川西须家河组三压力模型研究

郭宇，王昊，李凯

（1.成都理工大学能源学院，四川成都　610059；2.中国石油长庆油田分公司第八采油厂，陕西延安　717612）

川西须家河组三压力模型研究

郭宇1，王昊2，李凯1

（1.成都理工大学能源学院，四川成都610059；2.中国石油长庆油田分公司第八采油厂，陕西延安717612）

川西须家河组岩石致密、硬度高、可钻性差、机械钻速低、钻井周期长，严重制约了油气勘探开发等工作进展，有必要对该区三压力进行研究。本文通过大量的室内实验研究获得了岩石抗压强度、杨氏模量、泊松比等岩石力学性质及可钻性参数，并利用现场测井资料，采用Eaton法建立了地层压力计算模型，利用水力压裂方法确定的破裂压力结合岩石力学参数建立了利用测井资料估算川西须家河组地层破裂压力的模型，并基于Mohr-Coulomb准则，通过水力压裂模型反演方法获得坍塌压力。与实际地层压力进行对比结果表明测井计算的三压力剖面模型可靠性较高。该研究为钻头优选提供了一定的理论基础，同时对钻井工程设计和井壁稳定性研究都具有十分重要的意义。

须家河组；三压力；地层压力；破裂压力；坍塌压力

地层压力、破裂压力和坍塌压力是工程施工中非常重要的三个参数，对钻井工程设计和井壁稳定性研究都具有十分重要的意义［1-4］。然而由于川西须家河组岩石非常致密，岩石的塑性系数、硬度和抗压强度高，岩石可钻性差、研磨性强，且须四底部含有砾石，导致机械钻速慢、钻头寿命低等问题，其中川西新场地区须三段、须四段平均钻速不足1 m［5，6］。为了提高该工区的勘探开发进程，减少钻探事故，针对须家河组开展岩石力学性质研究，尤其是三压力模型研究及剖面建立对于合理选用钻头，开展个性化钻头设计，合理设计钻完井工艺具有重要意义。

1　工区内岩石力学性质

1.1实验样品及实验设备

为精确测量川西须家河组岩石力学参数及可钻性参数，本次实验研究共选取实钻岩心36块，其基本资料（见表1）。

表1　试验岩样基本资料

1.2实验仪器

实验仪器采用成都理工大学油气藏国家重点实验室“MTS岩石物理测试系统”。该仪器可以对岩石力学参数及声学参数进行同步测试，该仪器基础参数：测试围压0～140 MPa，温度200℃以内，孔隙压力最大可加至70 MPa，轴向最高1 000 kN。测试压力传感器误差小于1％，位移传感器量程在正负50mm，位移量程分辨率为0.000 1mm，测试精度较高。对于声学测试，其超声波换能器对于直径25mm柱体样品的测试频率为1 MHz，对于直径50mm柱体样品的测试频率为500 kHz。

1.3实验结果

为模拟岩心所处地应力环境，实验过程中对不同深度段的岩心施加了不同的围压和温度。通过三轴抗压实验获取了岩心的应力-应变曲线，求取了岩石抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等岩石力学参数。岩样岩石力学参数测试结果（见表2）。

2　地层三压力剖面建立

2.1地层压力

Eaton法是计算地层孔隙压力的一种常用方法［7-10］，它是根据美国墨西哥湾等地区经验及测井资料建立起来的地层压力计算模型：

式中：σV-垂向应力；σW-地层水静液柱压力；c-压实指数；Δtn-压实趋势线上的声波；Δt-实测声波。

在没有实测资料的情况下Pp通常采用静水液柱压力，但在川西地区的含气储层中，Pp明显高于静水液柱压力。

伊顿法需要做正常压实趋势线，根据压实趋势线计算实际深度点的标准参数。可以选择声波时差、密度及电阻率等测井数据。应用该方法的关键是要获取可靠的钻、测井参数资料，剔除资料中的异常数据，压实趋势线才能准确地预测地层孔隙压力。大邑地区泥岩地层声波的压实趋势线（见图1），泥岩声波时差随深度增加逐渐减小。

