储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法

技术领域

本发明属于储气库注采井安全评价技术领域，涉及储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法。

背景技术

储气库是目前世界上占比最高、工作气量最大的地下天然气储存基础设施，而储气库注采井作为重要的“咽喉要道”通常具有注采合一、持续循环注采、压力交替运行的特点。由于在注、采气过程中“大吞大吐”和“高压运行”的特点，致使储气库注采井的密封完整性受到重大挑战。特别是我国地下储气库有将近75％由枯竭气藏改建而来，老井众多、裂缝带密集，且经储层(腔)射孔改造后的注采井附近区域储层中一般均发育不同规模大小的断块和裂缝带。在多周期交变注采工况载荷下注采井可能逐渐显现出与井筒密封失效及完整性丧失相关的风险隐患，需要充分认识到储气库注采井失效风险防控的关键是要确保注采井过井裂缝稳定性和密封完整性这一关键问题。交替注采过程易诱发过井断层滑移、裂缝张开激活，致使井筒剪切损伤等风险隐患，从而造成近井区井筒系统完整性破坏及泄漏风险。

鉴于目前储气库注采井过井裂缝密封完整性及近井区裂缝激活的判据条件和标准尚未统一，注采交变下的过井裂缝井筒损伤评价指标维度单一，既不能充分反映交变注采流压压差导致的过井裂缝激活的影响规律，也不能客观获得井筒系统注采压力安全窗口。此外，针对注采过程超压事件引发的过井断层、裂缝激活情况，近井区断层、裂缝受流压激活扰动下的力学损伤模型关系也尚不明确；对于现场注采作业及安全生产，单维度的评价指标结果尚不具备客观的指导意义。可利用电成像测井信息、近井区裂缝的产状数据，形成一种储气库注采井过井裂缝密封稳定性综合量化判据指标，构建地应力耦合动态流压扰动下裂缝激活风险敏感性定量分析方法，并获得具有裂缝型储气库过井断层、裂缝的压力安全运行窗口具有重要现实意义。

中国专利CN107975362A公开了一种岩性气藏型储气库封闭性的评价方法，包括以下步骤，所述的步骤为盖板与底板封闭性评价，首先对盖板与底板进行宏观封闭性评价，其次对盖板与底板进行微观封闭性评价；侧向边界封闭性评价，首先对侧向边界进行微观封闭性评价，其次对侧向边界进行空间形态评价，最后对侧向边界进行动态评价；检验储气库的整体密封能力；解决了现有技术中尚无针对岩性气藏型储气库封闭能力的系统评价方法问题，该方法科学、可靠、现场可操作性强，可以更准确地判断储气库的密封性能。中国专利CN112362475A公开了一种油藏型储气库圈闭密封极限压力的评价方法，包括以下步骤，所述的步骤为储层构造圈闭构造评价，通过确定圈闭构造逸散极限、盖层承压极限以及断层承压极限，得到所述储气库圈闭密封极限压力。解决了现有技术仅能就储气库的密封性能进行判断，而无法对储气库运行上限压力进行评估的问题，具有能够综合分析储气库圈闭动态密封承压极限，从而指导科学设计储气库运行上限压力、评估提压潜力的特点。

然而，上述专利在储层圈闭密封性能评价时虽然也涉及了断层承压极限，但多为储层系统方面的圈闭构造评价，或者参数定性评价，且没有涉及井筒系统和注采井过井裂缝及近井区裂缝井筒相关的力学损伤性质分析，因此，其仅能就储气库的储层系统圈闭密封性和运行极限压力进行判断。此外，对复杂裂缝气藏型、含水层型、盐穴型储气库的过井裂缝稳定性研究甚少。

发明内容

本发明的目的是提供储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法，能够对储气库注采井过井裂缝密封完整性进行评估且适用于复杂裂缝气藏型、含水层型、盐穴型储气库的注采井。

