

針對瑪湖油田的實際情況，采用了耦合彈性模量、泊松比和最小水平地應(yīng)力的可壓裂性評價模型，計算了可壓裂性指數(shù)F，F(xiàn)為0～1.0，F(xiàn)為1.0 的地層是水力壓裂的最佳選擇，F(xiàn)為0 的地層最不適合水力壓裂（圖4）。研究區(qū)儲集層的三維可壓裂性指數(shù)計算公式如下：

5.3 模型質(zhì)量控制

研究區(qū)的可壓裂性指數(shù)為0.38～0.91，提取了百三段和百二段可壓裂性指數(shù)橫向分布，對百三段的Ma1246井、Ma1252井等7口水平井的壓裂過程實施了微地震監(jiān)測，對百二段的Ma1241井、Ma1245井等5口水平井的壓裂過程實施了微地震監(jiān)測。對比了微地震監(jiān)測的裂縫擴展情況和百三段、百二段儲集層的可壓裂性指數(shù)分布情況（圖5、圖6）。同時，統(tǒng)計了12口水平井壓裂后近7 d 的平均日產(chǎn)油量。圖5 和圖6 中紅色和藍(lán)色橢圓圈分別突出了2 個平臺井周圍的可壓裂性指數(shù)分布情況，以及微地震裂縫擴展?fàn)顩r。各井裂縫展布平面圖顯示，被監(jiān)測的水平井裂縫擴展方向，規(guī)模和可壓裂性指數(shù)的計算結(jié)果十分吻合。

（1）整體來看，百三段和百二段均具有較好的可壓裂性，但可壓裂性指數(shù)分布不均。其中，百三段和百二段的可壓裂性指數(shù)分布剖面圖中的亮黃色部分為示范區(qū)裂縫易擴展的區(qū)域。

（2）百三段7 口水平井所在區(qū)域可壓裂性指數(shù)較一致，中間位置井監(jiān)測到更多裂縫信號，同時，由于Ma1252 井右下方區(qū)域可壓裂性指數(shù)較高，Ma1252 井在趾端形成長翼斷裂（圖5）。百二段的4口水平井呈現(xiàn)和百三段相似的裂縫擴展現(xiàn)象（圖6a），中間位置井監(jiān)測到更多裂縫信號，同時，由于Ma1245井右側(cè)區(qū)域可壓裂性指數(shù)較高，監(jiān)測到多條長翼裂縫信號（圖6b）。

（3）百二段的可壓裂性指數(shù)整體高于百三段。因此，與百三段相比，百二段更容易壓裂。當(dāng)百三段和百二段處于沒有應(yīng)力屏蔽的區(qū)域時，百三段在壓裂過程中容易出現(xiàn)竄層現(xiàn)象。

（4）統(tǒng)計研究區(qū)12 口水平井的平均日產(chǎn)油量，百三段的Ma1247 井、Ma1248 井、Ma1249 井、Ma1250 井和Ma1251 井位于平臺中部，平均日產(chǎn)油量均大于20.0 t，而位于平臺兩側(cè)的Ma1246 井和Ma1252 井，平均日產(chǎn)油量為16.2 t。百二段的Ma1242井、Ma1243井和Ma1244井位于平臺中部，平均日產(chǎn)油量大于9.5 t，而位于平臺兩側(cè)的Ma1241井和Ma1245井，平均日產(chǎn)油量為7.0 t。無論是百三段，還是百二段，與平臺兩側(cè)水平井相比，平臺中部區(qū)域水平井產(chǎn)量均較高，表明中部地區(qū)的水平井形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，井間應(yīng)力干擾可能是形成復(fù)雜縫網(wǎng)的主要原因。

（5）雖然百二段的可壓裂性指數(shù)分布整體高于百三段，但是百三段的水平井壓后平均日產(chǎn)油量均高于百二段，造成該現(xiàn)象的原因是百三段和百二段的儲量豐度具有層間差異。

盡管如此，研究區(qū)面積較小，而且百三段和百二段的可壓裂性指數(shù)均較高，現(xiàn)有數(shù)據(jù)暫時不足以支撐儲集層可壓裂性分級標(biāo)準(zhǔn)的建立。因此，需要進(jìn)一步統(tǒng)計和分析瑪湖131 井區(qū)的生產(chǎn)狀態(tài)，對該模型進(jìn)行優(yōu)化，并建立對應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)百口泉組上覆巖層壓力最大，最小水平地應(yīng)力最小，屬于正斷層控制范圍。

（2）采用了耦合彈性模量、泊松比和最小水平地應(yīng)力的可壓裂性評價模型，研究區(qū)百口泉組可壓裂性指數(shù)為0.38～0.91。

（3）對比研究區(qū)12 口水平井的微地震裂縫擴展情況、日產(chǎn)油量和儲集層可壓裂性指數(shù)，現(xiàn)有模型得到的可壓裂性指數(shù)能夠較為準(zhǔn)確解釋壓裂過程中的井間竄層現(xiàn)象和井間產(chǎn)量差異現(xiàn)狀，與研究區(qū)的實際生產(chǎn)現(xiàn)狀匹配度高，適用于礫巖油藏的開發(fā)。

符號注釋

B——脆性指數(shù)；

Bmax——最大脆性指數(shù)；

Bmin——最小脆性指數(shù)；

Bn——歸一化脆性指數(shù)；

D——模型本構(gòu)矩陣；

E——彈性模量，GPa；

Emax——最大彈性模量，GPa；

Emin——最小彈性模量，GPa；

En——歸一化彈性模量；

F——可壓裂性指數(shù)；

KT——巖石體積模量，MPa；

KS——巖石骨架體積模量，MPa；

S——最小水平地應(yīng)力，MPa；

Smax——最小水平地應(yīng)力最大值，MPa；

Smin——最小水平地應(yīng)力最小值，MPa；

Sn——歸一化最小水平地應(yīng)力；

ν——泊松比；

νmax——最大泊松比；

νmin——最小泊松比；

νn——歸一化泊松比；

α——比奧系數(shù)；

Δp——巖層壓力差，MPa；

Δσ——總應(yīng)力，MPa；

Δσ′——有效應(yīng)力，MPa；

Δε——巖石應(yīng)變，m。