崔 杰,李忠慧

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營 257017; 3.長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點實驗室,湖北荊州 434023;4.長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州 434023)

碳酸鹽巖地層破裂壓力預(yù)測新模型及其應(yīng)用

崔 杰1,2,李忠慧3,4

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061;2.勝利油田鉆井工藝研究院,山東東營 257017; 3.長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點實驗室,湖北荊州 434023;4.長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州 434023)

海相碳酸鹽巖地層原生孔隙較少而裂縫較發(fā)育,利用測井資料計算其破裂壓力難度較大。依據(jù)彈性力學(xué)原理和巖層破裂機(jī)制,綜合考慮三向地應(yīng)力及地層特征對地層破裂壓力的影響,建立一種新的適合海相碳酸鹽巖地層的破裂壓力計算模型。川東北通南巴構(gòu)造上 5口井的應(yīng)用結(jié)果表明,利用該模型計算得到的破裂壓力值與實測值誤差較小,能夠滿足工程計算要求。

碳酸鹽巖;破裂壓力;計算模型;彈性力學(xué)

地層破裂壓力模型研究由來已久,1957年Hubbert和W illis對地層水壓裂機(jī)制進(jìn)行了研究,隨后Matthews和 Kelly在其基礎(chǔ)上提出了地層破裂壓力的預(yù)測模型[1],但考慮的因素太少,且上覆巖層壓力假定為常數(shù),這不符合生產(chǎn)實際;Eaton模型[2]沒有考慮井壁應(yīng)力集中的影響和地質(zhì)構(gòu)造力的作用; Holbrook模型中忽略了膠結(jié)較差巖層的抗拉強(qiáng)度;黃榮樽[3]、譚廷棟[4]、夏宏泉[5]、葛洪魁[6]等先后對巖石破裂壓力進(jìn)行了研究,并建立了不同的地層破裂壓力模型;楊前雄[7]等考慮溫度的影響對地層破裂壓力進(jìn)行了研究。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,針對海相碳酸鹽巖地層地質(zhì)特點,根據(jù)彈性力學(xué)原理和巖層破裂機(jī)制,考慮三向地應(yīng)力的影響,建立海相碳酸鹽巖地層破裂壓力預(yù)測模型,并進(jìn)行應(yīng)用分析。

1 碳酸鹽巖地層破裂壓力預(yù)測模型

對井筒進(jìn)行受力分析,井眼周圍巖石受最大和最小水平地應(yīng)力σH和σh的作用,將井筒看作彈性力學(xué)中無限大平板中的圓孔模型來求解,計算可得到井眼周圍的應(yīng)力分布[8]。

從力學(xué)上分析,地層壓裂是由于井內(nèi)壓力過大使巖石所受的周向應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度而造成的。破裂發(fā)生在抗拉強(qiáng)度最小處,即θ=0°或θ= 180°處[9],即

式中,σθ為在角度為θ處的切向有效應(yīng)力,MPa;pp為地層孔隙壓力,MPa;pi為井眼中的液柱壓力, MPa。

將式 (1)代入巖石的拉伸破裂強(qiáng)度準(zhǔn)則,可得巖石產(chǎn)生拉伸破壞時井內(nèi)液柱壓力即地層破裂壓力為

式中,pf為地層破裂壓力,MPa;St為巖石抗拉強(qiáng)度, MPa。

由于地層間是連續(xù)的,各地層在水平方向的應(yīng)變應(yīng)對應(yīng)相等,即

式中,ε1A,ε1B,…,ε1Z,ε1為各地層在水平 x方向應(yīng)變值;ε2A,ε2B,…,ε2Z,ε2為各地層在水平 y方向應(yīng)變值。

根據(jù)虎克定律有

其中

式中,E為彈性模量,MPa;μ為泊松比;ρ為地層密度,g/cm3;vp為縱波速度,m/s;vs為橫波速度,m/s。

由式(4)解方程得水平方向有效主地應(yīng)力為

由σ′ij=σij-α δijpp得水平方向主應(yīng)力為

式中,σ′ij為地層巖石骨架有效應(yīng)力分量;σij為井周巖石所受的應(yīng)力偏量;δij為應(yīng)變分量;α為巖石的有效應(yīng)力系數(shù)。

