叢 平，閆建平，3，井 翠，張家浩，唐洪明，王 軍，耿 斌，王 敏，晁 靜

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，成都 610500；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；4.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610051；5.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東東營(yíng) 257015）

0 引言

目前常規(guī)油氣藏已經(jīng)很難滿足現(xiàn)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)石油資源的需求，世界各國(guó)都重視頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)。加拿大西部和美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣的商業(yè)化開(kāi)采，且產(chǎn)量可觀［1］。我國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)也取得了較大進(jìn)展，評(píng)價(jià)頁(yè)巖可壓裂性是國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)之一，如：Mullen 等［2］利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算了動(dòng)態(tài)楊氏模量、閉合應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力；Rickman 等［3］利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合巖心實(shí)驗(yàn)資料對(duì)巖石可壓裂性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出地球化學(xué)參數(shù)及力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)可作為可壓裂性評(píng)價(jià)的指標(biāo)；Jarvie 等［4］利用脆性礦物來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖的可壓裂性；Enderlin 等［5］系統(tǒng)地闡述了可壓裂性的含義，并定義了可壓裂性指數(shù)的計(jì)算公式。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)也開(kāi)展了很多富有成效的工作：唐穎等［6］從脆性指數(shù)、脆性礦物含量和多項(xiàng)力學(xué)參數(shù)等多角度評(píng)價(jià)頁(yè)巖的可壓裂性，并建立了定性評(píng)價(jià)方法；王松等［7］通過(guò)分析人工裂縫與天然裂縫相交后的起裂模式對(duì)巖石的可壓裂性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；王鵬等［8］利用X 射線衍射、巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果和計(jì)算的彈性參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖的脆性；趙金洲等［9］整合巖石組分、彈性力學(xué)、天然裂縫發(fā)育這3 項(xiàng)因素，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)進(jìn)行了可壓裂性綜合評(píng)價(jià)。這些研究通常僅限于單井剖面的評(píng)價(jià)，缺乏宏觀上反映頁(yè)巖儲(chǔ)層不同可壓裂性層段展布規(guī)律和對(duì)有利“甜點(diǎn)”區(qū)域的預(yù)測(cè)。

以川南X 地區(qū)五峰組—龍一段1 亞段（龍一1）頁(yè)巖氣藏為例，在分析反映可壓裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提取能表征頁(yè)巖可壓裂性的5 項(xiàng)敏感參數(shù)，再通過(guò)層次分析法計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重，建立定量識(shí)別頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂級(jí)別的“綜合壓裂系數(shù)（Icr）法”，將可壓裂級(jí)別分級(jí)，進(jìn)一步開(kāi)展多井可壓裂級(jí)別劃分與連井剖面對(duì)比，確定在可壓裂性地層的平面分布規(guī)律，以期為該區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中的完井水力壓裂工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

四川盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的西北部，介于龍門山—大巴山臺(tái)緣坳陷與滇黔川鄂臺(tái)褶帶之間，盆地呈北東向菱形展布，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)才形成了現(xiàn)今的構(gòu)造體系。X 背斜頂部出露寒武系—志留系，兩翼為二疊系—三疊系［10］。X 地區(qū)繼承了四川盆地的構(gòu)造演化特征，形成了一系列北東—南西雁列式褶皺［圖1（a）］。在奧陶紀(jì)晚期，雪峰隆起、川中隆起和黔中隆起均出露在海平面之上，使奧陶紀(jì)早中期的頁(yè)巖具有廣海特征，在大面積低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境下形成了低孔、低滲、有機(jī)質(zhì)含量高的頁(yè)巖地層。在奧陶紀(jì)末和志留紀(jì)初，發(fā)生了2 次全球性海侵，該地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的形成正是這2 次海侵的沉積響應(yīng)。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及海侵影響，奧陶紀(jì)晚期五峰組沉積時(shí)期形成了一套深水細(xì)粒沉積巖，主要發(fā)育硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖和碳酸鹽巖，志留紀(jì)早期龍馬溪組沉積時(shí)期形成了一套以黑色頁(yè)巖為主的細(xì)粒碎屑巖，礦物有長(zhǎng)英質(zhì)（長(zhǎng)石+石英）、黏土、有機(jī)質(zhì)，大量碳酸鹽及少量黃鐵礦［11］，脆性礦物含量較高，有利于儲(chǔ)層壓裂改造。龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層分布穩(wěn)定，埋藏深度較淺，底部總有機(jī)碳含量較高，是頁(yè)巖氣開(kāi)采的主力層段［12］。