本发明所采用的技术方案是，储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法，通过确定过井裂缝剪切滑移临界趋势指标、过井裂缝扩张裂缝临界趋势指标，得到注采井过井裂缝临界激活趋势指标；

通过过井裂缝原始应力比、过井裂缝激活应力比，得到储气库注采井过井裂缝敏感性应力比；

通过注采井过井裂缝临界激活趋势指标、储气库注采井过井裂缝敏感性应力比，得到储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的系数；

通过储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的系数、交变压差裂缝激活临界压力，得到储气库注采井过井裂缝临界激活压力差值。

本发明的特征还在于，

注采井过井裂缝临界激活趋势指标的表达式为：

T

式(1)中，T

过井裂缝剪切滑移临界趋势指标的表达式为：

T

式(2)中，T

过井裂缝扩张裂缝临界趋势指标的表达式为：

式(3)中，T

储气库注采井过井裂缝敏感性应力比的表达式为：

R

式(4)中，R

过井裂缝原始应力比的表达式为：

R

式(5)中，R

过井裂缝激活应力比的表达式为：

R

式(6)中，R

储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的系数为max{T

储气库注采井过井裂缝临界激活压力差值的表达式为：

P

式(7)中，T

其中，

ΔP＝σ

式(8)中，ΔP为过井裂缝面上交变压差临界激活压力；σn为裂缝面上的有效正应力，MPa；C

本发明的有益效果是：本发明储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法，能够定量评估注采井过井裂缝临界激活压力差及密封稳定性，同时还适用于复杂裂缝气藏型，从而科学指导储气库运行注采压力安全阈值。

附图说明

图1为本发明储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法流程示意图；

图2为本发明实施例的过井裂缝临界激活滑移稳定性三维莫尔图版；

图3为本发明实施例的过井裂缝方位角信息；

图4为本发明实施例的地层钻井资料的过井裂缝三维重构示意图；

图5为本发明实施例的过井裂缝临界激活压力差的量化结果；

图6为本发明实施例中X井段四组岩芯试样；

图7为本发明实施例中剪应力测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

现已运行的储气库注采井，运行压力区间以原始枯竭储层的破裂压力阈值为界限，但是难以保证过井裂缝的注采井的安全性和密封能力，在储层圈闭密封性能评价时虽然也涉及了断层承压极限，但多为储层系统方面的圈闭构造评价，且没有涉及井筒系统和注采井过井裂缝及过井裂缝与井筒交界面上的密封性能分析，而无法对复杂裂缝气藏型、含水层型、盐穴型储气库的注采井进行评价。若能准确评估注采井过井裂缝密封稳定性，则储气库井在注、采气过程中的安全性将会大大增加，则避免不必要的裂缝激活事件，避免发生井筒内介质沿裂缝渗漏和库容损失，进而提高注采井运行的可靠性。储气库注采井过井裂缝密封完整性，本质受控与于近井区裂缝发育形态，即储气库过井裂缝所能承受的最大剪切滑移量。

本发明提供一种储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的定量评价方法，如图1所示，通过确定过井裂缝剪切滑移临界趋势指标、过井裂缝扩张裂缝临界趋势指标，得到注采井过井裂缝临界激活趋势指标；

其中，过井裂缝剪切滑移临界趋势指标通过检测过井裂缝近井区地层剪切应力和有效正应力直接获得；

过井裂缝扩张裂缝临界趋势指标通过检测过井裂缝面的最大主应力、裂缝面上的最小主应力、裂缝面上的有效正应力得到；

注采井过井裂缝临界激活趋势指标通过分析过井裂缝剪切滑移临界趋势指标、扩张裂缝临界趋势指标值，并选取过井裂缝剪切滑移临界趋势指标、过井裂缝扩张裂缝临界趋势指标值中最大值作为注采井过井裂缝临界激活趋势指标值；

