吳 浩

（中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院）

工程地質(zhì)特征研究在新區(qū)勘探發(fā)現(xiàn)中的重要作用*
——以CZ1井為例

吳 浩

（中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院）

針對川西坳陷成都凹陷WJ構(gòu)造部署的第一口預(yù)探井CZ1井開展了巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力和井壁穩(wěn)定性等工程地質(zhì)研究。根據(jù)研究成果，優(yōu)化了CZ1井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了合理的鉆井液密度；在保障欠平衡鉆井條件下的井壁穩(wěn)定性同時，有效減少了鉆井復(fù)雜情況的發(fā)生，為新區(qū)的油氣勘探發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，也為后期射孔與壓裂方位的選擇，儲層改造設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工提供了科學(xué)依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)了CZ1井在新區(qū)勘探的重大突破。圖5表4參5

川西坳陷預(yù)探井巖石力學(xué)地應(yīng)力井壁穩(wěn)定性美國GMI建模

0 引言

成都凹陷在構(gòu)造上處于川西坳陷中心，其北東與孝新合構(gòu)造帶相連；東與馬井構(gòu)造、德陽向斜相接；南東與新都、洛帶相連；北與鴨子河、大園包、金馬、聚源構(gòu)造帶相連；西與大邑構(gòu)造相接；南為川西坳陷斜坡部位。該區(qū)從淺至深發(fā)育一近NE走向的短軸背斜構(gòu)造——WJ構(gòu)造，長短軸比小于2；閉合面積、閉合幅度呈下大上小的變化趨勢。區(qū)內(nèi)斷裂不發(fā)育，大多數(shù)侏羅系斷層斷距均小于25 m。成都凹陷地層發(fā)育完整，由上至下分別為第四系，白堊系上統(tǒng)灌口組、夾關(guān)組，白堊系下統(tǒng)天馬山組，侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組，侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組，侏羅系下統(tǒng)白田壩組，三疊系上統(tǒng)須家河組須五段。

CZ1井是部署在川西坳陷成都凹陷WJ構(gòu)造的第一口預(yù)探井。本文針對該地區(qū)地質(zhì)資料少，地質(zhì)條件復(fù)雜的難題，以CZ1井巖心巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)測定為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆井、測井、測試、儲層改造等資料，運(yùn)用工程地質(zhì)研究理論和美國GeoMechanics International地應(yīng)力建模軟件，建立了該區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力預(yù)測模型和剖面。及時將工程地質(zhì)研究成果應(yīng)用于鉆井設(shè)計(jì)及鉆井現(xiàn)場跟蹤調(diào)整，科學(xué)合理地確定了安全鉆井液密度和井壁穩(wěn)定性特征，減少了鉆井施工過程中的工程故障，保障了現(xiàn)場安全高效鉆井及油氣層的發(fā)現(xiàn)；并且應(yīng)用工程地質(zhì)研究成果優(yōu)選了射孔、加砂壓裂設(shè)計(jì)施工參數(shù)。2013年1月，CZ1井在上沙溪廟組JS22砂組進(jìn)行酸化壓裂測試，獲天然氣產(chǎn)量1.5379×104m3/d；同年5月，CZ1井在蓬萊鎮(zhèn)組JP21砂組、JP16砂組進(jìn)行加砂壓裂測試，又獲天然氣產(chǎn)量2.9682×104m3/d。兩個層位均取得勘探發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)尚屬首次，預(yù)示了該區(qū)良好的勘探開發(fā)前景。因此，CZ1井的勘探發(fā)現(xiàn)也被評價(jià)為2013年“三項(xiàng)重大勘探發(fā)現(xiàn)之一”?？梢哉f，針對性的工程地質(zhì)特征研究為該地區(qū)油氣井鉆井、完井、儲層改造等優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工提供了科學(xué)依據(jù)，在新區(qū)塊的勘探發(fā)現(xiàn)中起到了至關(guān)重要的作用。

