基于地应力特征的水平井井眼轨迹与分段压裂优化技术——以塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩储集层为例

琚　岩，范坤宇，赵　崴，谢　恩，徐秋云，张　文

基于地应力特征的水平井井眼轨迹与分段压裂优化技术
——以塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩储集层为例

琚岩，范坤宇，赵崴，谢恩，徐秋云，张文

（中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000）

以往的碳酸盐岩储集层水平井井眼轨迹和分段压裂优化，缺少地应力综合分析依据，无法预测储集层改造的难易程度和井周有利裂缝的沟通状况。以储集层地应力特征为基础，建立了基于波阻抗反演数据体的储集层三维地应力模型，它兼顾了裂缝带的钻遇率、井壁稳定和后期储集层改造等水平井井眼轨迹和分段压裂优化技术。此技术适用于塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩非均质性储集层，为其水平井井眼轨迹设计和分段压裂改造提供依据。

塔里木盆地；塔中地区；碳酸盐岩储集层；地应力特征；水平井；井眼轨迹优化；分段压裂优化

塔里木盆地塔中地区碳酸盐岩储集层非均质性极强，以裂缝-孔洞型储集层为主，稳产难度大。水平井是塔中地区碳酸盐岩裂缝-孔洞型油藏提产增效的重要手段。但是，以往的水平井井眼轨迹设计仅考虑了主应力方位，未考虑地应力综合特征，不能保证水平井井眼钻遇渗透性裂缝带；无法优选有利于井壁稳定的井眼路径；在水平井设计时，没有考虑后期储集层改造的需要。另外，以往的水平井分段压裂，未利用天然裂缝的潜在力学活动性划分改造层段。

自2006年美国M.J.Mayerhofer等人首次对Barnett页岩气储集层改造提出体积压裂的概念，基于裂缝剪切滑移理论的地应力研究，在确定北美页岩气体积压裂施工参数及方案优化时，为增加改造体积、提高产量起到关键作用，获得了世界石油界的高度重视［1-8］。中国关于地应力方面的研究始于20世纪80年代后期，在油气勘探和钻完井工程中，应用多种方法成功进行了地应力测量，并开展了一些应用性研究［9-12］。本文在应用渗透性裂缝和井壁稳定性的一维地应力模型的基础上，针对塔中地区碳酸盐岩储集层特征，应用波阻抗反演数据体建立了三维地应力模型，进而在三维空间上对水平井井眼轨迹和分段压裂进行优化。

1　储集层地应力模型

1.1储集层地应力一维模型

（1）井壁稳定性预测模型通过分析岩性、钻井液密度和地层倾角等因素的综合影响，根据摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）准则，建立井眼周围不同方位的剪切应力状态、预测井眼发生变形的模型。理论基础为剪切破坏理论［13-14］，即当井内液柱压力较低时，井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏，脆性地层坍塌掉块，井径扩大，而塑性地层则向井眼内塑性变形，造成缩径。建立井壁稳定性预测模型所需的基础资料为最大水平主应力方位、现今三轴应力、井壁周围岩石强度、地层倾角和井斜方位等。井壁稳定性预测模型可直观表明不同井斜方位上井壁稳定性的差异，定量读取维持井壁稳定的最小钻井液密度，预测有利于井壁稳定的井斜方位，指导井眼轨迹优化。建模的难点在于获取准确的井壁周围岩石强度和地层倾角，由于水平井井身倾斜，井壁稳定性不仅与井斜方位有关，也与地应力方位有关，当地层存在弱势面时，井壁稳定性具非对称性特征。

图1中底色代表维持井壁稳定所需要的最小钻井液密度，足以维持井壁稳定时，较低的钻井液密度有利于快速钻进。蓝色区域所在的井斜方位范围即为水平井井眼轨迹设计时应优选的井斜方位，由于裂缝或断层等弱面的存在，据弱面产状不同，蓝色区域出现位置不同。由此模型，可以定量预测最有利于井壁稳定的井斜方位和相应的钻井液密度。

图1　塔中地区XX井井壁稳定性预测模型

（2）天然裂缝潜在力学活动性预测模型通过比较天然裂缝面上剪应力和有效正应力的比值与滑动摩擦系数之间的关系，确定不同的钻井液密度下各裂缝的潜在滑动能力的模型。此模型的建立也是基于摩尔-库伦准则，通过张量变换，将三轴应力转换为裂缝面上的剪应力与有效正应力。钻井液密度提高，有效正应力降低，当钻井液密度达到一定值，使得裂缝面上的剪应力与有效正应力的比值大于滑动磨擦系数时，裂缝处于临界开启状态，此时的注入压力即为裂缝的临界开启压力。当注入压力超过裂缝的临界开启压力，裂缝的渗透性变好，由此即可预测天然裂缝的开启（渗透）特性［14-15］。天然裂缝潜在力学活动性预测模型假设裂缝或断层的内聚力与作用于裂缝面上的剪应力和有效正应力相比非常小。建立模型需要的基础资料有最大水平主应力方位、现今三轴应力、裂缝产状、岩石强度和滑动摩擦系数等。此模型可直观预测天然裂缝在不同钻井液密度下的潜在力学活动性，以及渗透性裂缝的发育特征和分布规律，进而指导井眼轨迹优化和储集层改造（图2）。建模的难点在于准确获取裂缝面上的滑动摩擦系数和岩石强度。

