含气页岩的动态力学性质分析及压裂可行性预测

【摘 要】泥页岩地层中黏土矿物含量高，塑性强，储层应力敏感性强而稳定性差，容易受到钻采的影响发生坍塌、破裂、卡钻或井漏等现象，严重制约页岩中油气资源的开发利用进程。为了提高泥页岩地层钻采工程的安全性和效率，促进快速的钻进和井眼的形成，降低一系列的成本支出，以岩石物理学、测井学、地质学等学科理论为指导，充分发挥测井资料分辨率高、连续性强、准确可靠等优势，对泥页岩地层的岩石力学参数、地应力、井壁稳定性和可压性展开预测与评价分析，并给出应用实例。

【关键词】测井评价;页岩气藏;岩石力学参数;地应力;井壁稳定性

中图分类号： P631.84 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0088-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.035

0 引言

岩石力学研究主要是根据区域构造和地层岩性层序，从常规测井方法出发，主要利用声波，密度，伽马和成像测井等资料，分析确定一个动态的岩石力学模型[1-3]。与实验室利用岩样在异于实际地下的条件下直接测试获得的静态力学参数相比，相对容易获取的测井资料具有纵向连续性强，分辨率高，地质信息丰富的特点，用来评价岩石力学性质比较准确和可靠[4-5]。本文以四川盆地威远地区威202井为例对含气页岩的动态力学性质进行分析，通过模型建立对压裂可行性进行了预测。

1 岩石力学参数计算

岩石力学性质参数包括岩石的弹性模量和岩石强度，反映岩石受外力作用时所表现出的物理性质，是地应力计算和井眼稳定性分析以及压裂模拟的基础。实验室通常是对岩心在模拟地下环境下进行实测得到，精度高但取心工作繁琐且成本高，性价比低。而基于物理测井数据，利用数学关系式计算的方法经济高效，数据准确，连续性强[6-7]。

1.1 弹性参数

当动应力作用在弹性介质上产生应变，并且未超过介质的弹性极限时，则会发生应力和应变的传递而产生弹性波。该弹性波的传播特征与岩石的动力学特性有关。

对于页岩等TIV（TransverseIsotropywithVerticalaxis）各向异性地层，岩石在各种动载荷作用下所表现出的弹性模量、泊松比等性质参数称为岩石的动态力学参数。在静载荷作用下岩石表现出的力学参数称为静态参数。在原状地层中，由于裂缝、孔洞、地层层面等非均质因素的影响，岩石动、静力学参数会有较大差异性。而且通常来说，动态杨氏模量或泊松比在数值上要大于静态参数。

1.2 强度参数

岩石力学的强度参数包含单轴抗压强度（UCS），摩擦角（FANG）及抗拉强度（TSTR）。这些参数通常根据测井曲线计算得到[8-9]。计算的强度参数结果显示储层和上覆泥岩层的岩石的强度（UCS）相对恒定，但下部碳酸盐的强度很高，达到225MPa，和很多火成岩的强度相当。

2 地应力

地应力作为地壳中物质的天然内应力，主要由地壳内部的构造运动、岩体的自重及其地热、地球自转速度的变化等因素产生，且未受工程扰动。它影响着地下介质的力学性质和钻探工程中井壁的稳定性。油气富集带的构造应力大小和方向与钻采息息相关。

2.1 孔隙压力

为了确定不同深度的地层孔隙中的流体所承受的压力需要进行孔隙压力评价，通常利用RFT（重复地层测试仪）或MDT（模块式地层动态测试仪）等对已钻井测量得到，也可试井获得。其中钻井溢流时当量泥浆密度尽管点少且分散，但用来评价孔隙压力更直接和可靠[8]。

在欠压实的砂泥岩剖面中，可基于测井或地震资料，凭借压实理论的推导和运算，建立连续的孔隙压力剖面。对于本井而言，钻穿的岩石是致密的页岩及碳酸盐，趋势线的方法并不能确定其孔隙压力。对于这些岩层，孔隙压力需要直接测量确定。由于本井没有直接测量的数据，根据斯伦贝谢经验确定本井地层压力为正常孔隙压力。

2.2 上覆压力

上覆压力为上覆岩层和其中孔隙流体的重力之和，目前一般是由地层体积密度（电缆测井或岩心样品）和埋深通过积分计算获得：

2.3 水平地应力

地应力可由水力压裂方法推导出，利用的是井眼受力状况与岩石破裂的原理。而某深度处的最小水平主应力σh还可直接由漏失试验（XLOT）、微压裂或MDT测井测得，并以此来校准利用密度测井曲线和σz计算得到的主地应力大小。

最大水平主应力σH不能直接测量，利用测井资料计算出最小水平主应力后，可以利用井眼图象和岩石破坏模型来大致标定σH的大小。采用多孔弹性模型，利用各向同性及各向异性方法分别计算得到了本井主应力。

3 力学模型的验证及可压性分析

利用井壁稳定性分析对上述确定的地应力模型进行验证，肯定了该模型能够准确预测出井壁崩落的位置以及原应力场的可靠性。处理井段井壁稳定性分析表明，根据前面确定的静态杨氏模量、泊松比及最小水平主应力，储层的可压性相对较高，最小水平主应力较上覆岩层及下部碳酸盐低，这表明该井段的完井质量较高。表1给出了预计储层段及上覆岩层、底层的岩石力学参数和地应力的汇总。

4 结论

（1）该井某些井段出现顯著的井壁坍塌现象，指示出特定部位的最大与最小水平主应力存在较大差异，这有助于人工压裂缝的产生，但大的水平应力差异系数不利于复杂网络裂缝的形成。

（2）该井目的层内的储层段地应力要小于上下隔层的地应力，而储层段的可压性指数更高，可压性比隔层好，故目的层易于压裂的同时还对增生缝的高度有较好的控制作用。

（3）通过模型预测的储层段杨氏模量为23.3GPa，泊松比为0.17，最小水平主应力为50.6MPa，与上覆、下叠岩层的岩石力学参数和地应力有较大的差异。

【参考文献】

[1]谢润成.川西坳陷须家河组探井地应力解释与井壁稳定性评价[D].成都：成都理工大学，2009.

[2]杨火海.页岩气藏井壁稳定性研究[D].成都：西南石油大学，2012.

[3]刘厚彬.泥页岩井壁稳定性研究[D].成都：西南石油大学，2006.

[4]钟敬敏.春晓气田群定向井井壁稳定性研究[D].成都：西南石油大学，2004.

[5]黄荣蹲，陈勉，邓金根，王康平，陈治喜.泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合研究[J].钻井液与完井液，1995，12（3）：15-21，25.

[6]尹祖龙，衣玉静.钻井工程当中的测井资料应用[J].中国化工贸易，2014，6（26）：109-110.

[7]王丽忱.页岩气藏岩石力学性质的测井评价方法与应用[D].北京：中国地质大学，2013.

[8]艾二鑫.泥页岩井壁失稳预警理论与方法研究[D].西安：西安石油大学，2015.

[9]李世海，李晓，刘晓宇.工程地质力学及其应用中的若干问题[J].岩石力学与工程学报，2006，06（25）：1125-1140.

推荐访问:页岩 力学 可行性 性质 预测