苏里格气田西区储层岩石力学性质及其应用研究

牟春国 李 达 吕 杨 张家富 吴明松

（1.中国石油长庆油田分公司苏里格气田研究中心2.中国石油长庆油田分公司第五采气厂）

苏里格气田西区储层岩石力学性质及其应用研究

牟春国1李 达1吕 杨2张家富1吴明松1

（1.中国石油长庆油田分公司苏里格气田研究中心2.中国石油长庆油田分公司第五采气厂）

对苏里格气田西区砂岩、泥岩岩石力学性质的实验研究，获得了储层砂岩、泥岩的抗张强度、静动态弹性模量、静动态泊松比、岩石地应力等力学参数。通过岩石力学参数、地应力、施工排量、缝长等因素对压裂缝高的影响研究表明：随储层与隔层地应力差和岩石断裂韧性增加，压裂缝高呈曲线和直线下降；随着岩石弹性模量和泊松比增加，压裂缝高呈曲线和直线增加；随着施工排量和半缝长增加，压裂缝高呈直线增加。现场应用研究中，根据苏里格气田西区岩石力学和地应力特征及其对压裂缝高的影响，优化了施工排量、加砂规模和半缝长，有效控制了缝高延伸，压裂避开了水层，获得了苏里格气田避水压裂开发的良好效果。图5表3参7

苏里格气田岩石力学地应力压裂控缝高避水压裂

0 引言

苏里格气田西区开发目前突出的矛盾是储层产水制约了开发效果的提高，在压裂改造时尽量避免沟通水层是压裂设计的关键。与储层压裂改造相关的岩石力学参数主要有岩石的抗张强度、弹性模量、泊松比、地应力等，它们是影响裂缝几何形态的主要因素特别是裂缝高度的影响尤为重要，也是合理设计压裂改造方案的基础参数[1]。

本文从实验研究入手，测定了苏格里气田西区岩石力学参数，分析探讨了岩石力学参数和储层与隔层地应力差及施工排量和压裂缝长等因素对压裂缝高的影响，并根据苏里格气田西区岩石力学和储层与隔层地应力差异特征及其对压裂缝高的影响，进行了施工排量、加砂规模及缝长的优化研究，从而有效控制了压裂缝高，实现了该气田避水压裂的有效开发。

1 岩石力学性质研究

岩石力学性质及其参数特征是进行油气井钻探设计、制定储层改造措施和方案设计的重要依据[2]。目前，研究岩石力学性质参数的方法主要有两种：①在实验室对岩样进行实测；②用地球物理测井资料求取岩石力学参数。研究的岩石力学参数主要有抗张强度、静动态弹性模量及泊松比、储层与隔层地应力等。

1.1 岩石抗张强度

岩石抗张强度是岩样在单轴拉伸条件下达到破坏时的极限应力，可利用巴西劈裂试验法求取，即沿着圆柱体直径方向施加集中载荷，试件受力后沿受力的直径方向裂开。岩石抗张强度在数值上等于破坏时的最大拉应力。

采用上述方法共进行了苏里格西区储层8组岩石试样的测试，测试得出储层岩石的抗张强度大小为1.42～9.67 MPa，砂岩平均为3.08 MPa，泥岩平均为5.06 MPa，砂岩抗张强度明显低于泥岩。

1.2 岩石静态弹性模量及静态泊松比

通过三轴抗压实验可以获得苏里格气田西区岩石试件的应力—应变关系曲线，典型曲线如图1所示，通过此曲线可求得岩石的三轴抗压强度、静态弹性模量和静态泊松比。

图1 三轴条件下岩样的应力—应变曲线图

苏里格西区砂岩静态弹性模量为2068～33194 MPa，平均为18704 MPa；静态泊松比是0.095～0.435，平均0.1954。泥岩静态弹性模量是5443～38448 MPa，平均25100 MPa；静态泊松比是0.127～0.400，平均0.2512。

1.3 岩石动态弹性模量及动态泊松比

根据波动理论，由岩石的密度、纵波时差、横波时差可以计算出动态泊松比和动态弹性模量等弹性力学参数值[3]。

通过计算，苏里格西区砂岩动态弹性模量平均为37193.9 MPa，动态泊松比平均为0.2；泥岩动态弹性模量平均为56747.9 MPa，动态泊松比平均为0.26。

1.4 岩石地应力

通过岩心测试，苏里格西区砂岩的破裂压力平均为47.34 MPa；泥岩的破裂压力平均为57.47 MPa；苏里格西区泥岩与砂岩的平均破裂压力差为10.15 MPa，由砂岩的抗张强度平均为3.08 MPa，泥岩的抗张强度平均为5.06 MPa，可得砂泥岩的最小水平地应力差为8.15 MPa。