图2　塔中地区XX井天然裂缝潜在力学活动性预测模型

据此模型可以确定每一条裂缝在不同的注入压力下的力学活动性，也可直观地反映具有潜在力学活动性的天然裂缝集中发育的方位，进而优选穿越较多活动性裂缝的水平井方位，在压裂改造中优选活动性较好的裂缝发育段（图2）。

1.2储集层地应力三维模型

储集层地应力三维模型是在一维模型的基础上，应用波阻抗反演数据体，采用地质力学参数反演法，建立的储集层三轴应力模型。

先通过声波时差、密度测井曲线拟合声波—密度关系式，应用于波阻抗反演数据体，反演出声波时差数据体和密度数据体；在此基础上，采用密度积分法求取垂向主应力，采用组合弹簧模型法求取最大水平主应力和最小水平主应力。其中，构造因子、有效应力系数等参数都是在一维建模中应用实测地层孔隙流体压力、闭合压力等资料标定过的，为提高储集层地应力三维模型的精度提供了保障。

波阻抗反演数据体综合运用了地震、测井等资料，可以反映单井的岩性、物性变化。通过波阻抗反演数据体反演出的声波时差数据体、密度数据体，包含了碳酸盐岩储集层非均质性的特征，对于还原地下三维储集层地质力学参数场至关重要，使沿井轨迹的单井地质力学参数提取成为可能。同时，波阻抗反演数据体的精度制约着储集层地应力三维模型的精度。

储集层地应力三维模型包括三轴应力和岩石弹性参数等三维数据体，其中应用较多的为最小水平主应力和水平应力差数据体。提取沿层应力平面分布和过井轨迹应力剖面分布，可直观反映井周的地质力学参数场的变化，预测井点周围的应力状态，进而指导井眼轨迹优化和储集层改造。

由图3可看出，研究区内最大水平主应力和最小水平主应力非均质性较强，非均质性越强对预测井壁稳定性和储集层改造效果越差。

图3　塔中地区Ⅲ区奥陶系一间房组顶界面三轴应力平面分布

2　水平井井眼轨迹优化应用实例

基于储集层地质力学的碳酸盐岩储集层水平井井眼轨迹优化，综合考虑了井壁稳定性、渗透性裂缝和储集层改造3方面因素。以塔中地区Ⅲ区ZZ井井眼轨迹优化为例，ZZ井邻井井壁稳定性方位表明，塔中地区Ⅲ区井壁以北西—南东向最为稳定；渗透性裂缝方位表明，研究区具潜在力学活动性的天然裂缝的走向以北东—南西向为主，因此，塔中地区Ⅲ区的水平井井眼轨迹设计为北西—南东向，既有利于穿越具潜在力学活动性的天然裂缝带，又有利于井壁稳定（图4）。研究区一间房组顶界面最小水平主应力系数、水平应力差、过井眼轨迹最小水平主应力系数剖面和过井眼轨迹水平应力差剖面表明，ZZ井处于最小水平主应力系数和水平应力差高值区域中的低值区（图5），说明此井井壁稳定性相对较强，后期储集层改造难度较小，有利于形成网状缝沟通井旁储集体。碳酸盐岩储集层水平井井眼轨迹优化技术作为储集层预测的重要补充技术，保障了水平井的顺利钻进，提高了钻遇具有潜在力学活动性的天然裂缝的概率，并为后期储集层改造提供了有利条件。

