玛湖凹陷砂砾岩储层岩石力学特征与压裂对策研究

Study on Rock Mechanic Characteristics and Fracturing Countermeasures of Glutenite Reservoirs in Mahu Depression

摘要: 玛湖凹陷百口泉组砂砾岩油藏储量大，但储层孔渗差、单井产量低、综合开采成本高，“水平井 + 压裂”是开发该类储层的有效措施，由于对其地应力和岩石力学特征认识不清严重制约了压裂改造的有效性。通过室内声学、力学试验发现玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储层存在两向地应力差高、最小水平主地应力高、岩心弹性模量小、硬度低等特点，压裂改造无法形成复杂缝网，推荐采用密切割分段体积压裂工艺增大改造体积、采用前置液挤酸预处理结合小粒径段塞方式减少压裂加砂施工难度、适当加大支撑剂铺设厚度以及近井地带使用滑溜水造长复杂缝等措施提高改造效果。结合以上压裂施工建议，2015年底顺利完成了对试验井MaHW1325井22段体积压裂，入井压裂液23,700 m³、支撑剂1702 m³，截止到2017年8月下旬MaHW1325井累计生产528 d，累计产油12,786.8 t，平均日产油24.2 t，生产效果好，说明压裂改造方案成功，在该区块具有极高推广价值。

Abstract: In the glutenite reservoirs of Baikouquan Formation in Mahu Depression, reserves were high, but the porosity and permeability were poor, and single well production was low with high cost, so horizontal well + fracturing was the effective development measure for the reservoirs. Because of unclear understanding of the in-situ stress and rock mechanic characters, the effect of fracturing and reconstruction was constrained. The laboratory acoustic and mechanical tests revealed that there existed the characters of high stress difference in two directions, high minimum horizontal principal stress, small elastic modulus of rock cores and low hardness, fracturing reconstruction could not produce complex fracture networks. Therefore, it was recommended to use dense cut sectional volume fracturing for expanding the fracturing volume, pretreatment with prepaid-fluid acid squeezing combined with small diameter slugs for reducing the difficulty in fracturing and sand adding operation, rationally enhancing the proppant thickness and using slip water to produce long and complex fractures for the purpose of improving the efficiency of fracturing reconstruction. The volume fracturing was carried out in 22 well sections for Well MaHW1325, and 23,700 m³ fracturing fluid and 1702 m³ proppant were used for fracturing operations by the end of 2015. By the end of late August, 2017, Well MaHW1325 produces for 528 d with accumulated oil production of 12,786.8 t, and the average daily oil production is 24.2 t, and good effect is obtained in production. It indicates that the fracturing reconstruction program is successful. It has a high value for popularization in the block.

1. 引言

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘断阶带下盘，东抵达巴松凸起与夏盐凸起，西靠乌夏断裂带，南接中拐凸起，北达石英滩凸起与英西凹陷(图1) [1] 。近期勘探成果发现玛湖凹陷百口泉组具有扇控大面积含油特征，2014年仅玛湖凹陷玛131井区块上交探明储量近亿吨，虽然勘探成果颇丰，但根据大量薄片资料分析发现玛131井区块百口泉组储层平均孔隙度仅为10.1%，平均渗透率仅有0.9 mD，属于典型的低孔特低渗较差孔隙结构储层，单井产量低，开发难度大 [2] [3] 。

测井解释发现玛湖凹陷百口泉组储层厚度达200 m左右，根据内部岩性旋回特征自下而上分为百口泉组一段、百口泉组二段、百口泉组三段，主要岩性为砂砾岩夹泥岩，砂砾岩厚度大，属于低孔特低渗较差孔隙结构。为实现对玛湖凹陷百口泉组油藏的高效开发，计划在该区块大规模推广应用水平井压裂

Figure 1. The structural position of Mahu Depression

图1. 玛湖凹陷构造位置

改造技术。由于目前对砂砾岩油藏储层的岩石力学特性认识尚不清楚，制约了对该油藏地应力、储层脆性和压裂缝网扩展机理等的研究，影响了压裂施工的针对性和有效性。因此，通过对玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储层岩石力学试验研究，掌握储层地应力、岩石力学特性，对于制定该区块合理的压裂施工方案以及最终的大规模、高效开发具有重要指导意义。