根据川西须家河组地区的测试资料代入伊顿法公式反演压实指数c，发现c不是一个固定值，它随深度变化而具有逐渐增大的趋势，与反映地层特征的声波曲线的关系则较好。

表2　川西须家河组岩石力学参数特征参数统计结果表

图1　泥岩段声波时差与深度的关系图

图2　DY测井压实指数c与声波时差关系

川西地区c值与声波曲线的关系图（见图2），二者具有较好的非线性关系。由此建立大邑须家河组的Eaton法预测地层孔隙压力模型为：

采用相同的方法对大邑地区进行地层压力计算。根据实测资料和测井计算成果反演压实指数c，也表明该值具有随深度增加而逐渐增大的趋势，与声波曲线关系较好。在大邑地区，具有如下的经验关系：

DY须二段地层压力测井计算储层段地层压力78.8 MPa～83.3 MPa，平均地压梯度在1.67 MPa/100m；在4 912 m实测地层压力为81.50 MPa，地压梯度为1.69 MPa/100m，测井计算成果与实际情况吻合较好。

川西须家河组实测的地层压力与测井计算的地层压力成果对比表（见表3），从表3中可以看出二者的误差较小，平均误差为8.05％，说明测井计算成果较可靠，满足钻井工程等需要。

研究中还发现地层压力与深度关系密切。DY地区实测地层压力资料显示地层压力随深度增加而增大，地压梯度随深度增加而减小（见图3、图4）。该地区须家河组地压梯度在纵向上则变化不大，地层压力梯度一般在1.05 MPa/100m～1.24 MPa/100m；但在须二段则可能钻遇异常高压的裂缝性气层，其地压梯度远高于常压地层，这在钻井工程中应予以重视。

2.2破裂压力

目前，一般通过两种途径获取该参数：（1）室内岩石力学实验测试或现场水力压裂施工监测；（2）利用测井资料提取地层破裂压力［11-13］。

周文［14］认为井筒液柱压力要使地层达到破裂（产生新的裂缝），其大小必须等于井壁附近最小周向应力和岩石抗拉强度之和。在考虑压井液具有滤失性和岩石基质具有渗透性基础上，经推导得到如下井壁垂直破裂时破裂压力预测公式：

表3　川西地区实测与测井计算地层压力参数对比表

图3　DY地层压力与垂深关系　

这里定义岩石渗透系数为η=1-Kb/Kma，式中：Kb-无裂缝井壁岩石渗透率，Kma-岩石骨架渗透率，一般取1。如果压井液为非渗透液时，η=1。

在实际计算中，利用水力压裂方法确定的破裂压力结合岩石力学参数建立了利用测井资料估算川西须家河组地层破裂压力的模型和参数剖面。

X井4 915 m～4 920 m井段压裂成果图（见图5）：该段施工压力为84 MPa～100 MPa，其中储层段的破裂压力梯度最高达到2.03 MPa/100m；由于对储层段改造很成功，测试获得天然气产量13×104m3/d。该段测井计算的破裂压力Pf值为104 MPa，地压梯度GPf为2.08 MPa/100m；相对致密地层的破裂压力比储层段更高，达到115 MPa/2.25，表明测井计算成果与实际情况较吻合。

图4　DY地压梯度与垂深关系

川西区实测的破裂压力与测井计算的破裂压力成果对比表（见表4）。从表4中可以看出二者的误差为6.25％，说明测井计算成果较可靠。通过研究还发现，破裂压力与深度及最小水平主应力具有很好的相关性。

该地区破裂压力与垂深的关系图（见图6）。随着深度的增加，破裂压力逐渐增加，增加相对平稳，致密地层的破裂压力梯度可达到2.23 MPa/100m以上。在优质储层段及含煤地层，破裂压力明显降低。一般情况下，地层中最小水平主应力越大，破裂压力越大，二者存在正相关关系。破裂压力与最小水平主应力的关系图（见图7），图7表明随着最小水平主应力增大，破裂压力呈非线性增大。

