含氣頁巖的動態力學性質分析及壓裂可行性預測

劉義生

【摘 要】泥頁巖地層中黏土礦物含量高，塑性強，儲層應力敏感性強而穩定性差，容易受到鉆采的影響發生坍塌、破裂、卡鉆或井漏等現象，嚴重制約頁巖中油氣資源的開發利用進程。為了提高泥頁巖地層鉆采工程的安全性和效率，促進快速的鉆進和井眼的形成，降低一系列的成本支出，以巖石物理學、測井學、地質學等學科理論為指導，充分發揮測井資料分辨率高、連續性強、準確可靠等優勢，對泥頁巖地層的巖石力學參數、地應力、井壁穩定性和可壓性展開預測與評價分析，并給出應用實例。

【關鍵詞】測井評價;頁巖氣藏;巖石力學參數;地應力;井壁穩定性

中圖分類號： P631.84文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）03-0088-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.035

0 引言

巖石力學研究主要是根據區域構造和地層巖性層序，從常規測井方法出發，主要利用聲波，密度，伽馬和成像測井等資料，分析確定一個動態的巖石力學模型[1-3]。與實驗室利用巖樣在異于實際地下的條件下直接測試獲得的靜態力學參數相比，相對容易獲取的測井資料具有縱向連續性強，分辨率高，地質信息豐富的特點，用來評價巖石力學性質比較準確和可靠[4-5]。本文以四川盆地威遠地區威202井為例對含氣頁巖的動態力學性質進行分析，通過模型建立對壓裂可行性進行了預測。

1 巖石力學參數計算

巖石力學性質參數包括巖石的彈性模量和巖石強度，反映巖石受外力作用時所表現出的物理性質，是地應力計算和井眼穩定性分析以及壓裂模擬的基礎。實驗室通常是對巖心在模擬地下環境下進行實測得到，精度高但取心工作繁瑣且成本高，性價比低。而基于物理測井數據，利用數學關系式計算的方法經濟高效，數據準確，連續性強[6-7]。

1.1 彈性參數

當動應力作用在彈性介質上產生應變，并且未超過介質的彈性極限時，則會發生應力和應變的傳遞而產生彈性波。該彈性波的傳播特征與巖石的動力學特性有關。

對于頁巖等TIV（TransverseIsotropywithVerticalaxis）各向異性地層，巖石在各種動載荷作用下所表現出的彈性模量、泊松比等性質參數稱為巖石的動態力學參數。在靜載荷作用下巖石表現出的力學參數稱為靜態參數。在原狀地層中，由于裂縫、孔洞、地層層面等非均質因素的影響，巖石動、靜力學參數會有較大差異性。而且通常來說，動態楊氏模量或泊松比在數值上要大于靜態參數。

1.2 強度參數

巖石力學的強度參數包含單軸抗壓強度（UCS），摩擦角（FANG）及抗拉強度（TSTR）。這些參數通常根據測井曲線計算得到[8-9]。計算的強度參數結果顯示儲層和上覆泥巖層的巖石的強度（UCS）相對恒定，但下部碳酸鹽的強度很高，達到225MPa，和很多火成巖的強度相當。

2 地應力

地應力作為地殼中物質的天然內應力，主要由地殼內部的構造運動、巖體的自重及其地熱、地球自轉速度的變化等因素產生，且未受工程擾動。它影響著地下介質的力學性質和鉆探工程中井壁的穩定性。油氣富集帶的構造應力大小和方向與鉆采息息相關。

2.1 孔隙壓力

為了確定不同深度的地層孔隙中的流體所承受的壓力需要進行孔隙壓力評價，通常利用RFT（重復地層測試儀）或MDT（模塊式地層動態測試儀）等對已鉆井測量得到，也可試井獲得。其中鉆井溢流時當量泥漿密度盡管點少且分散，但用來評價孔隙壓力更直接和可靠[8]。

在欠壓實的砂泥巖剖面中，可基于測井或地震資料，憑借壓實理論的推導和運算，建立連續的孔隙壓力剖面。對于本井而言，鉆穿的巖石是致密的頁巖及碳酸鹽，趨勢線的方法并不能確定其孔隙壓力。對于這些巖層，孔隙壓力需要直接測量確定。由于本井沒有直接測量的數據，根據斯倫貝謝經驗確定本井地層壓力為正常孔隙壓力。

2.2 上覆壓力

上覆壓力為上覆巖層和其中孔隙流體的重力之和，目前一般是由地層體積密度（電纜測井或巖心樣品）和埋深通過積分計算獲得：

2.3 水平地應力

地應力可由水力壓裂方法推導出，利用的是井眼受力狀況與巖石破裂的原理。而某深度處的最小水平主應力σh還可直接由漏失試驗（XLOT）、微壓裂或MDT測井測得，并以此來校準利用密度測井曲線和σz計算得到的主地應力大小。

最大水平主應力σH不能直接測量，利用測井資料計算出最小水平主應力后，可以利用井眼圖象和巖石破壞模型來大致標定σH的大小。采用多孔彈性模型，利用各向同性及各向異性方法分別計算得到了本井主應力。

3 力學模型的驗證及可壓性分析

利用井壁穩定性分析對上述確定的地應力模型進行驗證，肯定了該模型能夠準確預測出井壁崩落的位置以及原應力場的可靠性。處理井段井壁穩定性分析表明，根據前面確定的靜態楊氏模量、泊松比及最小水平主應力，儲層的可壓性相對較高，最小水平主應力較上覆巖層及下部碳酸鹽低，這表明該井段的完井質量較高。表1給出了預計儲層段及上覆巖層、底層的巖石力學參數和地應力的匯總。

4 結論

（1）該井某些井段出現顯著的井壁坍塌現象，指示出特定部位的最大與最小水平主應力存在較大差異，這有助于人工壓裂縫的產生，但大的水平應力差異系數不利于復雜網絡裂縫的形成。

（2）該井目的層內的儲層段地應力要小于上下隔層的地應力，而儲層段的可壓性指數更高，可壓性比隔層好，故目的層易于壓裂的同時還對增生縫的高度有較好的控制作用。

（3）通過模型預測的儲層段楊氏模量為23.3GPa，泊松比為0.17，最小水平主應力為50.6MPa，與上覆、下疊巖層的巖石力學參數和地應力有較大的差異。

【參考文獻】

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