川西須家河組三壓力模型研究

郭宇，王昊，李凱

（1.成都理工大學能源學院，四川成都　610059；2.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安　717612）

川西須家河組三壓力模型研究

郭宇1，王昊2，李凱1

（1.成都理工大學能源學院，四川成都610059；2.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安717612）

川西須家河組巖石致密、硬度高、可鉆性差、機械鉆速低、鉆井周期長，嚴重制約了油氣勘探開發等工作進展，有必要對該區三壓力進行研究。本文通過大量的室內實驗研究獲得了巖石抗壓強度、楊氏模量、泊松比等巖石力學性質及可鉆性參數，并利用現場測井資料，采用Eaton法建立了地層壓力計算模型，利用水力壓裂方法確定的破裂壓力結合巖石力學參數建立了利用測井資料估算川西須家河組地層破裂壓力的模型，并基于Mohr-Coulomb準則，通過水力壓裂模型反演方法獲得坍塌壓力。與實際地層壓力進行對比結果表明測井計算的三壓力剖面模型可靠性較高。該研究為鉆頭優選提供了一定的理論基礎，同時對鉆井工程設計和井壁穩定性研究都具有十分重要的意義。

須家河組；三壓力；地層壓力；破裂壓力；坍塌壓力

地層壓力、破裂壓力和坍塌壓力是工程施工中非常重要的三個參數，對鉆井工程設計和井壁穩定性研究都具有十分重要的意義［1-4］。然而由于川西須家河組巖石非常致密，巖石的塑性系數、硬度和抗壓強度高，巖石可鉆性差、研磨性強，且須四底部含有礫石，導致機械鉆速慢、鉆頭壽命低等問題，其中川西新場地區須三段、須四段平均鉆速不足1 m［5，6］。為了提高該工區的勘探開發進程，減少鉆探事故，針對須家河組開展巖石力學性質研究，尤其是三壓力模型研究及剖面建立對于合理選用鉆頭，開展個性化鉆頭設計，合理設計鉆完井工藝具有重要意義。

1　工區內巖石力學性質

1.1實驗樣品及實驗設備

為精確測量川西須家河組巖石力學參數及可鉆性參數，本次實驗研究共選取實鉆巖心36塊，其基本資料（見表1）。

表1　試驗巖樣基本資料

1.2實驗儀器

實驗儀器采用成都理工大學油氣藏國家重點實驗室“MTS巖石物理測試系統”。該儀器可以對巖石力學參數及聲學參數進行同步測試，該儀器基礎參數：測試圍壓0～140 MPa，溫度200℃以內，孔隙壓力最大可加至70 MPa，軸向最高1 000 kN。測試壓力傳感器誤差小于1％，位移傳感器量程在正負50mm，位移量程分辨率為0.000 1mm，測試精度較高。對于聲學測試，其超聲波換能器對于直徑25mm柱體樣品的測試頻率為1 MHz，對于直徑50mm柱體樣品的測試頻率為500 kHz。

1.3實驗結果

為模擬巖心所處地應力環境，實驗過程中對不同深度段的巖心施加了不同的圍壓和溫度。通過三軸抗壓實驗獲取了巖心的應力-應變曲線，求取了巖石抗壓強度、彈性模量、泊松比、內聚力和內摩擦角等巖石力學參數。巖樣巖石力學參數測試結果（見表2）。

2　地層三壓力剖面建立

2.1地層壓力

Eaton法是計算地層孔隙壓力的一種常用方法［7-10］，它是根據美國墨西哥灣等地區經驗及測井資料建立起來的地層壓力計算模型：

式中：σV-垂向應力；σW-地層水靜液柱壓力；c-壓實指數；Δtn-壓實趨勢線上的聲波；Δt-實測聲波。

在沒有實測資料的情況下Pp通常采用靜水液柱壓力，但在川西地區的含氣儲層中，Pp明顯高于靜水液柱壓力。

伊頓法需要做正常壓實趨勢線，根據壓實趨勢線計算實際深度點的標準參數?？梢赃x擇聲波時差、密度及電阻率等測井數據。應用該方法的關鍵是要獲取可靠的鉆、測井參數資料，剔除資料中的異常數據，壓實趨勢線才能準確地預測地層孔隙壓力。大邑地區泥巖地層聲波的壓實趨勢線（見圖1），泥巖聲波時差隨深度增加逐漸減小。

