許　丹，高　瑋 ，胡瑞林

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，中科院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院大學)

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評價頁巖水力壓裂效果的一種新方法及其應用

許丹1,2，高瑋1，胡瑞林1

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，中科院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院大學)

提出了評價頁巖水力壓力效果的一種新方法——修正的帶寬投影連通率計算方法，對帶寬投影法計算連通率的方法進行了修正，根據(jù)修正后的帶寬投影法的原理編寫計算機軟件，計算頁巖壓裂效果面縫網(wǎng)體系各方向的連通率，并做出連通率玫瑰花圖，計算玫瑰花圖占半圓的比例，將此比例作為指標評價壓裂效果面的縫網(wǎng)體系。將這一方法應用到重慶焦石壩采集的龍馬溪組頁巖的室內(nèi)水力壓裂效果評價上，取得了良好的效果。

焦石壩地區(qū)；頁巖儲層;水力壓裂;縫網(wǎng);節(jié)理連通率;玫瑰花圖

頁巖儲層的滲透率極低，絕大多數(shù)頁巖氣井需要通過壓裂等增產(chǎn)措施提高頁巖氣的采收率[1]。頁巖儲層壓裂與常規(guī)砂巖儲層壓裂不同，常規(guī)砂巖儲層水力壓裂裂縫主要以對稱雙翼縫為主[2]，而頁巖儲層水力壓裂裂縫縱橫交錯形成無規(guī)則的裂縫網(wǎng)絡體系。對頁巖儲層進行壓裂改造即體積壓裂，是指頁巖儲層隨著水力壓裂，在天然裂縫、沉積層理不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切破壞的綜合作用下，形成天然裂縫、沉積層理與水力裂縫相互交錯的裂縫網(wǎng)絡體系[3]，其目的是溝通頁巖儲層內(nèi)的微孔隙、天然裂縫、沉積層理等，形成沿井筒徑向分布的網(wǎng)絡裂縫系統(tǒng)，而不是常規(guī)壓裂所形成的對稱雙翼裂縫，網(wǎng)狀系統(tǒng)涉及的范圍越大，壓裂效果越好。

前人研究均偏重于體積壓裂后裂縫擴展形態(tài)，未能對壓裂縫網(wǎng)好壞作定量描述與整體評價[4-9]。然而在實際生產(chǎn)或室內(nèi)實驗條件下，研究重點不僅僅是體積壓裂后的裂縫形態(tài)，判斷整體壓裂效果好壞也至關重要。實際生產(chǎn)中判斷壓裂效果好壞最直接方法是由產(chǎn)氣量多少來判斷；而實驗室條件下，如何判斷壓裂效果好壞是一個難點。本文提出利用節(jié)理面連通率玫瑰花圖面積比這一指標來定量評價體積壓裂效果好壞，并將其運用于焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖室內(nèi)水力壓裂效果評價上，取得了良好的效果。

1　帶寬投影連通率的計算方法及其修正

1.1結(jié)構(gòu)面連通率

連通率[10,11](無量綱)是表征巖體節(jié)理面連通情況的參數(shù)，其表達式為：

(1)

其中，l為節(jié)理面平均長度，i為平均巖橋長度。

計算方法主要有基于實測的概率模型估算方法(如H-H連通率、廣義H-H連通率、帶寬投影連通率[12]計算方法)和基于結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬[13](如Monte Carlo網(wǎng)絡模擬方法)兩類計算方法。對于頁巖儲層水力壓裂實驗，采用基于實測的概率模型估算方法比較客觀。

1.2帶寬投影連通率計算方法

帶寬投影法的中心思想是：①在結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬圖上的一個測窗內(nèi)設置一條基準測線；②以基準線為中心軸線，在其兩側(cè)0.5d的位置分別作一條平行于基準線的直線，d為結(jié)構(gòu)面投影帶寬度，其大小與測窗內(nèi)結(jié)構(gòu)面的數(shù)量有關；③沿著基準線的方向搜索每條與其夾角(裂隙起，基準線止)小于φ°的裂隙，將符合條件的結(jié)構(gòu)面投影到基準線上，并計算其投影長度li；④平移測窗，遍及結(jié)構(gòu)面所有裂隙，按照此方法搜索，并計算相應的投影長度，除去重合的部分，將其累加，然后除以基準線的長度，即為該方向的連通率，其公式為：