1 巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測

以抗壓強(qiáng)度為例，CZ1井蓬萊鎮(zhèn)組巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

本次研究開展了砂巖巖心三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（圍壓：0，6，12，18 MPa），實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖樣抗壓強(qiáng)度在15.11~173.28 MPa之間，平均為110.84 MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測巖石抗壓強(qiáng)度與聲波時差、實(shí)驗(yàn)圍壓關(guān)系式：

Co實(shí)測=6.995203P圍壓-0.52222AC+81.75423

由于實(shí)驗(yàn)巖樣代表性不夠，若采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出預(yù)測模型，誤差較大，因此本次研究直接對前期預(yù)測模型進(jìn)行修正（圖1），建立了抗壓強(qiáng)度校正關(guān)系式：

Co實(shí)測=100.1Ln（Co預(yù)測）-349.65從而獲得工區(qū)巖石抗壓強(qiáng)度修正后的預(yù)測模型為：Co預(yù)測=100.1Ln（6.995203P圍壓-0.52222AC+ 81.75423）-349.65

式中：

Co—抗壓強(qiáng)度，MPa；

AC—聲波時差，μs/ft。

表1 CZ1井砂巖巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)表

圖1 CZ1井巖石實(shí)測抗壓強(qiáng)度與預(yù)測抗壓強(qiáng)度擬合關(guān)系

表2 CZ1井巖石力學(xué)參數(shù)測井預(yù)測模型統(tǒng)計(jì)表

通過巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)測值與預(yù)測值擬合的方法[1]，建立了CZ1井的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)參數(shù)預(yù)測模型，見表2。

2 地應(yīng)力預(yù)測

2.1 水平地應(yīng)力

目前水力壓裂法已經(jīng)被認(rèn)為是求測地應(yīng)力的比較可靠而準(zhǔn)確的方法。瞬時停泵地面壓力加上井內(nèi)壓裂液的液柱壓力便可以推算出井下壓力，它應(yīng)等于作用在已壓開的垂直裂縫上并保持裂縫張開狀態(tài)所需的壓力，它又恰好和最小水平地應(yīng)力相平衡，因此可以確定最小水平地應(yīng)力。根據(jù)水力壓裂原理，水力裂縫產(chǎn)生時壓力系統(tǒng)存在如下關(guān)系：

根據(jù)壓裂及高壓注入壓力數(shù)據(jù)，可利用上式計(jì)算地應(yīng)力數(shù)據(jù)。關(guān)鍵在于確定準(zhǔn)確的破裂壓力和閉合應(yīng)力或者最小主應(yīng)力數(shù)值。根據(jù)地層沉積特征，垂向地應(yīng)力隨著地層密度和深度而變化的，使用密度測井資料分析垂向地應(yīng)力公式如下：

根據(jù)壓降曲線及垂向地應(yīng)力公式計(jì)算出CZ1井最大、最小水平主應(yīng)力、垂向應(yīng)力如表3所示。

表3 根據(jù)壓裂資料計(jì)算蓬萊鎮(zhèn)組地應(yīng)力值

2.2 地應(yīng)力預(yù)測模型

假設(shè)巖石為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，并假定在沉積和后期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動過程中，地層和地層之間不發(fā)生相對位移，所有地層兩水平方向的應(yīng)變均為常數(shù)。由廣義虎克定律得到[2-3]：

式中

εH、εh—最大、最小水平地應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)；

E、μ—楊氏模量和泊松比。

構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)是組合彈簧模型中最重要的參數(shù)，構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)εH、εh的確定是測井法地應(yīng)力預(yù)測模型的基礎(chǔ)。用壓裂資料求取水平主應(yīng)力，再反算構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)。根據(jù)組合彈簧模式的計(jì)算公式可以獲得使用單點(diǎn)地應(yīng)力分析構(gòu)造應(yīng)變參數(shù)。將水平地應(yīng)力中各種方法分析的σΗ、σh代人公式，即可求出構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)εH、εh值。根據(jù)組合彈簧模式運(yùn)用壓裂資料獲得的地應(yīng)力按照上述方法進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)反演，結(jié)果見表4。

