【文章內(nèi)容簡介】 0） 陳英豪給出了由地層傾角雙井徑測井提取地層水平骨架應(yīng)力非平衡因子（下稱非平衡因子）的方法： ???????? ??????????? 211tsbf CCKU （ 111） 由此地層破裂時(shí)臨界泵壓的計(jì)算公式為： tpmhbff PPUP ?? ????? )3( （ 112） 式中， sC 為地層傾角雙井徑測井較小讀數(shù)， tC 為較大井徑讀數(shù)。 K 為常數(shù)，可由水力壓裂施工曲線確定，也可由試驗(yàn)方法獲得。 1990 年，譚廷棟指出，地層傾角測井測量的雙井徑曲線與井眼崩落程度有關(guān)，同時(shí)孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層破裂壓力預(yù)測技術(shù)研究 5 它還取決于地層和骨架的楊氏模量變化 [12]。他在陳英豪的計(jì)算式中引入地層的楊氏模量E 和骨架的楊氏模量 maE ，并將 K 命名為刻度系數(shù)： matsbf EECCKU ???????? ??????????? 211 （ 113） 譚廷棟指出，非平衡因子在 1至 3范圍內(nèi)變化。非平衡因子為 1和 3時(shí)，由陳英豪的地層傾角測井解釋地應(yīng)力方法可以解釋出地層的最小、最大水平主應(yīng)力。譚廷棟認(rèn)為地層破裂壓力分布在最小、最大水平主應(yīng)力值區(qū)間上，由此方法可以從測井信息中提取地層破裂壓力。他的方法沒有考慮巖石的抗張強(qiáng)度，且在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)將解釋出大跨度的破裂壓力區(qū)間。 總而言之，以上模型可以歸類為一個(gè)模式，即 ： ? ? ppvf PPPP ??? ? （ 114） 式中， ? 為水平地應(yīng)力總量與垂直應(yīng)力總量的比值，與上覆地層密度、埋深、泊松比、構(gòu)造應(yīng)力等有關(guān)，無量綱。由此可以看出，以上模型具有相同的數(shù)學(xué)形式，只是各家對 ? 項(xiàng)的認(rèn)識深度不同，從使用者的角度看并沒有太大意義的區(qū)別。國內(nèi)應(yīng)用較多的黃氏模型經(jīng)過數(shù)學(xué)處理也可以變?yōu)榕c這個(gè)方程相似的形式，只是黃氏模型對地應(yīng)力構(gòu)成的認(rèn)識更深，考慮的因素更多更周全，對 ? 項(xiàng)的拆解更科學(xué)，預(yù)測的準(zhǔn)確度也就更高。 HaimsonFairhurst 模式及其發(fā)展 與 HubbertWillis 的模式不同， 1967 年，海姆森（ Haimson）與費(fèi)爾赫斯特（ Fairhurst）研究了水力壓裂裂縫的起裂與延伸規(guī)律，他認(rèn)為裂縫的產(chǎn)生是由井壁上各應(yīng)力集中引起的 [13]。增大井內(nèi)的流體壓力會(huì)改變井壁上的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)此應(yīng)力超過井壁巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，地層便被壓裂。在假定儲(chǔ)層均質(zhì)、各向同性和彈性變形的前提下，Haimson 考慮了水平主地應(yīng)力在兩個(gè)方向上不相等和 壓裂液向地層內(nèi)達(dá)西滲流的影響，給出了破裂壓力的預(yù)測方程式： ??? ????? ???1212 3 Hhtf SP （ 115） 是否考慮壓裂液向地層內(nèi)的滲流，是 HW 模式與 HF模式最明顯的區(qū)別。 2020 年，李傳亮根據(jù)多孔介質(zhì)的雙重有效應(yīng)力理論 [14]，發(fā)展了 Haimson 與 Fairhurst的模型，提出了新的破裂壓力預(yù)測方程式 [15]： ???? ????????? ??????1211 1213cptHhfPSP （ 116） 式中， ? 為巖石孔隙度； c? 定義為觸點(diǎn)孔隙度，是描述巖石膠結(jié)程度的度量參數(shù)，可以用鏡下觀察的方法進(jìn)行確定，也可以用試驗(yàn)或試驗(yàn)結(jié)果反求。 2020 年，李傳亮又給出了多孔介質(zhì)的雙重有效應(yīng)力理論基礎(chǔ)上射孔完井條件下的巖石破裂壓力計(jì)算公式 [16]： 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 6 ???? ????????? ??????1211 1213cptHvfPSP （ 117） 式中， v? 為上覆巖層壓力。李傳亮的模型將 HubbertWillis 與 HaimsonFairhurst的公式統(tǒng)一了起來。