根據川西須家河組地區的測試資料代入伊頓法公式反演壓實指數c，發現c不是一個固定值，它隨深度變化而具有逐漸增大的趨勢，與反映地層特征的聲波曲線的關系則較好。

表2　川西須家河組巖石力學參數特征參數統計結果表

圖1　泥巖段聲波時差與深度的關系圖

圖2　DY測井壓實指數c與聲波時差關系

川西地區c值與聲波曲線的關系圖（見圖2），二者具有較好的非線性關系。由此建立大邑須家河組的Eaton法預測地層孔隙壓力模型為：

采用相同的方法對大邑地區進行地層壓力計算。根據實測資料和測井計算成果反演壓實指數c，也表明該值具有隨深度增加而逐漸增大的趨勢，與聲波曲線關系較好。在大邑地區，具有如下的經驗關系：

DY須二段地層壓力測井計算儲層段地層壓力78.8 MPa～83.3 MPa，平均地壓梯度在1.67 MPa/100m；在4 912 m實測地層壓力為81.50 MPa，地壓梯度為1.69 MPa/100m，測井計算成果與實際情況吻合較好。

川西須家河組實測的地層壓力與測井計算的地層壓力成果對比表（見表3），從表3中可以看出二者的誤差較小，平均誤差為8.05％，說明測井計算成果較可靠，滿足鉆井工程等需要。

研究中還發現地層壓力與深度關系密切。DY地區實測地層壓力資料顯示地層壓力隨深度增加而增大，地壓梯度隨深度增加而減?。ㄒ妶D3、圖4）。該地區須家河組地壓梯度在縱向上則變化不大，地層壓力梯度一般在1.05 MPa/100m～1.24 MPa/100m；但在須二段則可能鉆遇異常高壓的裂縫性氣層，其地壓梯度遠高于常壓地層，這在鉆井工程中應予以重視。

2.2破裂壓力

目前，一般通過兩種途徑獲取該參數：（1）室內巖石力學實驗測試或現場水力壓裂施工監測；（2）利用測井資料提取地層破裂壓力［11-13］。

周文［14］認為井筒液柱壓力要使地層達到破裂（產生新的裂縫），其大小必須等于井壁附近最小周向應力和巖石抗拉強度之和。在考慮壓井液具有濾失性和巖石基質具有滲透性基礎上，經推導得到如下井壁垂直破裂時破裂壓力預測公式：

表3　川西地區實測與測井計算地層壓力參數對比表

圖3　DY地層壓力與垂深關系　

這里定義巖石滲透系數為η=1-Kb/Kma，式中：Kb-無裂縫井壁巖石滲透率，Kma-巖石骨架滲透率，一般取1。如果壓井液為非滲透液時，η=1。

在實際計算中，利用水力壓裂方法確定的破裂壓力結合巖石力學參數建立了利用測井資料估算川西須家河組地層破裂壓力的模型和參數剖面。

X井4 915 m～4 920 m井段壓裂成果圖（見圖5）：該段施工壓力為84 MPa～100 MPa，其中儲層段的破裂壓力梯度最高達到2.03 MPa/100m；由于對儲層段改造很成功，測試獲得天然氣產量13×104m3/d。該段測井計算的破裂壓力Pf值為104 MPa，地壓梯度GPf為2.08 MPa/100m；相對致密地層的破裂壓力比儲層段更高，達到115 MPa/2.25，表明測井計算成果與實際情況較吻合。

圖4　DY地壓梯度與垂深關系

川西區實測的破裂壓力與測井計算的破裂壓力成果對比表（見表4）。從表4中可以看出二者的誤差為6.25％，說明測井計算成果較可靠。通過研究還發現，破裂壓力與深度及最小水平主應力具有很好的相關性。

該地區破裂壓力與垂深的關系圖（見圖6）。隨著深度的增加，破裂壓力逐漸增加，增加相對平穩，致密地層的破裂壓力梯度可達到2.23 MPa/100m以上。在優質儲層段及含煤地層，破裂壓力明顯降低。一般情況下，地層中最小水平主應力越大，破裂壓力越大，二者存在正相關關系。破裂壓力與最小水平主應力的關系圖（見圖7），圖7表明隨著最小水平主應力增大，破裂壓力呈非線性增大。