表4 CZ1井蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 井壁穩(wěn)定性預(yù)測

井壁穩(wěn)定問題是石油鉆井工程中倍受關(guān)注的問題。井壁穩(wěn)定性歸根結(jié)底是井下巖石所受應(yīng)力大小與巖石強(qiáng)度大小的較量結(jié)果。在井壁穩(wěn)定性研究中，評價(jià)井壁穩(wěn)定的判斷準(zhǔn)則很多［4］，主要有線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、Druck-Prager準(zhǔn)則、非線性Pariseau準(zhǔn)則、Hoek-Brown準(zhǔn)則。在這些準(zhǔn)則中，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則最常用，而且其預(yù)測結(jié)果也被認(rèn)為是最切合實(shí)際的。根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行井壁穩(wěn)定性判斷，井壁巖石不發(fā)生坍塌破壞和拉伸斷裂破壞的井壁穩(wěn)定條件可用公式（1）與公式（2）表示。

從一般情況考慮出發(fā)，首先分析井壁應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)井眼形成后，設(shè)其井斜角為α，相對方位角為β（井斜方向與最大水平地應(yīng)力方向夾角）。建立井眼直角坐標(biāo)xyz與地應(yīng)力直角坐標(biāo)σΗ1σΗ2σν（圖2）。井眼坐標(biāo)滿足右手定則，其中x軸在水平面內(nèi)，y軸指向井眼高邊方向，z軸為井眼軸向。求解圖2所示井眼條件下井壁應(yīng)力狀態(tài)，可得井壁所受有效主應(yīng)力為一徑向主應(yīng)力σer和另外兩個切向主應(yīng)力σe1m、σe2m所構(gòu)成，即：

圖2 井眼坐標(biāo)與地應(yīng)力坐標(biāo)關(guān)系

式中

ρm—井內(nèi)鉆井液密度，g/cm3；

g—重力加速度，m/s2；

hν—計(jì)算點(diǎn)垂直深度，m；

Pp—計(jì)算深度點(diǎn)地層孔隙壓力，MPa；

η—Biot彈性系數(shù)，無量綱；

μ—泊松比，無量綱；

σh1、σh2、σv—最大、最小水平地應(yīng)力和垂向地應(yīng)力，MPa；

θ—井周角，（°）；其它各項(xiàng)為中間應(yīng)力分量。

對公式（3）中的三軸應(yīng)力進(jìn)行比較就可以獲得莫爾－庫侖判斷準(zhǔn)則所需要的井壁最大、最小有效主應(yīng)力。

結(jié)合公式（1）~公式（5）就可以進(jìn)行任意地層條件和井眼狀態(tài)下地層的坍塌壓力和破裂壓力分析。

4 工程地質(zhì)研究在CZ1井中的應(yīng)用

根據(jù)上述破裂壓力和坍塌壓力確定方法，利用建立的巖石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力、地層壓力剖面以及測井參數(shù)輸入GMI軟件，選取適合該地區(qū)坍塌及破裂壓力判別準(zhǔn)則，計(jì)算了CZ1井地層孔隙壓力、坍塌壓力和破裂壓力剖面，簡稱三壓力剖面（圖3）。從CZ1井三壓力剖面可以看出，地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力總體隨深度增加而增大。蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組地層坍塌壓力總體小于地層孔隙壓力，而地層破裂壓力總體較高。

雖然CZ1井實(shí)鉆鉆井液密度（黑色）低于推薦泥漿窗口下限值，但是，實(shí)鉆使用的鉆井液密度一直是大于地層坍塌壓力和孔隙壓力，故而CZ1井在實(shí)鉆過程中沒有出現(xiàn)過井壁失穩(wěn)、地層垮塌等復(fù)雜情況，說明設(shè)計(jì)的鉆井密度能夠維持井壁穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全鉆井。

