葡萄花油田不同儲層破裂壓力標定方法研究

陳映赫

（東北石油大學 石油工程學院，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.經研究表明，此類油田砂體發育窄小，連續性差，綜合調整挖潛難度大，影響了油田開發的整體效果.

研究泥質粉砂巖儲層的地質特征，利用斷續砂體間發育的泥質粉砂巖儲層為連接紐帶來改善砂體間的連通狀況，可為挖掘剩余油打下良好的基礎.

1.1 巖性和物性特征

（1）巖性特點

據葡萄花油田密閉取心井及探井資料統計分析,該類儲層的粒度中值為0.05mm，分選因數為4.5，其中大部分巖樣為泥質粉砂巖,泥質質量分數平均為34.0%，可以將該類儲層定義為泥質粉砂巖儲層.葡南油田泥質粉砂巖儲層的黏土礦物成分主要為高嶺石,平均質量分數為33.6%；其次為伊利石和綠泥石，其質量分數分別為24.0%和25.2%.

1.1.1 儲層分布特征

葡萄花油田儲層沉積類型主要為水下分流河道沉積，沉積時的水動力條件相對比較弱，環境比較穩定.葡萄花油層的泥質粉砂巖儲層與表內儲層屬于同一水下沉積體系產物，是表內儲層巖性向泥巖過渡類型砂體，是表內儲層的自然延伸，因此，泥質粉砂巖儲層的沉積特征及分布特點與表內儲層有著密切的關系.

按照泥質粉砂巖對水驅開發的作用,可以把泥質粉砂巖儲層的分布分為3種類型：(1)砂體邊部型；(2)相對連片型；(3)獨立型.

1.1.2 開發特征

據葡南油田38口油井射開的66個總厚度為56.3m的泥質粉砂巖儲層的產液狀況分析表明,產液層有28個,占射開泥質粉砂巖儲層的42.4%;產液層厚度為23.1m,占射開泥質粉砂巖儲層厚度的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)定義為使地層產生水力裂縫或張開原有裂縫時的井底壓力,要實現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措施，而地層破裂壓力是壓裂設計和施工工藝的一項重要參數，該參數的正確與否，將關系到能否保證壓開地層等問題.

1.2.3 地層破裂力學模型

壓裂作業時，地層破裂力學模型如圖1所示.此時，地層裂隙受地應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，且裂縫穿透整個油層.地應力與壓裂液應力的最終有效合應力在裂隙壁面上是拉應力，當其合成應力強度因子K達到臨界值時，裂隙就開始失穩延伸.

圖1 壓裂施工地層破裂模型

2 抗壓強度實驗

2.1 實驗設備簡介

實驗裝置是從美國Phenix 公司引進的三軸巖石力學測試系統，該裝置由下列幾部分組成：①加載框架；②圍壓系統；③孔隙壓力系統；④計算機采集和控制系統；⑤試驗艙.

2.2 實驗基本方法與過程

巖樣制備：對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.把準備好的巖樣放置在聚四氟乙烯制成的熱縮套內，兩端安上帶有小孔的金屬端帽.

實驗基本方法：上述制備成的巖樣在實驗室內進行實驗時主要使用下列幾種方法:

(1)單軸壓縮試驗；

(2)靜水加壓試驗；

(3)三軸壓縮試驗.

2.3 巖石的抗剪強度

根據庫侖—納維葉 (Coulomb-Navior)強度準則，巖石破壞時，剪切面上的剪切應力τ，必須克服巖石固有的剪切強度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—巖石的內摩擦系數，μ=tan(φ)；

φ—巖石的內摩擦角(°)；

σ—剪切面上的正應力(MPa).

通常巖石的內摩擦角、內聚力，可用兩個以上不同圍壓下三軸壓縮強度試驗進行確定.

將制備好的巖樣按要求裝在三軸巖石力學測試系統試驗艙.首先施加圍壓到設定值，然后加垂直載荷σ1至巖樣破壞，得到巖樣破壞時σ1和σ3值，于是在σ—τ坐標系上畫出一個破壞時應力莫爾圓，用相同(同一個巖體)巖樣，不同圍壓(σ3)和相應垂直應力(σ1)做巖樣破壞試驗，又得到一個破壞應力莫爾圓，依此可獲得一系列σ1和σ3巖樣破壞試驗值，繪出一組破壞應力圓.

2.4 巖石的抗拉強度

將一個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方向擴展開來.當拉應力達到巖樣的抗拉強度σt時，試件在加載點聯機上呈現清晰的破裂.巖石的抗張強度可按下式計算：

式中：σt—巖石的抗張強度(MPa)；

P—巖盤破裂時的載荷(N)；

r0—圓盤半徑(mm)；

t—圓盤厚度(mm).

2.5 小結

針對葡I層各小層砂巖進行了巖石力學參數試驗，抗壓強度分布在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，抗拉強度分布在1.27-2.19MPa.

