珠江口盆地潜山储层地质力学及压裂参数优化研究

肖阳, 马中慧, 刘书云, 韩晨辉, 夏瀚涛, 张进源

(1.成都理工大学能源学院, 成都 610059; 2.成都理工阳光能源科技有限公司, 成都 610059)

潜山油气藏[1]作为一种位于不整合面下且由盆地基底岩层组成的山丘所形成的特殊突起含油体[2],其埋藏深度大、地质结构复杂多变、岩性杂乱、储层拥有较强的非均质性,为压裂增产改造带来困难。惠州27-1区块作为潜山油气储层,压裂层段厚度大、层数多,对人工裂缝的在潜山储层中的拓展延伸规律认识困难。

近年来,在潜山储层压裂工艺方面,杨小涛等[3]针对乌兰花潜山火成岩储层形成了“转向与油水置换”压裂工艺。郑彬涛[4]通过施工参数优化、酸压工艺配套,形成了胜利潜山大跨度油藏分层均衡酸压工艺体系。在压裂数值模拟方面,任佳伟等[5]利用数值模拟方法建立了重复压裂产能预测模型及水平井压裂裂缝应力场计算模型并优选出最佳改造方式。陈作等[6]利用大尺寸岩样模拟研究了深层页岩气地层的水平应力差、施工排量等地层和工艺参数及缝内暂堵措施对人工裂缝的起裂与扩展特征的影响规律。张丰收等[7]采用三维离散格子方法开展了离散元数值模拟分析。盛广龙等[8]采用基于闪电模拟的油藏压裂裂缝网络扩展计算方法来模拟页岩气藏多分支裂缝网络形态。蒋宝云等[9]通过纵向精细分层、网格方向调整以及局部网格加密的方式,分析不同裂缝参数对压裂后油井产能的影响。高中亮等[10]通过有限元数值模拟方法珠江口盆地惠州26构造潜山储层的构造应力场及裂缝发育情况进行预测。姜晓宇等[11]和张超铭等[12]运用蚂蚁体追踪技术分别对花岗岩潜山和华北潜山裂缝型储层完成了裂缝建模研究。

然而,近年来,很少有学者针对潜山储层进行压裂数值模拟研究。鉴于此,针对惠州27-1古潜山构造井区,首先建立动态参数测井解释模型,并与静态岩石力学数据协同校正,建立一维岩石力学剖面;结部成岩理论,建立三维地质力学模型,真实模拟区块成岩环境;最后基于三维地质力学模型,研究排量、液量、砂比、前置液占比、射孔层位厚度等参数对裂缝纵向和平面延伸规律的影响,优化压裂设计参数,为达到更好的压裂施工效果提供参考。

1 研究区域概况

研究区块为珠江口盆地潜山储层,珠江口盆先断后拗的新生代盆地,为新生代大陆边缘裂陷型盆地,珠一坳陷位于珠江口盆地中部,是盆地的主要产油区[13]。测试井段4 720～5 186 m,测试层位为前古近系古潜山,储层厚度254.6 m,潜山基质孔渗差。惠州27-1潜山控制储量约3×107m3,周边潜山资源量约7×107m3,岩性以安山岩、粗安岩为主,分布在惠州26洼缓坡一侧,面积超过180 km2。

2 目标靶区储层改造地质力学研究及模型建立

2.1 动态参数测井解释模型建立

通过密度测井曲线以及垂向应力计算公式确定储层的上覆岩层压力(图1)。采用Eaton法(人工选择声波或电阻率趋势线)确定地层孔隙压力(图2)。基于声波时差测井数据解释弹性模量以及岩石力学试验确定岩石强度参数(图3),通过孔隙弹性应力公式基于太沙基有效应力理论,考虑地层在水平方向上的均匀变形的挤压作用确定应力大小(图4)。

图1 上覆岩层应力计算方法图版Fig.1 Overburden stress calculation method plate

图2 地层孔隙压力计算图版Fig.2 Chart of formation pore pressure calculation

图3 测井解释动态岩石力学参数图版Fig.3 Chart of dynamic rock mechanics parameters in logging interpretation

图4 水平应力解释图版Fig.4 Chart of horizontal stress interpretation

垂向应力的计算公式为

(1)

式(1)中:σ为垂向应力,MPa;md为测量深度,m;kb为补心海拔,m;ρ为密度,g/cm2;z为深度,m;g为重力常数。

Eaton法计算公式为

(2)

式(2)中:Pp为地层孔隙压力﹐MPa;σv、Ppnorm分别为上覆岩层压力和静液柱压力,MPa;R、Rnorm分别为该深度点正常趋势线上的声波时差和地层实际声波时差,μs/m;a为校正系数,无因次;n为伊顿指数。

