碳酸盐岩储层试油技术研究.doc

第 3 章 碳酸盐岩储层试油技术研究 3 1 碳酸盐岩完井技术 3 1 1 裸眼完井储层改造后井壁坍塌问题研究 1 深层岩石力学参数的实验测试 深层岩石力学参数的实验测试 实验装置由高温高压三轴室 围压加压系统 轴向加压系统 数据自动采 集控制系统等四大部分组成 高温高压三轴室的设计指标为围压为 140MPa 可容纳岩样的尺寸为 25 最大轴压为 1500KN 轴向应变测试范围为 5mm mm 周向应变测试范围为 4mm mm 围压 轴向载荷与位移 应变等信 号由数据自动采集控制系统 TESTSTARII 来采集与控制 通过对 36 块岩心的 深层岩石力学参数的实验测试 获得了地层岩石的弹性特征和强度特征 实验结 果表明碳酸盐岩储层的岩芯测试静态泊松比在 0 21 0 29 之间 单轴条件下 弹性模量在 3 3 4 2 104MPa 之间 岩石抗压强度在 80 120MPa 之间波动 围压条件下 弹性模量在 4 0 5 1 104MPa 之间 岩石抗压强度在 170 230MPa 之间波动 并且得到了弹性模量与围压的关系 GPa 4624 4 0406 0107104 2 4 3 6 ccc PPPE 3 1 1 泊松比与与围压的关系 0953 0 0061 0 109105 2 5 3 7 ccc PPP 3 1 2 体积压缩系数与围压的关系 1 MPa 0005 0 101102101 5 2 7 3 9 0 ccc PPPB 3 1 3 对碳酸盐岩岩芯进行围压 Kaiser 效应实验 围压压为 17Mpa 完成了 4 口 井 11 组 33 块岩心 的地应力测试 实验结果表明水平最大地应力 2 17 2 48MPa 100m 范围 水平最小地应力 1 60 1 89MPa 100m 范围 测试了 4 口井 17 组岩石断裂韧性 从测试的结果看 碳酸盐岩的断裂韧性 属于中等大小 大于一般砂泥岩 但小于致密泥页岩的断裂韧性 为了研究酸化施工对岩石性质的影响 根据酸压中的实际情况 通过静态 高温酸岩反应试验 常规力学参数试验等 初步探讨酸压过程中酸蚀对裂缝型 和基质型灰岩力学特性的影响 试验装置为中国石油大学 北京 钻井液实验室 自行设计的静态高温酸岩反应装置 该项试验所用的岩芯共为 48 块 基质型和 裂缝型各 24 块 所有试验的面容比都相同 即每一块标准岩芯都是与 150 ml 酸在相同的规定时间 60 min 内反应 同时在相同的时间间隔记录下质量的变化 反应温度一直保持在 90 酸压目标储层的平均温度 试验压力为常压 a 基质型 b 裂缝型 图图 3 1 1 胶凝酸刻蚀模式胶凝酸刻蚀模式 图 3 1 1 为岩样胶凝酸刻蚀模式 从图中可以看出 基质型试样孔隙度不高 为表面均匀刻蚀 而裂缝型试样裂隙发育较完全 局部深度刻蚀较多 图 4 6 分别给出了试样酸蚀前 后的弹性模量 单轴抗压强度和泊松比 试样 1 2 3 为基质型灰岩 而试样 11 15 16 为裂缝型灰岩 图 3 1 2 3 1 4 表 明 胶凝酸对灰岩的软化作用明显 且对裂缝型灰岩影响更大 图 3 1 3 表明 酸蚀后 灰岩的单轴抗压强度约为酸蚀前的 20 左右 胶凝酸对灰岩强度的弱 化作用十分强烈 而且酸蚀时均匀刻蚀模式对灰岩力学参数的影响要明显小于 局部深度刻蚀模式 酸压对塔中裂缝型灰岩地层的力学影响要比对轮古基质型 灰岩地层的大得多 图图 3 1 2 试样酸蚀前 后的弹性模量试样酸蚀前 后的弹性模量 图图 3 1 3 试样酸蚀前 后的单轴抗压强度试样酸蚀前 后的单轴抗压强度 图图 3 1 4 试样酸蚀前 后的泊松比试样酸蚀前 后的泊松比 2 2 试油过程储层稳定性评价 试油过程储层稳定性评价 从力学的角度来说 造成井壁坍塌的原因为主要由于井内液柱压力较低 使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏所造成的 此 时 对于脆性地层会产生坍塌掉块 井径扩大 而对塑性地层则向井眼内产生 塑性变形 造成缩径 井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态 围岩的强度特性 等密度切相关 对于塔中地区 建立以下的井壁稳定模型 基质型储层 100 1 2 3 2 2 0 HA APAS phH b 3 1 4 裂缝型储层 当井壁处地应力排序为 维持弱面稳定的液柱压力 rz 2 1 2cos21 cos21 1 1 km