王漢青， 陳軍斌， 張 杰， 謝 青， 魏 波， 趙逸然

(西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065)

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基于權重分配的頁巖氣儲層可壓性評價新方法

王漢青， 陳軍斌， 張 杰， 謝 青， 魏 波， 趙逸然

(西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065)

為了解決現(xiàn)有頁巖氣儲層可壓性評價方法無法連續(xù)評價頁巖氣儲層可壓性的問題，考慮地質甜點和工程甜點雙重因素，通過定量評價地質甜點參數(shù)，綜合礦物組分含量、細觀力學參數(shù)計算工程甜點參數(shù)，運用標準化、歸一化、調和平均和算數(shù)平均方法建立了基于權重分配的頁巖氣儲層可壓性評價模型。該評價模型充分考慮了頁巖儲層含氣性和易改造性的潛力，確定總有機碳含量、鏡質體反射率、剪切模量和斷裂韌度4個參數(shù)作為評價可壓性的關鍵參數(shù)：當總有機碳含量大于2%、鏡質體反射率大于1.3%、硅質礦物含量為20%～60%、碳酸鹽巖礦物含量為10%～30%、黏土礦物含量為30%～50%時，頁巖氣儲層最適合進行壓裂改造。利用建立的評價模型評價了四川盆地威遠地區(qū)某頁巖氣井W井儲層段的可壓性，并根據(jù)評價結果指導了該井的壓裂設計與施工，壓后微地震監(jiān)測顯示，產(chǎn)生了較多裂縫，實現(xiàn)了體積壓裂。這表明，利用該評價模型可以連續(xù)評價儲層的可壓性，根據(jù)計算結果可以更加準確地劃分有效壓裂層段和遮擋層段，可操作性強，具有工程應用價值。

頁巖氣；壓裂；可壓性指數(shù)；地質甜點；工程甜點；含氣性；礦物組分

評價頁巖氣儲層的可壓性，對于優(yōu)選頁巖氣井壓裂井段、優(yōu)化頁巖氣田開發(fā)方案和預測經(jīng)濟效益具有十分重要的意義[1]，是目前國內外學者關注的熱點。唐穎等人[2]在K.K.Chong的可壓性概念基礎上，考慮頁巖脆性、天然裂縫、石英含量和成巖作用獲得頁巖氣儲層可壓性評價系數(shù)；M.J.Mullen等人[3]認為頁巖氣儲層的可壓性評價在于評價儲層形成復雜裂縫網(wǎng)絡的能力，應從頁巖沉積構造特征、礦物含量組成等方面綜合考慮；陳勉等人[4-6]則以巖石力學試驗為基礎，通過測試頁巖巖石力學參數(shù)，結合室內壓裂模擬，對頁巖進行可壓性評價；袁俊亮等人[1]考慮脆性指數(shù)、斷裂韌度和巖石力學特性建立了可壓裂指數(shù)模型；蔣廷學等人[7]則綜合地質甜點指標，利用壓裂施工參數(shù)來評價頁巖氣儲層的可壓性；趙金洲等人[8]認為頁巖脆性、斷裂韌度和天然弱面涵蓋了影響頁巖氣儲層可壓性的所有因素。

上述研究總體可分為巖心試驗評價法和可壓性系數(shù)評價法兩大類：前者綜合考慮了礦物組分含量和巖石力學參數(shù)，但由于頁巖巖心易破碎，在進行巖心測試分析時，由于取心角度和加載方式的差異，無法確保測試值的確定性，且試驗操作費時費力，現(xiàn)場推廣難度大；后者綜合考慮各種因素，確定各種因素的權重，利用數(shù)學方法獲得綜合評價系數(shù)，但現(xiàn)行方法對于權重的分配沒有確定的標準，且存在無法對頁巖氣儲層可壓性進行連續(xù)性判斷的問題。

針對上述問題，筆者綜合考慮地質甜點和工程甜點因素，從評價頁巖儲層含氣性和易改造性潛力的角度出發(fā)，構建了可以對頁巖氣儲層進行連續(xù)判斷的可壓性評價模型。

