趙曉宇

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京 210000）

頁巖氣儲層屬于低孔、低滲透、致密的非常規(guī)儲層，不具備自然產(chǎn)能，需要通過水平鉆井、水力壓裂等方式進行儲層改造，從而實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)［1-3］。因此，儲層的可壓性評價尤為重要，對于選取頁巖氣井壓裂井段、優(yōu)化頁巖氣田開發(fā)方案和經(jīng)濟效益預(yù)測都有著十分重要的意義［4］。

目前，頁巖儲層可壓性分析大體分為兩個角度，一種是基于巖石力學(xué)參數(shù)的評價方法，一種是基于地應(yīng)力作用下的評價體系。2011年Breyer等［5］利用巖心分析數(shù)據(jù)、測井資料、抗壓強度等巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)合地應(yīng)力各向異性、天然裂縫方位等因素，進行了頁巖可壓性指數(shù)的預(yù)測；2015年趙金洲等［6］認為頁巖儲層的壓裂效果由儲層改造體積與縫網(wǎng)發(fā)育復(fù)雜程度共同決定，將頁巖脆性、斷裂韌性和天然弱面做為評價指標(biāo)，建立可壓性系數(shù)分級評價模型；2016年盛秋紅［7］等通過地震反演，建立焦石壩地區(qū)巖石脆性、地應(yīng)力特征以及裂縫發(fā)育程度解釋模型，進行可壓性評價，證實該區(qū)域頁巖脆性指數(shù)較高，構(gòu)造主體部位脆性指數(shù)大于50%，易于破裂，并指出焦石壩地區(qū)頁巖較好的可壓性是該區(qū)頁巖獲得商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵。

以上方法的基礎(chǔ)資料大部分來源于巖心力學(xué)實驗分析及特殊測井的解釋成果，而在實際生產(chǎn)中，只有少部分探井及評價井進行取心作業(yè)及特殊測井項目，另外實驗以及作業(yè)費用高昂，難以做到在工區(qū)大規(guī)模的應(yīng)用。因此，引入一種基于常規(guī)測井及隨鉆錄井資料的儲層可壓性評價方法，簡單易操作，可獲取連續(xù)地應(yīng)力剖面，為選井、選層提供依據(jù)。

1 模型與方法

綜合分析近30年來的實驗研究成果發(fā)現(xiàn)，利用儲層孔隙流體壓力梯度、儲層上覆地層巖石密度資料，可以在測錄井現(xiàn)場快速確定儲層最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力和水平地應(yīng)力差異系數(shù)［8］。利用應(yīng)力差異系數(shù)來表征頁巖儲層的可壓性已應(yīng)用于建南氣田、涪陵頁巖氣田等地區(qū)的五峰—龍馬溪組頁巖儲層的評價，經(jīng)300余口頁巖氣井驗證，符合率達到97.1%。現(xiàn)場實際應(yīng)用效果證實了此方法不僅適用于常規(guī)油氣儲層，對頁巖儲層的地應(yīng)力評價同樣適用。

1.1 數(shù)學(xué)模型

楊國圣［9］等提出一種快速預(yù)測頁巖儲層水平應(yīng)力差異系數(shù)的計算方法，利用地層孔隙流體壓力梯度FPG與巖石密度DEN測井值計算水平地應(yīng)力差異系數(shù)△Ki。

相關(guān)計算公式［9-10］：

其中：DEN為上覆地層巖石密度，g/cm3；FPG為地層孔隙流體壓力梯度，MPa/100 m；H為頁巖儲層垂深，100 m；Kmax為最大水平主應(yīng)力，MPa；Kmin為最小水平主應(yīng)力，MPa；ΔKi為水平應(yīng)力差異系數(shù)，無量綱。

其中：dcs為地層dc指數(shù)實測值，無量綱；dcn為正常趨勢線上的dc指數(shù)值，無量綱；ρ為區(qū)域地層水密度，g/cm3。

1.2 參數(shù)選取

1.2.1地層孔隙流體壓力梯度

根據(jù)隨鉆錄井地層壓力解釋結(jié)果，獲得連續(xù)的dcs、dcn值。國內(nèi)外錄井現(xiàn)場常用dc指數(shù)法預(yù)測地層壓力、地層壓力梯度表征地層孔隙流體壓力。dc指數(shù)法是利用壓差理論對機械鉆速和泥頁巖壓實程度的影響規(guī)律來檢測地層壓力的一種方法［10］，受鉆壓、鉆速、鉆頭型號及尺寸、鉆井液密度等因素影響。dcs值是考慮鉆頭磨損程度及鉆頭類型的修正dc值，dcn為dcs值回歸趨勢線上對應(yīng)深度的讀值。

