孔隙型碳酸盐岩储层破裂压力预测技术研究(编辑修改稿)

孔隙型碳酸盐岩储层破裂压力预测技术研究(编辑修改稿)内容摘要：

0） 陈英豪给出了由地层倾角双井径测井提取地层水平骨架应力非平衡因子（下称非平衡因子）的方法：   211tsbf CCKU （ 111） 由此地层破裂时临界泵压的计算公式为： tpmhbff PPUP   )3( （ 112） 式中， sC 为地层倾角双井径测井较小读数， tC 为较大井径读数。 K 为常数，可由水力压裂施工曲线确定，也可由试验方法获得。 1990 年，谭廷栋指出，地层倾角测井测量的双井径曲线与井眼崩落程度有关，同时孔隙型碳酸盐岩储层破裂压力预测技术研究 5 它还取决于地层和骨架的杨氏模量变化 [12]。 他在陈英豪的计算式中引入地层的杨氏模量E 和骨架的杨氏模量 maE ，并将 K 命名为刻度系数： matsbf EECCKU   211 （ 113） 谭廷栋指出，非平衡因子在 1至 3范围内变化。 非平衡因子为 1和 3时，由陈英豪的地层倾角测井解释地应力方法可以解释出地层的最小、最大水平主应力。 谭廷栋认为地层破裂压力分布在最小、最大水平主应力值区间上，由此方法可以从测井信息中提取地层破裂压力。 他的方法没有考虑岩石的抗张强度，且在构造运动强烈的地区将解释出大跨度的破裂压力区间。 总而言之，以上模型可以归类为一个模式，即 ：   ppvf PPPP   （ 114） 式中，  为水平地应力总量与垂直应力总量的比值，与上覆地层密度、埋深、泊松比、构造应力等有关，无量纲。 由此可以看出，以上模型具有相同的数学形式，只是各家对  项的认识深度不同，从使用者的角度看并没有太大意义的区别。 国内应用较多的黄氏模型经过数学处理也可以变为与这个方程相似的形式，只是黄氏模型对地应力构成的认识更深，考虑的因素更多更周全，对  项的拆解更科学，预测的准确度也就更高。 HaimsonFairhurst 模式及其发展 与 HubbertWillis 的模式不同， 1967 年，海姆森（ Haimson）与费尔赫斯特（ Fairhurst）研究了水力压裂裂缝的起裂与延伸规律，他认为裂缝的产生是由井壁上各应力集中引起的 [13]。 增大井内的流体压力会改变井壁上的应力状态，当此应力超过井壁岩石抗张强度时，地层便被压裂。 在假定储层均质、各向同性和弹性变形的前提下，Haimson 考虑了水平主地应力在两个方向上不相等和 压裂液向地层内达西渗流的影响，给出了破裂压力的预测方程式：   1212 3 Hhtf SP （ 115） 是否考虑压裂液向地层内的渗流，是 HW 模式与 HF模式最明显的区别。 2020 年，李传亮根据多孔介质的双重有效应力理论 [14]，发展了 Haimson 与 Fairhurst的模型，提出了新的破裂压力预测方程式 [15]：   1211 1213cptHhfPSP （ 116） 式中，  为岩石孔隙度； c 定义为触点孔隙度，是描述岩石胶结程度的度量参数，可以用镜下观察的方法进行确定，也可以用试验或试验结果反求。 2020 年，李传亮又给出了多孔介质的双重有效应力理论基础上射孔完井条件下的岩石破裂压力计算公式 [16]： 西南石油大学硕士研究生学位论文 6   1211 1213cptHvfPSP （ 117） 式中， v 为上覆岩层压力。 李传亮的模型将 HubbertWillis 与 HaimsonFairhurst的公式统一了起来。 利用测井资料获得连续的岩石力学参数剖面，再选用适当的模型预测地层破裂压力，这是现在油田中最为常用而且预测比较精确的方法。 然而，怎样通过测井手段确定触点孔隙度值，以得到一个连续的触点孔隙度参数剖面，还是一个尚未解决的问题，它在一定程度上给这个模型的应用带来了不便。 2020 年，李培超对李传亮的射孔完井破裂压力模型进行了改进 [17]，引入射孔深度参数，最终得到的垂直井射孔完井条件下地层破裂压力的修正计算公式为：   1214 121)(23921312cptiPP （ 118） 作者对模型进行研究发现，射孔完井的最低破裂压力不是在井壁处出现，而是在射孔孔眼的端部出现，并给 出了极半径上破裂压力的估值曲线。 