2.3坍塌壓力

圖5　X井須二段4 915 m～4 920 m壓裂成果圖

在井壁穩定性研究中，常用的巖石力學剪切破壞準則有Mohr-Coulomb準則和Drucker-Prager準則，對于直井一般采用前者［15，16］。根據摩爾-庫侖準則，地層的坍塌壓力Pc計算公式為：

表4　X井須二段實測與測井計算破裂壓力參數對比表

圖6　DY地區破裂壓力與垂深關系　

其中：n-修正系數，σH、σh-分別為最大和最小水平主應力，MPa。

考慮到在某些情況下摩爾-庫侖準則與實際情況的差異，在一些文獻中提出了改進的模型，加入了一個修正系數n（0.9～0.95），計算模型為：

由于難以直接測量地層坍塌壓力，目前一般是通過水力壓裂模型反演方法獲得坍塌壓力。在實際處理中參考了川西實鉆井及鄰區資料進行計算，測井資料顯示在泥巖、含煤線地層的坍塌壓力明顯較高，井壁穩定性相對較差；在砂巖的坍塌壓力相對較低，井壁穩定性較好。處理結果與實鉆情況較吻合。

DY地區部分井的測井計算坍塌壓力與深度關系圖（見圖8）。圖8表明須家河組的地層坍塌壓力總體較高，須五～須三泥巖及含煤地層的坍塌壓力更高，須二段的坍塌壓力相對較低。須家河組地層坍塌壓力變化范圍較大，尤其在含煤地層的坍塌壓力很高（井壁穩定性差）；須二段的坍塌壓力略有降低，但泥巖地層的坍塌壓力依然相對較高。

圖7　DY最小水平主應力和破裂壓力關系

圖8　DY坍塌壓力與垂深關系

3　結論

（1）川西地區的測試資料表明壓實指數隨深度變化而具有逐漸增大的趨勢，與反映地層特征的聲波曲線的關系則較好，并在此基礎上建立了相關的經驗關系式。此外地層壓力隨深度增加而增加，具有較好的相關關系；地層壓力梯度具有隨深度增加而逐漸減小的趨勢，但與深度相關性很差。

（2）研究發現破裂壓力與深度及最小水平主應力具有很好的相關性，隨著深度的增加，破裂壓力逐漸增加，致密地層的破裂壓力梯度可達到2.23 MPa/100m以上。在優質儲層段及含煤地層，破裂壓力明顯降低。

（3）須家河組的地層坍塌壓力總體較高，須五～須三泥巖及含煤地層的坍塌壓力更高，須二段的坍塌壓力相對較低。

（4）通過室內實驗，基于測井資料建立了三壓力模型，繪制了地層三壓力剖面，與實際地層壓力進行對比結果表明測井計算的三壓力剖面模型可靠性較高，對鉆井工程設計和井壁穩定性研究都具有十分重要的意義。

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Research on three pressure models in west Sichuan Xujiahe formation

GUO Yu1，WANG Hao2，LI Kai1
（1.College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.Oil Production Plant 8 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 717612，China）

Tight rock，high hardness，poor drillability，low penetration rate and long drilling period occur in west Sichuan Xujiahe formation，resisting petroleum reservoir exploration and development seriously，therefore，it's urgent to study formation pressure，bursting pressure and collapse pressure.In this article，large amounts of tests were performed to draw rock compressive strength，Young's modulus，Poisson's ratio and drillability parameters.Based on field logging data，Eaton method was employed to draw formation pressure predicting model，bursting pressure method was built on the basis of combination of lithomechanics parameters and bursting pressure calculated by hydrofracture method，and based on Mohr-Coulomb principle，hydrofracture inversion method was employed to build collapse pressure model.Compared with actual formation pressure，three pressure models based on logging data are calculable highly.This research provides theoretical basis for bit optimization and lays signifi-cance for drilling engineering design and wellbore stability study.

Xujiahe formation；three pressure models；formation pressure；bursting pressure；collapse pressure

TE142

A

1673-5285（2016）08-0079-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.018

2016-07-04

2016-07-26

郭宇，男（1991-），漢族，四川西昌人，碩士研究生，主要從事油氣田開發及油氣藏數值模擬方面的研究工作，郵箱：540886111@qq.com。