自然伽馬曲線在薄隔層壓裂井中的應(yīng)用

姚洪田，周洪亮

中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司大慶榆樹(shù)林油田 （黑龍江 大慶 163316）

Y油田屬于特低滲透油田，薄隔層較發(fā)育，平均單井鉆遇小層數(shù)16.2個(gè)，平均隔層厚度3.2 m，油井均需壓裂投產(chǎn)，但是由于儲(chǔ)層的最小主應(yīng)力在水平方向上，導(dǎo)致壓裂形成的裂縫垂直于油層。在水力壓裂過(guò)程中，由于隔層較薄，若隔層泥質(zhì)含量較低時(shí)，裂縫會(huì)沿著垂直方向上延伸，會(huì)導(dǎo)致裂縫高度過(guò)大、減少裂縫長(zhǎng)度，影響壓裂效果，若臨近層為水層時(shí)，會(huì)導(dǎo)致油井含水上升[1-6]。Y油田對(duì)于隔層厚度低于8 m的油層往往采取合壓，由于各儲(chǔ)層應(yīng)力不同，會(huì)導(dǎo)致某一層壓裂改造程度低，甚至壓不開(kāi)；對(duì)于水層上下的油層，為避免壓裂后高含水，往往放棄壓裂。隨著油田20余年的開(kāi)發(fā)，油井產(chǎn)量逐年降低，為維持油井有效的生產(chǎn)，需通過(guò)壓裂釋放薄隔層潛力。

影響水力壓裂縫高的主要因素為儲(chǔ)層和隔層的最小水平主應(yīng)力差，儲(chǔ)隔層最小水平應(yīng)力可利用補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差、橫波時(shí)差等測(cè)井曲線計(jì)算得到[7-12]，但Y油田很多井未測(cè)試所有的測(cè)井曲線，無(wú)法計(jì)算最小水平應(yīng)力，因此不能通過(guò)儲(chǔ)隔層最小水平主應(yīng)力差來(lái)判斷隔層是否具備對(duì)水力裂縫的有效遮擋。對(duì)于不能計(jì)算最小主應(yīng)力的井層，通過(guò)摸索給出利用自然伽馬測(cè)井曲線判斷隔層對(duì)水利裂縫的遮擋能力。

1 最小水平應(yīng)力計(jì)算方法

在油層構(gòu)造中存在著3個(gè)在方向上相互垂直的主地應(yīng)力，即垂直地應(yīng)力、最大和最小水平應(yīng)力。儲(chǔ)層的壓裂效果與最小水平應(yīng)力關(guān)系密切，最小水平應(yīng)力計(jì)算模型采用以下公式計(jì)算：

式中：v為巖石泊松比；Pp為地層孔隙壓力，MPa；σh為最小水平應(yīng)力，MPa；σv為垂直地應(yīng)力，MPa；h 為深度，m；ρ(h) 為補(bǔ)償密度測(cè)量值，g/cm3，g為重力加速度，m/s2；Δtc、Δts為縱、橫波時(shí)差，μs/ft；Δt為補(bǔ)償聲波時(shí)差值，μs/ft；Δtn為計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正常趨勢(shì)線上的聲波時(shí)差值，μs/ft；φ為地層孔隙壓力貢獻(xiàn)系數(shù)。

通過(guò)上述公式計(jì)算得到A井最小水平應(yīng)力分布剖面，如圖1所示，圖中GR為自然伽馬值曲線，API；POIS為泊松比曲線，小數(shù)；SH為泥質(zhì)含量，%；AC為聲波時(shí)差曲線，μs/ft；GSX為最小水平應(yīng)力梯度，MPa/m；SX為最小水平應(yīng)力，MPa。

圖1 A井水平最小地應(yīng)力剖面解釋成果圖

從圖1可以看出在隔層段里泥質(zhì)含量高，自然伽馬值較高，最小水平應(yīng)力也較高；在砂巖段，自然伽馬值較低，所對(duì)應(yīng)的水平應(yīng)力值也較低。最小水平應(yīng)力分布與自然伽馬值分布成正比關(guān)系。因此，可以通過(guò)儲(chǔ)隔層的自然伽馬差值的大小來(lái)判斷壓裂時(shí)薄隔層是否具備遮擋條件。