PkmmS P w pwwhH cr 3 1 5 当井壁处地应力排序为 维持弱面稳定的液柱压力度 rz 1 1 2cos 2 1 1 km PkmmS P w pwwhHv cr 3 1 6 当井壁处地应力排序为 维持弱面稳定的液柱压力 rz 2121 211122 kkkk PkkkmSmkm P pw cr 3 1 7 以上式中 H 为井深 m 为坍塌压力 为岩 2 450 ctgA b 3 cmg 0 S 石的粘聚力 MPa 为应力非线性修正系数 2sin 1 2 ctg m w hH m 2cos21 2cos21 1 2cos 2 2 hHv m 弱面法向与最大主地应力的夹角等于 1 21 1 k w mk 1 2z 弱面地层倾角 DIP 选择裂缝发育的塔中 421 井研究了裂缝对裂缝储层井壁稳定的影响 如图 3 1 5 塔中 421 地应力方位为北东 75 度 最大水平地应力 最小水平地应力 地层孔隙压力0m2 46MPa 10 H MPa 100m67 1 h 可以看出 倾角小于 10 度的低角度天然裂缝储层 地层最m1 1MPa 100 p P 稳定 随倾角增大 维持储层稳定性的最小井底压力增大 低倾角天然裂缝 倾角小于 30 度 储层 维持稳定性的最小井底压力随裂缝方位先增大 在 80 度附近达到最大值 而后随裂缝方位增大而降低 这说明在塔中 当天然裂 缝方位近水平最大地应力方位时 储层稳定性最差 并且倾角越大稳定性最差 对于倾角大于 30 度的天然裂缝储层 当天然裂缝方位近水平最大地应力方位时 储层稳定性最好 并且倾角越大稳定性越高 为了验证以上力学解析模型的准确度 我们对同一口井的同一储层分别用 该模型和有限元方法进行了计算 计算结果如表 3 1 1 结果表明利用解析模型 可以满足工程需要 图图 3 1 5 不同裂缝产状对维持储层稳定性的最小井底压力不同裂缝产状对维持储层稳定性的最小井底压力 表表 3 1 1 解析模型与有限元法计算结果对比解析模型与有限元法计算结果对比 储层稳定的临界压差 MPa 地层 有限元法解析法 误差 基质型储层39 4440 092 裂缝型储层45 3944 571 8 天然裂缝发育方位为水平最 大地应力方位 基于所建立的解析模型 编写了试油防砂压差预测软件 该软件通过读取 测井资料 包括孔隙压力 声波时差 地层密度 伽玛值 钻井液密度 钻头 直径 井径等来计算地应力和三压力 得出地应力剖面和三压力剖面 通过出 砂判断得出出砂的临界压差和临界产量 由此在压差优化模块对压差进行优化 得出优化后的压差 从而选取油嘴直径 软件包含四大模块 主要是 操作主 界面 参数输入窗口 优化评估窗口和图形显示窗口 利用该软件对塔中坡折 号地区试油稳定性进行了分井区评价 具体情况 如下 1 塔中 塔中 45 井区井区 塔中 45 新三维区上奥陶统和下奥陶统断裂系统基本相同 总体由塔中 I 号 断裂和两组近乎垂直的次级断裂组成 本区断裂发育大致可分为三期 第一期 为发育于加里东期的塔中 I 号断裂 该断裂为本区的主要断裂 控制了整个井 区的构造格局 呈北西 南东走向 塔中 I 号断裂断开基底 断距横向不稳定 断距由东向西明显加大 垂直断距可达 1000m 向下断开寒武系 延伸至基底 向上消失于上奥陶统桑塔木组 第二期和第三期主要发育了两组次级断裂 一 组与塔中 I 号断裂近乎平行展布 为逆断裂 主要发育于晚加里东期 断开层 位寒武系 志留系 分布在塔中 49 井 塔中 63 井沿线和塔中 45 井一带 断距 小 另一组与塔中 I 号断裂近乎垂直展布 主要发育于海西期 断开层位寒武 系 石炭系 这组断裂以走滑断裂为主 断面较陡 断距总体较小 最大断距 可达 200m 塔中 45 井区试油的主要目的是探查上奥陶统礁滩复合体的含油气性 为提交塔 中 45 井区探明储量作准备 根据该区内多口钻遇奥陶系井的地震地质层位综合 标定 可知本区构造总体上为北北西倾的斜坡 上奥陶统灰岩顶面构造和下奥 陶统鹰山组顶面构造继承性较好 该斜坡构造主要受塔中 I 号断裂控制 上奥 陶统灰岩顶面构造高差大约 1300 米 下奥陶统构造高差大约 1400 米 落差较 大 斜坡倾向北北西 构造最高点位于工区东南角塔中 63 井附近 构造最低点 位于工区西北角中古 17 井附近 通过地质资料和已钻井的资料分析 该区域奥 陶统裂缝不发育 角砾垮塌充填洞发育 测井解释定为 类储层 中古 16 井位于塔中 45 井区新三维地震工区内 是塔里木盆地中央隆起塔 中低凸起北坡塔中 