1 可壓性評價參數(shù)優(yōu)選

1.1 地質甜點可壓性參數(shù)優(yōu)選

地質甜點的可壓性評價參數(shù)首先需要反映頁巖氣儲層的含氣潛力及物性，其次是與儲層的脆性相關，因此，筆者選用總有機碳含量和成巖作用2個參數(shù)來表征地質甜點。

1.1.1 總有機碳含量

總有機碳含量是篩選優(yōu)質頁巖氣儲層的關鍵參數(shù)之一：1)有機質含量直接決定了頁巖氣儲層的含氣量，大量的生產(chǎn)實踐證明，總有機碳含量與吸附氣能力成正比，且有機質中的孔滲物性明顯優(yōu)于頁巖基質，在一定程度上影響著裂縫的發(fā)育和分布[9]；2)總有機碳含量對含氣頁巖的密度影響巨大，進而對頁巖儲層的力學性質,尤其是脆性影響顯著[10]。筆者參考Schlumberger公司的評價標準，結合實際情況分析了總有機碳含量與干酪根質量、氣體含量和可壓性的關系，結果見表1。

表1 總有機碳含量與干酪根質量、氣體含量和可壓性的關系

Table 1 Relationship between fracability and TOC, kerogen quality, gas content

總有機碳含量，%干酪根質量氣體含量可壓性≤0．5很差很低很差0．5～1．0差低差1．0～2．0一般一般一般2．0～4．0好高好4．0～12．0很好很高很好>12．0極好極高極好

1.1.2 成巖作用

在不同的成巖階段，頁巖氣儲層具有不同的特征。鏡質體反射率是反映頁巖成熟度的關鍵指標，用它來反映頁巖的成巖作用較為合適[11]，且它與頁巖氣流動速率和儲層脆性均有明顯的關系[12-13]。鏡質體反射率與成巖階段、儲層特征、氣體流量和可壓性的關系見表2。

表2 鏡質體反射率與成巖階段、儲層特征、氣體流量和可壓性的關系

Table 2 Relationship between fracability andRoand diagenetic stages, reservoir characteristics, gas flow

鏡質體反射率，%成巖階段儲層主要特征氣體流量/(103m3·d-1)可壓性≤0．5 早成巖階段 黏土礦物未轉化，未成熟或成熟度低≤12．74差0．5～1．3 中成巖階段A期 黏土礦物綠泥石化，孔隙度下降(12．74～21．24)一般1．3～2．0 中成巖階段B期 生烴量增加，出現(xiàn)少量溶孔(21．24～25．49)較好2．0～3．0 晚成巖階段A期 礦物趨于穩(wěn)定，脆性增加(25．49～28．32)好3．0～4．0 晚成巖階段B期 礦物基本穩(wěn)定，脆性高>28．32很好>4．0 變質階段 礦物穩(wěn)定，過成熟，裂縫發(fā)育由變質程度決定極好

1.2 工程甜點可壓性參數(shù)優(yōu)選

選取工程甜點的可壓性參數(shù)時，應充分考慮其對儲層力學性質的影響，因此，筆者從脆性破壞難易程度和破壞強弱程度2個方面來判斷。

1.2.1 頁巖脆性破壞難易程度的表征

頁巖在低圍壓時主要發(fā)生張性劈裂，在高圍壓時發(fā)生單剪或雙剪破裂，在天然裂縫發(fā)育的區(qū)域更容易發(fā)生剪切破裂[5]。所以,采用剪切模量作為表征頁巖脆性破壞難易程度的參數(shù)。且剪切模量包含了楊氏模量和泊松比的雙重效應，其與楊氏模量及泊松比的關系為：

(1)

式中：G為剪切模量，GPa；E為楊氏模量，GPa；ν為泊松比。

剪切模量越大，儲層的脆性越強，裂縫越容易起裂，壓裂后形成的人工裂縫和剪切滑移縫越不容易閉合；反之，剪切模量越小，儲層的塑性越強，裂縫不易起裂，且形成的人工裂縫和剪切滑移縫越容易閉合。