但是射孔后井眼附近的应力分布是相当复杂的 ， 射孔 既能 降低钻井引起的井壁应力集中， 又 能导致孔眼周围的应力集中。 作者仅考虑了钻井引起的应力集中，忽视了射孔引起的二次应力集中。 其他破裂压力预测方法 1996 年，夏宏泉等 [18]基于灰色 GM（ 0， N） 静态模型和 BP 神经网络模型，提出了一种新的参数估算方法 灰色神经网络判释法。 分析了利用测井资料预测地层破裂压力的可行性，建立了破裂压力预测的灰色 BP神经网络模型，对 25 口油气井的破裂压力进行了预测。 2020 年，聂采军等 [19]应用数理统计方法对碳酸盐岩地层实测破裂压力数据进行了统计建模和预测研究，指出 BP 神经网络预测地层破裂压力比多元回归法误差更小、精度更高。 他们的方法适用于中后期勘探开发阶段或积累有较多地层破裂数据和测井资料的区块或油气田，具有一定 的实用性。 2020 年，任岚等 [20]以多孔介质流体渗流与岩石应力 应变耦合理论为基础，考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用，采用有限元法数值计算技术预测岩石破裂压力，在求得破裂压力的同时可以求得岩石的破裂时间。 以上方法相对于理论模型而言，所预测的地层破裂压力对现场同样具有重要的指导意义 ，是理论模型的有益补充。 破裂压力预测技术发展展望 HubbertWillis 模式的改进 HubbertWillis 模式在实践中经过了半个世纪的发展和完善，衍生出众多的分支。 其中的 Eaton 法和黄氏模型应用最为广泛。 许多学者根据自己的认识和理解，对HWillis 模式中的  项进行拆解、细化，力求引入更多的可知的、意义明确的参数如地孔隙型碳酸盐岩储层破裂压力预测技术研究 7 质构造应力系数、非平衡因子等，以通过这些参数建立更精确的数学模型来求取破裂压力。 参数的引入不但要有科学的理论依据， 还要考虑经济效益。 参数过多使得破裂压力的求取过程更复杂，还可能带来的成本的上升和误差的增大，在对 HW模式的发展过程中要注意避免，把握预测精度和经济效益的平衡。 HaimsonFairhurst 模式的改进 HaimsonFairhurst 模式的先进性在于，它考虑了岩石作为多孔介质是存在渗流现象的，且采用了 Biot 修正后的有效应力原理。 由于 HW 模式的最初提出采用的是Terzaghi 在含水饱和土壤力学特征研究基础上提出的有效应力原理，对低渗透性多孔介质例如岩石并不适用。 Anderson 在 HW模式中引入 Biot 系数进行改进解决了这个矛盾。 同样的，黄氏模型中也可以引入 Biot 系数。 李传亮根据 多孔 介质双重有效应力原理对HF 模式进行了改进，还给出了不同完井方式下的破裂压力预测式，他的有效应力原理也是 HW 模式可以采用的，研究思路也是 HW 模式可以借鉴的。 李培超的修正公式考虑的因素还不够全面，有待进一步完善。 温度项的引入 随着技术的不断进步，压裂作业已经深入到六千多米的井下。 有的研究人员已经开始关注温度引起的热应力对破裂压力的影响 [21]，并在破裂压力预测模型中引入 热应力 项。 由于 地应力确 定上的难度， 在破裂压力预测工作中，通常采用一口已施工井的数据来反演地应力，然后选取合适的模型，预测相同构造上相近层段井的破裂压力。 在利用现场施工资料反演出的构造应力系数中，其实已经包含了温度的影响（还可能包含完井条件、污染等其他对破裂压力有影响的因素），在应用模型时如果再引入温度项，就会因热应力的重复计算得出过高的结果。 因此，在破裂压力预测模型中使用温度项的时候，要结合实际情况，注意使用的构造应力系数是否单纯。 当已知破裂压力井的起裂层段与被预测井目标层段的温度差异较大时，引入温度项计算二者之间温差产生的热应 力，进而对破裂压力进行修正的做法是合理的。 此外，考虑热应力时还需要测定岩石的热弹性线膨胀系数，如何快速简便地获得这一参数 的连续 剖面还有待进一步研究。 射孔参数 的引入 通过前面的研究可以 发现 ，大多数破裂压力预测的模型都是针对裸眼井建立的 ，而且 现有的射孔井破裂压力预测公式建立的模型 [16， 17]都还比较简单，不能充分反映地下的真实情况。 