(2)

式中：l為基準線的長度；li為第i條裂隙在基準線上的投影長度。⑤再將基準線旋轉(zhuǎn)θ°，重復上述過程，如此反復至基準線旋轉(zhuǎn)180°終止，便可以得到不同方位的連通率。

1.3修正的帶寬投影連通率計算方法

利用公式(2)計算的連通率K值可能大于1并且沒有上限，因為當某方向帶寬范圍內(nèi)夾角符合條件的裂隙數(shù)量很多且跡長[14]較長時，所有裂隙在基準線上投影長度總和可能大于基準線的長度。然而，根據(jù)連通率計算公式(1)，K值介于0和1之間(也可包括0和1)，出現(xiàn)矛盾，而且基準線長度l的取值不明確，需要對其進行修正：帶寬內(nèi)的連通率等于帶寬內(nèi)所有與基準線夾角(裂隙起，基準線止)小于10°的裂隙在基準線上投影累加長度(去除重合部分)除以裂隙在基準線上投影累加長度與帶寬內(nèi)巖橋在基準線投影累加長度之和，即：

(3)

(4)

(5)

其中，s為基準線角度第s次變化、無量綱，s=1,2,…17；t為帶寬第t次平移、無量綱，t的范圍與基準線角度和帶寬有關；Ks t為基準線的角度第s次變化、第t次平移時帶寬內(nèi)的裂隙連通率，無量綱；lst為基準線角度第s次變化、第t次平移時基準線長度，m,其大小等于基準線與結(jié)構(gòu)面交割線長度,m；li為帶寬內(nèi)第i條裂隙在基準線上的投影長度,m；lj為第j條巖橋在基準線上的投影長度,m；m、n分別為帶寬內(nèi)裂隙和巖橋的條數(shù)。

Ks為基準線第s次旋轉(zhuǎn)統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面在該方向的連通率(無量綱)，其大小等于帶寬每次平移時的連通率與權重乘積之和。

(6)

(7)

r為t的最大取值，等于結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計尺寸內(nèi)垂直基準線的最大長度與帶寬寬度之比，然后取整。

利用修正后的帶寬投影法計算裂隙連通率雖然過程繁瑣，但比H-H連通率和廣義H-H連通率計算方法更準確、直觀。

2　基于帶寬投影法連通率的水力壓裂效果評價方法與程序

2.1基本思路

頁巖氣主要是以吸附或游離狀態(tài)賦存于頁巖微孔隙中，頁巖儲層體積壓裂的目的就是產(chǎn)生復雜的裂縫網(wǎng)絡體系，盡可能地多溝通微孔隙，利于蘊含的頁巖氣盡多地釋放，因此，壓裂后縫網(wǎng)越復雜，壓裂效果越好。如何定量、有效地表征這種裂縫網(wǎng)絡體系，對于評價壓裂效果的好壞具有重要意義。

將水力壓裂實驗后試樣表面裂縫最明顯、網(wǎng)絡最復雜的一面，定義為壓裂效果面[15]。根據(jù)修正的帶寬投影法的原理，計算壓裂效果面縫網(wǎng)體系各方向的連通率，作連通率玫瑰花圖(角度方向代表傾角，半徑方向代表結(jié)構(gòu)面連通率)，能直觀準確地表征壓裂后縫網(wǎng)各方向效果的好壞，利用計算機編程算出玫瑰花圖占半圓的比例，評價整體壓裂效果。

2.2水力壓裂效果評價方法

利用VB語言編寫程序讀取壓裂效果面上每一條裂隙的長度和兩個端點的坐標，設置基準線，初始方向設為豎直向上，根據(jù)修正帶寬投影法的原理，計算各個方向裂隙的連通率，基準線每次旋轉(zhuǎn)10°，做出連通率玫瑰花圖，如圖1所示。