1.2.2巖石密度DEN

原公式中DEN是取自頁巖儲層上方“頂板”巖層的密度平均值，但筆者認為在此取值模式下，最大水平主應(yīng)力僅與垂深有相關(guān)關(guān)系，忽略了巖石本身的影響，因此認為應(yīng)采用連續(xù)的井DEN值。

1.3 評價標(biāo)準

地應(yīng)力大小在頁巖壓裂中對于裂縫的延伸及裂縫的剪切起到?jīng)Q定性作用。通常認為地應(yīng)力差異系數(shù)小于0.3時，有利于形成人工網(wǎng)絡(luò)裂縫，且地應(yīng)力差異系數(shù)越小，越有利于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)［11］。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0～0.3時，可壓性好，能夠形成剪切網(wǎng)狀縫；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.3～0.5時，可壓性中等，能夠形成較為復(fù)雜的裂縫；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)大于0.5時，可壓性較差，能夠形成主縫或單一分支裂縫。

2 應(yīng)用實例

A井是南川頁巖氣田東勝區(qū)塊的一口重點預(yù)探井，其水平段1 933 m，主要穿行層位為龍一段①～③小層。依據(jù)上述方法，計算其導(dǎo)眼井（直井）五峰—龍馬溪組①～⑨小層的地應(yīng)力參數(shù)，獲得連續(xù)地應(yīng)力剖面（圖1），與偶極子聲波測井解釋結(jié)果進行對比（表1），與計算結(jié)果基本一致，相對誤差在5%以內(nèi)。依據(jù)分析結(jié)果，該井頁巖儲層水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.09，可壓性好。該井未進行三軸應(yīng)力巖心分析，一般來說通過此方法計算或測井解釋的地應(yīng)力值與實驗測試值相比偏大，受井斜和地層傾角影響，這里計算或者解釋的地應(yīng)力可看作為“視地應(yīng)力”，與實測有所偏差，但不影響現(xiàn)場使用。

表1 A井地應(yīng)力參數(shù)對比

圖1 A井可壓性分析剖面

利用上述方法計算A井水平段頁巖水平應(yīng)力差異系數(shù)，結(jié)合頁巖含氣性、電性特征、裂縫發(fā)育情況、巖石力學(xué)參數(shù)等因素，優(yōu)選高氣測、硅質(zhì)含量高、黏土礦物含量少、楊氏模量高、泊松比小、水平差異系數(shù)小于0.1的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層作為壓裂段。A井壓裂施工主體采用前置酸處理、階梯升排量砂比、長段塞連續(xù)加砂的壓裂工藝，埋深適中（2 900～3 000 m），施工壓力45～90 MPa，平均破裂壓力78 MPa，平均最高砂比16%。低破裂壓力、高砂比說明儲層具有良好的可壓性。壓裂后的壓降分析為裂縫形態(tài)診斷提供了一種簡單高效的評價方法。G函數(shù)分析則是壓后壓降分析的主要技術(shù)，這一特殊的技術(shù)能夠?qū)毫咽┕そY(jié)束后的壓裂過程進行評估、對裂縫的復(fù)雜性做出判斷，從而改進壓裂方案、優(yōu)化氣田壓裂參數(shù)、提高壓裂施工質(zhì)量，獲得最佳儲層改造效果。壓后通過G函數(shù)形態(tài)分析，曲線類型多以圖2所示為主，曲線前期爬升快，后期波動多，說明裂縫復(fù)雜程度高。

圖2 A井壓裂G函數(shù)曲線

A井壓后放噴測試結(jié)果（圖3），在14 mm油嘴制度下，平均壓力16.81 MPa，獲得穩(wěn)定測試氣產(chǎn)量32.8×104m3/d，平均液量13.84 m3/h。

圖3 A井試氣測試曲線

投產(chǎn)初期，平均產(chǎn)氣量可達（8～14）×104m3/d。儲層改造結(jié)果及試氣測試結(jié)果皆反映可壓性分析的可靠性。

上述方法已應(yīng)用于南川頁巖氣田平橋南區(qū)、JY10井區(qū)、東勝區(qū)塊的30余口頁巖氣井，指導(dǎo)頁巖儲層可壓性評價，符合率較高，取得了較好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

（1）利用地層孔隙流體壓力梯度FPG、巖石密度測井值DEN、儲層垂深H等參數(shù)計算水平地應(yīng)力差，可獲得連續(xù)地應(yīng)力剖面，用于頁巖儲層可壓性評價，是一種方便快捷、低成本的評價方法。

（2）在原有公式基礎(chǔ)上改變?nèi)≈的Ｊ?，采用連續(xù)測井DEN值替代上覆巖層平均DEN值，使得最大水平主應(yīng)力的計算更加科學(xué)合理。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該數(shù)學(xué)模型能夠較為準確地預(yù)測南川地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖儲層的可壓性，可應(yīng)用于壓裂分段設(shè)計，適用性強。