由于CZ1井井壁較為穩(wěn)定，幾乎不存在井壁垮塌影響到安全鉆井的情況，因此選用實(shí)測井徑對剖面進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)CZ1井實(shí)際鉆井液密度預(yù)測的坍塌寬度與井徑變化曲線對比發(fā)現(xiàn)，兩者基本一致，說明建立的地應(yīng)力模型以及預(yù)測的地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力是準(zhǔn)確的。

4.1 直井泥漿窗口的確定

研究表明，CZ1井蓬四段破裂壓力梯度2.22 MPa/100 m，遠(yuǎn)高于坍塌壓力0.74 MPa/100 m和孔隙壓力1.23 MPa/100 m，實(shí)鉆密度1.20~1.23 g/cm3；蓬三段破裂壓力梯度2.26 MPa/100 m，遠(yuǎn)高于坍塌壓力0.90 MPa/100 m和孔隙壓力1.32 MPa/100 m，實(shí)鉆密度1.54~1.60 g/cm3；故實(shí)鉆未發(fā)生井漏、地層垮塌等復(fù)雜情況，說明預(yù)測三壓力剖面與鉆井實(shí)際情況相吻合。

根據(jù)三壓力剖面，以坍塌壓力和地層壓力最大值作為下限，以破裂壓力最小值作為上限值，GMI軟件計(jì)算蓬四段泥漿窗口為1.45~2.57 g/cm3，蓬三段泥漿窗口為1.59~2.57 g/cm3?？紤]天然裂縫、地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)以及鉆井施工中的激動壓力，因此，鉆井液密度窗口相應(yīng)變窄，綜合考慮后認(rèn)為蓬四段安全泥漿窗口在1.38~2.44 g/cm3，蓬三段安全泥漿窗口在1.51~2.44 g/cm3。

4.2 定向井與水平井井壁穩(wěn)定性預(yù)測

JP16砂體、JP21砂體坍塌壓力隨井斜角和方位角改變的變化趨勢有一定差異（圖4）。最大水平主應(yīng)力方向即120°的坍塌壓力最低，此時井斜角在30°時坍塌壓力最高，分別為1.025 g/cm3和0.87 g/cm3。井斜角在75°時坍塌壓力最低，分別為0.91 g/cm3和0.74 g/cm3。最小水平主應(yīng)力方向即30°的坍塌壓力最高，且隨井斜角增大而增大且在水平段達(dá)到最大，變化范圍分別在0.99~1.13 g/cm3和0.84~0.98 g/cm3之間，略小于地層壓力1.26 g/cm3和1.31 g/cm3。因此，預(yù)測方位角沿最大水平主應(yīng)力方向120°實(shí)施60°以上大斜度定向井或水平井，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)最小。相比而言，J砂體較J砂體坍塌壓力低，J層采用欠平衡鉆井井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較小。J砂體和JP砂體欠平衡鉆井允許欠壓值分別為0.10 g/cm3和0.30 g/cm3。

圖4 J砂體（左）、JP砂體（右）坍塌壓力隨井斜及方位變化餅狀圖

4.3 射孔與壓裂方位的選擇

JP16砂體、JP21砂體實(shí)測破壓梯度分別為3.28 MPa/100m和4.06MPa/100m，預(yù)測地層破裂壓力梯度在最大水平主應(yīng)力方向即120°最高：在井斜角0°時為2.80 MPa/100 m，井斜角30°時為3.04 MPa/100 m，井斜角60°時為2.55 MPa/100 m，水平井時為2.35 MPa/100 m；預(yù)測地層破裂壓力在最小水平主應(yīng)力方向即30°最低：在井斜角0°時為2.80 MPa/100 m，井斜角30°時為2.20 MPa/100 m，井斜角60°時為1.60 MPa/ 100 m，水平井時1.57 MPa/100 m。因此，在JP16、JP21砂體射孔時選取30°方位角，可以有效降低后期加砂壓裂改造的施工壓力約0.60~0.90 MPa/100 m（圖5）。

