范 宇,王佳珺,劉厚彬,吳鵬程

(1.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，成都 610000；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

目前,全球頁巖氣開發(fā)已經(jīng)蔓延到中國，塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地是中國主要的頁巖氣區(qū)，但是由于中國頁巖氣開發(fā)較晚，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，還要面臨低油價，高成本，高風(fēng)險的挑戰(zhàn)，在一定程度上限制了頁巖氣勘探技術(shù)的發(fā)展。且深層頁巖埋深較深，溫度以及強度較高，應(yīng)力十分復(fù)雜，給深層頁巖氣的開發(fā)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時，國內(nèi)外對巖石力學(xué)特性的研究并不多,而不同地層條件下巖石力學(xué)特性的研究更少。并且瀘州區(qū)塊井涌、井漏、掉塊、卡鉆等復(fù)雜情況頻發(fā)，增加了鉆井周期，影響了氣田的高效勘探與開發(fā)。因此,有必要通過計算三壓力剖面來找到發(fā)生事故的原因并做及時預(yù)防與處理。蔣曉紅等[1]利用測井方法計算了三壓力剖面，結(jié)合現(xiàn)場實測三壓力數(shù)據(jù)，建立了GM區(qū)塊地層三壓力剖面；胡南等[2]基于FORWARD.NET平臺，使用FORTRAN語言編制應(yīng)用程序，利用測井資料計算，并結(jié)合實測地層三壓力數(shù)據(jù)構(gòu)建了大港油田港中區(qū)塊的三壓力剖面；冉利民等[3]充分利用鎮(zhèn)涇油田常規(guī)測井、陣列聲波等測井資料，在三軸巖石力學(xué)參數(shù)測試試驗的基礎(chǔ)上，開展了計算巖石力學(xué)參數(shù)、地層壓力、井壁穩(wěn)定等方法的研究，并取得了較好的應(yīng)用效果；郭宇等[4]采用Eaton法建立壓力模型，利用壓裂法確定了破裂壓力并結(jié)合力學(xué)參數(shù)建立了破裂壓力模型，并反演得到坍塌壓力。

基于室內(nèi)實驗，建立不同巖性地層力學(xué)參數(shù)預(yù)測方法，評價了不同巖性地層力學(xué)參數(shù)分布規(guī)律；耦合地應(yīng)力、力學(xué)實驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場漏溢塌工程信息，考慮井眼軌跡、力學(xué)弱面等因素，建立全井段孔隙壓力、坍塌壓力、漏失壓力及破裂壓力分布剖面，可更加準(zhǔn)確地評價現(xiàn)場實測井壁垮塌擴徑、井下復(fù)雜遇阻、溢流、井漏及地破等現(xiàn)場工程信息。

1 巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測方法及優(yōu)選

目前，在巖石力學(xué)性能參數(shù)評價方面，郭瑞等[5]根據(jù)大量的室內(nèi)實驗結(jié)果建立了砂泥巖的單軸抗壓強度和動態(tài)楊氏模量以及巖石的泥質(zhì)百分含量Vcl之間的關(guān)系。如表1所示統(tǒng)計了全球砂巖、泥巖地層抗壓強度與巖體物理性質(zhì)之間的經(jīng)驗關(guān)系。

表1 不同巖性地層抗壓強度與巖石物理性質(zhì)之間的關(guān)系Table 1 The relationship between compressive strength and physical properties of rocks in different lithologic strata

注：Vp為縱波速度，m/s；Δt為聲波時差，μs/m；Vclay為巖石的泥質(zhì)百分含量，0～1；ρ為巖石體密度g/cm3；v為泊松比。

2006年Zoback[6]統(tǒng)計了不同地區(qū)頁巖內(nèi)摩擦角與常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)之間的經(jīng)驗關(guān)系，如表2所示。

表2 頁巖內(nèi)摩擦角與測井?dāng)?shù)據(jù)之間經(jīng)驗關(guān)系Table 2 Empirical relationship between shale internal friction Angle and logging data