1.2.2 頁巖脆性破壞強弱程度的表征

裂縫向前有效延伸并與天然裂縫溝通的能力是評價頁巖儲層可壓性的另一項重要指標。張開縫和剪切縫是頁巖破裂后的主要裂縫形態(tài)，其中人工壓裂產(chǎn)生的主裂縫為張開縫，而在人工裂縫延伸作用下激活的天然微裂縫為剪切縫，從而表現(xiàn)出混合型縫網(wǎng)，因此以張開縫為主導裂縫。根據(jù)G.R.Irwin斷裂力學理論[14]，在彈塑性條件下，當裂縫邊緣應力強度因子達到某個臨界值時，裂縫將失穩(wěn)擴展導致巖體破裂，該臨界值為斷裂韌度，即：

(2)

斷裂韌度越小，人工裂縫越容易向前延伸，越容易與天然裂縫溝通，從而形成復雜的裂縫網(wǎng)絡。

2 可壓性評價模型

2.1 地質甜點可壓性評價模型

由于地質甜點是一個宏觀上的綜合指標，應用經(jīng)驗賦值標準化和權重分配法得到其可壓性評價指數(shù)：

(3)

式中：F1為地質甜點可壓性指數(shù)；S1為標準化的總有機碳含量；S2為標準化的鏡質體反射率；w1為總有機碳含量所占的權重系數(shù)，%；w2為鏡質體反射率所占的權重系數(shù)，%。

由于S1和S2對于可壓性都是正向指標，根據(jù)表1和表2的分類評價標準，其標準化處理如下：

(4)

(5)

式中：CTO為總有機碳含量，%；Ro為鏡質體反射率，%。

因為CTO和Ro本身也是相互影響的指標，故視二者的權重均為50%，則式(3)變?yōu)椋?/p>

(6)

2.2 工程甜點可壓性評價模型

2.2.1 物理模型的定義

頁巖儲層礦物主要由3大類構成：1)硅質礦物，主要包括石英和長石；2)碳酸鹽巖礦物，主要包括方解石和白云石；3)黏土礦物，主要包括伊利石和綠泥石。不同類型的礦物有著不同的細觀結構，而細觀結構是決定巖石變形與破壞的主要因素。細觀的巖石組構稱之為細胞元[15]，用細胞元表征方法量化不同細觀結構，將頁巖宏觀變形破壞等效為細胞元之間的干擾作用，如圖1所示(圖1(a)、圖1(b)來源于文獻[16])。其中，圖1(a)為某區(qū)塊真實頁巖巖心，圖1(b)為局部放大的頁巖巖心鑄體薄片，圖1(c)為根據(jù)圖1(b)細觀結構獲得的數(shù)字化圖像(白色代表硅質礦物，灰色代表碳酸鹽巖礦物，黑色代表黏土礦物)。

圖1 頁巖儲層簡化模型Fig.1 Simplified model of a shale gas reservoir

2.2.2 參數(shù)計算

基于礦物分類，分析礦物細觀力學性質，得到頁巖剪切模量和斷裂韌度的計算公式：

(7)

(8)

(9)

α1，α2，α3和β1，β2，β3可通過統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)進行擬合獲得，或通過理論分析取值。頁巖成層性強，因此可視作多個具有不同力學性質的層狀模型[17]。取多元回歸常數(shù)分別為1時來表征層狀頁巖參數(shù)的趨勢值，并代入礦物細胞元力學參數(shù)[16-18](見表3)，則有：

Gt=45.00n1+38.50n2+17.65n3

(10)

KICt=0.24n1+0.79n2+2.19n3

(11)

2.2.3 可壓性模型

基于歸一化準則和調和平均方法，定義工程甜點可壓性評價模型為：

(12)

(13)

(14)