2. 岩石力学试验及试验结果

在同一块岩样上取1个垂直方向与3个水平方向(各相隔45˚)直径25 mm的岩心，利用声发射测试仪测试求取取心点的地应力大小；利用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机模拟储层应力环境测试岩心弹性参数；利用岩石硬度仪和支撑剂嵌入试验仪分别测试储层岩心硬度和支撑剂嵌入情况，为最终合理的压裂施工方案设计提供有力数据支撑。

2.1. 声发射Kaiser效应试验

声发射Kaiser效应法测定地应力：在实验室通过对地层岩心进行匀速加载，用声发射仪接收岩心受载过程中岩心所发出的声波信号，由于岩心在地下受到三向应力作用，所以要在不同方向取心进行试验，通常在室内对取自现场的岩心进行取心时要在垂直方向取1块，在垂直岩心轴线平面内相隔45˚取3块(如图2)，由上述4个方向岩心进行试验测得4个方向的正应力，利用式(1)可确定取心深度地层岩石所处的地应力，试验结果见表1。

Figure 2. The schematic diagram of drilling coring in acoustic emission Kaiser effect test

图2. 声发射Kaiser效应试验岩样取心示意图

Table 1. The Kaiser core test results of Baikouquan Formation in Mahu Depression

表1. 玛湖凹陷百口泉组岩心声发射Kaiser试验结果

注：T₁b₂¹表示百口泉组2段1砂组。

$\{\begin{array}{l}{\sigma }_{\text{H}}=\frac{{\sigma }_1+{\sigma }_3}{2}+\frac{{\sigma }_1-{\sigma }_3}{2}\sqrt{1+{\tan }^{2}2\theta }+\alpha p_{\text{p}}-p_{\text{c}}\\ {\sigma }_{\text{h}}=\frac{{\sigma }_1+{\sigma }_3}{2}-\frac{{\sigma }_1-{\sigma }_3}{2}\sqrt{1+{\tan }^{2}2\theta }+\alpha p_{\text{p}}-p_{\text{c}}\\ {\sigma }_{\text{V}}={\sigma }_{\perp }+\alpha p_{\text{p}}-p_{\text{c}}\\ \tan 2\theta =\frac{{\sigma }_1+{\sigma }_3-2{\sigma }_2}{{\sigma }_1+{\sigma }_3}\end{array}$ (1)

式中： ${\sigma }_1$ 、 ${\sigma }_2$ 、 ${\sigma }_3$ 分别为0˚、45˚、90˚水平向岩心Kaiser点应力，MPa； ${\sigma }_{\perp }$ 为垂直方向岩心的Kaiser点应力，MPa； ${\sigma }_{\text{H}}$ 、 ${\sigma }_{\text{h}}$ 分别为最大、最小水平主地应力，MPa； ${\sigma }_{\text{V}}$ 为上覆地层压力，MPa； $p_{\text{p}}$ 为地层孔隙压力，MPa； $\alpha$ 为有效应力系数，1； $p_{\text{c}}$ 为围压，MPa。

2.2. 三轴应力试验

岩石三轴应力试验采用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机进行，全套装置由加温恒温系统、高压三轴室、围压加压系统、轴向加压系统以及数据采集控制系统等5个主要部分组成。通过围压系统匀速加载围压模拟岩心地层环境条件下所处应力环境，测试岩心弹性参数，试验结果见表2。

Table 2. The Results of triaxial mechanical test of cores in Baikouquan Formation of Mahu Depression

表2. 玛湖凹陷百口泉组岩心三轴岩石力学试验结果

注：T₁b₃表示百口泉组3段。

岩心受压破坏后多呈现裂缝扭曲现象，典型结果见图3。

Figure 3. The test result of core compressive and failure test

图3. 岩心抗压破坏试验结果图

2.3. 硬度试验

利用压入硬度仪对取得的玛137井百口泉组不同深度岩心进行硬度试验，并按照压入硬度分级标准进行分级，试验结果见表3。

Table 3. The test results of core hardness detection in Well Ma137

表3. 玛137井岩心硬度测试结果

2.4. 支撑剂嵌入试验

利用岩心支撑剂嵌入试验仪匀速加载52 MPa，对20~40目低密高强度陶粒支撑剂进行玛139井百口泉岩心嵌入试验，利用显微镜观察发现砾石单体嵌入量较低，约25%粒径；基质部分嵌入量较深，可达100%粒径。