89 号岩性圈闭的一口预探井 原设计井深为 6550 00m 加 深设计井深为 6630 00m 目的层是下奥陶统碳酸盐岩 兼探上奥陶统礁滩复合 体 根据中途测试结果和测井解释情况研究决定 对奥陶系良里塔格组 6230 00 6245 00 和 6250 00 6269 00m 2 段厚 34 00m 进行完井试油 该井段 钻井时使用 215 9mm 三牙轮钻头 钻井液密度 1 22 中测地层压力系 3 g cm 数为 1 11 根据测井资料计算的地应力表明 最大 最小地应力比值小于 1 4 且该井试油 层段裂缝不发育 属于基质型地层 井壁稳定性好 维持井壁稳定的最小井底 压力剖面 如图 3 1 6 3 1 7 图图 3 1 6 中古中古 16 井井 6230m 6245m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 图图 3 1 7 中古中古 16 井井 6250m 6269m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 塔中 86 井是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起塔中 1 号坡折带上一口评价井 设计井深 6650 00 米 设计目的层为奥陶系 钻探目的是为探索塔中 88 号奥陶 系岩性油气藏的含油气性 取得产能 流体性质及物性等资料 扩大塔中整个 I 号坡折带奥陶系礁滩复合体的勘探成果 井段 6273 00 6320 00m 进行酸压改 造 求取地层液性及产能 该井段钻井时使用 152 4mm 三牙轮钻头 钻井液密 度 1 13 中测地层压力系数为 1 11 根据测井资料计算的地应力表明 3 g cm 最大 最小地应力比值小于 1 29 且该井试油层段裂缝不发育 属于基质型地 层 井壁稳定性好 维持井壁稳定的最小井底压力剖面如图 3 1 8 图图 3 1 8 塔中塔中 86 井井 6250m 6269m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 2 塔中 塔中 30 62 井区井区 塔中 62 岩性圈闭位于塔中 I 号断裂坡折带东段 主要目的层是中上奥陶统 生物礁滩复合体 该复合体沿塔中 I 号断裂坡折带呈北西 南东向展布 另外 塔中低凸起志留系岩性圈闭普遍发育 在塔中 30 62 井区奥陶系灰岩顶面构造 图上 中上奥陶统生物礁滩复合体分布范围约 32km2 是一个北西 南东走向的 线状背斜带 宽约 1km 长约 31km 发育塔中 621 62 等三个局部高点 幅度 50 100m 圈闭的整体高点海拔 3490m 圈闭最低闭合线 礁滩体发育的最低 部位 海拔 3960m 闭合幅度 圈闭最高点与最低点之差 470m 塔中 30 井是位于塔中 62 井区新三维地震工区内 塔里木盆地塔中 号断裂 上升盘的石炭系背斜及地质异常体之上的预探井 设计井深 5130m 目的层是 塔中 号断裂带附近局部构造 根据中途测试结果和测井解释情况研究决定下 述两层试油 测试井段 5068 49m 5130 35m 该井段钻井时在 5070m 之前使用 215 9mm 钻头 之后使用 152 4mm 钻头 钻井液密度 1 14 中测地层 3 g cm 压力系数为 1 2 测试井段 4997m 5026m 该井段钻井时使用 215 9mm 三牙轮 钻头 钻井液密度 1 24 中测地层失败没有测试信息 测井结果显示 3 g cm 试油井段裂缝发育一般 根据测井资料计算的地应力表明 最大 最小地应力 比值小于 1 34 且该井试油层段裂缝发育一般 属于基质型地层 井壁稳定性 好 维持井壁稳定的最小井底压力剖面 如图 3 1 9 3 1 10 图图 3 1 9 塔中塔中 30 井井 4997m 5026m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 图图 3 1 10 塔中塔中 30 井井 5068 49m 5130 35m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 3 中古 中古 5 7 井区井区 中古 5 7 井区位于塔中低凸起 该低凸位于塔里木盆地中央隆起中部 西 与巴楚断隆相接 东邻塔东低凸起 南为塘古孜巴斯凹陷 北接满加尔凹陷 是一个长期发育的继承性古隆起 