2.3 綜合可壓性模型

頁巖儲層可壓性模型應該是反映頁巖脆性(可壓性)和壓裂后產(chǎn)氣量(出氣性)的綜合指標[7]，綜合地質甜點和工程甜點雙重指標，定義可壓性指數(shù)：

(15)

在確定可壓性指數(shù)評價下限的時候也應充分考慮地質甜點下限和工程甜點下限雙重因素。對于地質甜點指標，其下限值并沒有明確界定。事實上，地質甜點指標也并非與儲層改造指標毫無關系，D.M.Jarvie等人[11]提出了氣體流量隨總有機碳含量、鏡質體反射率和礦物脆性指數(shù)增加而增加的關系圖，工程甜點指標已有用礦物脆性指數(shù)作為評價標準的先例。對于頁巖，其黏土礦物含量對于頁巖沉積、成巖和成氣均有顯著影響，碳酸鹽巖礦物則很大程度上決定了溶蝕孔隙裂縫是否發(fā)育，而硅質礦物則影響儲層的脆性，因此可以通過分析不同礦物的含量來確定可壓性下限，從而將地質甜點指標和工程甜點指標有效結合起來。

根據(jù)頁巖礦物組分三元端分類，北美主要頁巖氣盆地頁巖礦物組分含量分布[19]與中國典型頁巖氣盆地頁巖礦物組分分布進行對比(見圖2)發(fā)現(xiàn)，有利區(qū)的礦物組成分布具有相對一致性，即頁巖可壓性儲層礦物分布范圍為：硅質礦物含量20%～60%，碳酸鹽巖礦物含量10%～30%，黏土礦物含量30%～50%(見圖2)，在此區(qū)域內頁巖儲層可壓性最強。

圖2 中美頁巖儲層礦物組分分類對比Fig.2 Comparison of shale reservoir mineral component by classes in China and the United States

對于黏土礦物，當其含量大于50%時，為深水陸棚沉積；當其含量小于30%時，為海陸過渡相沉積；當其含量為30%～50%時，沉積環(huán)境多為淺水陸棚沉積[20]。深水陸棚沉積儲層的吸附氣量大卻不利于壓裂改造；海陸過渡相沉積儲層的脆性雖增強，適合壓裂改造，但頁巖氣儲層的含氣量卻大大降低；淺水陸棚沉積儲層高嶺石不發(fā)育，伊/蒙混層礦物含量較高，有利于儲藏頁巖氣，且適合進行儲層改造。

對于碳酸巖鹽礦物，其含量在10%～30%時最容易形成高孔裂隙段[21]；當其含量小于10%時，即使全被溶解，孔隙度也小于10%；若大于30%，其溶孔會因缺少支撐物而閉合，從而導致孔隙率降低。

對于硅質礦物，其主要決定儲層的脆性程度，理論上其含量越高越好。

綜上所述，理論上下限值選取應為反向指標最大值和正向指標最小值的綜合，因此黏土礦物含量的最大值取50%，硅質礦物的最小值取20%，剩下的即為碳酸鹽巖礦物含量(30%)，此時計算出的可壓性指數(shù)的下限值定為50%。

3 現(xiàn)場試驗

利用上文建立的可壓性評價模型,對四川盆地威遠地區(qū)某頁巖氣井W井2 610.00～2 820.00 m井段頁巖儲層的可壓性進行評價，并指導該井段的壓裂設計與施工。

3.1 計算步驟

1) 利用常規(guī)測井曲線分析儲層的有利層段，確定含氣層段；

2) 通過處理頁巖氣井測井曲線獲得總有機碳含量曲線，由地質評價結果或巖心測試獲得鏡質體反射率，利用式(3)和式(4)計算出標準化的總有機碳含量和鏡質體反射率，再利用式(6)計算出地質甜點可壓性評價參數(shù)F1；

3) 由礦物含量曲線(元素俘獲測井或熒光錄井)分別計算3大類礦物的相對含量，利用式(10)和式(11)分別計算出剪切模量和斷裂韌度趨勢值，再利用式(12)計算工程甜點可壓性評價參數(shù)F2；

