牟春國 李 達(dá) 呂 楊 張家富 吳明松

（1.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠）

蘇里格氣田西區(qū)儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用研究

牟春國1李 達(dá)1呂 楊2張家富1吳明松1

（1.中國石油長慶油田分公司蘇里格氣田研究中心2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠）

對(duì)蘇里格氣田西區(qū)砂巖、泥巖巖石力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了儲(chǔ)層砂巖、泥巖的抗張強(qiáng)度、靜動(dòng)態(tài)彈性模量、靜動(dòng)態(tài)泊松比、巖石地應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)。通過巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、施工排量、縫長等因素對(duì)壓裂縫高的影響研究表明：隨儲(chǔ)層與隔層地應(yīng)力差和巖石斷裂韌性增加，壓裂縫高呈曲線和直線下降；隨著巖石彈性模量和泊松比增加，壓裂縫高呈曲線和直線增加；隨著施工排量和半縫長增加，壓裂縫高呈直線增加?，F(xiàn)場應(yīng)用研究中，根據(jù)蘇里格氣田西區(qū)巖石力學(xué)和地應(yīng)力特征及其對(duì)壓裂縫高的影響，優(yōu)化了施工排量、加砂規(guī)模和半縫長，有效控制了縫高延伸，壓裂避開了水層，獲得了蘇里格氣田避水壓裂開發(fā)的良好效果。圖5表3參7

蘇里格氣田巖石力學(xué)地應(yīng)力壓裂控縫高避水壓裂

0 引言

蘇里格氣田西區(qū)開發(fā)目前突出的矛盾是儲(chǔ)層產(chǎn)水制約了開發(fā)效果的提高，在壓裂改造時(shí)盡量避免溝通水層是壓裂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。與儲(chǔ)層壓裂改造相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)主要有巖石的抗張強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、地應(yīng)力等，它們是影響裂縫幾何形態(tài)的主要因素特別是裂縫高度的影響尤為重要，也是合理設(shè)計(jì)壓裂改造方案的基礎(chǔ)參數(shù)[1]。

本文從實(shí)驗(yàn)研究入手，測定了蘇格里氣田西區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)，分析探討了巖石力學(xué)參數(shù)和儲(chǔ)層與隔層地應(yīng)力差及施工排量和壓裂縫長等因素對(duì)壓裂縫高的影響，并根據(jù)蘇里格氣田西區(qū)巖石力學(xué)和儲(chǔ)層與隔層地應(yīng)力差異特征及其對(duì)壓裂縫高的影響，進(jìn)行了施工排量、加砂規(guī)模及縫長的優(yōu)化研究，從而有效控制了壓裂縫高，實(shí)現(xiàn)了該氣田避水壓裂的有效開發(fā)。

1 巖石力學(xué)性質(zhì)研究

巖石力學(xué)性質(zhì)及其參數(shù)特征是進(jìn)行油氣井鉆探設(shè)計(jì)、制定儲(chǔ)層改造措施和方案設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[2]。目前，研究巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的方法主要有兩種：①在實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖樣進(jìn)行實(shí)測；②用地球物理測井資料求取巖石力學(xué)參數(shù)。研究的巖石力學(xué)參數(shù)主要有抗張強(qiáng)度、靜動(dòng)態(tài)彈性模量及泊松比、儲(chǔ)層與隔層地應(yīng)力等。

1.1 巖石抗張強(qiáng)度

巖石抗張強(qiáng)度是巖樣在單軸拉伸條件下達(dá)到破壞時(shí)的極限應(yīng)力，可利用巴西劈裂試驗(yàn)法求取，即沿著圓柱體直徑方向施加集中載荷，試件受力后沿受力的直徑方向裂開。巖石抗張強(qiáng)度在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。

采用上述方法共進(jìn)行了蘇里格西區(qū)儲(chǔ)層8組巖石試樣的測試，測試得出儲(chǔ)層巖石的抗張強(qiáng)度大小為1.42～9.67 MPa，砂巖平均為3.08 MPa，泥巖平均為5.06 MPa，砂巖抗張強(qiáng)度明顯低于泥巖。