根據(jù)巖心觀察的沉積旋回特征，將龍馬溪組由下往上分為龍一段和龍二段，根據(jù)次級(jí)旋回和巖性特征將龍一段分為2 個(gè)亞段：龍一1和龍一2。龍一2為高體系域逐漸海退的沉積旋回，頂部發(fā)育大段砂泥質(zhì)互層和夾層，筆石數(shù)量少，底部以深灰色、黑色頁(yè)巖為主，厚度為105～200 m。龍一1主要為有機(jī)質(zhì)豐富的黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，頁(yè)理發(fā)育，富含大量形態(tài)各異的筆石化石，含黃鐵礦結(jié)核和條帶，厚度為36～48 m，為持續(xù)海退的進(jìn)積式反旋回［13］，根據(jù)巖石學(xué)、沉積構(gòu)造、古生物和電性特征將其分為4 個(gè)小層，自下而上為：龍一11，龍一12，龍一13，龍一14［圖1（b）］。

圖1 川南X 地區(qū)構(gòu)造位置（a）和地層劃分（b）Fig.1 Structural location（a）and stratigraphic division（b）of X area in southern Sichuan Basin

2 頁(yè)巖可壓裂性分析

2.1 可壓裂性評(píng)價(jià)參數(shù)

通常情況下，巖石力學(xué)參數(shù)決定了壓裂裂縫的形狀和大小，楊氏模量、泊松比、脆性礦物、脆性指數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)在一定程度上反映儲(chǔ)層可壓裂性的好壞［14］。自然伽馬、補(bǔ)償密度等曲線則是間接反映巖石脆性的指標(biāo)。

2.1.1 楊氏模量（E）

楊氏模量是指巖石線性應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值，其大小為彈性體單位線應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)力大小，是衡量巖石破裂后能夠保留裂縫的能力。一般巖石的楊氏模量越高，產(chǎn)生并保留裂縫的能力越強(qiáng)，可壓裂性越好。

式中：μ，λ，E分別為剪切模量、拉梅系數(shù)和楊氏模量，GPa；Δtp，Δts分別為縱波時(shí)差和橫波時(shí)差，μs/m；vs為橫波波速，m/μs；ρ為地層密度，g/cm3。

圖2 為川南X 地區(qū)N216 井力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果與測(cè)錄井解釋剖面。2 315.75～2 325.20 m 測(cè)錄井解釋為氣層，按照X 地區(qū)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)級(jí)別綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：產(chǎn)氣量＞1.0 萬(wàn)m3/d，有機(jī)質(zhì)含量高，為i 類儲(chǔ)層；產(chǎn)氣量為0.3～1.0 萬(wàn)m3/d，有機(jī)質(zhì)含量較多，為ii 類儲(chǔ)層；產(chǎn)氣量＜0.3 萬(wàn)m3/d，有機(jī)質(zhì)含量較少，為iii 類儲(chǔ)層，將該段儲(chǔ)層品質(zhì)級(jí)別定為i 類，電成像資料顯示該段裂縫發(fā)育，楊氏模量較高，為48.5～55.4 GPa，平均為52.9 GPa，可壓裂性好。

2.1.2 泊松比（σ）

泊松比是反映巖石抵抗應(yīng)力破壞的能力大小，是彈性體發(fā)生變形時(shí)橫向縮短和縱向伸長(zhǎng)的比例，是表征巖石脆性的主要參數(shù)之一。泊松比的大小與巖石的脆性成負(fù)相關(guān)關(guān)系，巖石的泊松比越小，抵抗應(yīng)力破壞的能力越弱，產(chǎn)生裂縫所需的應(yīng)力越小。巖石脆性越好，泊松比越小，巖石越容易起裂，其計(jì)算公式如下