4) 將利用式(6)和式(12)計算出的參數(shù)代入式(15),計算綜合可壓性指數(shù)F；

5) 根據(jù)可壓性評價指數(shù),按照截止值對儲層進行劃分。

3.2 W井可壓性評價

按照上面的計算步驟對W井2 610.00～2 820.00 m井段的儲層進行了可壓性評價，結果如圖3所示。從圖3可以看出，該井2 610.00～2 820.00 m井段的儲層劃分如下：1、3、5、7、9、11、13、15和17層(圖3中第14道淺藍色)為遮擋層；2、4、6、8、10、12、14、16和18層(圖3中第15道粉紅色)為可壓裂層段。

1、11、15和17層為明顯的隔層，2、10、16和18層為明顯的可壓裂層。3、5和7層遮擋層與4、6和8層可壓裂層相互間隔，其中4層實測無含氣顯示，6和8層雖然有含氣顯示，但厚度太薄，因此將這些層段統(tǒng)一歸為隔層；13層夾在12和14層可壓裂層之間，推斷其為薄夾層，因此與12和14層統(tǒng)一劃分為可壓裂層。

綜合上述分析，優(yōu)選出5個可壓裂層(見圖3)。由于第Ⅱ段儲層較厚，約為30 m，可壓性指數(shù)為58.1%，上下均為發(fā)育較厚的隔層，因此建議優(yōu)先開發(fā)第Ⅱ段；其次第Ⅲ段厚度約11 m，可壓性指數(shù)為54.8%，上下具有較厚的隔層，也是較為理想的壓裂改造層段；第Ⅵ段和第Ⅴ段儲層也是優(yōu)質的壓裂改造層段，但2個段間的隔層太薄，壓裂改造任何一段都可能存在穿層的風險，是否可將二者進行合層壓裂改造有待進一步論證；第Ⅰ段相對較薄，可作為后期壓裂改造的備選儲層。

將劃分結果與用巖石力學參數(shù)法和礦物組分參數(shù)法(圖3中第7道、第8道和第9道)進行對比，巖石力學參數(shù)法和礦物組分評價法評價W井2 610.00～2 820.00 m井段均適合進行壓裂改造，結合含氣性分析后所劃出的適合壓裂改造的范圍也較大，而可壓性指數(shù)法綜合了地質甜點和工程甜點，充分考慮了儲層含氣性和力學性質，劃分出的可壓層更細致，且隔層劃分也更明顯。

3.3 現(xiàn)場施工效果

經(jīng)過綜合論證，選擇對W井第Ⅱ層段進行加砂壓裂改造，且選擇在儲層下部的2 690.00～2 700.00 m井段作為射孔段，射孔密度16孔/m，以60°相位角進行射孔。

圖3 W井可壓性評價解釋結果Fig.3 Fracability evaluation interpretation of Well W

施工主要分2步進行，先進行壓裂測試施工，接著是主壓裂施工，2步工序均采用φ139.7 mm套管注入壓裂液。為了避免施工時壓力過高，壓裂測試時使用10 m310%稀鹽酸對儲層進行預處理，以降低儲層破裂壓力，壓裂測試過程排量1～10 m3/min，泵壓穩(wěn)定在45～55 MPa，共注入122 m3滑溜水；隨后進行主壓裂施工，排量9～10 m3/min，泵壓45～55 MPa，共注入1 602 m3滑溜水，考慮到該井儲層的巖性較脆，因此在段塞式注入3.75 m3100目石英砂后，再注入50.0 m340/70目低密度陶粒作為支撐劑。整個施工過程中排量穩(wěn)定，注液過程中采用旋回加砂技術，使加砂量保持平穩(wěn)。