根据苏里格气田西区10口井的测井资料所计算出的泥岩与砂岩之间的平均最小地应力差为7.32 MPa，与通过岩心测试计算得到的平均最小地应力差值8.15 MPa比较接近。

2 岩石力学参数对压裂缝高的影响

2.1 单因素对压裂缝高的影响

对压裂缝高影响的岩石力学因素主要有[5-6]：储层与隔层最小地应力差、砂岩的弹性模量、泊松比以及遮挡层断裂韧性。

通过研究，得出了苏里格气田西区储层各岩石力学因素变化对井底圧裂缝高的影响情况，如图2所示。

从图2可以看出，苏里格气田西区储层岩石力学与圧裂缝高有如下关系特点：①随着储层与遮挡层之间的地应力差增加，裂缝高度呈曲线下降；随着弹性模量增加，裂缝高度呈曲线增加；随着泊松比增加，裂缝高度呈直线稍有增加；随着遮挡层断裂韧性增加，裂缝高度呈直线稍有下降；②储层与隔层的地应力差、弹性模量对压裂缝高的影响较大，是影响裂缝高度变化的主要影响因素；岩石泊松比、遮挡层断裂韧性对压裂缝高的影响较小，是次要影响因素；③苏里格西区储层岩石与遮挡层的地应力差集中在4～9 MPa之间，当地应力差在4～6 MPa时，随着地应力差增加，压裂缝高迅速下降；当地应力差＞6 MPa时，地应力差变化对缝高的影响程度下降；④苏里格西区储层岩石弹性模量集中在16000～36000 MPa之间。

图2 各岩石力学因素对缝高的影响

2.2 双因素对压裂缝高的影响

通过研究，得出了苏里格气田西区储层岩石在不同地应力差条件下，弹性模量、施工排量、单翼缝长变化对压裂缝高的影响，如图3所示。

从图3可以看出：①随着弹性模量、施工排量、单翼缝长的增大，压裂缝高均有显著增加；弹性模量与裂缝高度成呈曲线型变化，施工排量、单翼缝长与裂缝高度呈直线变化；②遮挡层与储层之间的地应力差在小于6～7 MPa左右时，弹性模量、施工排量、单翼缝长变化对压裂缝高的影响明显。

图3 各因素在不同地应力差条件下对缝高的影响

3 岩石力学参数在压裂改造中的应用

3.1 岩石力学参数在压裂设计中的应用

把研究得出的岩石力学参数及其对压裂缝高的影响规律应用到压裂设计中去，优化压裂施工规模、裂缝几何形态和施工参数。下面以苏47-X井为例说明岩石力学参数性质研究在压裂改造设计中的应用。

首先应用分层地应力剖面分析软件导入单井测井数据，根据测井数据计算单井的岩石力学参数，并结合实验得出的岩石力学参数，指导单井压裂施工规模及施工参数的确定。岩石力学参数见表1，地应力分层数据和地应力剖面图见表2和图4。

从表1可以看出，苏47-X井盒7、盒8和山2段的砂岩层段均属于中等硬度类型的砂岩。盒7、盒8上段弹性模量和裂缝高度延伸较小，应根据砂体厚度、隔层应力遮挡情况适当提高施工排量；盒8下段、山1段弹性模量和裂缝高度延伸较大，应根据砂体厚度、隔层应力遮挡情况适当降低施工排量。

由表2和图4可以看出，苏47-X井改造层段盒7段与上下泥岩遮挡层最小水平地应力差为5～11 MPa，盒8上段最小地应力差为8～16 MPa，储层与泥岩地应力遮挡较好，且储层砂体厚度较大，可考虑适当加大施工规模，提高施工排量；山1段最小地应力差为7～11 MPa，储层与泥岩地应力遮挡较好，但储层砂体厚度较小，考虑应该适当降低施工规模和施工排量；盒8下段最小地应力差为3～9 MPa，与上部泥岩遮挡层应力差较小，且泥岩遮挡层较薄，裂缝易上延，但储层砂体厚度较大，因此应考虑适当加大施工规模，降低施工排量。

表1 苏47-X井岩石力学参数

表2 苏47-X井地应力分层数据

图4 苏47-X井地应力剖面分析图

综合以上分析，结合软件模拟计算，合理设计了苏47-X的施工规模及施工参数，表3为该井现场施工参数与设计参数的对比表。从表3可看出，苏47-X井现场施工参数和设计参数较为一致，而且取得了较好的试气产量，说明该井的压裂改造方案设计较为合理。