1.2 巖石靜態(tài)彈性模量及靜態(tài)泊松比

通過三軸抗壓實(shí)驗(yàn)可以獲得蘇里格氣田西區(qū)巖石試件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，典型曲線如圖1所示，通過此曲線可求得巖石的三軸抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比。

圖1 三軸條件下巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

蘇里格西區(qū)砂巖靜態(tài)彈性模量為2068～33194 MPa，平均為18704 MPa；靜態(tài)泊松比是0.095～0.435，平均0.1954。泥巖靜態(tài)彈性模量是5443～38448 MPa，平均25100 MPa；靜態(tài)泊松比是0.127～0.400，平均0.2512。

1.3 巖石動(dòng)態(tài)彈性模量及動(dòng)態(tài)泊松比

根據(jù)波動(dòng)理論，由巖石的密度、縱波時(shí)差、橫波時(shí)差可以計(jì)算出動(dòng)態(tài)泊松比和動(dòng)態(tài)彈性模量等彈性力學(xué)參數(shù)值[3]。

通過計(jì)算，蘇里格西區(qū)砂巖動(dòng)態(tài)彈性模量平均為37193.9 MPa，動(dòng)態(tài)泊松比平均為0.2；泥巖動(dòng)態(tài)彈性模量平均為56747.9 MPa，動(dòng)態(tài)泊松比平均為0.26。

1.4 巖石地應(yīng)力

通過巖心測試，蘇里格西區(qū)砂巖的破裂壓力平均為47.34 MPa；泥巖的破裂壓力平均為57.47 MPa；蘇里格西區(qū)泥巖與砂巖的平均破裂壓力差為10.15 MPa，由砂巖的抗張強(qiáng)度平均為3.08 MPa，泥巖的抗張強(qiáng)度平均為5.06 MPa，可得砂泥巖的最小水平地應(yīng)力差為8.15 MPa。

根據(jù)蘇里格氣田西區(qū)10口井的測井資料所計(jì)算出的泥巖與砂巖之間的平均最小地應(yīng)力差為7.32 MPa，與通過巖心測試計(jì)算得到的平均最小地應(yīng)力差值8.15 MPa比較接近。

2 巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)壓裂縫高的影響

2.1 單因素對(duì)壓裂縫高的影響

對(duì)壓裂縫高影響的巖石力學(xué)因素主要有[5-6]：儲(chǔ)層與隔層最小地應(yīng)力差、砂巖的彈性模量、泊松比以及遮擋層斷裂韌性。

通過研究，得出了蘇里格氣田西區(qū)儲(chǔ)層各巖石力學(xué)因素變化對(duì)井底圧裂縫高的影響情況，如圖2所示。

從圖2可以看出，蘇里格氣田西區(qū)儲(chǔ)層巖石力學(xué)與圧裂縫高有如下關(guān)系特點(diǎn)：①隨著儲(chǔ)層與遮擋層之間的地應(yīng)力差增加，裂縫高度呈曲線下降；隨著彈性模量增加，裂縫高度呈曲線增加；隨著泊松比增加，裂縫高度呈直線稍有增加；隨著遮擋層斷裂韌性增加，裂縫高度呈直線稍有下降；②儲(chǔ)層與隔層的地應(yīng)力差、彈性模量對(duì)壓裂縫高的影響較大，是影響裂縫高度變化的主要影響因素；巖石泊松比、遮擋層斷裂韌性對(duì)壓裂縫高的影響較小，是次要影響因素；③蘇里格西區(qū)儲(chǔ)層巖石與遮擋層的地應(yīng)力差集中在4～9 MPa之間，當(dāng)?shù)貞?yīng)力差在4～6 MPa時(shí)，隨著地應(yīng)力差增加，壓裂縫高迅速下降；當(dāng)?shù)貞?yīng)力差＞6 MPa時(shí)，地應(yīng)力差變化對(duì)縫高的影響程度下降；④蘇里格西區(qū)儲(chǔ)層巖石彈性模量集中在16000～36000 MPa之間。

