劉坤, 孫建孟, 陳心宇

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院, 山東 青島 266580;2.中國石油川慶鉆探國際工程公司, 四川 成都 610051)

0 引 言

致密油儲層由于其物性較差,一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能極低,現(xiàn)場多采用水平井加體積壓裂的方式進行儲層改造[1]。儲層的可壓性是進行壓裂施工評估的關鍵要素,儲層的可壓性越好,儲層也就越易形成復雜的裂縫網(wǎng)絡,并獲得較大的改造體積。儲層的可壓性分為近井可壓性和遠井可壓性。國內外研究中對儲層可壓性的評價幾乎全部局限于近井筒的測井探測深度范圍,并利用脆性指數(shù)表征儲層可壓性。一些學者認為脆性指數(shù)法對影響因素考慮不夠全面,因此,綜合利用脆性指數(shù)和斷裂韌性表征可壓性[2-5]。由于基于測井參數(shù)表征的儲層可壓性只代表近井筒儲層的特征,不能反映遠井筒的可壓性情況。因此,一些學者利用壓裂施工曲線反求巖石力學參數(shù)[6-8],進而為評價遠井可壓性奠定了基礎。

本文針對水平井致密油儲層,研究其分段多簇射孔壓裂的可壓性情況。利用測井資料,求取脆性指數(shù)和斷裂韌性,得到近井可壓性指數(shù);基于壓裂施工曲線,反求各壓裂段的巖石力學參數(shù),從而得到遠井脆性指數(shù),同時利用地層破裂耗能表征地層破壞的難易程度,綜合遠井脆性指數(shù)和破裂耗能構建遠井可壓性指數(shù),并分別與儲層改造體積作相關分析,對壓前預測和壓后評估有很大的指導意義。

1 近井可壓性評價研究

1.1 近井脆性指數(shù)評價研究

國內外學者多利用脆性指數(shù)表征巖石的可壓性,并用于指導儲層的壓裂施工[9]。李慶輝[10]對現(xiàn)有脆性指數(shù)的計算方法總結了20種,測井中常用聲波法和礦物組分法。

Rickman等[11]提出了根據(jù)彈性模量和泊松比量化表征巖石儲層的脆性指數(shù)的計算公式,泊松比指示巖石受力后抵抗破壞的能力,彈性模量指示巖石破裂后維持裂縫的能力,彈性模量越高,泊松比越低,脆性越強。聲波法測量結果為動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比,需要轉化為靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比。

(1)

(2)

(3)

式中,IB為近井脆性指數(shù),無量綱;E為靜態(tài)彈性模量,GPa;Emax和Emin分別為研究層段最大和最小靜態(tài)彈性模量,GPa;ν為靜態(tài)泊松比,無量綱;νmax和νmin分別為研究層段最大和最小靜態(tài)泊松比,無量綱。礦物組分法[12]利用巖石中脆性礦物占總礦物量的百分比表征脆性指數(shù),初期僅石英被當成脆性礦物,后經(jīng)進一步的研究表明除石英外還包括長石、云母和碳酸鹽礦物等。

IB=(WQFR+WCarb)/WTot

(4)

式中,WQFR為石英、長石和云母的總含量;WCarb為碳酸鹽礦物含量;WTot為總礦物量。

1.2 近井斷裂韌性評價研究

斷裂韌性是一項表征儲層改造難易程度的重要因素,反映壓裂過程中,裂縫形成之后維持裂縫向前延伸的能力[2]。對于Ⅰ型裂縫,基于Irwin斷裂力學理論[13],當應力強度因子KI達到某一臨界值KIC時,裂縫向前擴展,其中,KIC為斷裂韌性,其值越小,水力壓裂造縫能力越強,越有利于水力壓裂[3]。當?shù)貙訑嗔秧g性較小時,不在水力延伸路徑上的天然裂縫極有可能發(fā)生剪切破壞,一旦水力裂縫有效地溝通天然裂縫就會形成復雜的裂縫網(wǎng)絡。因此,地層的斷裂韌性越小,地層的可壓性程度越高[4]。