利用測井資料獲得連續(xù)的巖石力學(xué)參數(shù)剖面，再選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ皖A(yù)測地層破裂壓力，這是現(xiàn)在油田中最為常用而且預(yù)測比較精確的方法。然而，怎樣通過測井手段確定觸點(diǎn)孔隙度值，以得到一個(gè)連續(xù)的觸點(diǎn)孔隙度參數(shù)剖面，還是一個(gè)尚未解決的問題，它在一定程度上給這個(gè)模型的應(yīng)用帶來了不便。 2020 年，李培超對李傳亮的射孔完井破裂壓力模型進(jìn)行了改進(jìn) [17]，引入射孔深度參數(shù)，最終得到的垂直井射孔完井條件下地層破裂壓力的修正計(jì)算公式為： ???? ?????????????? ?????????1214 121)(23921312cptiPP （ 118） 作者對模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，射孔完井的最低破裂壓力不是在井壁處出現(xiàn)，而是在射孔孔眼的端部出現(xiàn)，并給 出了極半徑上破裂壓力的估值曲線。但是射孔后井眼附近的應(yīng)力分布是相當(dāng)復(fù)雜的 ， 射孔 既能 降低鉆井引起的井壁應(yīng)力集中， 又 能導(dǎo)致孔眼周圍的應(yīng)力集中。作者僅考慮了鉆井引起的應(yīng)力集中，忽視了射孔引起的二次應(yīng)力集中。 其他破裂壓力預(yù)測方法 1996 年，夏宏泉等 [18]基于灰色 GM（ 0， N） 靜態(tài)模型和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種新的參數(shù)估算方法 灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判釋法。分析了利用測井資料預(yù)測地層破裂壓力的可行性，建立了破裂壓力預(yù)測的灰色 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對 25 口油氣井的破裂壓力進(jìn)行了預(yù)測。 2020 年，聶采軍等 [19]應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對碳酸鹽巖地層實(shí)測破裂壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)建模和預(yù)測研究，指出 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測地層破裂壓力比多元回歸法誤差更小、精度更高。他們的方法適用于中后期勘探開發(fā)階段或積累有較多地層破裂數(shù)據(jù)和測井資料的區(qū)塊或油氣田，具有一定 的實(shí)用性。 2020 年，任嵐等 [20]以多孔介質(zhì)流體滲流與巖石應(yīng)力 應(yīng)變耦合理論為基礎(chǔ)，考慮巖石變形與流體滲流的全耦合作用，采用有限元法數(shù)值計(jì)算技術(shù)預(yù)測巖石破裂壓力，在求得破裂壓力的同時(shí)可以求得巖石的破裂時(shí)間。以上方法相對于理論模型而言，所預(yù)測的地層破裂壓力對現(xiàn)場同樣具有重要的指導(dǎo)意義 ，是理論模型的有益補(bǔ)充。 破裂壓力預(yù)測技術(shù)發(fā)展展望 HubbertWillis 模式的改進(jìn) HubbertWillis 模式在實(shí)踐中經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和完善，衍生出眾多的分支。其中的 Eaton 法和黃氏模型應(yīng)用最為廣泛。許多學(xué)者根據(jù)自己的認(rèn)識和理解，對HWillis 模式中的 ? 項(xiàng)進(jìn)行拆解、細(xì)化，力求引入更多的可知的、意義明確的參數(shù)如地孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層破裂壓力預(yù)測技術(shù)研究 7 質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)、非平衡因子等，以通過這些參數(shù)建立更精確的數(shù)學(xué)模型來求取破裂壓力。參數(shù)的引入不但要有科學(xué)的理論依據(jù)， 還要考慮經(jīng)濟(jì)效益。參數(shù)過多使得破裂壓力的求取過程更復(fù)雜，還可能帶來的成本的上升和誤差的增大，在對 HW模式的發(fā)展過程中要注意避免，把握預(yù)測精度和經(jīng)濟(jì)效益的平衡。 HaimsonFairhurst 模式的改進(jìn) HaimsonFairhurst 模式的先進(jìn)性在于，它考慮了巖石作為多孔介質(zhì)是存在滲流現(xiàn)象的，且采用了 Biot 修正后的有效應(yīng)力原理。