2.3坍塌压力

图5　X井须二段4 915 m～4 920 m压裂成果图

在井壁稳定性研究中，常用的岩石力学剪切破坏准则有Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则，对于直井一般采用前者［15，16］。根据摩尔-库仑准则，地层的坍塌压力Pc计算公式为：

表4　X井须二段实测与测井计算破裂压力参数对比表

图6　DY地区破裂压力与垂深关系　

其中：n-修正系数，σH、σh-分别为最大和最小水平主应力，MPa。

考虑到在某些情况下摩尔-库仑准则与实际情况的差异，在一些文献中提出了改进的模型，加入了一个修正系数n（0.9～0.95），计算模型为：

由于难以直接测量地层坍塌压力，目前一般是通过水力压裂模型反演方法获得坍塌压力。在实际处理中参考了川西实钻井及邻区资料进行计算，测井资料显示在泥岩、含煤线地层的坍塌压力明显较高，井壁稳定性相对较差；在砂岩的坍塌压力相对较低，井壁稳定性较好。处理结果与实钻情况较吻合。

DY地区部分井的测井计算坍塌压力与深度关系图（见图8）。图8表明须家河组的地层坍塌压力总体较高，须五～须三泥岩及含煤地层的坍塌压力更高，须二段的坍塌压力相对较低。须家河组地层坍塌压力变化范围较大，尤其在含煤地层的坍塌压力很高（井壁稳定性差）；须二段的坍塌压力略有降低，但泥岩地层的坍塌压力依然相对较高。

图7　DY最小水平主应力和破裂压力关系

图8　DY坍塌压力与垂深关系

3　结论

（1）川西地区的测试资料表明压实指数随深度变化而具有逐渐增大的趋势，与反映地层特征的声波曲线的关系则较好，并在此基础上建立了相关的经验关系式。此外地层压力随深度增加而增加，具有较好的相关关系；地层压力梯度具有随深度增加而逐渐减小的趋势，但与深度相关性很差。

（2）研究发现破裂压力与深度及最小水平主应力具有很好的相关性，随着深度的增加，破裂压力逐渐增加，致密地层的破裂压力梯度可达到2.23 MPa/100m以上。在优质储层段及含煤地层，破裂压力明显降低。

（3）须家河组的地层坍塌压力总体较高，须五～须三泥岩及含煤地层的坍塌压力更高，须二段的坍塌压力相对较低。

（4）通过室内实验，基于测井资料建立了三压力模型，绘制了地层三压力剖面，与实际地层压力进行对比结果表明测井计算的三压力剖面模型可靠性较高，对钻井工程设计和井壁稳定性研究都具有十分重要的意义。

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Research on three pressure models in west Sichuan Xujiahe formation

GUO Yu1，WANG Hao2，LI Kai1
（1.College of Energy Resources，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.Oil Production Plant 8 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 717612，China）

Tight rock，high hardness，poor drillability，low penetration rate and long drilling period occur in west Sichuan Xujiahe formation，resisting petroleum reservoir exploration and development seriously，therefore，it's urgent to study formation pressure，bursting pressure and collapse pressure.In this article，large amounts of tests were performed to draw rock compressive strength，Young's modulus，Poisson's ratio and drillability parameters.Based on field logging data，Eaton method was employed to draw formation pressure predicting model，bursting pressure method was built on the basis of combination of lithomechanics parameters and bursting pressure calculated by hydrofracture method，and based on Mohr-Coulomb principle，hydrofracture inversion method was employed to build collapse pressure model.Compared with actual formation pressure，three pressure models based on logging data are calculable highly.This research provides theoretical basis for bit optimization and lays signifi-cance for drilling engineering design and wellbore stability study.

Xujiahe formation；three pressure models；formation pressure；bursting pressure；collapse pressure

TE142

A

1673-5285（2016）08-0079-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.018

2016-07-04

2016-07-26

郭宇，男（1991-），汉族，四川西昌人，硕士研究生，主要从事油气田开发及油气藏数值模拟方面的研究工作，邮箱：540886111@qq.com。