以N216 井為例（參見(jiàn)圖2），測(cè)錄井解釋的氣層段為2 315.75～2 325.20 m，該段的泊松比值較低，為0.19～0.23，平均為0.21。

2.1.3 脆性礦物含量（Xx）

脆性礦物含量主要是指脆性礦物（石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽礦物）與巖石中總礦物的比值，X 地區(qū)頁(yè)巖中的礦物主要有石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物、黏土和少量黃鐵礦。通常，巖石中脆性礦物含量越高，受到應(yīng)力越容易形成復(fù)雜的天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，可壓裂性越好，其計(jì)算公式為

以N216 井為例（參見(jiàn)圖2），該井五峰組—龍一1的礦物中主要有黏土、碳酸鹽、長(zhǎng)英質(zhì)和少量黃鐵礦，裂縫最發(fā)育段為2 315.75～2 325.20 m，該段碳酸鹽和長(zhǎng)英質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，二者之和為80%～95%，平均為89.4%，脆性礦物含量較高，脆性強(qiáng)，可壓裂性好，有利于頁(yè)巖壓裂開(kāi)發(fā)。

2.1.4 脆性指數(shù)（Ib）

脆性指數(shù)是評(píng)價(jià)巖石在應(yīng)力條件下能否形成有效裂縫及與裂縫形態(tài)有關(guān)的參數(shù)之一［15］，主要表征了巖石受力被破壞前形成的小的塑性應(yīng)變，在破裂時(shí)以彈性形式釋放形成裂縫的能力，是巖石的一種固有屬性［16］。通常，脆性指數(shù)越高，巖性越脆，越容易形成縫網(wǎng)；反之，巖石中容易只形成簡(jiǎn)單的雙翼型裂縫。脆性指數(shù)的計(jì)算方法主要有3 種：一是用巖石礦物含量計(jì)算；二是用巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算；三是基于電成像的像素刻畫(huà)頁(yè)巖礦物譜來(lái)計(jì)算［17］。本文采用第1 種方法。

式中：Wbrit，Wtotal分別為脆性礦物和總礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

以N216 井為例（參見(jiàn)圖2），該井裂縫發(fā)育最好的層段為2 315.75～2 325.20 m，該段脆性指數(shù)值較高，為48.8%～53.6%，平均為51.4%。

2.1.5 抗拉強(qiáng)度（ST）和抗壓強(qiáng)度（SC）

抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均是反映巖石井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)［18］，可衡量巖石在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力條件下的強(qiáng)度極限，在一定程度上描述了巖石的力學(xué)特性?？估瓘?qiáng)度是指巖石在拉應(yīng)力作用下被破壞時(shí)，與拉力垂直的斷面上的平均拉應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度成正比，二者都能反映巖石脆性的好壞，且與巖石的斷裂韌度成正相關(guān)關(guān)系。斷裂韌度是巖石的固有屬性之一，可反映巖石可壓裂的難易程度，且在頁(yè)巖水力壓裂過(guò)程中，斷裂韌度越小，形成的裂縫越容易延伸且復(fù)雜，可增強(qiáng)巖石裂縫的連通性［19］。任巖等［20］的研究表明，隨著巖石圍壓的增加，巖石的脆性增加，脆性指數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度值有所減小，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與巖石的脆性成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與巖石的塑性成正相關(guān)關(guān)系。王春權(quán)等［21］利用抗拉強(qiáng)度與巖石可壓裂性的關(guān)系，開(kāi)發(fā)了水壓致裂的測(cè)量方法?？箟簭?qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越小，巖石的可壓裂性越好，利用巖石抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，來(lái)進(jìn)行計(jì)算［22］