3. 试验结果分析与砂砾岩储层压裂对策

1) 4组声发射Kaiser效应试验得到的玛湖凹陷百口泉组储层最大、最小两向应力差为 11.30~16.14 MPa，最大、最小两向应力差较高，致使地层下储层岩石趋于偏塑性，水力压裂形成体积复杂缝的可能性极小，为最大限度扩大渗流面积，实现各级裂缝的有效支撑，推荐采用密切割方式的分簇射孔分段体积压裂工艺 [4] 。

2) 统计分析8组岩石三轴应力试验结果发现，玛湖凹陷百口泉组储层岩心静态弹性模量22.79~27.94 GPa，静态弹性模量均小于28.00 GPa，水力压裂形成的人工裂缝形态以平面缝为主，近井带推荐采用滑溜水尽可能造复杂裂缝，且大位移水平井改造层段较长，应适当提高排量，充分压开地层。

3) 4组地应力测试点最小水平主地应力为50.11~58.08 MPa，压裂施工后闭合压力较高；6组压入硬度试验表明玛湖凹陷百口泉组储层岩石硬度属中软～软级别，储层岩石较软；4组玛139储层岩心支撑剂嵌入试验表明砾石单体嵌入量约25%粒径，基质部分嵌入量达 100%粒径，支撑剂总体嵌入较深。为达到理想压裂改造效果，推荐适当加大加砂规模，提高支撑剂铺置浓度 [5] [6] 。

4) 另外，玛湖凹陷百口泉组储层砾石发育、分选差，岩石应力试验中发现岩心受压破坏时易引起裂缝扭曲，这会造成近井筒摩阻较大、前置液阶段起泵泵压高，推荐采用前置酸预处理措施和多段塞方式降低近井筒摩阻，从而降低施工压力、降低造缝难度。

4. 现场实施效果

MaHW1325井是玛湖凹陷玛131井区百口泉组油藏首口开发试验水平井，水平段长度达2007 m，针对玛湖凹陷百口泉组低孔特低渗砂砾岩储层地应力以及岩石力学特征，2015年12月完成了对MaHW1325井进行桥塞-分簇射孔22段体积压裂，采用前置液挤酸预处理、小粒径段塞等方式减少加砂施工难度，为实现压裂改造效果采取适当提高施工排量、加大支撑剂铺设厚度以及近井地带滑溜水造复杂裂缝等措施。施工排量6~10 m³/min，施工最高压力86 MPa，入井压裂液总计23,700 m³，入井支撑剂总计1702 m³，分段施工排量和最高压力见图4。

Figure 4. The sectional statistics of maximum pump pressure and displacement of Well MaHW1325

图4. MaHW1325井最高泵压与施工排量分段统计

截止到2017年8月下旬MaHW1325井生产528 d，累计产油12,786.8 t，平均日产油24.2 t，产油量和压力均保持稳定，生产效果较好，证明试验井MaHW1325井的压裂改造方案比较成功，对玛湖凹陷百口泉组低孔特低渗砂砾岩油藏高效开发具有重要指导意义。

5. 结论与建议

1) 玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储层两向地应力差高，岩石储层岩心弹性模量小，压裂形成人工裂缝形态以平面缝为主，很难实现各级裂缝的有效支撑，推荐采用密切割分段体积压裂工艺增大改造效果；同时，近井带推荐采用滑溜水尽可能造长、复杂裂缝；储层岩石硬度级别为软~中软，为达到理想压裂改造效果，需要适当加大加砂规模，提高支撑剂铺置厚度。

2) 砂砾岩储层压裂破坏时易引起裂缝扭曲，极易造成近井筒摩阻较大，推荐采用前置酸预处理措施和多段塞方式降低近井筒摩阻，降低施工压力。

3) 试验井MaHW1325井产液量、产油量和压力均保持稳定，生产效果较好，证明试验井MaHW1325井的压裂改造方案比较成功，对玛湖凹陷百口泉组低孔特低渗砂砾岩油藏大规模高效开发具有重要指导和借鉴意义。