图4　塔中地区Ⅲ区ZZ井邻井一维地应力预测模型

对比碳酸盐岩储集层水平井井眼轨迹优化前、后的试油成果可看出，未应用这项水平井优化技术之前，井眼轨迹优化只应用主应力方位一个参数，无法确定渗透性裂缝发育方位和井壁稳定性方位，例如塔中地区Ⅱ区中古23CH井，井底方位上不具潜在力学活动性的天然裂缝很多，但与具有潜在力学活动性的天然裂缝角度较大，说明井眼轨迹穿越的具有潜在力学活动性的天然裂缝很少，未能有效利用天然裂缝（图6），试油结果为气举敞放，油压极低，未获得油气流，又如塔中地区Ⅲ区中古17-H2井，由于井底方位处于井壁较不稳定的红色区域，钻井液密度没有达到维持井壁稳定所需要的最小钻井液密度，钻进过程中奥陶系灰岩出现井壁失稳现象，塔中地区其他井区也有类似情况，出现了井壁失稳、自喷时间短、油压下降快的问题；应用这项优化技术之后，制作了塔中地区各井区井眼轨迹优化图版，校正了塔中地区多个井区的水平井井眼轨迹方位，设计在优化方位上的36口井钻遇渗透性裂缝带，未出现井壁失稳问题，全部见油气显示。

3　水平井分段压裂优化应用实例

塔中地区碳酸盐岩储集层水平井缺少成像测井和横波速度资料，无法进行单井地质力学建模。因此，应用储集层地应力三维模型，优选地质力学参数，能够快速对水平井段进行分段压裂优化［15］。以塔中地区YY井为例，提取过井眼轨迹水平应力差、过井眼轨迹最小水平主应力和储集层所在时窗的最小水平主应力。在过井眼轨迹水平应力差剖面上，根据水平应力差，可将井眼轨迹分为3段（图7a）：①段的水平应力差较小，有利于压裂改造形成网状缝；②段的水平应力差较大，压裂改造难度较大；③段的水平应力差最大，压裂改造难度最大。在过井眼轨迹最小水平主应力剖面上，同样可根据最小水平主应力值，将井眼轨迹分为3段（图7b）：①段最小水平主应力较低，压裂改造所需要的注入压力相对较低；②段为过渡区域，最小水平主应力随井深增加逐渐增大，压裂改造所需要的注入压力也随之升高；③段的最小水平主应力最高，压裂改造所需要的注入压力则相对其他两段是最高的。在最小水平主应力平面分布上，可见在YY井井眼轨迹西南侧有一个低值区，此区域即为压裂缝的优势延伸方位，如果储集体在此发育，将对沟通储集体十分有利（图7c）。在中古15-H10井应用此技术，对酸压改造段进行了细分，优选易改造层段进行压裂，最终获得工业油气流。

图5　塔中地区Ⅲ区ZZ井井眼轨迹优化

图6　塔中地区水平井井眼轨迹设计失利方案

图7　塔中地区YY井分段压裂优化

4　结论

（1）以波阻抗反演数据体为基础，建立反映碳酸盐岩储集层非均质性特征的地应力三维模型，提高了塔中地区碳酸盐岩储集层的地应力建模精度。

（2）塔中地区碳酸盐岩储集层水平井井眼轨迹优化技术，综合运用邻井一维地应力模型与地应力三维模型，定量直观地表征了水平井井眼轨迹的安全钻井方位，兼顾渗透性裂缝带的钻遇、井壁稳定性和后期储集层改造3个方面对水平井井眼轨迹进行优化。

（3）碳酸盐岩储集层水平井分段压裂技术，当缺少测井资料时，可应用储集层地应力三维模型，直观快速地指导分段压裂改造储集层，预测有利改造方位。

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（编辑潘晓慧杨新玲）

Optimization Technology for Horizontal Well Track and Staged Fracturing Based on In-Situ Stress Characteristics:A Case from Carbonate Reservoirs in Tazhong Area，Tarim Basin

JU Yan，FAN Kunyu，ZHAO Wei，XIE En，XU Qiuyun，ZHANG Wen
（Research Institute of Exploration and Development，Tarim Oilfield Company，PetroChina，Korla，Xinjiang 841000，China）

Previous technologies for horizontal well track and staged fracturing optimization in carbonate reservoirs could not be used to predict the complexity of reservoir stimulation and the connections of favorable fractures around wellbores，due to lack of comprehensive analysis data of in-situ stress.On the basis of reservoir in-situ stress characteristics，a 3D in-situ stress model based on wave impedance inversion data cubes is established for the carbonate reservoirs，which integrates horizontal well track and staged fracturing optimization technologies，including the drilling rate of fracture zones，borehole stability and reservoir stimulation at the late stage.The method is applicable for heterogeneous carbonate reservoirs in Tazhong area，Tarim basin and can provide basis for horizontal well track design and staged fracturing stimulation.

Tarim basin；Tazhong area；carbonate reservoir；in-situ stress characteristic；horizontal well；well track optimization；staged fracturing optimization

TE22

A

1001-3873（2016）05-0580-05DOI：10.7657/XJPG20160515

2015-12-03

2016-06-21

琚岩（1981-），女，河北唐山人，高级工程师，硕士，石油地质，（Tel）15899020751（E-mail）juy-tlm@petrochina.com.cn