表3 苏47-X井施工参数与设计参数对比

该井投产初期产气量为2.635×104m3/d，套压为26.3MPa，生产200余天，目前产气量为1.832×104m3/d，套压为24.2 MPa，套压仅下降2.1 MPa，该井生产平稳，可以较好的持续稳定生产。

3.2 岩石力学参数在控缝高避水压裂试验中的应用控制压裂缝高可以通过控制裂缝净压力来实现，控制裂缝净压力的方法主要有降低压裂液的黏度、控制压裂规模和施工排量。根据此思路，通过优选低黏度压裂液体系、优化压裂规模和施工参数，进行了5口不同层含水气井的控缝高避水压裂实验，结合岩石力学性质研究结果对施工规模和施工参数进行了优化，取得了较好的压裂效果，其中2口井未见出水，3口井产水量比邻井产水量大大降低。

如图5所示，控缝高避水压裂井苏48-A-B井在压裂改造的含气层（盒8层）下方约8 m距离有一个气水层，压裂时要避免裂缝窜到该气水层，而且从该井的应力分析图上可以看出，改造储层与气水层间的应力遮挡较差，因此在参数设计时应适当降低施工规模和施工排量。

图5 苏48-A-B井测井解释及储层地应力剖面解释对照图

该井设计施工规模31m3，设计施工排量2.2～2.4m3/ min，设计砂比23.7%，现场施工参数与设计参数一致，同时应用了低黏度、低密度的超级胍胶压裂液体系，压裂改造后，该井试气未见出水，试气无阻约6.3×104m3/d，取得了较好的控水效果。

对该井进行了施工压力拟合，拟合裂缝净压力为8.7 MPa，说明该井净压力控制较好，达到了较好的控制裂缝高度延伸的目的。

4 认识与结论

（1）苏里格西区岩石的抗张强度砂岩平均为3.08 MPa，泥岩平均为5.06 MPa，岩石的抗张强度较低；苏里格西区砂岩静态弹性模量平均为18704 MPa；静态泊松比是平均为0.1954，为中等硬度类型的砂岩；苏里格西区泥岩与砂岩的平均应力差为8.15 MPa，地应力差较大，有利于水力压裂造缝。

（2）遮挡层与储层之间的最小地应力差对裂缝高度的影响最大，地应力差每增加1 MPa，裂缝高度增加2～10 m；岩石的弹性模量影响其次，弹性模量每增加1000 MPa，裂缝高度增加约0.5～1.5 m；施工规模和施工排量的影响相对较小，在常规改造规模和施工排量下，裂缝高度变化约1～6 m。

（3）实际压裂设计时，当储层厚度小于8 m、上下遮挡层与储层之间的地应力差小于6 MPa，而岩石的弹性模量大于25000 MPa，就应该选择低稠度系数和低流态指数的压裂液，采用小排量施工，同时控制施工规模。

（4）将岩石力学性质研究成果应用到压裂设计中，合理设计施工规模和施工排量等参数，能有效控制压裂缝高的延伸，获得避开水层压裂的良好效果。

1林启才.低渗气藏压裂中裂缝导流能力的影响因素研究[J].油气井测试，2007,16（增刊）:22-25.

2李林地，张士诚，马新仿，等.气井压裂裂缝参数优化设计[J].油气地质与采收率，2008,15（5）:105-107.

3康义逵.应用测井资料计算储层地应力的方法[J].试采技术.2002，23（2）.

4李虎，秦启荣，姚江，等.基于测井资料的地应力算法分析[J].石油工业计算机应用.2011（1）:29-32.

5李宾元.裂缝中垂直裂缝高度的讨论[J].石油钻采工艺. 1984，6（5）：43-49.

6胡永全，任书泉.影响压裂裂缝几何尺寸的因素分析[J].西部探矿工程，1995，（3）:20-23.

7丁云宏，胥云，翁定为，等.低渗透油气田压裂优化设计新方法[J].天然气工业，2009,29（9）:78-80.

（修改回稿日期2014-08-09编辑文敏）

牟春国，男，1981年出生，工程师；2005年毕业于长江大学石油工程专业，2008年获西南石油大学油气井工程专业硕士学位；现主要从事油气井增产工艺方面的工作。地址：（710018）陕西西安市未央区凤城四路73号长庆苏里格大厦A座1415号。电话：（029）86978559。E-mail：xueyuzhaoyuan@126.com