具体地，注采井过井裂缝临界激活趋势指标的表达式为：

T

式(1)中，T

过井裂缝剪切滑移临界趋势指标的表达式为：

T

式(2)中，T

过井裂缝扩张裂缝临界趋势指标的表达式为：

式(3)中，T

通过过井裂缝原始应力比、过井裂缝激活应力比，得到储气库注采井过井裂缝敏感性应力比；

其中，过井裂缝原始应力比由裂缝面上的中间主应力与裂缝面上的最小主应力的差值、裂缝面上的最大主应力与裂缝面上的最小主应力的差值之间的比值得到；

过井裂缝激活应力比由裂缝面的孔隙压力与裂缝面上的最小主应力的差值、裂缝面上的最大主应力与裂缝面上的最小主应力的差值之间的比值得到；

储气库注采井过井裂缝敏感性应力比通过比较过井裂缝原始应力比、过井裂缝激活应力比，并选取过井裂缝原始应力比、过井裂缝激活应力比中的最大值作为储气库注采井过井裂缝敏感性应力比；

具体地，储气库注采井过井裂缝敏感性应力比的表达式为：

R

式(4)中，R

过井裂缝原始应力比的表达式为：

R

式(5)中，R

过井裂缝激活应力比的表达式为：

R

式(6)中，R

通过注采井过井裂缝临界激活趋势指标、储气库注采井过井裂缝敏感性应力比，得到储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的系数；

储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的系数为max{T

通过储气库注采井过井裂缝临界激活压力差的系数、交变压差裂缝激活临界压力，得到储气库注采井过井裂缝临界激活压力差值；

其中，交变压差裂缝激活临界压力通过检测交变压差临界激活压力获得；

储气库注采井过井裂缝临界激活压力差值由注采井过井裂缝临界激活压力差的系数、交变压差裂缝激活临界压力值与储气库注采井过井裂缝敏感性应力比三者的乘积计算获得；

储气库注采井过井裂缝临界激活压力差值的表达式为：

P

式(7)中，T

其中过井裂缝面上交变压差临界激活压力ΔP可利用过井裂缝应力三维莫尔图版计算得到，如图2所示，具体计算过程如公式(8)所示，

ΔP＝σ

式(8)中，ΔP为过井裂缝面上交变压差临界激活压力；σ

其中，裂缝面上的有效正应力、平均内聚力和平均静态摩擦系数由以下方法得到：

裂缝面上的有效正应力通过裂缝面处的最大主应力，中间主应力和最小主应力，并通过绘制三维摩尔库伦图版获得裂缝面上的有效正应力；

在模拟储气库注采井极限压力工况条件下，通过现场取芯，并开展室内含裂缝岩心三轴压缩实验，以近井区裂缝岩芯，进行目标井段上下各两组裂缝岩心通过三轴压缩试验测量含裂缝岩心岩石三轴抗压强度，从而可以得到含裂缝岩心平均内聚力和平均摩擦系数。

现有过井裂缝稳定性评价方法较多，评价技术也相对成熟，但现有技术侧重评价过井裂缝的静态密封性，即现今静止状态下注采井与裂缝的密封性能，而对其裂缝超压激活极限研究不足，而储气库注采气过程中，涉及多轮次的交变载荷，流动压力和有效应力状态处于动态变化过程中，单纯分析井筒与裂缝静态状态下的密封性能，无法满足储气库注采井运行安全的要求。与原始储盖层圈闭密封研究不同，在储气库注采气循环过程中，井旁裂缝孔隙压力交替变化，且注采速度可达油气藏开采的20倍以上，储层裂缝岩体基质内部孔隙流体压力周期交替、剧烈变化，使得注采井过井裂缝激活，存在剪切滑移破坏风险，储气库的井筒的完整性受到严重的挑战。

现有的井筒与裂缝完整性评价技术已成熟，是储气库固完井前期评价的基础，但不足以支撑储气库注采井运行阶段的参数设计。在现有评价技术基础上，还需重点关注储气库注采井运行过程中井筒与裂缝的应力状态，是否有完整性破坏的风险。然而，关于储气库过井裂缝的剪切滑移临界极限定量评价仍是评价方法建立的难点，该技术方案具体限定了储气库过井裂缝剪切损伤临界极限及过井裂缝剪切滑移临界极限的相关评价指标，实现了对过井裂缝注采极限压力及裂缝剪切滑移临界压力的定量评价，具有重要意义。