孔隙的有效弹性表达式为

(3)

(4)

式中:v为泊松比;σH为最大水平主应力,MPa;σh为最小水平主应力,MPa;α为比奥弹性的系数;E为杨氏模量;εh、εH分别为最小水平主应力及最大水平主应力方向上的应变。

2.2 岩石力学动静态校正以及一维岩石力学剖面建立

为了综合考虑岩性,进一步消除层间非均质性的影响,综合数字岩心(静态)和测井解释岩石力学参数(动态)、密度、伽马、电阻率,进行岩石力学参数的动静态校正。

基于密度、伽马、电阻率参数对一维岩石力学模型进行动静态分析校正,得出校正关系式,从拟合图版可以看出,基于电阻率加权的杨氏模量、泊松比动静态拟合图版,其匹配程度最高,如图5～图7所示。

图5 密度矫正杨氏模量、泊松比Fig.5 Young’s modulus and Poisson’s ratio of density correction

图6 伽马矫正杨氏模量、泊松比Fig.6 Young’s modulus and Poisson’s ratio corrected by gamma ray

图7 电阻率矫正杨氏模量、泊松比Fig.7 Young’s modulus and Poisson’s ratiocorrected by resistivity

基于岩石力学解释方法,对目标井进行了岩石力学参数解释,选择压裂施工曲线中的闭合压力值,用闭合压力值(静态值)与根据测井曲线解释的水平应力(动态值)进行动静态校正(图8),所得结果如表1所示。

表1 施工曲线分析数据Table 1 Construction curve analysis data

综合上述实验、测井解释数据和压裂施工曲线分析,建立惠州A井单井一维岩石力学剖面(图9)。最终惠州A井动静态岩石力学参数结果如表2所示。

表2 惠州A井动静态岩石力学参数Table 2 Dynamic and static rock mechanics parameters of well Huizhou A

图9 惠州A井一维岩石力学剖面Fig.9 One-dimensional rock mechanics profile of well Huizhou A

2.3 三维地质力学模型建立

综合实验井岩石力学数据分析和测井曲线序列,通过动静态校正建立一维岩石力学剖面模型,以及地质模型与深部成岩理论,考虑上覆、基底和围岩影响,对其进行材料赋值,让其具备基础的岩石力学属性,真实模拟研究区块成岩环境,同时为了研究目标区块的真实属性,单独对目标区块的各力学属性进行替换。同时,基于区块断层走向和天然裂缝倾角、走向,模拟最大、最小水平主应力方向,让应力进一步与地层实际情况匹配,生成了各向应力的方向模型(图10、图11)。最终通过加载垂向和水平应力模拟成岩过程,建立研究井区地质力学模型(图12)。所建立的惠州27-1三维地质力学模型,杨氏模量平均值为45.47 GPa,最大水平主应力平均值为100.91 MPa,最小水平主应力平均值为80.98 MPa,泊松比平均值为0.30。

图10 最小水平主应力方向(惠州27-1构造)Fig.10 Direction of minimum horizontal principal stress (Huizhou 27-1 Structure)

图11 最大水平主应力方向(惠州27-1构造)Fig.11 Direction of maximum horizontal principal stress (Huizhou 27-1 Structure)

图12 惠州27-1井区三维地质力学模型Fig.12 Three-dimensional geomechanical model of well area of Huizhou 27-1

3 惠州A井前古近系压裂改造工艺参数优化

基于建立的地质模型和三维地质力学模型,建立了A井前古近系层位的真三维人工裂缝模型,并采用单因素法对其压裂施工参数进行优化研究,如表3所示。

表3 实际施工参数和人工裂缝参数模拟范围Table 3 Simulation range of actual construction parameters and artificial crack parameters

3.1 排量

基于建立的压裂模型模拟排量的影响,设置2、3、4、5、6、7、8 m3/min不同的排量数据,对不同排量下裂缝长度、高度、宽度以及支撑面积、改造体积的变化进行分析研究,随着排量的增加,缝长、缝高、支撑面积和改造体积整体呈现上升趋势,人工缝网的改造效果体现在裂缝长度和支撑面积值的大小,当排量达到6 m3/min时,人工裂缝的缝长、支撑面积和改造体积大小趋于平稳(图13),综合现场经济因素考虑,因此认为排量最优为6～7 m3/min。3 m3/min和6 m3/min排量下裂缝形态分别如图14、图15所示。

图13 不同排量下的人工裂缝参数变化情况Fig.13 Variation of artificial fracture parameters under different displacement

