顧岱鴻，曹國佳，劉廣峰

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000）

蜀南頁巖氣藏體積壓裂效果預(yù)測新方法

顧岱鴻1，曹國佳2，劉廣峰1

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000）

針對四川長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層特點(diǎn)，在完善現(xiàn)有的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、滲透率和吸附氣體積分?jǐn)?shù)評價(jià)方法的基礎(chǔ)上，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法修正了儲(chǔ)層含氣性分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。綜合巖石力學(xué)參數(shù)、脆性特征、地應(yīng)力和天然裂縫發(fā)育狀況，對巖石可壓性進(jìn)行定量分析，應(yīng)用層次分析法建立了巖石可壓性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過現(xiàn)場壓裂測試分析和裂縫解釋，給出了適應(yīng)于該區(qū)的改造體積計(jì)算模型，并分別對含氣性、可壓性和改造體積這三者與產(chǎn)量的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，改造體積與壓后產(chǎn)量的相關(guān)性最高，含氣性次之，可壓性最低。綜合考慮含氣性、可壓性和改造體積的影響，建立了多因素壓后產(chǎn)量預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果與已有生產(chǎn)井產(chǎn)量擬合較好。實(shí)例給出了新方法的計(jì)算過程，預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確。

頁巖氣；體積壓裂；含氣性；可壓性；壓裂測試

0　引言

四川盆地頁巖氣資源豐富［1-3］，中國石油于2012年設(shè)立長寧—威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)，目前累計(jì)產(chǎn)氣超過8 000×104m3，開發(fā)勢頭良好。示范區(qū)生產(chǎn)井普遍采用體積壓裂進(jìn)行儲(chǔ)層改造，但由于受儲(chǔ)層地質(zhì)條件、巖石力學(xué)性質(zhì)和壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)的綜合影響，難以對壓后效果進(jìn)行準(zhǔn)確分析及預(yù)測。目前，對于頁巖氣有利開發(fā)區(qū)評價(jià)方法研究較多，但含氣性影響因素中主要考慮生烴潛力，忽略或只是定性評價(jià)儲(chǔ)層物性［4］。在可壓性評價(jià)中，過分突出了巖石脆性指標(biāo)的重要性，弱化了地應(yīng)力分布和天然裂縫發(fā)育狀況的影響［5］。在評價(jià)指標(biāo)中，受儲(chǔ)層差異和測量技術(shù)條件限制，部分評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算誤差較大［6］。此外，將含氣性指標(biāo)與可壓性指標(biāo)籠統(tǒng)評價(jià)，容易造成主次因素顛倒，影響開發(fā)決策。目前，體積壓裂的改造體積（SRV）一般通過微地震監(jiān)測估算確定，但費(fèi)用較高，缺少簡單實(shí)用的評價(jià)方法。鑒于此，本文以示范區(qū)志留系龍馬溪組頁巖為例，應(yīng)用測井、巖心實(shí)驗(yàn)、壓裂施工和試采等資料，對各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行研究，改進(jìn)了含氣性、可壓性和壓裂改造體積評價(jià)方法，建立了新的體積壓裂效果預(yù)測方法。

1　頁巖儲(chǔ)層含氣性評價(jià)

1.1TOC評價(jià)方法

本文采用總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）作為有機(jī)質(zhì)豐度的評價(jià)指標(biāo)。常用的巖石熱解分析儀實(shí)測TOC法的局限性在于樣品數(shù)量有限，空間上不具備連貫性，評價(jià)結(jié)果受分析巖樣代表性、巖屑污染影響較大。利用測井曲線評價(jià)烴源巖的基礎(chǔ)是測井曲線對巖層TOC差異的響應(yīng)［7］，正常情況下，TOC越高的巖層，自然伽馬測井和密度測井曲線的異常越大，因此，根據(jù)測定異常值就能反映出TOC。但本區(qū)密度測井受井徑、泥餅等影響較大，不適宜用來建立TOC計(jì)算模型［8］。本文綜合考慮電阻率測井（DTCO）、聲波時(shí)差測井（lg Rt）和伽馬測井（ΔGR）與TOC的關(guān)系，給出了適應(yīng)于計(jì)算本區(qū)TOC的多元回歸方程，見式（1）。該公式計(jì)算結(jié)果與巖心分析結(jié)果相近，可用來快速評價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度。