注：GR為伽馬系數(shù)；Vp為縱波速度，m/s。

為選擇合適的巖石力學(xué)參數(shù)評價模型，需要實測井下應(yīng)力下巖石彈性參數(shù)、力學(xué)強度，然后以實驗測試數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，選擇合適的力學(xué)參數(shù)評價模型。不同區(qū)域不同巖性地層巖石力學(xué)性能預(yù)測模型存在差異，結(jié)合室內(nèi)實測巖石力學(xué)參數(shù)為校核點，優(yōu)選合理的巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型，確定預(yù)測模型經(jīng)驗系數(shù)，為巖石力學(xué)性能參數(shù)剖面預(yù)測奠定基礎(chǔ)。如圖1所示為陽101井巖石彈性參數(shù)預(yù)測模型及校核結(jié)果。

根據(jù)實驗參數(shù)校核后，優(yōu)選了如表3所示預(yù)測模型。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型Table 3 Rock mechanics parameter prediction model

注：Es為靜態(tài)楊氏模量，GPa;Ed為動態(tài)楊氏模量(測井資料得到)，GPa；μs為靜態(tài)泊松比；μd為動態(tài)泊松比；σt為抗剪強度，GPa；Sc為單軸壓縮強度，GPa；C為巖石內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；σt為抗剪強度，GPa；St為巖石抗張強度，GPa。

2 孔隙壓力預(yù)測方法優(yōu)選及剖面建立

2.1 孔隙壓力預(yù)測模型優(yōu)選

目前，不同巖性地層異?？紫秹毫π纬蓹C制存在差異。如表4所示統(tǒng)計了不同的地層孔隙壓力獲取方法及模型。

圖1 陽101井巖石彈性參數(shù)預(yù)測模型的建立及校核Fig.1 Establishment and verification of rock elastic parameter prediction model in well Yang 101

表4 孔隙壓力預(yù)測方法Table 4 Pore pressure prediction method

注：Pp為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；PA、PB為A點和B點的上覆巖層壓力，g/cm3；SA、SB為A點和B點的上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；S為上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Pn為靜水柱壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Δt為實測聲波時差，μs/m;Δtma為正常趨勢線上聲波時差，μs/m;R為實測電阻率，Ω·m；Rn為正常趨勢線上電阻率，Ω·m。

以現(xiàn)場井漏及溢流等數(shù)據(jù)為校核點，結(jié)合現(xiàn)場工程測井資料，建立了陽101井不同巖性地層孔隙壓力理論預(yù)測模型及正常趨勢線模型，如表5所示。

2.2 孔隙壓力分布剖面建立

以現(xiàn)場井漏及溢流等數(shù)據(jù)為校核點，結(jié)合現(xiàn)場工程測井資料，建立了陽101井不同巖性地層孔隙壓力分布剖面，如圖2所示。

根據(jù)參數(shù)剖面可以看出，須家河組、茅口組孔隙壓力相對較低，石牛欄組、龍馬溪組孔隙壓力相對較高。地層孔隙壓力不僅影響則地應(yīng)力的大小，還對巖石的強度具有一定的影響。隨著地層孔隙壓力的增大，巖石的抗壓強度、彈性模量整體呈遞減的趨勢，并影響著井壁穩(wěn)定的狀態(tài)。

表5 孔隙壓力預(yù)測模型及正常趨勢線模型Table 5 Pore pressure prediction model and normal trend line model

注：Pp為地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；σV為上覆巖層壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Pn為靜水柱壓力當(dāng)量密度，g/cm3；Δt為聲波時差，μs/m；d為電阻率，Ω·m；h為深度，m。

圖2 陽101井(直)全井段地層孔隙壓力分布剖面Fig.2 Pore pressure distribution profile of the whole well section of Yang 101 well

3 全井段井壁穩(wěn)定性預(yù)測模型優(yōu)選及剖面建立

3.1 坍塌壓力預(yù)測模型優(yōu)選

不同巖性地層井壁垮塌作用機理及理論評價方法存在差異，如表6所示為不同巖性地層井壁垮塌準(zhǔn)則。

以現(xiàn)場實測井眼擴徑及井下遇阻復(fù)雜等為校核點，優(yōu)選了地層坍塌壓力理論預(yù)測模型，如圖3所示。

表6 不同巖性地層井壁垮塌準(zhǔn)則模型Table 6 Criterion model of shaft wall collapse in different lithology strata

注：σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；C0為巖石內(nèi)聚力，MPa；J1為有效平均應(yīng)力,MPa；J2為第二偏應(yīng)力張量不變量，MPa；m為有限正值，m=0.001～25；S為待定系數(shù)。