壓后監(jiān)測結果顯示，該井初期產(chǎn)氣量不是十分穩(wěn)定(在3 000～3 500 m3/d間波動)。微地震監(jiān)測結果顯示，散點在平面上成離散狀，估算改造面積約為4.8×104m2，改造體積約為1.2×106m3，再結合壓裂液和支撐劑的注入量綜合分析，認為改造效果較好，產(chǎn)生了較多的裂縫，有效實現(xiàn)了體積縫網(wǎng)改造，證實了新方法的有效性。

4 結 論

1) 綜合考慮地質甜點和工程甜點雙重因素，優(yōu)選出用總有機碳含量、鏡質體反射率、剪切模量和斷裂韌度作為表征頁巖氣儲層可壓性的關鍵參數(shù)。

2) 基于頁巖氣儲層含氣性和易改造性潛力，運用標準化、歸一化、調和平均和算數(shù)平均等方法，構建了綜合地質甜點和工程甜點雙重指標的可壓性指數(shù)模型，提出了新的頁巖氣儲層可壓性評價方法。

3) 對比分析中美頁巖氣儲層的礦物含量分布范圍，提出最適合頁巖儲層改造的礦物含量分布范圍為硅質礦物20%～60%，碳酸鹽巖礦物10%～30%，黏土礦物30%～50%，并以此為基礎確定了可壓性評價方法的下限值為50%。

4) 與傳統(tǒng)方法相比，新方法綜合考慮了頁巖儲層的含氣性和易改造性，在劃分有效壓裂層段和遮擋層段時更加準確，且可操作性強，具有一定的工程應用價值。

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[編輯 劉文臣]

A New Method of Fracability Evaluation of Shale Gas Reservoir Based on Weight Allocation

WANG Hanqing, CHEN Junbin, ZHANG Jie, XIE Qing, WEI Bo, ZHAO Yiran

(SchoolofPetroleumEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shaanxi，710065,China)

Existing shale gas reservoir fracability evaluation methods cannot be used in continuous fracability evaluation of reservoirs. After a quantitative evaluation of the parameters of geological sweet spots and the calculation of engineering parameters by combining the contents of mineral composition and the micromechanics parameters, a new shale gas reservoir fracability evaluation model based on weight allocation through standardization, normalization, harmonic averaging and arithmetic averaging methods was developed. This model considers the gas-bearing potential and stimulation potential of shale gas reservoirs, with four critical parameters (total organic carbon (TOC), vitrinite reflectance (Ro), shear modulus, and fracture toughness) defined for fracability evaluation which takes into consideration both geological and engineering criteria for sweet spots. It is proposed that shale gas reservoirs with TOC>2%,Ro>1.3%, silica mineral content of 20%-60%, carbonate mineral content of 10%-30%, and clay mineral content of 30%-50%, are good candidates for hydraulic fracturing. This model was used to evaluate the fracability of reservoir sections in Well W, a shale gas well in the Weiyuan area of the Sichuan Basin. Microseismic monitoring results showed that multiple fractures were generated during fracturing. This indicated that this model could be used in continuous fracability evaluation of shale reservoirs. From the calculated results, the pay zone and barriers could be identified accurately. So the proposed model is highly operable and worthy of engineering applications.

shale gas; fracturing; fracability index; geological sweet spot; engineering sweet spot; gas-bearing potential; mineral composition

2015-07-19；改回日期：2016-04-14。

王漢青(1990—)，男，陜西紫陽人，2013年畢業(yè)于西安石油大學資源勘查工程專業(yè)，在讀碩士研究生，主要從事開發(fā)地質與油氣田特種增產(chǎn)技術方面的研究。E-mail：wanghanqing90@126.com。

國家自然科學基金面上項目“頁巖氣藏水平井液態(tài)氣動力壓裂增產(chǎn)新方法研究”(編號：51374170)、西安石油大學全日制碩士研究生創(chuàng)新基金項目“頁巖氣儲層礦物組分與力學參數(shù)關系研究”(編號：2014CX130103)聯(lián)合資助。

?油氣開發(fā)?

10.11911/syztjs.201603016

TE377

A

1001-0890(2016)03-0088-07