TOC=0.031 7DTCO+0.959lg Rt+0.033ΔGR-3.607（1）1.2吸附氣體積分?jǐn)?shù)評價(jià)方法

研究發(fā)現(xiàn)，Langmuir等溫吸附曲線與反正切函數(shù)曲線類似。分析TOC對吸附氣的影響發(fā)現(xiàn)：TOC＜2%時(shí)，對吸附氣體積分?jǐn)?shù)影響較??；TOC≥2%時(shí)，影響顯著。為此，建立TOC、壓力和吸附氣體積分?jǐn)?shù)三者的回歸方程（見式（2）、式（3）），從而更加準(zhǔn)確地計(jì)算吸附氣體積分?jǐn)?shù)。

式中：A_GAS為吸附氣體積分?jǐn)?shù)；p為壓力，MPa。

應(yīng)用式（2）、式（3）計(jì)算的吸附氣體積分?jǐn)?shù)與實(shí)測的罐含氣量擬合效果較好，說明該回歸公式的計(jì)算精度能滿足示范區(qū)現(xiàn)場吸附氣體積分?jǐn)?shù)計(jì)算的要求。

1.3滲透率評價(jià)方法

常規(guī)巖心實(shí)驗(yàn)測量滲透率困難大。研究發(fā)現(xiàn)，頁巖滲透率與孔隙度有著較好的相關(guān)性，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到示范區(qū)孔隙度與滲透率的回歸方程：

式中：K為滲透率，μm2；φ為孔隙度，%。

1.4含氣性評價(jià)

目前沒有統(tǒng)一的頁巖儲(chǔ)層含氣性評價(jià)方法，參考多位學(xué)者研究成果［9-12］，建立初步的權(quán)重系數(shù)表，再根據(jù)示范區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析，對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行修正，得出10項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重［13］。其中，總含氣量是最重要的指標(biāo)，其次為TOC。結(jié)合示范區(qū)實(shí)際儲(chǔ)層條件，參照北美頁巖核心區(qū)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立儲(chǔ)層分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1　儲(chǔ)層評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及標(biāo)準(zhǔn)

對每項(xiàng)指標(biāo)分類賦值并加權(quán)求和，綜合評價(jià)儲(chǔ)層含氣性。該評價(jià)方法考慮因素全面，權(quán)重計(jì)算邏輯嚴(yán)密，準(zhǔn)確性高，對示范區(qū)的適應(yīng)性好。

從含氣性評價(jià)結(jié)果與測試產(chǎn)量關(guān)系圖（見圖1）可以看出，含氣性與測試產(chǎn)量有一定的正相關(guān)性，但相關(guān)性一般，僅根據(jù)含氣性因素還不足以預(yù)測開發(fā)效果。

圖1　示范區(qū)含氣性與測試產(chǎn)量的關(guān)系

2　頁巖儲(chǔ)層可壓性評價(jià)

頁巖儲(chǔ)層巖石的可壓性是影響體積壓裂改造效果的重要因素，只有形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫［14］，才能提高氣井產(chǎn)能。

2.1巖石力學(xué)參數(shù)

開展三軸壓縮實(shí)驗(yàn)得出：示范區(qū)頁巖儲(chǔ)層平均抗壓強(qiáng)度較低，為176.3 MPa；平均彈性模量較高，為21.34 GPa；泊松比較小，為0.22。從巖石力學(xué)性質(zhì)分析，示范區(qū)儲(chǔ)層可壓性好。

2.2巖石脆性特征

2.2.1脆性礦物體積分?jǐn)?shù)法

X衍射全巖礦物分析得出：示范區(qū)平均石英體積分?jǐn)?shù)為36.98%，碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)為31.49%，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為27.01%。以巖石中脆性礦物石英的比例為脆性指數(shù)，平均約為38.71%，脆性中等。

2.2.2修正Rick Rickman方法

Rick Rickman脆性評價(jià)方法不適用于蜀南頁巖儲(chǔ)層，按照建立方法的思路和原理［15］，修正后計(jì)算得平均脆性指數(shù)為51.78%，具有較好的脆性。這是因?yàn)樵摲椒▋H從彈性力學(xué)角度評價(jià)脆性，難以全面反映巖樣破裂時(shí)綜合力學(xué)性質(zhì)，測量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，圍壓越大巖石的塑性越強(qiáng)。而脆性礦物體積分?jǐn)?shù)法是從巖石的礦物組成來分析，巖石脆性不僅與礦物組成有關(guān)，還與顆粒膠結(jié)強(qiáng)度、孔隙度和礦物顆粒分布等有關(guān)。綜合彈性模量、泊松比和脆性礦物體積分?jǐn)?shù)3個(gè)參數(shù)，求平均脆性指數(shù)，改善評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性。