圖3 陽101井(直)全井段地層坍塌壓力預(yù)測模型的建立及校核Fig.3 Establishment and verification of formation collapse pressure prediction model for whole well section of well Yang 101

根據(jù)以上現(xiàn)場實測參數(shù)校核后，優(yōu)選以下坍塌壓力預(yù)測模型：σ1=qσ3+C0。

結(jié)合現(xiàn)場工程測井資料及室內(nèi)實測地應(yīng)力大小，建立了陽101(直井)地層坍塌壓力分布剖面，如圖4所示。

根據(jù)參數(shù)剖面可以看出，龍?zhí)督M、茅口組坍塌壓力相對較低，龍馬溪組坍塌壓力相對較高。證實了頁巖地層在鉆遇初期穩(wěn)定，隨著深度的增加逐漸出現(xiàn)失穩(wěn)，嚴(yán)重影響著井壁穩(wěn)定，增加了鉆井周期，影響了氣田的高效勘探與開發(fā)。

3.2 地層三壓力剖面的建立

不同巖性地層井漏作用機理及理論評價方法存在差異。通過優(yōu)選伊頓法計算地層孔隙壓力、庫侖-摩爾準(zhǔn)則強度計算坍塌壓力、最大拉應(yīng)力理論計算地層破裂壓力等方法，建立三壓力剖面[7]。如圖5所示。

可通過三壓力剖面成果，結(jié)合現(xiàn)場資料，得出陽101井在龍?zhí)督M坍塌壓力高，當(dāng)量密度在1.5 g/cm3左右，井壁穩(wěn)定問題突出等復(fù)雜情況。故可根據(jù)三壓力剖面，采取針對性措施，例如增加鉆井液封堵性能力、優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)等?？梢杂行p少鉆井過程中復(fù)雜情況的發(fā)生，提高鉆速，縮短鉆井周期，提高鉆井效益。

4 結(jié)論

根據(jù)以上三壓力剖面模型，基于現(xiàn)場實測井壁垮塌擴徑、井下復(fù)雜遇阻、溢流、井漏及地破等現(xiàn)場工程信息，利用現(xiàn)場常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)系統(tǒng)評價了不同巖性地層力學(xué)參數(shù)(巖體密度、彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角)、地應(yīng)力大小、孔隙壓力、坍塌壓力分布剖面，并取得以下幾點認(rèn)識。

(1)瀘州區(qū)塊不同巖性地層力學(xué)性能參數(shù)存在差異，海相碳酸鹽巖地層力學(xué)強度最高，陸相砂巖地層力學(xué)強度居中，泥頁巖地層力學(xué)強度最小。

(2)龍?zhí)督M泥巖(煤層)、梁山組泥巖力學(xué)強度弱，鉆井過程中存在井壁垮塌擴徑。

(3)不同巖性地層力學(xué)性能及三壓力剖面預(yù)測方法存在差異，海相碳酸鹽巖地層孔隙壓力預(yù)測斯通利波伊頓方法最佳，陸相地層及深層泥頁巖地層可采用等效深度法。

(4)陸相地層為正常壓力梯度，普遍在1～1.2 MPa/100 m，嘉陵江-龍?zhí)督M地層壓力系數(shù)1.2～1.45 MPa/100 m，茅口組地層壓力系數(shù)偏低，漏失壓力低，韓家店地層孔隙壓力升高，普遍高于1.5 MPa/100 m，部分位置點1.9 MPa/100 m，龍馬溪組地層壓力升高至1.9～2.1 MPa/100 m。

(5)龍?zhí)督M坍塌壓力高，當(dāng)量密度在1.5 g/cm3左右，茅口組與龍?zhí)督M負(fù)密度窗口(漏/垮)問題突出。

(6)韓家店組、石牛欄組高密度鉆井液(2.1～2.2 g/cm3)下存在井漏問題，地層坍塌壓力當(dāng)量密度普遍低于1.8 g/cm3，建議采用近平衡鉆井。井壁穩(wěn)定性層理力學(xué)弱面影響明顯，造斜井段坍塌壓力最高，坍塌壓力當(dāng)量密度1.9～2.02 g/cm3。

圖4 陽101井坍塌壓力分布剖面圖Fig.4 Collapse pressure distribution profile of well Yang 101

圖5 陽101井三壓力分布剖面圖Fig.5 Three-Pressure distribution profile in well Yang 101