图14 3 m3/min排量下裂缝形态Fig.14 Fracture morphology at 3 m3/min displacement

图15 6 m3/min排量下裂缝形态Fig.15 Fracture morphology at 6 m3/min displacement

3.2 液量

基于建立的压裂模型模拟净液量的影响,设置9组液量数据,分别为350、400、450、500、550、600、650、700、750 m3,对在不同液量的影响下,裂缝长度、高度、宽度以及支撑面积、支撑体积进行分析研究,从模拟结果中发现,裂缝长度、高度以及支撑面积、支撑体积随着液量的增加呈现上升趋势,当液量达到600～700 m3的范围时,各项参数开始趋于稳定(图16)。因此认为600～700 m3为最优液量。350 m3液量和650 m3液量下裂缝形态如图17、图18所示。

图16 不同液量下的人工裂缝参数变化情况Fig.16 Variation of artificial fracture parameters under different fluid volume

图17 350 m3液量下裂缝形态Fig.17 Fracture morphology at 350 m3 fluid volume

图18 650 m3液量下裂缝形态Fig.18 Fracture morphology at 650 m3 fluid volume

3.3 砂比

基于建立的压裂模型模拟砂比对人工裂缝拓展的影响,设砂比为4%、7%、11%、15%、19%、23%,对不同砂比的裂缝长度、高度、宽度以及支撑面积、改造体积进行分析研究,从模拟结果分析得出,缝宽随着砂比的增加而增加,缝长、支撑面积、改造体积随着砂比的增加先增加后下降,在10%～15%范围内达到峰值(图19),因此认为10%～15%最优砂比值。7%砂比和15%砂比下裂缝形态分别如图20、图21所示。

图19 不同砂比下的人工裂缝参数变化情况Fig.19 Variation of artificial fracture parameters under different sand ratios

图20 7%砂比下裂缝形态Fig.20 Fracture morphology at 7% sand ratio

图21 15%砂比下裂缝形态Fig.21 Fracture morphology at 15% sand ratio

3.4 前置液比例

基于建立的压裂模型模拟前置液比例的影响,设置前置液比例分别为30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%,对不同前置液比例的裂缝长度、高度、宽度以及支撑面积、改造体积进行分析研究,从模拟结果分析得出,裂缝长度、高度、支撑面积和改造体积随着前置液比例的增加先增加后下降,在50%～60%范围内达到峰值(图22),因此认为前置液比例最优为50%～60%。35%前置液比例和50%前置液比例下裂缝形态分别如图23、图24所示。

图22 不同前置液比例下的人工裂缝参数变化情况Fig.22 Variation of artificial fracture parameters under different Pad fluid ratio

图23 35%前置液比例下裂缝形态Fig.23 Fracture morphology at 50% Pad fluid ratio

图24 50%前置液比例下裂缝形态Fig.24 Fracture morphology at 35% Pad fluid ratio

3.5 射孔厚度

基于建立的压裂模型模拟射孔厚度的影响,设射孔厚度为3、5、8、11、14、17、20 m,对不同射孔厚度下的裂缝长度、高度、宽度以及支撑面积、支撑体积进行分析研究,从模拟结果可以看出,当射孔厚度为8～11 m时,改造效果最好(图25),因此认为射孔厚度最优值为8～11 m。3 m射开厚度和11 m射开厚度下裂缝形态分别如图26、图27所示。

图25 不同射开厚度下的人工裂缝参数变化情况Fig.25 Variation of artificial fracture parameters under different perforation thickness

图26 3 m射开厚度下裂缝形态Fig.26 Fracture morphology at 3 m Perforation thickness

图27 11 m射开厚度下裂缝形态Fig.27 Fracture morphology at 11 m Perforation thickness

根据建立的真三维压裂人工缝网模型模拟结果,惠州A井前古近系的压裂施工参数优化结果如表4所示。

表4 惠州A井前古近系的压裂施工参数优化结果Table 4 Optimization results of fracturing construction parameters of Paleogene in front of well A

4 结论

(1)综合实验井岩石力学数据分析和测井曲线序列,通过动静态校正建立一维岩石力学剖面模型,结合深部成岩理论,建立三维地质力学模型。

(2)惠州27-1三维地质力学模型,杨氏模量平均值为45.47 GPa,最大水平主应力平均值为100.91 MPa,最小水平主应力平均值为80.98 MPa,泊松比平均值为0.30。

(3)基于建立的地质模型和三维地质力学模型,建立了惠州A井前古近系层位的一体化真三维人工裂缝模型,并对其压裂施工参数进行了优化研究。优选排量6～7 m3/min、液量600～700 m3、砂比10%～15%、前置液比例50%～60%、射孔厚度8～11 m最优施工参数,为现场施工提供指导意见。