斷裂韌性的值可通過實驗測得,但操作十分復雜,且只能獲得研究層段的離散數(shù)據(jù)。金衍等[14]根據(jù)大量實驗,利用測井數(shù)據(jù)建立了預測深部地層巖石的Ⅰ型斷裂韌性的等效計算方法,可獲得研究井段的連續(xù)斷裂韌性剖面。

0.517σt-0.3322

(5)

式中,σt為巖石抗拉強度,MPa;pc為圍壓,MPa。

1.3 近井可壓性評價研究

為使水力壓裂能夠形成可連通的復雜縫網(wǎng),可壓裂層段應具有較高的脆性指數(shù)和較低的斷裂韌性。構建近井可壓性指數(shù)IF

IF=IB,nKIC,n

(6)

式中,IB,n為正向歸一化的脆性指數(shù),無量綱;KIC,n為反向歸一化的斷裂韌性,無量綱。IB,n和KIC,n定義為

(7)

(8)

式中,IB,max和IB,min分別為研究層段最大和最小脆性指數(shù),無量綱;KIC,max和KIC,min分別為研究層段最大和最小斷裂韌性,MPa·m0.5。

2 遠井可壓性評價研究

巖石力學參數(shù)關系到壓裂施工工藝參數(shù)的優(yōu)選,主要通過室內三軸巖心實驗和測井資料解釋獲取。實驗室三軸實驗測試費時費力,而且費用較高。而對于測井資料,無論聲波法還是礦物組分法都有其缺點,聲波法要求測井必須測陣列聲波測井資料,特別是對于水平井致密油儲層,陣列聲波測井資料匱乏,并且取心困難,以及需要動靜態(tài)轉換得到靜態(tài)巖石力學參數(shù);礦物組分法認為石英和方解石對巖石脆性指數(shù)貢獻相同,但兩者巖石力學性質有一定差異[15]。最重要的是,基于測井資料得到的可壓性為近井筒的可壓性情況,難以反映整個壓裂過程的準靜態(tài)過程。因此,需要研究一種簡單易行、價格低廉、結果可靠的方法,從壓裂施工本身所反饋的信息,去求取就地巖石力學參數(shù)。

2.1 遠井巖石力學參數(shù)評價研究

蔣廷學[6]應用常規(guī)地面壓裂施工和前置液階段的瞬時停泵壓力測試等資料,初步探討了求取儲層原位巖石力學參數(shù)的方法。該方法首先由地面施工壓力計算井底壓力,并由井底壓力的增長模式確定裂縫的擴展形態(tài)。然后根據(jù)裂縫形態(tài)的不同,確定相應的計算公式。其實質就是利用裂縫寬度既與彈性模量有關,又與裂縫凈壓力有關的特點,建立不同時間的井口壓力與彈性模量間的對應關系曲線。同時,利用泊松比與最小水平主應力的相關式,由最小主應力的變化曲線,求出了泊松比的變化曲線。田勇[16]在此基礎上,建立了井底壓力與考慮擬三維裂縫擴展模型時的就地巖石力學參數(shù)關聯(lián)式。采用動態(tài)應力強度因子積分公式作為裂縫垂向延伸的判據(jù),使新模型兼具擬三維模型的簡單和真三維模型的準確,使得就地巖石力學參數(shù)的評價更符合實際。

2.2 遠井可壓性評價研究

根據(jù)上文求出的遠井巖石力學參數(shù),可以構建遠井脆性指數(shù)。壓裂實踐表明,單純依靠巖石的脆性指數(shù)是不能完全判斷地層的可壓性,可從能量的角度去評價地層壓裂的難易程度。在分段多簇壓裂施工的過程中的前置液階段,隨著泵注排量不斷提升,地層發(fā)生形變直到破裂。當壓裂段地層達到破裂時所需要的能量越小,該壓裂段越容易壓裂;反之,地層越難壓裂。破裂消耗的能量可簡化為變形長度與變形期間基本恒定壓力的乘積,用水力壓裂施工參數(shù)表示,可等效為施工壓力、施工排量和施工時間的乘積[17]?？紤]到變形期間,壓力和排量可能是一直變化的,必須采用破裂前階段期間內井底施工壓力與排量的乘積,并對時間進行積分求解

(9)