式中：SC，ST分別為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，MPa。

2.1.6 水平主應(yīng)力差（Dc）

水平主應(yīng)力差是指最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力之差，是巖石破裂后縫網(wǎng)形成的重要因素。天然裂縫能否張開(kāi)形成有效裂縫，水平主應(yīng)力差是影響因素之一［23］。

式中：pSU，pp分別為巖石的上覆地層壓力和孔隙壓力，MPa；Dmin，Dmax，Dc分別為最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和水平主應(yīng)力差，MPa；ρz為密度測(cè)井值，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；H為采樣點(diǎn)深度，m；B1，B2均為地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，結(jié)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定研究區(qū)內(nèi)B1，B2分別取值0.664 6，0.855 7。

Blanton［24］的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，主應(yīng)力差與逼近角對(duì)于裂縫延伸有影響。逼近角是指最大水平主應(yīng)力與天然裂縫之間的夾角，當(dāng)逼近角為0°～30°時(shí)，水平主應(yīng)力差無(wú)論多大，天然裂縫都會(huì)張開(kāi)，水力裂縫改變先前的延伸路徑，有利于形成裂縫網(wǎng)。當(dāng)逼近角為30°～60°時(shí)，水平主應(yīng)力差較小，天然裂縫張開(kāi)，也有利于巖石中形成復(fù)雜的縫網(wǎng)；當(dāng)水平主應(yīng)力差較大時(shí)，天然裂縫不能張開(kāi)，不利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)。當(dāng)逼近角為60°～90°時(shí)，無(wú)論水平主應(yīng)力差多大，天然裂縫都不易張開(kāi)，不利于形成裂縫網(wǎng)（表1）。

表1 水平主應(yīng)力差與逼近角的影響Table 1 Influence of horizontal stress difference and approaching angle

根據(jù)水平主應(yīng)力差和逼近角的影響，可以看出，無(wú)論巖石中逼近角的大小，低水平主應(yīng)力差都有利于巖石產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)，而高水平主應(yīng)力差不利于巖石中復(fù)雜縫網(wǎng)的形成。

以N216 井為例（參見(jiàn)圖2），裂縫最發(fā)育層段2 315.75～2 325.20 m 的水平主應(yīng)力差較小，為10.6～11.1 MPa，平均為10.9 MPa。

2.1.7 測(cè)井資料

科技是第一生產(chǎn)力這個(gè)論斷，同樣適用于高校的食品衛(wèi)生安全管理。飲食總公司分別對(duì)食堂進(jìn)行了“明廚亮灶”和“視頻門禁”兩個(gè)專項(xiàng)建設(shè)。其中，學(xué)校通過(guò)兩期的“明廚亮灶”建設(shè)，共投入121萬(wàn)元，在12個(gè)樓面食堂共安裝286個(gè)紅外攝像頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2萬(wàn)多平方米的食堂所有加工區(qū)域進(jìn)行全方位、全時(shí)段的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且所有視頻匯集到總公司中心監(jiān)控室。而通過(guò)“視頻門禁”建設(shè)，總公司對(duì)學(xué)校所有食堂的后廚出入通道實(shí)現(xiàn)全面刷卡管理。通過(guò)這種升級(jí)管理手段的辦法，師生們對(duì)食堂生產(chǎn)加工安全方面的疑慮減少了，總公司對(duì)食堂食品安全生產(chǎn)內(nèi)控的能力增強(qiáng)了。

對(duì)于巖石可壓裂性較為敏感的測(cè)井參數(shù)主要有自然伽馬和補(bǔ)償密度。自然伽馬值主要表征自然放射性的大小，與巖石中有機(jī)質(zhì)含量和泥質(zhì)含量關(guān)系密切，密度曲線也能一定程度上反映巖性。巖石中脆性礦物含量越高，脆性越好，密度值會(huì)出現(xiàn)相對(duì)高值，因?yàn)轫?yè)巖氣儲(chǔ)層中泥質(zhì)含量普遍較高，井壁不穩(wěn)定，有時(shí)出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象，擴(kuò)徑井段密度曲線資料失真，不利于分析評(píng)價(jià)頁(yè)巖可壓裂性，須要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行校正。