由于 HW 模式的最初提出采用的是Terzaghi 在含水飽和土壤力學(xué)特征研究基礎(chǔ)上提出的有效應(yīng)力原理，對低滲透性多孔介質(zhì)例如巖石并不適用。 Anderson 在 HW模式中引入 Biot 系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)解決了這個(gè)矛盾。同樣的，黃氏模型中也可以引入 Biot 系數(shù)。李傳亮根據(jù) 多孔 介質(zhì)雙重有效應(yīng)力原理對HF 模式進(jìn)行了改進(jìn)，還給出了不同完井方式下的破裂壓力預(yù)測式，他的有效應(yīng)力原理也是 HW 模式可以采用的，研究思路也是 HW 模式可以借鑒的。李培超的修正公式考慮的因素還不夠全面，有待進(jìn)一步完善。 溫度項(xiàng)的引入 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，壓裂作業(yè)已經(jīng)深入到六千多米的井下。有的研究人員已經(jīng)開始關(guān)注溫度引起的熱應(yīng)力對破裂壓力的影響 [21]，并在破裂壓力預(yù)測模型中引入 熱應(yīng)力 項(xiàng)。由于 地應(yīng)力確 定上的難度， 在破裂壓力預(yù)測工作中，通常采用一口已施工井的數(shù)據(jù)來反演地應(yīng)力，然后選取合適的模型，預(yù)測相同構(gòu)造上相近層段井的破裂壓力。在利用現(xiàn)場施工資料反演出的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)中，其實(shí)已經(jīng)包含了溫度的影響（還可能包含完井條件、污染等其他對破裂壓力有影響的因素），在應(yīng)用模型時(shí)如果再引入溫度項(xiàng)，就會(huì)因熱應(yīng)力的重復(fù)計(jì)算得出過高的結(jié)果。因此，在破裂壓力預(yù)測模型中使用溫度項(xiàng)的時(shí)候，要結(jié)合實(shí)際情況，注意使用的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)是否單純。當(dāng)已知破裂壓力井的起裂層段與被預(yù)測井目標(biāo)層段的溫度差異較大時(shí)，引入溫度項(xiàng)計(jì)算二者之間溫差產(chǎn)生的熱應(yīng) 力，進(jìn)而對破裂壓力進(jìn)行修正的做法是合理的。此外，考慮熱應(yīng)力時(shí)還需要測定巖石的熱彈性線膨脹系數(shù)，如何快速簡便地獲得這一參數(shù) 的連續(xù) 剖面還有待進(jìn)一步研究。 射孔參數(shù) 的引入 通過前面的研究可以 發(fā)現(xiàn) ，大多數(shù)破裂壓力預(yù)測的模型都是針對裸眼井建立的 ，而且 現(xiàn)有的射孔井破裂壓力預(yù)測公式建立的模型 [16， 17]都還比較簡單，不能充分反映地下的真實(shí)情況。近年來，許多研究人員通過有限元方法 [22]、真三軸模擬試驗(yàn) [23]、位移不連續(xù)方法 [24]對射孔完井與破裂壓力的關(guān)系展開了研究，得出了許多有價(jià)值的結(jié)論，但都未提出一個(gè) 通用的針對射孔井破裂壓力的預(yù)測模型或公式。因此，分析射孔井井周應(yīng)力分布，把對破裂壓力影響最大的射孔參數(shù)科學(xué)合理地引入破裂壓力預(yù)測模型，是亟待解決的問題。 主要研究內(nèi)容 和創(chuàng)新 塔中地區(qū)主體為塔里木盆地中央隆起區(qū)中段的卡塔克隆起，周緣次級構(gòu)造包括塘古西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 8 孜巴斯坳陷北部、古城墟隆起西段以及滿加爾坳陷南部等，包括卡塔克 順托果勒、順南、順西及阿東 8個(gè)區(qū)塊，面積 。儲(chǔ)層以基質(zhì)孔隙為主，裂縫、孔洞欠發(fā)育，且基質(zhì)孔隙度不高，連通性差，物性較差，滲透率明顯小于塔河油田的滲透率，孔隙度較 塔河油田略高，具有許多區(qū)別于塔河主體區(qū)塊的油藏特點(diǎn)，所以工程技術(shù)上也具有許多不同于主體區(qū)塊的特點(diǎn)和難點(diǎn)。對塔中地區(qū)進(jìn)行開采關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)勘探區(qū)域上的突破具有十分重要的意義。 本次 研究的主要技術(shù)目標(biāo)是結(jié)合塔中地區(qū)地質(zhì)、油藏、巖石力學(xué)特征， 分析造成高破裂壓力的主要原因，研究利用巖石力學(xué)試驗(yàn)測試和測井資料等確定地層應(yīng)力的定量計(jì)算方法，建立儲(chǔ)層破裂壓力定量預(yù)測模型， 預(yù)測塔中地區(qū) 中 41 井奧陶系 良里塔格組 裸眼 井段 地層破裂壓力，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)化施工工藝提供依據(jù)。 