本申请技术方案通过确定储气库注采井剪切滑移临界趋势指标、扩张裂缝临界趋势指标值，比较所述以上两者之中最大值作为所述注采井过井裂缝临界激活趋势指标，综合考虑了储气库注采井过井裂缝面上的原始应力比及过井裂缝激活应力比作为参照指标，从而指导和科学设计储气库注采井在运行过程中的压力安全区间窗口。

实施例

选取M库群注采区块的裂缝型气藏储气库为例进行分析，其改建储气库地层构造内部发育多条过井裂缝带，该区块X井地层钻井资料的过井裂缝三向地应力梯度及测井解释产状信息描述如图3所示。

1、过井裂缝剪切滑移临界趋势指标T

该井段埋藏深度在2310～2325m区间，近井地层饱和盐水密度为1.05g/cm

2、扩张裂缝临界趋势指标T

X井段储层裂缝带其水平最大主应力为55MPa，有效正应力为15.5～31.2MPa，水平最小主应力为10.3MPa，中间主应力为44MPa，则利用扩张裂缝临界趋势指标的计算公式，得到X井的过井扩张裂缝临界趋势指标范围为0.38～0.85。

3、过井裂缝面上交变压差临界激活压力ΔP

在模拟储气库注采井极限压力工况条件下，通过现场取芯，并开展室内含裂缝岩心三轴压缩实验，以近井区裂缝岩芯，通过进行目标井段上下各两组共4组裂缝岩心(如图6所示)三轴压缩试验测量含裂缝岩心岩石三轴抗压强度，可以得到含裂缝岩心平均内聚力、内摩擦角和摩擦系数；

如表1所示，X井段储层裂缝带的平均内聚力为7.3MPa，平均摩擦系数为0.62，有效正应力为15.5～31.2MPa，储层裂缝面剪应力为9.5～15.3MPa(如图7所示，对4组裂缝岩心进行剪应力测试)，则利用过井裂缝面上交变压差临界激活压力的计算公式，得到过井裂缝面上交变压差临界激活压力区间压差为6.35MPa(7.48～13.83MPa)。

表1含裂缝岩心三轴压缩实验参数测试结果

4、过井裂缝原始应力比R

埋藏深度在2310～2325m区间的水平最大主应力为55MPa，中间主应力为44MPa，水平最小主应力为10.3MPa，则利用过井裂缝原始应力比的计算公式，得到过井裂缝原始应力比为0.75。

5、过井裂缝激活应力比R

考虑地层近井区裂缝带地质因素，注气阶段储层极限最大孔隙压力P

6、储气库注采井过井裂缝临界激活压力差

综合过井裂缝剪切滑移临界趋势指标、扩张裂缝临界趋势指标、过井裂缝面上交变压差临界激活压力、过井裂缝原始应力比、过井裂缝激活应力比计算结果，其中注采井过井裂缝临界激活趋势指标为0.85，交变压差裂缝激活临界压力为6.35MPa，注采井过井裂缝敏感性应力比为0.75。利用储气库注采井过井裂缝临界激活压，注采井过井裂缝临界激活趋势指标，交变压差裂缝激活临界压力与注采井过井裂缝敏感性应力比之间的关系即，P

为保证储气库注采井近井区裂缝系统的稳定性，为避免近井裂缝剪切激活，储气库临界注采压力极限设计一般不超过地层系统的破裂压力(马新华等，2022)，该区块原始地层压力为21.5MPa，而通过本申请技术方案确定的储气库注采井过井裂缝临界激活压力差区间范围为21.5±5.4MPa，表明该储气库注采井的作业压力安全窗口阈值。