以N216 井為例（參見(jiàn)圖2），2 315.75～2 325.20 m氣層段的自然伽馬值為124.2～171.3 API，平均為148.1 API，為高值背景下的相對(duì)低值，說(shuō)明該段泥質(zhì)含量相對(duì)較低；井徑曲線正常，密度為2.5～2.7 g/cm3，屬于高值背景下的略低值，表明頁(yè)巖中脆性礦物含量較高，具有一定脆性，可壓裂性較好。

2.2 定性評(píng)價(jià)方法

利用反映頁(yè)巖可壓裂性的各項(xiàng)巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)合巖心和測(cè)井資料，分析評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性。選取自然伽馬、密度、脆性指數(shù)、楊氏模量、脆性礦物含量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度水平主應(yīng)力差和裂縫發(fā)育程度等9 項(xiàng)指標(biāo)來(lái)建立劃分可壓裂性級(jí)別的方案：①Ⅰ級(jí)可壓裂級(jí)別最高，該類層段的脆性礦物含量、脆性指數(shù)、密度和楊氏模量均為高值，自然伽馬、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和水平主應(yīng)力差均為低值，裂縫網(wǎng)復(fù)雜，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中有利于進(jìn)行壓裂改造。②Ⅱ級(jí)可壓裂級(jí)別僅次于Ⅰ級(jí)，該類層段的脆性礦物含量、脆性指數(shù)、密度和楊氏模量均為中—高值，泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和水平主應(yīng)力差值均略高于Ⅰ級(jí)，整體為中—低值，自然伽馬是高值背景下的低值，發(fā)育一定量的天然裂縫，可壓裂性較好。③Ⅲ級(jí)可壓裂級(jí)別最低，該類層段的脆性礦物含量、脆性指數(shù)、密度和楊氏模量均為低值，泊松比、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均較高，自然伽馬為高值，水平主應(yīng)力差較大，天然裂縫幾乎不發(fā)育，不利于頁(yè)巖氣壓裂增產(chǎn)（表2）。

表2 定性劃分川南X 地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性級(jí)別方案Table 2 Program of fracturing grade of shale gas reservoir for qualitative division in X area，southern Sichuan Basin

綜合分析可知，脆性指數(shù)、脆性礦物含量、楊氏模量和密度越高，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、泊松比、水平主應(yīng)力差和自然伽馬越低，天然裂縫發(fā)育越好，巖石可壓裂性級(jí)別越高。

2.3 綜合可壓裂系數(shù)（Icr）定量分析

定性評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性級(jí)別有一定效果，但不宜多井大數(shù)據(jù)量處理解釋，本文采用層次分析法分析［25-26］，將評(píng)價(jià)問(wèn)題的思維過(guò)程進(jìn)行層次化、條理化［27］，構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型，主要層次可劃分為3 層：目的層、準(zhǔn)則層、方案層。根據(jù)問(wèn)題目標(biāo)，將與問(wèn)題相關(guān)的各項(xiàng)因素分解，兩兩對(duì)比，衡量各項(xiàng)因素的權(quán)重［28］，用數(shù)字1～9 和對(duì)應(yīng)的倒數(shù)來(lái)標(biāo)度（表3），得出各因素的權(quán)重，并組成各層次的判斷矩陣。

表3 構(gòu)建對(duì)比矩陣各標(biāo)度及含義Table 3 Scale and meaning of the contrast matrix

從9 項(xiàng)指標(biāo)中提取出能夠表征X 地區(qū)頁(yè)巖可壓裂性的5 項(xiàng)參數(shù)：脆性指數(shù)、抗拉強(qiáng)度、泊松比、楊氏模量和水平主應(yīng)力差，將這5 項(xiàng)指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較后，得出判斷矩陣（表4）。

表4 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性級(jí)別判斷矩陣元素取值Table 4 Judgment matrix element values of shale gas reservoir fracturing grade