只有當(dāng)巖石的孔隙度和滲透率足夠大時才可以近似取α=1,利用聲波法確定α為

式中,ρm為巖石骨架密度,g/cm3;vmp和 vms分別為巖石骨架的縱、橫波速度,m/s。

由此可求得水平方向地應(yīng)力方程為

將σ′3=σ3-pp=σv-pp代入式 (7)可得水平應(yīng)變方程為

式中,σv為地層垂向應(yīng)力,MPa;ω1,ω2為構(gòu)造應(yīng)力系數(shù),可由現(xiàn)場破裂壓力試驗數(shù)據(jù)反算求得。

把式(4)代入到式(6)中,推導(dǎo)得到地層破裂壓力預(yù)測模型為

海相地層因隱性裂隙和裂縫的存在,使巖石的破裂壓力預(yù)測困難。研究表明,裂縫方位和有無填充物對巖石力學(xué)特征影響明顯,因此對于不同地層的巖石抗拉強(qiáng)度值引入強(qiáng)度校正因子 K來修正[3],修正后的模型為

式中,D為裂縫寬度;β為裂縫角度;A為裂縫方向; T為裂縫填充度。K=1表示巖石是非裂縫儲層,否則 K是裂縫寬度、角度、方向的函數(shù)。K的取值為 0～1,一般由試驗數(shù)據(jù)反算和回歸求得。

2 應(yīng)用分析

通南巴構(gòu)造帶是四川盆地的第二大構(gòu)造,是盆地西部印支 -燕山構(gòu)造帶東端的一個大型NE向背斜。地表有局部高點,地下構(gòu)造總體為一大型 NE向隆起。在縱向上可分兩個形變層。上、下形變層總體為NE向隆起。其形成受形變環(huán)境、位置和區(qū)域應(yīng)力場控制,構(gòu)造帶的形成具明顯的多期性。為了驗證模型的合理性,結(jié)合該構(gòu)造帶地質(zhì)特征,利用上述地層破裂壓力模型及相關(guān)測井資料,對川東北地區(qū)通南巴構(gòu)造碳酸鹽巖地層的 5口井地層破裂壓力進(jìn)行預(yù)測,并與常用黃氏模型[3]進(jìn)行了對比分析,計算結(jié)果見表 1,利用建立的模型計算得到的HB1井全井地層破裂壓力鉆井液當(dāng)量密度剖面見圖1。

表 1 破裂壓力鉆井液當(dāng)量密度預(yù)測值與實測值對比Table 1 Comparison of predicted and measured value of fracture pressure equivalent drilling fluid density

對比分析表 1可知,應(yīng)用本文模型預(yù)測的地層破裂壓力鉆井液當(dāng)量密度的誤差比黃氏模型產(chǎn)生的誤差小得多,最大為 9.0%。對于碳酸鹽巖地層,本文模型中考慮了地層裂縫對地層破裂的影響,計算誤差滿足工程要求,說明該方法是適合于碳酸鹽巖地層的,對于現(xiàn)場施工具有一定的指導(dǎo)意義。

從圖 1可以看出:在上部地層中,現(xiàn)場施工中使用的鉆井液密度小于本文方法計算得到的破裂壓力值,實測點進(jìn)行的地層承壓試驗未壓漏,說明地層的實際破裂壓力應(yīng)高于承壓試驗的壓力,與計算結(jié)果相吻合;下部地層(5.7 km以下)使用的鉆井液密度接近或部分超過了新模型預(yù)測的地層破裂壓力,該井在鉆井過程中,5.7 km以下發(fā)生了 6起井漏事故,分析認(rèn)為是使用的鉆井液密度超過了地層的破裂壓力引起的,說明該方法預(yù)測的地層破裂壓力與工程現(xiàn)場情況相吻合,能滿足工程要求。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)彈性力學(xué)原理和巖層破裂機(jī)制,考慮三向地應(yīng)力及裂縫的影響,建立海相碳酸鹽巖地層破裂壓力預(yù)測新模型,最大相對誤差為 9.0%,計算精度較高。