圖5 J砂體（左）、J砂體（右）破裂壓力隨井斜及方位變化餅狀圖

5 結(jié)論

（1）通過對CZ1井三壓力剖面的建立，推薦該勘探新區(qū)采用三開制井身結(jié)構(gòu)：蓬四、蓬三段及以上地層劃分為一套泥漿窗口系統(tǒng)，推薦窗口低限1.38~ 1.51 g/cm3，高限2.44 g/cm3；蓬二段、蓬一段、遂寧組地層可以劃分為一套泥漿窗口系統(tǒng)，推薦窗口低限1.73 g/cm3，高限2.42 g/cm3；上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組地層可以劃分為一套泥漿窗口系統(tǒng)，推薦窗口低限2.00 g/cm3，高限2.42 g/cm3。

（2）根據(jù)CZ1井三壓力剖面預(yù)測，蓬四段、蓬三段地層孔隙壓力分別為1.23和1.32MPa/100 m，與實(shí)鉆鉆井液密度對比后發(fā)現(xiàn)，揭開JP16、JP21砂體時鉆井液密度為1.30 g/cm3。說明在平衡地層壓力，保證井壁穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全鉆井的前提下，準(zhǔn)確預(yù)測地層孔隙壓力，并設(shè)計(jì)合理的鉆井液密度對于CZ1井及時發(fā)現(xiàn)和保護(hù)JP16、JP21氣層，獲得重大油氣勘探突破起到了至關(guān)重要的作用。

（3）CZ1井上沙溪廟組在3061~3071 m以1.73 g/cm3密度揭開了JS22砂體（實(shí)際地壓梯度1.53 MPa/ 100 m），測試獲得1.5379×104m/d氣產(chǎn)量。但之后由于在3104.44 m發(fā)生氣侵液面上漲1 m3之后，現(xiàn)場將鉆井液密度由1.86 g/cm3提高至2.08 g/cm3，導(dǎo)致在完鉆之前480 m進(jìn)尺的上沙溪廟組、下沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組地層一直采用2.10 g/cm3左右的超高密度（實(shí)際地壓梯度1.63~1.69 MPa/100 m）“壓死”鉆井，此后鉆井再無任何油氣顯示。而根據(jù)區(qū)域鄰井的鉆井顯示，JQ1、XF1、PX2、PX3井在上沙溪廟組JS23、 JS24砂體、下沙溪廟組JS31砂體、千佛崖組+白田壩組均不同程度獲得0.5763~1.5000×104m/d氣產(chǎn)量。低密度鉆井液揭開油氣層獲得兩個重大油氣發(fā)現(xiàn)，與高密度鉆井液鉆井無任何油氣顯示的對比反差，對于今后在該地區(qū)乃至新區(qū)塊的勘探、評價(jià)、開發(fā)工作中，如何在“發(fā)現(xiàn)”與“安全”兩者之間的合理平衡與科學(xué)決策具有很強(qiáng)的啟示作用。

1劉向君，羅平亞.巖石力學(xué)與石油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

2陳勉，鄧金根，吳志堅(jiān).巖石力學(xué)在石油工程中的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

3周文，高雅琴，單鈺銘，等.川西新場氣田沙二段致密砂巖儲層巖石力學(xué)性質(zhì)[J].天然氣工業(yè)，2008，28（2）：34-37.

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（修改回稿日期2014-11-18編輯文敏）

國家科技重大專項(xiàng)（編號：2011ZX05022-004-002）“低滲油氣田儲層保護(hù)技術(shù)研究”資助。

吳浩，男，1983年出生，四川崇州人，工程師；2005年畢業(yè)于成都理工大學(xué)能源學(xué)院石油地質(zhì)系資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田水文地質(zhì)、工程地質(zhì)研究。地址：(618000)四川省德陽市龍泉山北路298號中國石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院。電話：（0838）2552732。E-mail:191062433@qq.com