具體步驟為：

（1）建立判斷矩陣

式中：A為權(quán)重比矩陣；W為權(quán)重向量；λmax為最大特征值。

（2）利用層次分析理論中的特征向量法計(jì)算權(quán)重向量W=［0.495 1，0.271 6，0.130 7，0.062 6，0.040 1］，即各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)分別為0.495 1，0.271 6，0.130 7，0.062 6 和0.040 1，可得出綜合壓裂系數(shù)

（3）利用判斷矩陣的特征值對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

式中：n為選取的元素項(xiàng)數(shù)；IC為一致性指標(biāo)；IR為隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值見(jiàn)表5，本文取值為1.12；ICR為一致性比例。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值Table 5 Average random consistency index values

當(dāng)ICR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣一致性符合要求，否則，應(yīng)對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)修正。該判斷矩陣計(jì)算的IC=0.104 3，ICR=0.093 2＜0.1，其一致性符合要求。

（4）對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行歸一化，歸一化后的值為0～1。對(duì)正向參數(shù)如楊氏模量等進(jìn)行正向歸一化

對(duì)負(fù)向參數(shù)如泊松比等進(jìn)行負(fù)向歸一化

當(dāng)參數(shù)為正向參數(shù)時(shí)，值越大，可壓裂性越好；當(dāng)參數(shù)為負(fù)向參數(shù)時(shí)，值越小，可壓裂性越好。

2.4 可壓裂級(jí)別劃分

依據(jù)上述方法開(kāi)展多口井五峰組—龍一1頁(yè)巖地層綜合可壓裂系數(shù)（Icr）的計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算的Icr大小，參考巖心、錄井的裂縫描述資料，結(jié)合符合研究區(qū)內(nèi)實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)的結(jié)果等多方面因素，在定性劃分的3 個(gè)可壓裂性級(jí)別（參見(jiàn)表2）的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量劃分（表6）。

表6 川南X 地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性級(jí)別定量識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Standard for quantitatively identification fracture capability of shale gas reservoir in X area，southern Sichuan Basin

以N217 井為例，根據(jù)建立的可壓性裂級(jí)別定量劃分方案，對(duì)該井五峰組—龍一1地層進(jìn)行可壓裂性級(jí)別識(shí)別，可知：Ⅰ級(jí)層段5 段，主要分布在龍一12和五峰組下部，分別為2 948.69～2 949.20 m，2 950.06～2 953.14 m，2 953.90～2 956.26 m，2 956.73～2 958.96 m 和2 962.20～2 962.92 m；Ⅱ級(jí)層段9 段，主要分布在龍一11、龍一13和龍一14；Ⅲ級(jí)層段5 段，主要存在于龍一11下部、龍一13和五峰組中上部（圖3）。結(jié)合各層段儲(chǔ)層類型結(jié)果，有機(jī)質(zhì)含量較高，且含氣量較大的ⅰ類儲(chǔ)層通常為Ⅰ級(jí)，而有機(jī)質(zhì)含量較少，含氣量較少的Ⅱ類，Ⅲ類儲(chǔ)層也主要為Ⅱ，Ⅲ級(jí)，結(jié)合地質(zhì)“甜點(diǎn)”和工程“甜點(diǎn)”可知N217井的龍一12為最優(yōu)開(kāi)發(fā)層段。

將N217 井計(jì)算出的力學(xué)參數(shù)（抗壓強(qiáng)度、泊松比、楊氏模量）分別與三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)出相對(duì)應(yīng)的靜態(tài)力學(xué)參數(shù)相比較（圖4）可知，兩兩相關(guān)性均較高，且趨勢(shì)具有一致性。統(tǒng)計(jì)各層段裂縫密度，結(jié)合電成像資料可知，該井劃分出的Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)層段發(fā)育的裂縫條數(shù)較多，結(jié)果較可靠。

圖4 力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果與三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of mechanical parameters and triaxial rock mechanical experiment results