(2)提高模型預(yù)測精度的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定模型中各相關(guān)參數(shù),其中裂縫的走向及縫長是關(guān)鍵參數(shù)。

[1] 陳庭根,管志川.鉆井工程理論與技術(shù) [M].東營:石油大學(xué)出版社,2000.

[2] 孫明光.鉆井、完井工程基礎(chǔ)知識手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[3] 黃榮樽.地層破裂壓力模式的探討[J].華東石油學(xué)院學(xué)報,1985,5(1):34-38.

HUANG Rong-zun.A model for predicting formation fracture pressure[J].Journal of East China Petroleum Institute,1985,5(1):34-38.

[4] 譚廷棟.從測井信息中提取地層破裂壓力[J].地球物理測井,1990,14(6):371-377.

TAN Ting-dong.Deter mination of for mation fracture pressure from well logging data[J].Well Logging Technology,1990,14(6):371-377.

[5] 夏宏泉,張元澤,陳平,等.碳酸鹽巖地層破裂壓力的測井預(yù)測研究[J].天然氣工業(yè),2004,24(8):32-35.

XI A Hong-quan,ZHANG Yuan-ze,CHEN Ping,et al.Log prediction of carbonate for mation breakdown pressure[J].Natural Gas Industry,2004,24(8):32-35.

[6] 葛洪魁,林英松,馬善洲,等.修正 Holbrook地層破裂壓力預(yù)測模型[J].石油鉆探技術(shù),2001,29(3):20-22.

GE Hong-kui,L I N Ying-song,MA Shan-zhou,et al.Modification of Holbrook′s fracture pressure prediction model[J].Petroleum Drilling Techniques,2001,29(3): 20-22.

[7] 楊前雄,熊偉.考慮溫度時碳酸鹽巖地層破裂壓力的確定[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(3):12-14.

YANGQian-xiong,XI ONGWei.Determination of carbonate for mation fracture pressure considering formation temperature[J].Petroleum Drilling Techniques,2007, 35(3):12-14.

[8] 徐芝倫.彈性力學(xué)[M].北京:人民教育出版社,1979.

[9] 鄧金根,張洪生.鉆井工程中井壁失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

(編輯 李志芬)

A new prediction model of fracture pressure of marine carbonate formation and its application

CU IJie1,2,L I Zhong-hui3,4
(1.College of Geo-Resources and Info rm ation in China University of Petroleum,Dongying257061,China; 2.D rilling Technology Research Institute in Shenli O ilfield,Dongying257017,China; 3.Key Laboratory of D rilling and Production Engineering forO il&Gas,Yangtze University,Jingzhou434023,China; 4.Department of Petroleum Engineering,Yangtze University,Jingzhou434023,China)

The primary pore didn′t develop and fracture developed inmarine carbonate for mation,so it is difficult to compute the fracture pressure by using log data.According to the elasticmechanics rule and rock stratum breakmechanism,considering tri-crustal-stress and for mation characteristic,a new prediction model of fracture pressure of marine carbonate formation was established.The application results of five wells in Tongnanba structure of northeast Sichuan indicate that the fracture pressure error obtained by thismodel is small enough to achieve the engineering calculation demand.

carbonate;fracture pressure;calculation model;elasticitymechanics

TE 344

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.014

1673-5005(2010)02-0071-03

2010-01-15

國家“863”計劃項目(2006AA06A109)

崔杰(1973-),男(漢族),山東博興人,高級工程師,博士研究生,從事地質(zhì)工程模型研究和圖形軟件開發(fā)。