3 地應力計算及破裂壓力預測

3.1 地應力計算

3.1.1 地應力的研究意義

地應力研究在油氣勘探開發中有著十分重要的現實意義及經濟意義，地應力剖面是地應力研究的基礎圖件；它能直觀地反映地應力場在縱向(不同深度和層位)上的變化規律，對于壓裂施工而言，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，都與油藏的地應力狀態密切相關.要進行科學壓裂必須掌握詳盡的地應力剖面和巖石力學參數剖面.

3.1.2 垂向應力計算

瑞士地質學家Heim認為垂向地應力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，因此可用密度測井資料來求出垂向地應力：

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；

g—重力加速度.

3.2 破裂壓力預測模型

通常井壁巖石所受的應力狀態可用徑向應力σr、周向應力 σθ、垂向應力 σz及剪應力 τz來表示.對于垂直井 τz=0，此時應力狀態可簡化為{σr，σθ，σz}.

3.3 破裂壓力敏感性分析

破裂壓力和孔隙度呈現冪函數關系，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；和畢奧特系數呈現冪函數關系，隨畢奧特系數增大破裂壓力增大，當畢奧特系數達到1時，破裂壓力獲得最大值；破裂壓力和抗拉強度、上覆巖層壓力呈現正比關系，隨抗拉強度、上覆巖層壓力增大而增大，和孔隙壓力呈現反比關系，隨孔隙壓力增大破裂壓力減小.

3.4 地層破裂壓力預測值和壓裂施工曲線反演值對比分析

利用相對誤差，可以計算預測地應力值與壓裂反演的地應力值的符合率.相對誤差計算公式如下：

式中：δ—實際相對誤差；

x—預測值；

x*—壓裂反演值.

地層破裂壓力的預測值與反演值的相對誤差主要分布在0.14%和8.89%之間，個別合層壓裂小層誤差超過10%，分析其主要原因為合層壓裂時只有一個或幾個破裂壓力低值層位被壓開，破裂壓力高值層位沒有別壓開，此時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，導致預測值與反演值誤差增大.上述結果說明利用壓裂施工曲線反演地層破裂壓力，在合層壓裂層段應用時會受到限制，造成一些破裂壓裂高值層預測結果出現錯誤.破裂壓力預測模型的預測符合率超過91%，能夠滿足工程要求，較好的預測井下地層破裂壓力.

4 結論

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.經研究表明，此類油田砂體發育窄小，連續性差，綜合調整挖潛難度大，影響了油田開發的整體效果.研究泥質粉砂巖儲層的地質特征，利用斷續砂體間發育的泥質粉砂巖儲層為連接紐帶來改善砂體間的連通狀況，可為挖掘剩余油打下良好的基礎.實驗結論如下：

(1)建立了垂直縫和水平縫破裂壓力預測模型，并討論了孔隙度、滲透率、巖石脆性、彈性、敏感性等參數對油層破裂壓力的影響規律，破裂壓力和孔隙度呈現冪函數關系，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；和畢奧特系數呈現冪函數關系，隨畢奧特系數增大破裂壓力增大，當畢奧特系數達到1時，破裂壓力獲得最大值；破裂壓力和抗拉強度、上覆巖層壓力呈現正比關系，隨抗拉強度、上覆巖層壓力增大而增大，和孔隙壓力呈現反比關系，隨孔隙壓力增大破裂壓力減小.

(2)建立了依據已實施壓裂井施工情況的反演儲層破裂壓力模型.并將破裂壓力預測模型和利用壓裂施工曲線反演破裂壓力的模型進行實際應用，二者相關性很好，誤差分布在0.14%至8.59%，符合率超過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低，屬于欠壓油藏；油田壓力系統整體水平仍偏低，且不均衡，但經過加強開發調整，地層壓力呈逐漸上升趨勢，壓力系統趨向合理.

（4）針對葡1層各小層砂巖進行了巖石力學參數試驗，抗壓強度分布在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，抗拉強度分布在1.27-2.19MPa.

（5）針對葡1層各小層砂巖進行了應力敏感性試驗，滲透率損害率分布在1.394%-5.999%，為弱應力敏感性.在降壓過程中，脫落的細小顆粒隨著氣體的流動發生了運移，堵塞了大的孔喉通道，所以隨著有效應力的減小，滲透率不斷減低.

（6）通過垂直縫和水平縫破裂壓力預測模型，討論了孔隙度、滲透率、巖石脆性、彈性、敏感性等參數對油層破裂壓力影響規律，破裂壓力和孔隙度呈現冪函數關系，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；和畢奧特系數呈現冪函數關系，隨畢奧特系數增大破裂壓力增大，當畢奧特系數達到1時，破裂壓力獲得最大值；破裂壓力和抗拉強度、上覆巖層壓力呈現正比關系，隨抗拉強度、上覆巖層壓力增大而增大，和孔隙壓力呈現反比關系，隨孔隙壓力增大破裂壓力減小.

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