3 可壓裂性級(jí)別劃分應(yīng)用

利用上述建立的可壓裂性級(jí)別定量識(shí)別方法及單井識(shí)別結(jié)果，進(jìn)一步結(jié)合連井剖面和地質(zhì)平面圖，綜合分析川南X 地區(qū)有利的可壓裂性層段和地區(qū)，為頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)及有效開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

3.1 可壓裂性級(jí)別縱向分析

為了從宏觀上分析研究區(qū)頁(yè)巖氣地層可壓裂性的好壞，選取了相交的2 條連井剖面，連井剖面1 包含N201，N203，N208 和N210 井，連井剖面2包含N209，N201，N216，N217 和N215 井，根據(jù)可壓裂級(jí)別劃分方案，通過(guò)多井連井剖面反映研究區(qū)五峰組—龍一1地層可壓裂性情況。對(duì)連井剖面1中4 口井的五峰組—龍一1各層段進(jìn)行單井可壓裂性級(jí)別劃分，如圖5 所示，Ⅰ級(jí)層段多發(fā)育于龍一11和龍一12，Ⅱ級(jí)多發(fā)育于五峰組，從N201，N208 和N210 井的生產(chǎn)測(cè)試資料可知，龍一11和龍一12產(chǎn)氣量高，如N201 井2 516.28～2 519.36 m 層段可壓裂級(jí)別多為Ⅰ級(jí)，產(chǎn)氣量為1.00萬(wàn)m3/d，為主要產(chǎn)層，而被劃分為Ⅱ級(jí)的2 504.88～2 507.62 m層段，產(chǎn)氣量為0.72 萬(wàn)m3/d，明顯低于2 516.28～2 519.36 m層段的產(chǎn)氣量。

對(duì)連井剖面2 中的5 口井五峰組—龍一1進(jìn)行可壓裂性級(jí)別單井劃分與連井對(duì)比，如圖6 所示，Ⅰ級(jí)層段也主要分布在龍一11和龍一12，五峰組多為Ⅱ級(jí)，根據(jù)N201 和N209 井的生產(chǎn)測(cè)試結(jié)果可知，龍一11和龍一12產(chǎn)氣量高。以N209 井為例，該井3 167.00～3 170.00 m 層段可壓裂級(jí)別為Ⅰ級(jí)，試氣結(jié)果顯示，該段產(chǎn)氣量為0.027 7萬(wàn)m3/d，3 156.00～3 159.00 m 層段可壓裂級(jí)別為Ⅱ級(jí)，產(chǎn)氣量為0.020 3萬(wàn)m3/d，低于前者。

圖6 川南X 地區(qū)連井剖面2 五峰組—龍一1可壓裂級(jí)別劃分結(jié)果（位置見(jiàn)圖1）Fig.6 Fracturing grade division of Wufeng Formation-Longyi1 submember in well-tieprofile2 of Xarea，southern Sichuan Basin

對(duì)研究區(qū)內(nèi)15 口井的五峰組—龍一12頁(yè)巖地層可壓裂性級(jí)別進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)其中Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)的地層厚度比，如表7 所列，Ⅰ級(jí)厚度比較高，Ⅱ級(jí)厚度比中等，Ⅲ級(jí)所占地層厚度比最低。

川南X 地區(qū)主要發(fā)育硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖3 種巖相，其中硅質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育最為廣泛［30］，硅質(zhì)頁(yè)巖的可壓裂性級(jí)別多為Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)，可壓裂性較好，且有機(jī)質(zhì)豐富，也是研究區(qū)內(nèi)最有利的巖相；其次發(fā)育較多的巖相是黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖，可壓裂性級(jí)別多為Ⅱ級(jí)；鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖的可壓裂性多為Ⅱ級(jí)和Ⅰ級(jí)。整體而言，可壓裂性最好的巖相主要為硅質(zhì)頁(yè)巖和鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖（圖7）。

圖7 不同巖相和其可壓裂性級(jí)別的發(fā)育率Fig.7 Development rates of different lithofacies and different fracturing grades