圖2 各巖石力學(xué)因素對(duì)縫高的影響

2.2 雙因素對(duì)壓裂縫高的影響

通過研究，得出了蘇里格氣田西區(qū)儲(chǔ)層巖石在不同地應(yīng)力差條件下，彈性模量、施工排量、單翼縫長變化對(duì)壓裂縫高的影響，如圖3所示。

從圖3可以看出：①隨著彈性模量、施工排量、單翼縫長的增大，壓裂縫高均有顯著增加；彈性模量與裂縫高度成呈曲線型變化，施工排量、單翼縫長與裂縫高度呈直線變化；②遮擋層與儲(chǔ)層之間的地應(yīng)力差在小于6～7 MPa左右時(shí)，彈性模量、施工排量、單翼縫長變化對(duì)壓裂縫高的影響明顯。

圖3 各因素在不同地應(yīng)力差條件下對(duì)縫高的影響

3 巖石力學(xué)參數(shù)在壓裂改造中的應(yīng)用

3.1 巖石力學(xué)參數(shù)在壓裂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

把研究得出的巖石力學(xué)參數(shù)及其對(duì)壓裂縫高的影響規(guī)律應(yīng)用到壓裂設(shè)計(jì)中去，優(yōu)化壓裂施工規(guī)模、裂縫幾何形態(tài)和施工參數(shù)。下面以蘇47-X井為例說明巖石力學(xué)參數(shù)性質(zhì)研究在壓裂改造設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

首先應(yīng)用分層地應(yīng)力剖面分析軟件導(dǎo)入單井測井?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算單井的巖石力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出的巖石力學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)單井壓裂施工規(guī)模及施工參數(shù)的確定。巖石力學(xué)參數(shù)見表1，地應(yīng)力分層數(shù)據(jù)和地應(yīng)力剖面圖見表2和圖4。

從表1可以看出，蘇47-X井盒7、盒8和山2段的砂巖層段均屬于中等硬度類型的砂巖。盒7、盒8上段彈性模量和裂縫高度延伸較小，應(yīng)根據(jù)砂體厚度、隔層應(yīng)力遮擋情況適當(dāng)提高施工排量；盒8下段、山1段彈性模量和裂縫高度延伸較大，應(yīng)根據(jù)砂體厚度、隔層應(yīng)力遮擋情況適當(dāng)降低施工排量。

由表2和圖4可以看出，蘇47-X井改造層段盒7段與上下泥巖遮擋層最小水平地應(yīng)力差為5～11 MPa，盒8上段最小地應(yīng)力差為8～16 MPa，儲(chǔ)層與泥巖地應(yīng)力遮擋較好，且儲(chǔ)層砂體厚度較大，可考慮適當(dāng)加大施工規(guī)模，提高施工排量；山1段最小地應(yīng)力差為7～11 MPa，儲(chǔ)層與泥巖地應(yīng)力遮擋較好，但儲(chǔ)層砂體厚度較小，考慮應(yīng)該適當(dāng)降低施工規(guī)模和施工排量；盒8下段最小地應(yīng)力差為3～9 MPa，與上部泥巖遮擋層應(yīng)力差較小，且泥巖遮擋層較薄，裂縫易上延，但儲(chǔ)層砂體厚度較大，因此應(yīng)考慮適當(dāng)加大施工規(guī)模，降低施工排量。

表1 蘇47-X井巖石力學(xué)參數(shù)

表2 蘇47-X井地應(yīng)力分層數(shù)據(jù)

圖4 蘇47-X井地應(yīng)力剖面分析圖

綜合以上分析，結(jié)合軟件模擬計(jì)算，合理設(shè)計(jì)了蘇47-X的施工規(guī)模及施工參數(shù)，表3為該井現(xiàn)場施工參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)比表。從表3可看出，蘇47-X井現(xiàn)場施工參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)較為一致，而且取得了較好的試氣產(chǎn)量，說明該井的壓裂改造方案設(shè)計(jì)較為合理。