2.3儲(chǔ)層地應(yīng)力

當(dāng)?shù)貞?yīng)力各向異性較低時(shí)，裂縫易轉(zhuǎn)向產(chǎn)生有效的網(wǎng)絡(luò)裂縫［16］。因此可通過地應(yīng)力差異系數(shù)Kh定量分析地應(yīng)力各向異性對網(wǎng)絡(luò)裂縫的影響。示范區(qū)平均地應(yīng)力差異系數(shù)較高，為0.37。

2.4天然裂縫

天然裂縫開啟的主要決定因素為水平主應(yīng)力差和人工裂縫與天然裂縫夾角［17-18］。但夾角計(jì)算難度大，考慮泊松比對裂縫擴(kuò)展的影響，簡化天然裂縫開啟凈壓力公式（見式（5）），定量評價(jià)天然裂縫發(fā)育程度。示范區(qū)天然裂縫處于不發(fā)育—一般發(fā)育階段。

式中：pnet為凈壓力，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa；σH為水平最大主應(yīng)力，MPa；ν為泊松比。

2.5可壓性評價(jià)

應(yīng)用層次分析法（AHP法）確定6項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。結(jié)合示范區(qū)實(shí)際儲(chǔ)層巖石力學(xué)條件，建立了蜀南地區(qū)巖石可壓性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表2）。

綜合含氣性和可壓性評價(jià)結(jié)果能更準(zhǔn)確地預(yù)測開發(fā)效果（見圖2），因此，評價(jià)頁巖地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)從含氣性和可壓性兩方面分析。

表2　可壓性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖2　示范區(qū)含氣性和可壓性與測試產(chǎn)量的關(guān)系

3　頁巖儲(chǔ)層改造效果評價(jià)

常規(guī)壓裂目標(biāo)為壓長裂縫和增加裂縫導(dǎo)流能力，而體積壓裂以提高儲(chǔ)層改造體積為目的［19］，因此，常用微地震監(jiān)測來評價(jià)壓裂改造范圍。但在沒有進(jìn)行微地震監(jiān)測的井上，需要根據(jù)施工參數(shù)和地層參數(shù)確定壓裂改造體積。

3.1測試壓裂分析

通過壓裂測試分析，解釋示范區(qū)地層壓裂參數(shù)。以寧X井、威Y井為例，通過多種分析函數(shù)，得出長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)壓裂參數(shù)（見表3）。

表3　小型壓裂測試解釋成果

3.2壓裂改造體積評價(jià)

以水平井威M-H1井第2段壓裂為例，模擬壓裂改造體積，地層壓裂參數(shù)取威遠(yuǎn)地區(qū)測試壓裂解釋結(jié)果，調(diào)整模型參數(shù)，擬合施工壓力，擬合結(jié)果見圖3。

圖3　威M-H1井第2段壓力擬合

從模型中解釋壓裂裂縫延伸情況和SRV，通過與微地震解釋壓裂改造范圍對比（見圖4），調(diào)整模型參數(shù)，從而使得模型解釋結(jié)果相近于微地震解釋結(jié)果。

圖4　威M-H1井第2段微地震變化

然后，應(yīng)用該模型模擬其他9段壓裂改造體積。解釋結(jié)果在工程允許誤差范圍之內(nèi)（見表4），從而證明了壓裂解釋模型的可靠性。

表4　威M-H1井SRV模擬結(jié)果與微地震結(jié)果m

威遠(yuǎn)地區(qū)其他井缺少微地震數(shù)據(jù)，以威M-H1井解釋模型為模板，模擬其他井壓裂改造體積。在長寧地區(qū)水平井寧M-H1井和直井寧N井開展了微地震監(jiān)測，并對2口井進(jìn)行壓力擬合和壓裂裂縫解釋，擬合效果好，以此為基礎(chǔ)建立長寧地區(qū)直井和水平井壓裂解釋模板，解釋壓裂改造體積。研究發(fā)現(xiàn)，SRV與測試產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86，SRV越大，產(chǎn)量越高。初步認(rèn)為，水平井SRV在4 000×104m3以上（見圖5），直井SRV在400×104m3以上（見圖6），開發(fā)效果較好。

