葡萄花油田不同储层破裂压力标定方法研究

陈映赫

（东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318）

1 葡萄花油田概述

葡萄花油田葡一组油层是松辽盆地北部大型河流三角洲沉积体系向南的延伸部分.经研究表明，此类油田砂体发育窄小，连续性差，综合调整挖潜难度大，影响了油田开发的整体效果.

研究泥质粉砂岩储层的地质特征，利用断续砂体间发育的泥质粉砂岩储层为连接纽带来改善砂体间的连通状况，可为挖掘剩余油打下良好的基础.

1.1 岩性和物性特征

（1）岩性特点

据葡萄花油田密闭取心井及探井资料统计分析,该类储层的粒度中值为0.05mm，分选因数为4.5，其中大部分岩样为泥质粉砂岩,泥质质量分数平均为34.0%，可以将该类储层定义为泥质粉砂岩储层.葡南油田泥质粉砂岩储层的黏土矿物成分主要为高岭石,平均质量分数为33.6%；其次为伊利石和绿泥石，其质量分数分别为24.0%和25.2%.

1.1.1 储层分布特征

葡萄花油田储层沉积类型主要为水下分流河道沉积，沉积时的水动力条件相对比较弱，环境比较稳定.葡萄花油层的泥质粉砂岩储层与表内储层属于同一水下沉积体系产物，是表内储层岩性向泥岩过渡类型砂体，是表内储层的自然延伸，因此，泥质粉砂岩储层的沉积特征及分布特点与表内储层有着密切的关系.

按照泥质粉砂岩对水驱开发的作用,可以把泥质粉砂岩储层的分布分为3种类型：(1)砂体边部型；(2)相对连片型；(3)独立型.

1.1.2 开发特征

据葡南油田38口油井射开的66个总厚度为56.3m的泥质粉砂岩储层的产液状况分析表明,产液层有28个,占射开泥质粉砂岩储层的42.4%;产液层厚度为23.1m,占射开泥质粉砂岩储层厚度的41.0%;

1.2 破裂压力概述

1.2.1 破裂压力概念

地层破裂压力(PB)定义为使地层产生水力裂缝或张开原有裂缝时的井底压力,要实现水力加砂压裂的前提条件是要有足够的地面泵压使井底目的层地层开裂.

1.2.2 破裂压力的获取途径

水力压裂是油气井最常用的一种增产措施，而地层破裂压力是压裂设计和施工工艺的一项重要参数，该参数的正确与否，将关系到能否保证压开地层等问题.

1.2.3 地层破裂力学模型

压裂作业时，地层破裂力学模型如图1所示.此时，地层裂隙受地应力与压裂液共同作用.考虑深层水力压裂主要是形成垂直裂缝，且裂缝穿透整个油层.地应力与压裂液应力的最终有效合应力在裂隙壁面上是拉应力，当其合成应力强度因子K达到临界值时，裂隙就开始失稳延伸.

图1 压裂施工地层破裂模型

2 抗压强度实验

2.1 实验设备简介

实验装置是从美国Phenix 公司引进的三轴岩石力学测试系统，该装置由下列几部分组成：①加载框架；②围压系统；③孔隙压力系统；④计算机采集和控制系统；⑤试验舱.

2.2 实验基本方法与过程

岩样制备：对岩心轴向钻取直径为25mm的圆柱形试样，圆柱表面必须保持光滑.把准备好的岩样放置在聚四氟乙烯制成的热缩套内，两端安上带有小孔的金属端帽.

实验基本方法：上述制备成的岩样在实验室内进行实验时主要使用下列几种方法:

(1)单轴压缩试验；

(2)静水加压试验；

(3)三轴压缩试验.

2.3 岩石的抗剪强度

根据库仑—纳维叶 (Coulomb-Navior)强度准则，岩石破坏时，剪切面上的剪切应力τ，必须克服岩石固有的剪切强度τ0值(称为粘聚力)加上作用于剪切面上的摩擦阻力μ·σ，即：

式中：μ—岩石的内摩擦系数，μ=tan(φ)；

φ—岩石的内摩擦角(°)；

σ—剪切面上的正应力(MPa).

通常岩石的内摩擦角、内聚力，可用两个以上不同围压下三轴压缩强度试验进行确定.

将制备好的岩样按要求装在三轴岩石力学测试系统试验舱.首先施加围压到设定值，然后加垂直载荷σ1至岩样破坏，得到岩样破坏时σ1和σ3值，于是在σ—τ坐标系上画出一个破坏时应力莫尔圆，用相同(同一个岩体)岩样，不同围压(σ3)和相应垂直应力(σ1)做岩样破坏试验，又得到一个破坏应力莫尔圆，依此可获得一系列σ1和σ3岩样破坏试验值，绘出一组破坏应力圆.

2.4 岩石的抗拉强度

将一个薄圆盘试件沿其直径方向上加载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向的拉伸应力.圆盘的破裂是从圆的中心开始,并沿着加载直径向上下两个方向扩展开来.当拉应力达到岩样的抗拉强度σt时，试件在加载点联机上呈现清晰的破裂.岩石的抗张强度可按下式计算：

式中：σt—岩石的抗张强度(MPa)；

P—岩盘破裂时的载荷(N)；

r0—圆盘半径(mm)；

t—圆盘厚度(mm).

2.5 小结

针对葡I层各小层砂岩进行了岩石力学参数试验，抗压强度分布在22.588-85.331MPa，杨氏模量分布在3579.8-9824.6MPa，泊松比分布在0.174-0.270，抗拉强度分布在1.27-2.19MPa.