主要研究內(nèi)容如下 ： （ 1） 進(jìn)行 文獻(xiàn)調(diào)研，對 破裂壓力預(yù)測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 進(jìn)行分析。 （ 2） 結(jié)合油田實(shí)際資料，分析引起地層高破裂壓力的原因 。 （ 3） 以 地質(zhì)力學(xué)和 多孔介質(zhì) 雙重 有效應(yīng)力理論為基礎(chǔ) ， 建立 由 測井資料 計(jì)算 地應(yīng)力 的 模式，與現(xiàn)有模式進(jìn)行對比分析。 （ 4） 以彈性力學(xué)和 多孔介質(zhì) 雙重 有效應(yīng)力理論為基礎(chǔ) ， 建立 適用于本次研究對象的 地層 破裂壓力 預(yù)測模型。 （ 5） 結(jié)合研究的奧陶系油藏特點(diǎn) ， 對模型進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)分析 ， 評價(jià)建立的預(yù)測模型中各因素對破裂壓力的影響。 （ 6） 通過試驗(yàn)分析巖石力學(xué)性質(zhì)，利用 測井 資料 提取 地下 巖石力學(xué)參數(shù) 。 （ 7） 預(yù)測 中 41 井 的 地層 破裂壓力 ， 結(jié)合實(shí)際施工情 況對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。 主要 創(chuàng)新點(diǎn)有： （ 1） 建立理論模型分析了觸點(diǎn)孔隙度值的分布規(guī)律，提出 基質(zhì)孔隙度不高，裂縫、孔洞系統(tǒng)欠發(fā)育 的碳酸鹽巖儲(chǔ)層可用孔隙度值代替觸點(diǎn)孔隙度做計(jì)算，并根據(jù)修正后的分布規(guī)律建立了新的觸點(diǎn)孔隙度估算公式（見 節(jié)）。 （ 2） 用雙重有效應(yīng)力原理解釋了 Biot 系數(shù)與孔隙度之間的關(guān)系，指出 在巖石不發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的情況下有 ??? ，據(jù)此對破裂壓力預(yù)測模型中滲流項(xiàng)的 Biot 系數(shù)進(jìn)行了替換，建議地應(yīng)力計(jì)算中采用孔隙度作有效應(yīng)力系數(shù)（見 節(jié)）。 （ 3） 用彈性力學(xué)理論 結(jié)合雙重有效應(yīng)力原理建立了考慮溫度的破裂壓力預(yù)測模型并進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果 符合理論與實(shí)際。 孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層破裂壓力預(yù)測技術(shù)研究 9 第 2 章 多孔介質(zhì)與雙重有效應(yīng)力 多孔介質(zhì)雙重有效應(yīng)力原理是本次研究應(yīng)用的基礎(chǔ)理論之一 。本章首先 簡單介紹 了相關(guān)知識 ，然后 針對 觸點(diǎn)孔隙度 分布規(guī)律上的不足展開研究。 通過建立 理論模型與分析，發(fā)現(xiàn)了 觸點(diǎn)孔隙度 分布的新規(guī)律，建立了估算模型式，為本次研究中觸點(diǎn)孔隙度值的獲取提供了依據(jù)。最后在理論上提出了詳細(xì)的試驗(yàn)獲取觸點(diǎn)孔隙度方法及步驟。 多孔介質(zhì) 簡介 多孔介質(zhì)從字面上理解，就是含有大量孔隙的固體物質(zhì)。在石油工程領(lǐng)域，則 定 義宏觀上連續(xù)（微觀上隨機(jī)）分布著開度足夠大的孔隙空間，并能在一定條件下儲(chǔ)存和允許石油和水等流體物質(zhì)通過的固體物質(zhì)為多孔介質(zhì) [25]。孔隙或空隙（ pore or void）是多孔介質(zhì)的空間存在形式，沒有孔隙就沒有多孔介質(zhì)。當(dāng)孔隙（空隙）中飽和了其他的流體，此時(shí)的多孔介質(zhì)就變成了多孔介質(zhì)體（多相物體）。 組成多孔介質(zhì)骨架的物質(zhì)種類可以是單一的，也可以是多元的。當(dāng)組成骨架的各種物質(zhì)成分充分混合，宏觀上表現(xiàn)不出物質(zhì)組成上的性質(zhì)差異時(shí)，就可以把固體骨架看作具有某種平均性質(zhì)的單一物質(zhì)。多孔介質(zhì)的固體骨架是由單元體相互連 接而成的，單元體的形狀、尺度和連接方式都是隨機(jī)的。自然界中的單元體多呈顆粒球狀。多孔介質(zhì)單元體之間最基本的連接方式有三種：點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸，實(shí)際介質(zhì)連接方式是它們的復(fù)雜組合，它們的強(qiáng)度都是比較弱的。單元體