圖5　示范區(qū)水平井壓裂改造體積與測試產(chǎn)量的關(guān)系

圖6　示范區(qū)直井壓裂改造體積與測試產(chǎn)量的關(guān)系

3.3體積壓裂效果預(yù)測

圖7為示范區(qū)含氣性、可壓性、改造體積與測試產(chǎn)量的關(guān)系圖。從圖可以看出，綜合考慮可壓性、含氣性和SRV等因素的產(chǎn)量預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果與測試產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)為0.93，可以準(zhǔn)確地預(yù)測開發(fā)效果。這說明考慮體積壓裂改造效果，能夠更好地分析體積壓裂的適應(yīng)性。而且，對比含氣性、可壓性和SRV發(fā)現(xiàn)：SRV與測試產(chǎn)量的相關(guān)性系數(shù)最高，為0.86；含氣性與測試產(chǎn)量相關(guān)性系數(shù)居中，為0.50；可壓性與測試產(chǎn)量的相關(guān)性最低，相關(guān)系數(shù)為0.30。因此，改造體積是影響體積壓裂適應(yīng)性的最重要因素。

圖7　示范區(qū)含氣性、可壓性、改造體積與測試產(chǎn)量的關(guān)系

以直井威Z井為例進(jìn)行壓后產(chǎn)量預(yù)測。通過儲(chǔ)層評價(jià)和可壓性評價(jià)得出該頁巖儲(chǔ)層開發(fā)潛力（見表6）；然后，應(yīng)用威遠(yuǎn)地區(qū)模擬模板，模擬計(jì)算得壓裂改造體積（約為800×104m3）。通過線性回歸分析建立的直井體積壓裂開發(fā)效果預(yù)測公式為

式中：Q為產(chǎn)量，104m3/d；C為含氣性評價(jià)結(jié)果，%；Y為可壓性評價(jià)結(jié)果，%。

應(yīng)用式（6）預(yù)測該井產(chǎn)量2.68×104m3/d，而該井實(shí)測產(chǎn)量2.60×104m3/d，說明預(yù)測模型的準(zhǔn)確性較高。

4　結(jié)論

1）修正了部分指標(biāo)評價(jià)方法，將定性指標(biāo)定量化，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析和層次分析方法確定了各項(xiàng)儲(chǔ)層評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，建立了儲(chǔ)層分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有效提高了評價(jià)方法的適應(yīng)性和評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）影響體積壓裂開發(fā)效果的三大因素中，壓裂改造體積最為重要，可壓性影響最小。綜合考慮可壓性、含氣性和改造體積三大因素建立的體積壓裂開發(fā)效果預(yù)測模型，準(zhǔn)確度高，適應(yīng)性較好。

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（編輯史曉貞）

New method for shale gas reservoir volume fracturing effect predicting in southern Sichuan

GU Daihong1，CAO Guojia2，LIU Guangfeng1
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.No.2 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Yulin 719000，China）

In view of the characteristics of Longmaxi Formation reservoir in Changning-Weiyuan，based on the improved evaluation method of TOC，permeability，and adsorbed gas content，the criterion for gas-bearing property classification evaluation of shale gas reservoir is modified by the application of the grey correlation analysis.A quantitative analysis of rock fracturing ability is conducted by taking into account the rock mechanics parameters，brittleness，in-situ stress and natural fracture development condition；and a standard for fracturing ability evaluation is established by the use of analytic hierarchy process.The calculation model for stimulated reservoir volume（SRV）is obtained by fracturing test and fracture interpretation in field，and the correlations between gas-bearing property，fracturing ability，SRV and production are analyzed respectively.The results show that SRV yields the highest correlation，followed by gas-bearing property and fracturing ability.Considering the influence of gas-bearing property，rock fracturing ability and SRV on the fracturing effect comprehensively，a multi-factor productivity prediction model for volume fractured wells is established，and case study shows that the prediction result is more accurate and more applicable.

shale gas；volume fracturing；gas-bearing property；fracturing ability；fracturing test

國家科技重大專項(xiàng)課題“特低滲油藏有效開發(fā)技術(shù)”（2011ZX05013-006）

TE349

A

10.6056/dkyqt201605017

2016-02-28；改回日期：2016-07-14。

顧岱鴻，男，1970年生，副教授，博士，主要從事油氣田開發(fā)方面教學(xué)與研究工作。E-mail：gudaihong@cup.edu.cn。

引用格式：顧岱鴻，曹國佳，劉廣峰.蜀南頁巖氣藏體積壓裂效果預(yù)測新方法［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：620-624.

GU Daihong，CAO Guojia，LIU Guangfeng.New method for shale gas reservoir volume fracturing effect predicting in southern Sichuan［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（5）：620-624.