塔中低凸起自北向南划分为塔中北斜坡 中 部潜山带 塔中南斜坡三个二级构造单元 塔中古隆起是一个寒武系 奥陶系 的巨型褶皱背斜隆起 形成早 定型早 早奥陶世末已经形成 志留系沉积前 基本定型 塔中古隆起形成演化北早南晚 构造作用西弱东强 经历多期构造 作用叠加 中古 7 井是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起北斜坡中古 7 号岩性圈闭上的 一口预探井 目的层是下奥陶统碳酸盐岩 兼探上奥陶统礁滩复合体 设计井 深 5980m 综合油气显示 测井解释情况 地震资料处理成果和中途测试结果 等研究决定 对该井分两层进行完井试油 其中第一层为必试层 井段为奥陶 系鹰山组 5865m 5880m 厚 15 00m 第二层为备试层 井段为奥陶系鹰山组 5714m 5728m 厚 14 0m 该井段钻井时使用 152 4mm 钻头 钻井液密度 1 06 1 08 根据测井资料计算的地应力表明 最大 最小地应力比值小 3 g cm 于 1 31 且该井试油层段裂缝发育一般 属于基质型地层 井壁稳定性好 维 持井壁稳定的最小井底压力剖面 如图 3 1 11 图图 3 1 11 中古中古 7 井井 5714m 5880m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 4 塔中 塔中 24 26 井区井区 塔中 24 26 号奥陶系岩性圈闭位于塔中 I 号坡折带东段 呈北西 南东向展 布 工区内发育的三条断裂 其中主控断裂是塔中 I 号断裂 另外在工区的北 部发育一条与塔中 I 号断裂平行的次级断层 在南部发育一条与塔中 I 号断裂 斜交的次级断层 本区塔中 I 号断裂断穿基底 表现为多支基底卷入断层组合 的逆冲断裂破碎带 断裂活动强烈 寒武系盐层断距逾 2000m 向东断距减小 断裂带变宽 断层破碎带宽达 2 公里 塔中 I 号断裂带主断层向上断至下奥陶 统 没有断穿上奥陶统礁滩体 断层倾角较陡 达 40 60 次级断层断穿上 奥陶统礁滩体 消失在桑塔木组泥岩中 塔中 I 号断裂带在本区发育于早奥陶 世末 奥陶纪以后没有大的断裂活动 塔中 I 号断裂带的活动导致了坡折带的 形成 控制了塔中东部的构造格局 并造成礁滩复合体沿断裂走向发育 塔中 24 26 号奥陶系岩性圈闭上奥陶统良里塔格组具有典型的礁滩体特征 在地震剖 面上具有明显丘状外部形态 呈北陡南缓的不对称结构 礁体内部表现为杂乱 反射 礁滩体两侧均有上超现象 反映礁体建隆被淹没后的清晰轮廓 在坡折 带边缘 礁滩体底面多呈不连续 短轴状或杂乱反射 在南部礁滩体底面多平 直 呈现连续的强波组 也有出现弱反射 低频现象 塔中 24 26 号奥陶系岩 性圈闭呈北西向条带状展布 具有东南高 西北低的特点 长约 26 6km 宽为 2 3 4km 礁滩体厚度为 110 140m 圈闭面积 66 8km2 圈闭落实可靠 塔中 241 井是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起塔中 号断裂坡折构造带 塔中 24 岩性圈闭上的一口评价井 设计井深 4940m 钻至井深 4920 00m 完 钻 目的层 上奥陶统礁滩复合体 奥陶系上统良里塔格组含泥灰岩段未穿 根据中途测试结果和测井解释情况研究决定 决定对 4618 47m 4725 74m 进行 试油 该井段钻井时 4621m 前使用 215 9mm 钻头 4261m 4920m 使用 152 4mm 钻头 钻井液密度 1 1 中测地层压力系数为 1 11 根据测井资料计 3 g cm 算的地应力表明 最大 最小地应力比值小于 1 33 钻探证实 本井岩溶裂缝 发育 属于裂缝型型地层 井壁稳定应考虑裂缝影响 采用裂缝型坍塌模型 维持井壁稳定的最小井底压力剖面 如图 3 1 12 图图 3 1 12 塔中塔中 241 井井 4621m 4725 7m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 塔中 263 井是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起塔中 I 号坡折带塔中 24 26 号岩性圈闭的一口评价井 设计井深 4640 00m 钻至井深 4500m 提前完钻 目 的层 上奥陶统礁滩复合体 兼探石炭系东河砂岩 根据中途测试结果和测井解释 情况研究决定 对 4299m 