3.2 可壓裂性級(jí)別平面分布規(guī)律

根據(jù)上述單井五峰組—龍一12可壓裂性級(jí)別的劃分與識(shí)別結(jié)果，及各井中Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)層段厚度所占的地層厚度比，在地質(zhì)平面圖中用等值線來(lái)表示不同可壓裂性級(jí)別頁(yè)巖厚度的平面展布情況，如圖8 所示，Ⅰ級(jí)層段厚度比為0.8～0.9 主要分布在N201，N209，N203，N208 和N211 井區(qū)；Ⅰ級(jí)層段厚度比為0.7～0.8 主要分布在N227 和N225 井區(qū)；Ⅰ級(jí)層段厚度比為0.6～0.7 主要分布在N212，N213，N216，N217，N222 和N224 井區(qū)。N210 井和N215井所在區(qū)域Ⅰ級(jí)層段的厚度比分別為0.5～0.6 和小于0.5，可壓裂性較差。由此可以得出，平面上可壓裂性好的區(qū)域主要在N201，N209，N203，N208和N211 井所在區(qū)域，也是最適合設(shè)計(jì)長(zhǎng)井段水平井壓裂作業(yè)進(jìn)行頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的區(qū)域。

圖8 川南X 地區(qū)五峰組—龍一12Ⅰ級(jí)可壓裂性地層厚度比分布Fig.8 Distribution of thickness ratio of fracturing gradeⅠin Wufeng Formation-Longyi12sublayer in X area，southern Sichuan Basin

靶窗位置是影響地質(zhì)和工程的重要因素，結(jié)合工程“甜點(diǎn)”和地質(zhì)“甜點(diǎn)”的特征可以有效地選取研究區(qū)較好的靶窗位置［31］，綜合認(rèn)為：縱向測(cè)井剖面上反映出五峰組和龍一11、龍一12發(fā)育硅質(zhì)頁(yè)巖，可壓裂性級(jí)別以Ⅰ級(jí)為主，且該層段中的有機(jī)碳含量較高，是有利的地質(zhì)“甜點(diǎn)”層段和水平井靶體優(yōu)選層段；宏觀地質(zhì)平面上，可壓裂性好的區(qū)域在主要分布在N201，N209，N203，N208 和N211 井所在的區(qū)域，有利于水平井鉆遇地質(zhì)“甜點(diǎn)”和壓裂分段優(yōu)選，為川南X 地區(qū)頁(yè)巖氣高效開(kāi)法方案實(shí)施提供了多維度依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）優(yōu)選出最能表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性級(jí)別的5 項(xiàng)指標(biāo)，利用層次分析法建立了定量劃分頁(yè)巖可壓裂性級(jí)別的綜合壓裂評(píng)價(jià)系數(shù)Icr和劃分方案，當(dāng)Icr≥0.59 時(shí)，頁(yè)巖可壓裂性為Ⅰ級(jí)，Icr為0.42～0.59 時(shí)，頁(yè)巖可壓裂性為Ⅱ級(jí)，Icr≤0.42 時(shí)，頁(yè)巖可壓裂性最差，為Ⅲ級(jí)。

（2）通過(guò)多井可壓裂性級(jí)別定量劃分與識(shí)別，構(gòu)建2 條連井剖面，明確了川南X 地區(qū)五峰組—龍一12中Ⅰ級(jí)可壓裂性級(jí)別最為發(fā)育，可壓裂性最好，是五峰組—龍馬溪組中最有利的壓裂開(kāi)發(fā)層段。

（3）統(tǒng)計(jì)川南X 地區(qū)五峰組—龍一12中Ⅰ級(jí)可壓裂性地層厚度所占總的地層厚度比數(shù)據(jù)，進(jìn)行地質(zhì)平面圖上等值線成圖顯示：N201，N209，N203，N208 和N211 井區(qū)域可壓裂性好，有利于水平井鉆遇地質(zhì)“甜點(diǎn)”和壓裂分段作業(yè)。