表3 蘇47-X井施工參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

該井投產(chǎn)初期產(chǎn)氣量為2.635×104m3/d，套壓為26.3MPa，生產(chǎn)200余天，目前產(chǎn)氣量為1.832×104m3/d，套壓為24.2 MPa，套壓僅下降2.1 MPa，該井生產(chǎn)平穩(wěn)，可以較好的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)在控縫高避水壓裂試驗(yàn)中的應(yīng)用控制壓裂縫高可以通過控制裂縫凈壓力來實(shí)現(xiàn)，控制裂縫凈壓力的方法主要有降低壓裂液的黏度、控制壓裂規(guī)模和施工排量。根據(jù)此思路，通過優(yōu)選低黏度壓裂液體系、優(yōu)化壓裂規(guī)模和施工參數(shù)，進(jìn)行了5口不同層含水氣井的控縫高避水壓裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)合巖石力學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果對(duì)施工規(guī)模和施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了較好的壓裂效果，其中2口井未見出水，3口井產(chǎn)水量比鄰井產(chǎn)水量大大降低。

如圖5所示，控縫高避水壓裂井蘇48-A-B井在壓裂改造的含氣層（盒8層）下方約8 m距離有一個(gè)氣水層，壓裂時(shí)要避免裂縫竄到該氣水層，而且從該井的應(yīng)力分析圖上可以看出，改造儲(chǔ)層與氣水層間的應(yīng)力遮擋較差，因此在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低施工規(guī)模和施工排量。

圖5 蘇48-A-B井測井解釋及儲(chǔ)層地應(yīng)力剖面解釋對(duì)照圖

該井設(shè)計(jì)施工規(guī)模31m3，設(shè)計(jì)施工排量2.2～2.4m3/ min，設(shè)計(jì)砂比23.7%，現(xiàn)場施工參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，同時(shí)應(yīng)用了低黏度、低密度的超級(jí)胍膠壓裂液體系，壓裂改造后，該井試氣未見出水，試氣無阻約6.3×104m3/d，取得了較好的控水效果。

對(duì)該井進(jìn)行了施工壓力擬合，擬合裂縫凈壓力為8.7 MPa，說明該井凈壓力控制較好，達(dá)到了較好的控制裂縫高度延伸的目的。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）蘇里格西區(qū)巖石的抗張強(qiáng)度砂巖平均為3.08 MPa，泥巖平均為5.06 MPa，巖石的抗張強(qiáng)度較低；蘇里格西區(qū)砂巖靜態(tài)彈性模量平均為18704 MPa；靜態(tài)泊松比是平均為0.1954，為中等硬度類型的砂巖；蘇里格西區(qū)泥巖與砂巖的平均應(yīng)力差為8.15 MPa，地應(yīng)力差較大，有利于水力壓裂造縫。

（2）遮擋層與儲(chǔ)層之間的最小地應(yīng)力差對(duì)裂縫高度的影響最大，地應(yīng)力差每增加1 MPa，裂縫高度增加2～10 m；巖石的彈性模量影響其次，彈性模量每增加1000 MPa，裂縫高度增加約0.5～1.5 m；施工規(guī)模和施工排量的影響相對(duì)較小，在常規(guī)改造規(guī)模和施工排量下，裂縫高度變化約1～6 m。

（3）實(shí)際壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)層厚度小于8 m、上下遮擋層與儲(chǔ)層之間的地應(yīng)力差小于6 MPa，而巖石的彈性模量大于25000 MPa，就應(yīng)該選擇低稠度系數(shù)和低流態(tài)指數(shù)的壓裂液，采用小排量施工，同時(shí)控制施工規(guī)模。

（4）將巖石力學(xué)性質(zhì)研究成果應(yīng)用到壓裂設(shè)計(jì)中，合理設(shè)計(jì)施工規(guī)模和施工排量等參數(shù)，能有效控制壓裂縫高的延伸，獲得避開水層壓裂的良好效果。

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（修改回稿日期2014-08-09編輯文敏）

牟春國，男，1981年出生，工程師；2005年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，2008年獲西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位；現(xiàn)主要從事油氣井增產(chǎn)工藝方面的工作。地址：（710018）陜西西安市未央?yún)^(qū)鳳城四路73號(hào)長慶蘇里格大廈A座1415號(hào)。電話：（029）86978559。E-mail：xueyuzhaoyuan@126.com