4342m 井段进行试油 该井段钻井时使用 152 4mm 钻头 钻井液密度 1 05 1 25 根据测井资料计算的地应力表明 最大 3 g cm 最小地应力比值小于 1 4 且该井试油层段裂缝不发育 属于基质型地层 井壁 稳定性好 坍塌压力剖面 如图 3 1 13 图图 3 1 13 塔中塔中 263 井井 4299m 4342m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 5 塔中 塔中 82 井区井区 塔中 82 井区奥陶系台缘礁滩岩性圈闭位于塔中 号断裂构造坡折带中段 沿塔中 号断裂坡折带呈北北西 南南东向展布 在塔中 82 井区奥陶系灰岩顶 面构造图上 礁滩复合体岩性圈闭整体上表现为 北低南高 东低西高的斜坡 地形大致从北向南增高 塔中 82 井东 1 2km 和 3km 处有两个向东北倾没的鼻 状凸起 幅度约为 80 150m 延伸约 2km 整体上看 这两个凸起没有改变塔 中 82 井区奥陶系顶面的构造面貌 根据沉积相的解释和碓滩体厚度分析 发现 礁滩体基本受塔中 号断裂带的控制 因此沿着塔中 号断裂礁滩体分布的一 侧 3 4km 划了一个界线 这个范围就是塔中 82 井礁滩体发育区 初步确定礁 滩体岩性圈闭的面积约为 72km2 形态为近北西 南东向的长条型 宽约 4km 长约 22km 圈闭最低闭合线 台缘滩发育的最低部位 海拔 4550m 闭合幅度 圈闭最高点与最低点之差 400m 塔中 824 井井点处上奥陶统碳酸盐岩顶面海 拔 4560m 塔中 824 井是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起塔中 1 号断裂坡折构造带塔 中 82 岩性圈闭的一口评价井 设计井深 5660m 钻至井深 5750 00m 完钻 目 的层为上奥陶统礁滩复合体 钻探目的 为探明塔中 82 井区奥陶系岩性圈闭油 气藏的油气储量 取得产能 流体性质及物性等资料 取全取准各项储量计算 参数 根据中途测试结果和测井解释情况研究决定 对 5613m 5621m 5649m 5654m 5695m 5750m 该井段钻井时使用 152 4mm 三牙轮钻头 钻井液密度 1 10 中测地层压力系数为 1 02 1 19 根据测井资料计算的地应力表明 3 g cm 最大 最小地应力比值小于 1 29 且该井试油层段裂缝不发育 属于基质型地 层 井壁稳定性好 维持井壁稳定的最小井底压力剖面 如图 3 1 14 3 1 15 3 1 16 图图 3 1 14 塔中塔中 824 井井 5613m 5621m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 图图 3 1 15 塔中塔中 824 井井 5649m 5654m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 图图 3 1 16 塔中塔中 824 井井 5695m 5750m 井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面井段维持井壁稳定的最小井底压力剖面 6 塔中 塔中 83 72 井区井区 塔中 83 72 井区是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起塔中 1 号断裂坡折构造 带 包括了塔中 83 号和 72 号岩性圈闭 塔中 721 井是塔里木盆地中央隆起塔中低凸起塔中 1 号断裂坡折构造带塔 中 72 号岩性圈闭的一口评价井 设计井深 5800m 目的层 上奥陶统礁滩复合 体 下奥陶统 兼探志留系 钻探目的 1 查明塔中 72 号奥陶系多期生物礁 滩地层圈闭的含油气性 开拓塔中 1 号坡折带上斜坡区勘探新领域 2 探索下 奥陶统岩性圈闭的含油气性 开拓新的找油层系 3 探索志留系岩性圈闭的含 油气性 根据中途测试结果和测井解释情况研究决定 4946m 4961m 5030m 5070m 和 5355 5 m 5505 m 3 段完井试油 第三段由于测井资料缺失 未作 分析 该井段钻井时使用 215 9mm 三牙轮钻头 钻井液密度 1 22 1 27 中测地层压力系数为 0 94 1 17 根据测井资料计算的地应力表明 最 3 g cm 大 最小地应力比值小于 1 32 且该井试油层段裂缝不发育 属于基质型地层 井壁稳定性好 维