式中,P為破裂地層所消耗的能量;Q為泵注排量；t0為地層破裂所需要的時間。

由于水平井壓裂段采用分段多簇射孔方式,在進行分段壓裂設計時,段內部物性參數(shù)基本一致,可近似認為當前壓裂段儲層是均質的。在分簇射孔時,認為每一簇射孔均發(fā)生起裂,每簇射孔消耗的能量基本一致。為了便于比較分析,應先求出壓裂段每簇射孔破裂的耗能Pi,然后對Pi進行歸一化,得到壓裂段單簇射孔破裂的耗能指數(shù)IP

IP=P/N

(10)

(11)

式中,N為壓裂段的射孔簇數(shù);Pmax和Pmin分別為研究區(qū)塊破裂地層所消耗的最大能量及最小能量。

現(xiàn)場進行水力壓裂的目的是形成復雜的裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng),用最小的消耗,得到最大程度的油藏改善體積。因此可壓性好的層段應該具有較高的脆性指數(shù)和較低的地層破裂耗能。鑒于此,遠井脆性指數(shù)和耗能指數(shù)相結合,構建地層的遠井可壓性綜合指標IF

(12)

3 應用效果實例分析

×3井為D區(qū)的1口水平井(見圖1),水平段為致密油儲層,測深1 880～2 520 m,垂深約為1 655 m,該井分7段進行體積壓裂,其過程中,加入了示蹤劑,對每段的產(chǎn)能進行跟蹤監(jiān)測,同時采用微地震裂縫監(jiān)測技術,對儲層壓裂規(guī)模進行評價。

基于上述研究方法,計算了該井的近井脆性指數(shù)、斷裂韌性和近井可壓性指數(shù);并對該井的7條主壓裂施工曲線進行分析,反求了各壓裂段的巖石力學參數(shù),得到了遠井脆性指數(shù),并計算各壓裂段的耗能指數(shù),構建遠井可壓性指數(shù)。圖1中第8道為測井計算斷裂韌性和由壓裂施工曲線計算的耗能指數(shù);第9道為近井和遠井脆性指數(shù)曲線道;第10道為近井和遠井可壓性曲線道;第11道為微地震監(jiān)測各段造縫體積(VSR)及示蹤劑跟蹤監(jiān)測各段產(chǎn)能。

圖2 近井脆性指數(shù)與VSR關系圖

圖3 遠井脆性指數(shù)與VSR關系圖

圖4 近井可壓性指數(shù)與VSR關系圖

圖5 遠井可壓性指數(shù)與VSR關系圖

近井和遠井脆性指數(shù)分別與VSR對比分析(見圖2、圖3)可以看出,脆性指數(shù)越高,儲層改造體積越大,但兩者與VSR相關性較差,并不能很好地反映儲層的改造體積。分析近井和遠井可壓性指數(shù)分別與VSR的關系(見圖4、 圖5)可以看出,可壓性指數(shù)較脆性指數(shù)更能反映儲層改造體積的情況,且遠井可壓性要優(yōu)于近井可壓性。遠井可壓性考慮了壓裂段整個地層的性質,因此,遠井可壓性更能反映地層的實際改造情況。近井和遠井可壓性指數(shù)與示蹤劑跟蹤監(jiān)測各壓裂段產(chǎn)能關系分別見圖6和圖7。

圖6 近井可壓性指數(shù)與產(chǎn)能關系圖

圖7 遠井可壓性指數(shù)與產(chǎn)能關系圖

4 結 論

(1) 基于測井資料,討論了近井脆性指數(shù)和近井可壓性指數(shù)的求取方法;利用壓裂施工曲線反求巖石力學參數(shù)及遠井脆性指數(shù),計算破裂耗能指數(shù),表征地層壓裂的難易程度,構建遠井可壓性指數(shù)。

(2) 從近井和遠井脆性指數(shù)、近井和遠井可壓性指數(shù)分別與VSR的關系可知,脆性指數(shù)反映儲層改造體積有限,可壓性指數(shù)更能反映儲層改造體積情況,遠井可壓性優(yōu)于近井可壓性,且可壓性指數(shù)與產(chǎn)能趨勢基本一致,表明這2種方法可行。

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