圖1　連通率玫瑰花示意圖

圖1中半圓的面積(單位：m2)為:

(8)

由于ry=1，所以，Sy= π/2。

圖1中連通率玫瑰花圖的小三角形面積為：

Ss=KsKs+1sin10°/2

(9)

玫瑰花圖的面積(單位：m2)為：

(10)

玫瑰花圖與半圓的面積比為：

(11)

3　水力壓裂實驗

3.1頁巖樣品采集

3.2壓裂實驗設計

將采集的頁巖切割成4個30 cm×30 cm×45 cm的長方體，表面打磨光滑，在30 cm×30 cm面的中心采用外徑為24 mm的金剛石鉆頭鉆出150 mm的裸眼，將特制的模擬井筒放入其中，用高強度黏結(jié)劑將套管與試樣封固。在四個豎直面上各非對稱放置兩個聲發(fā)射探頭，采用清水作為壓裂液，壓裂時暫不設置圍壓?？刂坪盟脡毫?，緩慢加壓，以避免加壓過程中頁巖試樣劇烈破壞，導致無法觀測頁巖表面裂縫的生成、擴展、貫通、破壞的全過程。

3.3壓裂結(jié)果

壓裂過程中觀測頁巖表面裂縫的變化。圖2為1號試樣的表面裂縫最明顯、網(wǎng)絡最復雜的一面，可將其定義為壓裂效果面。先將圖2用MATLAB軟件變換為二維圖像，再用邊緣檢測技術提取出裂隙，去除噪聲，將裂隙銳化加強，得到提取的由107條裂隙組成的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡圖，如圖3所示。

4　計算壓裂效果面的連通率

利用編寫的軟件計算出連通率結(jié)果(表1)并做出1號試樣頁巖壓裂效果面的連通率玫瑰花圖，如圖4所示，并計算玫瑰花圖所占半圓的比例為11.692%。同樣計算出2號試樣為9.387%，3號為11.8739%，4號為10.8372%。據(jù)此可準確、定量地判斷3號試樣的體積壓裂效果最佳。

圖2　頁巖壓裂效果面

圖3　結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡提取圖

表1　基于VB程序的連通率計算結(jié)果

圖4　軟件界面

5　結(jié)語

本文對帶寬投影計算連通率的方法進行了修正，將修正后帶寬連通率的基本思路運用到頁巖壓裂效果面的評價上，實驗結(jié)果表明，該方法能夠定量評價頁巖壓裂效果，能夠為現(xiàn)場頁巖壓裂工藝提供參考。

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編輯：劉洪樹

下期主要文章預告

鄂爾多斯南部大面積巖性油藏分布主控因素與勘探方向

王保戰(zhàn)

上畛子地區(qū)長6儲層有效厚度下限研究

朱亞林等

蘇格里氣田蘇11區(qū)塊氣水分布規(guī)律

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低滲透砂巖儲層可動流體賦存特征及影響因素研究

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提高春光探區(qū)排10井區(qū)地震資料分辨率方法研究

趙平等

地震反演在遼河灘海西部儲層預測中的應用

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測井技術在馬北油氣層評價中的應用

楊正茂

電纜測壓資料在渤海海域XX34-9油田古近系油藏評價中的應用

劉文超等

固井水泥界面膠結(jié)強度評價技術及在沈家鋪油田的應用

唐世忠等

元壩103-1H井超探井鉆井關鍵技術

孫曉波

空氣鉆井在喀斯特地區(qū)的探索與實踐

李清等

1673-8217(2016)04-0138-04

2016-01-08

許丹，1987年生，中科院地質(zhì)與地球物理研究所在讀博士生，主要從事頁巖儲層可壓裂性、地質(zhì)工程等方向的研究。

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技(B類)課題“儲層非均質(zhì)性與可壓裂性(編號：XDB10030100)”。

TE357.1

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