2 利用自然伽馬曲線確定薄隔層遮擋界限

對(duì)于不能計(jì)算最小主應(yīng)力的井層，近2年Y油田通過(guò)對(duì)48口薄隔層井的壓裂探索，給出利用自然伽馬測(cè)井曲線判斷隔層厚度對(duì)水力裂縫的遮擋能力的界限圖版，如圖2所示。圖中紅色點(diǎn)為壓竄隔層的儲(chǔ)層，藍(lán)色點(diǎn)為未壓竄隔層的儲(chǔ)層，綠色的曲線為現(xiàn)有壓裂工藝條件下薄隔層井壓裂遮擋界限。

由于儲(chǔ)隔層自然伽馬差值越大，隔層泥質(zhì)含量越高，隔層的遮擋性越好，當(dāng)儲(chǔ)隔層差值大于50API，僅2 m的隔層即可對(duì)水力裂縫進(jìn)行遮擋；反之，儲(chǔ)隔層自然伽馬差值越小，說(shuō)明隔層泥質(zhì)含量不純，隔層的遮擋性較差。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，某井隔層厚度達(dá)到6.2 m，但是由于儲(chǔ)隔層自然伽馬差值只有33API，壓裂施工時(shí)將隔層未能形成有效遮擋，導(dǎo)致壓竄臨層。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸給出了在現(xiàn)有壓裂工藝條件下Y油田薄隔層井壓裂界限關(guān)系：

式中：x為有效隔層厚度，m；y為自然伽馬差值，API。

圖2 Y油田薄隔層細(xì)分控制壓裂界限圖版

3 應(yīng)用實(shí)例分析

B井2010年壓裂投產(chǎn)，該井射開(kāi)FI51層和FI41層2個(gè)層，隔層厚度3.9 m，為避免壓竄隔層，F(xiàn)I41與FI51 2層合壓，壓后該井日產(chǎn)油3.7 t，生產(chǎn)6年后，該井產(chǎn)量遞減到0.5 t/d。

初次壓裂效果分析：B井的最小水平應(yīng)力剖面如圖3所示，F(xiàn)I51層最小水平應(yīng)力值低，且砂巖厚度大，通過(guò)ProcproPT壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件模擬，如圖4所示，2層合壓，裂縫主要在FI51層內(nèi)延伸，F(xiàn)I41層未得到有效改造，因此，該井具有通過(guò)壓裂FI41層恢復(fù)產(chǎn)量的潛力。

圖3 B井水平最小地應(yīng)力剖面解釋成果圖

通過(guò)圖3可以看出，F(xiàn)I51和FI41 2個(gè)層，有效隔層厚度3.9 m，隔、儲(chǔ)自然伽馬差值大于50API，利用公式（5）計(jì)算得：

75.11 ×3.9-0.38=44.8(API)＜50(API)

因此，B井的隔層可以形成有效遮擋，對(duì)兩層實(shí)施單獨(dú)壓裂，壓裂施工正常，垂直裂縫未壓竄隔層，進(jìn)一步驗(yàn)證了回歸的薄隔層井壓裂界限關(guān)系式的準(zhǔn)確性。

FI41和FI51 2層單獨(dú)壓裂后，由于FI41層得到充分改造，壓后該井日產(chǎn)油達(dá)到7.1 t/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)投產(chǎn)初期的產(chǎn)油量。

2017年Y油田共有39層隔層厚度小于4 m的油層實(shí)現(xiàn)了分卡單壓，最小隔層厚度達(dá)到1.9 m。應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)在提高薄隔層井壓裂成功率的同時(shí)可充分動(dòng)用薄隔層井段。

圖4 B井FI41-FI51 2層合壓裂縫剖面模擬

4 結(jié)論

1）通過(guò)巖石力學(xué)理論計(jì)算得到儲(chǔ)層最小水平地應(yīng)力剖面，分析了儲(chǔ)層最小主應(yīng)力與自然伽馬值的關(guān)系，即最小水平應(yīng)力分布與自然伽馬值分布近似成正比關(guān)系。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，明確了儲(chǔ)、隔層自然伽馬差值越大，薄隔層能夠?qū)崿F(xiàn)遮擋的界限值越低，并給出了儲(chǔ)隔層自然伽馬差值與薄隔層井壓裂界限的關(guān)系。