近年来，许多研究人员通过有限元方法 [22]、真三轴模拟试验 [23]、位移不连续方法 [24]对射孔完井与破裂压力的关系展开了研究，得出了许多有价值的结论，但都未提出一个 通用的针对射孔井破裂压力的预测模型或公式。 因此，分析射孔井井周应力分布，把对破裂压力影响最大的射孔参数科学合理地引入破裂压力预测模型，是亟待解决的问题。 主要研究内容 和创新 塔中地区主体为塔里木盆地中央隆起区中段的卡塔克隆起，周缘次级构造包括塘古西南石油大学硕士研究生学位论文 8 孜巴斯坳陷北部、古城墟隆起西段以及满加尔坳陷南部等，包括卡塔克 顺托果勒、顺南、顺西及阿东 8个区块，面积。 储层以基质孔隙为主，裂缝、孔洞欠发育，且基质孔隙度不高，连通性差，物性较差，渗透率明显小于塔河油田的渗透率，孔隙度较 塔河油田略高，具有许多区别于塔河主体区块的油藏特点，所以工程技术上也具有许多不同于主体区块的特点和难点。 对塔中地区进行开采关键技术的研究，实现勘探区域上的突破具有十分重要的意义。 本次 研究的主要技术目标是结合塔中地区地质、油藏、岩石力学特征， 分析造成高破裂压力的主要原因，研究利用岩石力学试验测试和测井资料等确定地层应力的定量计算方法，建立储层破裂压力定量预测模型， 预测塔中地区 中 41 井奥陶系 良里塔格组 裸眼 井段 地层破裂压力，为降低施工风险和优化施工工艺提供依据。 主要研究内容如下 ： （ 1） 进行 文献调研，对 破裂压力预测技术的国内外研究现状 进行分析。 （ 2） 结合油田实际资料，分析引起地层高破裂压力的原因。 （ 3） 以 地质力学和 多孔介质 双重 有效应力理论为基础 ， 建立 由 测井资料 计算 地应力 的 模式，与现有模式进行对比分析。 （ 4） 以弹性力学和 多孔介质 双重 有效应力理论为基础 ， 建立 适用于本次研究对象的 地层 破裂压力 预测模型。 （ 5） 结合研究的奥陶系油藏特点 ， 对模型进行数值模拟试验分析 ， 评价建立的预测模型中各因素对破裂压力的影响。 （ 6） 通过试验分析岩石力学性质，利用 测井 资料 提取 地下 岩石力学参数。 （ 7） 预测 中 41 井 的 地层 破裂压力 ， 结合实际施工情 况对预测结果进行评价。 主要 创新点有： （ 1） 建立理论模型分析了触点孔隙度值的分布规律，提出 基质孔隙度不高，裂缝、孔洞系统欠发育 的碳酸盐岩储层可用孔隙度值代替触点孔隙度做计算，并根据修正后的分布规律建立了新的触点孔隙度估算公式（见 节）。 （ 2） 用双重有效应力原理解释了 Biot 系数与孔隙度之间的关系，指出 在岩石不发生结构变形的情况下有  ，据此对破裂压力预测模型中渗流项的 Biot 系数进行了替换，建议地应力计算中采用孔隙度作有效应力系数（见 节）。 （ 3） 用弹性力学理论 结合双重有效应力原理建立了考虑温度的破裂压力预测模型并进行预测，预测结果 符合理论与实际。 孔隙型碳酸盐岩储层破裂压力预测技术研究 9 第 2 章 多孔介质与双重有效应力 多孔介质双重有效应力原理是本次研究应用的基础理论之一。 本章首先 简单介绍 了相关知识 ，然后 针对 触点孔隙度 分布规律上的不足展开研究。 通过建立 理论模型与分析，发现了 触点孔隙度 分布的新规律，建立了估算模型式，为本次研究中触点孔隙度值的获取提供了依据。 最后在理论上提出了详细的试验获取触点孔隙度方法及步骤。 多孔介质 简介 多孔介质从字面上理解，就是含有大量孔隙的固体物质。 在石油工程领域，则 定 义宏观上连续（微观上随机）分布着开度足够大的孔隙空间，并能在一定条件下储存和允许石油和水等流体物质通过的固体物质为多孔介质 [25]。 孔隙或空隙（ pore or void）是多孔介质的空间存在形式，没有孔隙就没有多孔介质。 当孔隙（空隙）中饱和了其他的流体，此时的多孔介质就变成了多孔介质体（多相物体）。 组成多孔介质骨架的物质种类可以是单一的，也可以是多元的。 当组成骨架的各种物质成分充分混合，宏观上表现不出物质组成上的性质差异时，就可以把固体骨架看作具有某种平均性质的单一物质。 多孔介质的固体骨架是由单元体相互连 接而成的，单元体的形状、尺度和连接方式都是随机的。 自然界中的单元体多呈颗粒球状。 多孔介质单元体之间最基本的连接方式有三种：点接触、线接触和面接触，实际介质连接方式是它们的复杂组合，它们的强度都是比较弱的。 单元体。