自然伽马曲线在薄隔层压裂井中的应用

姚洪田，周洪亮

中国石油大庆油田有限责任公司大庆榆树林油田 （黑龙江 大庆 163316）

Y油田属于特低渗透油田，薄隔层较发育，平均单井钻遇小层数16.2个，平均隔层厚度3.2 m，油井均需压裂投产，但是由于储层的最小主应力在水平方向上，导致压裂形成的裂缝垂直于油层。在水力压裂过程中，由于隔层较薄，若隔层泥质含量较低时，裂缝会沿着垂直方向上延伸，会导致裂缝高度过大、减少裂缝长度，影响压裂效果，若临近层为水层时，会导致油井含水上升[1-6]。Y油田对于隔层厚度低于8 m的油层往往采取合压，由于各储层应力不同，会导致某一层压裂改造程度低，甚至压不开；对于水层上下的油层，为避免压裂后高含水，往往放弃压裂。随着油田20余年的开发，油井产量逐年降低，为维持油井有效的生产，需通过压裂释放薄隔层潜力。

影响水力压裂缝高的主要因素为储层和隔层的最小水平主应力差，储隔层最小水平应力可利用补偿密度、补偿声波时差、横波时差等测井曲线计算得到[7-12]，但Y油田很多井未测试所有的测井曲线，无法计算最小水平应力，因此不能通过储隔层最小水平主应力差来判断隔层是否具备对水力裂缝的有效遮挡。对于不能计算最小主应力的井层，通过摸索给出利用自然伽马测井曲线判断隔层对水利裂缝的遮挡能力。

1 最小水平应力计算方法

在油层构造中存在着3个在方向上相互垂直的主地应力，即垂直地应力、最大和最小水平应力。储层的压裂效果与最小水平应力关系密切，最小水平应力计算模型采用以下公式计算：

式中：v为岩石泊松比；Pp为地层孔隙压力，MPa；σh为最小水平应力，MPa；σv为垂直地应力，MPa；h 为深度，m；ρ(h) 为补偿密度测量值，g/cm3，g为重力加速度，m/s2；Δtc、Δts为纵、横波时差，μs/ft；Δt为补偿声波时差值，μs/ft；Δtn为计算点对应的正常趋势线上的声波时差值，μs/ft；φ为地层孔隙压力贡献系数。

通过上述公式计算得到A井最小水平应力分布剖面，如图1所示，图中GR为自然伽马值曲线，API；POIS为泊松比曲线，小数；SH为泥质含量，%；AC为声波时差曲线，μs/ft；GSX为最小水平应力梯度，MPa/m；SX为最小水平应力，MPa。

图1 A井水平最小地应力剖面解释成果图

从图1可以看出在隔层段里泥质含量高，自然伽马值较高，最小水平应力也较高；在砂岩段，自然伽马值较低，所对应的水平应力值也较低。最小水平应力分布与自然伽马值分布成正比关系。因此，可以通过储隔层的自然伽马差值的大小来判断压裂时薄隔层是否具备遮挡条件。

2 利用自然伽马曲线确定薄隔层遮挡界限

对于不能计算最小主应力的井层，近2年Y油田通过对48口薄隔层井的压裂探索，给出利用自然伽马测井曲线判断隔层厚度对水力裂缝的遮挡能力的界限图版，如图2所示。图中红色点为压窜隔层的储层，蓝色点为未压窜隔层的储层，绿色的曲线为现有压裂工艺条件下薄隔层井压裂遮挡界限。

由于储隔层自然伽马差值越大，隔层泥质含量越高，隔层的遮挡性越好，当储隔层差值大于50API，仅2 m的隔层即可对水力裂缝进行遮挡；反之，储隔层自然伽马差值越小，说明隔层泥质含量不纯，隔层的遮挡性较差。在现场施工中，某井隔层厚度达到6.2 m，但是由于储隔层自然伽马差值只有33API，压裂施工时将隔层未能形成有效遮挡，导致压窜临层。

通过试验数据回归给出了在现有压裂工艺条件下Y油田薄隔层井压裂界限关系：

式中：x为有效隔层厚度，m；y为自然伽马差值，API。

图2 Y油田薄隔层细分控制压裂界限图版

3 应用实例分析

B井2010年压裂投产，该井射开FI51层和FI41层2个层，隔层厚度3.9 m，为避免压窜隔层，FI41与FI51 2层合压，压后该井日产油3.7 t，生产6年后，该井产量递减到0.5 t/d。

初次压裂效果分析：B井的最小水平应力剖面如图3所示，FI51层最小水平应力值低，且砂岩厚度大，通过ProcproPT压裂优化设计软件模拟，如图4所示，2层合压，裂缝主要在FI51层内延伸，FI41层未得到有效改造，因此，该井具有通过压裂FI41层恢复产量的潜力。

图3 B井水平最小地应力剖面解释成果图

通过图3可以看出，FI51和FI41 2个层，有效隔层厚度3.9 m，隔、储自然伽马差值大于50API，利用公式（5）计算得：

75.11 ×3.9-0.38=44.8(API)＜50(API)

因此，B井的隔层可以形成有效遮挡，对两层实施单独压裂，压裂施工正常，垂直裂缝未压窜隔层，进一步验证了回归的薄隔层井压裂界限关系式的准确性。

FI41和FI51 2层单独压裂后，由于FI41层得到充分改造，压后该井日产油达到7.1 t/d，远远超过投产初期的产油量。

2017年Y油田共有39层隔层厚度小于4 m的油层实现了分卡单压，最小隔层厚度达到1.9 m。应用该标准在提高薄隔层井压裂成功率的同时可充分动用薄隔层井段。

图4 B井FI41-FI51 2层合压裂缝剖面模拟

4 结论

1）通过岩石力学理论计算得到储层最小水平地应力剖面，分析了储层最小主应力与自然伽马值的关系，即最小水平应力分布与自然伽马值分布近似成正比关系。

2）通过现场试验，明确了储、隔层自然伽马差值越大，薄隔层能够实现遮挡的界限值越低，并给出了储隔层自然伽马差值与薄隔层井压裂界限的关系。