3 地应力计算及破裂压力预测

3.1 地应力计算

3.1.1 地应力的研究意义

地应力研究在油气勘探开发中有着十分重要的现实意义及经济意义，地应力剖面是地应力研究的基础图件；它能直观地反映地应力场在纵向(不同深度和层位)上的变化规律，对于压裂施工而言，施工排量、压力、压裂液的选择、裂缝高度、宽度、压裂选井、压裂效果和压裂方式等方面，都与油藏的地应力状态密切相关.要进行科学压裂必须掌握详尽的地应力剖面和岩石力学参数剖面.

3.1.2 垂向应力计算

瑞士地质学家Heim认为垂向地应力σv是由上覆地层重力引起的，它是随着地层密度和深度变化的，因此可用密度测井资料来求出垂向地应力：

式中：h—地层埋藏深度（m）；

ρ(h)—地层密度随地层深度变化的函数；

g—重力加速度.

3.2 破裂压力预测模型

通常井壁岩石所受的应力状态可用径向应力σr、周向应力 σθ、垂向应力 σz及剪应力 τz来表示.对于垂直井 τz=0，此时应力状态可简化为{σr，σθ，σz}.

3.3 破裂压力敏感性分析

破裂压力和孔隙度呈现幂函数关系，随孔隙度和泊松比增大破裂压力降低，但降低的幅度逐渐减小；和毕奥特系数呈现幂函数关系，随毕奥特系数增大破裂压力增大，当毕奥特系数达到1时，破裂压力获得最大值；破裂压力和抗拉强度、上覆岩层压力呈现正比关系，随抗拉强度、上覆岩层压力增大而增大，和孔隙压力呈现反比关系，随孔隙压力增大破裂压力减小.

3.4 地层破裂压力预测值和压裂施工曲线反演值对比分析

利用相对误差，可以计算预测地应力值与压裂反演的地应力值的符合率.相对误差计算公式如下：

式中：δ—实际相对误差；

x—预测值；

x*—压裂反演值.

地层破裂压力的预测值与反演值的相对误差主要分布在0.14%和8.89%之间，个别合层压裂小层误差超过10%，分析其主要原因为合层压裂时只有一个或几个破裂压力低值层位被压开，破裂压力高值层位没有别压开，此时依然采用压裂施工曲线反演未被压开小层的破裂压力，造成该反演值偏低，导致预测值与反演值误差增大.上述结果说明利用压裂施工曲线反演地层破裂压力，在合层压裂层段应用时会受到限制，造成一些破裂压裂高值层预测结果出现错误.破裂压力预测模型的预测符合率超过91%，能够满足工程要求，较好的预测井下地层破裂压力.

4 结论

葡萄花油田葡一组油层是松辽盆地北部大型河流三角洲沉积体系向南的延伸部分.经研究表明，此类油田砂体发育窄小，连续性差，综合调整挖潜难度大，影响了油田开发的整体效果.研究泥质粉砂岩储层的地质特征，利用断续砂体间发育的泥质粉砂岩储层为连接纽带来改善砂体间的连通状况，可为挖掘剩余油打下良好的基础.实验结论如下：

(1)建立了垂直缝和水平缝破裂压力预测模型，并讨论了孔隙度、渗透率、岩石脆性、弹性、敏感性等参数对油层破裂压力的影响规律，破裂压力和孔隙度呈现幂函数关系，随孔隙度和泊松比增大破裂压力降低，但降低的幅度逐渐减小；和毕奥特系数呈现幂函数关系，随毕奥特系数增大破裂压力增大，当毕奥特系数达到1时，破裂压力获得最大值；破裂压力和抗拉强度、上覆岩层压力呈现正比关系，随抗拉强度、上覆岩层压力增大而增大，和孔隙压力呈现反比关系，随孔隙压力增大破裂压力减小.

(2)建立了依据已实施压裂井施工情况的反演储层破裂压力模型.并将破裂压力预测模型和利用压裂施工曲线反演破裂压力的模型进行实际应用，二者相关性很好，误差分布在0.14%至8.59%，符合率超过91%，模型精度满足工程需要.

（3）葡萄花油层原始油藏压力系数低，属于欠压油藏；油田压力系统整体水平仍偏低，且不均衡，但经过加强开发调整，地层压力呈逐渐上升趋势，压力系统趋向合理.

（4）针对葡1层各小层砂岩进行了岩石力学参数试验，抗压强度分布在22.588-85.331MPa，杨氏模量分布在3579.8-9824.6MPa，泊松比分布在0.174-0.270，抗拉强度分布在1.27-2.19MPa.

（5）针对葡1层各小层砂岩进行了应力敏感性试验，渗透率损害率分布在1.394%-5.999%，为弱应力敏感性.在降压过程中，脱落的细小颗粒随着气体的流动发生了运移，堵塞了大的孔喉通道，所以随着有效应力的减小，渗透率不断减低.

（6）通过垂直缝和水平缝破裂压力预测模型，讨论了孔隙度、渗透率、岩石脆性、弹性、敏感性等参数对油层破裂压力影响规律，破裂压力和孔隙度呈现幂函数关系，随孔隙度和泊松比增大破裂压力降低，但降低的幅度逐渐减小；和毕奥特系数呈现幂函数关系，随毕奥特系数增大破裂压力增大，当毕奥特系数达到1时，破裂压力获得最大值；破裂压力和抗拉强度、上覆岩层压力呈现正比关系，随抗拉强度、上覆岩层压力增大而增大，和孔隙压力呈现反比关系，随孔隙压力增大破裂压力减小.

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