泥頁巖儲層可壓裂性分析及壓裂高度預(yù)測方法研究

司馬立強, 溫丹妮, 閆建平, 譚美琳, 鄧浩陽

(1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室, 四川 成都 610500;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500)

0 引 言

蘇北盆地高郵凹陷阜四段泥頁巖屬于低成熟的熱降解生油氣階段,發(fā)育頁巖油儲層;四川盆地自流井組大安寨段熱演化程度高,發(fā)育頁巖氣儲層[1]。這2個盆地泥頁巖儲層的基質(zhì)屬低孔隙度低滲透率,儲層具有明顯的基質(zhì)孔隙和裂縫雙重孔隙特征,需進(jìn)行壓裂改造達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

泥頁巖儲層的可壓裂性即儲層具有被有效壓裂形成壓裂縫從而增產(chǎn)的性質(zhì)[2],是評價頁巖儲層的重點之一。國外學(xué)者多從巖石礦物組分或巖石力學(xué)等方面對泥頁巖的可壓裂性進(jìn)行了分析。Jarvie等認(rèn)為脆性礦物含量是頁巖脆性的主要因素,以頁巖脆性衡量可壓裂性[3]。Breyer通過彈性模量、泊松比評價可壓裂性[4]。中國很多學(xué)者對巖石力學(xué)特性、脆性也進(jìn)行了較深入的研究[5-10]。唐穎等結(jié)合國外學(xué)者的研究從脆性指數(shù)、巖石礦物、巖石力學(xué)特性等方面分析泥頁巖可壓裂性的影響因素,并建立壓裂級別[11]。袁俊亮等從脆性指數(shù)、斷裂韌性、巖石力學(xué)特性3個方面分析泥頁巖可壓裂性[12],但未建立可壓裂級別,不能有效指導(dǎo)壓裂工作。上述研究均未綜合測、錄井信息綜合評價泥頁巖可壓裂性[12]。而綜合測、錄井信息對泥頁巖儲層進(jìn)行可壓裂性分析更有優(yōu)勢。本文在國內(nèi)外學(xué)者對泥頁巖可壓裂性研究的基礎(chǔ)上,綜合測、錄井信息,結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)、巖石礦物組分等信息,對泥頁巖儲層的可壓裂級別進(jìn)行定性、定量評價分析,并建立泥頁巖儲層壓裂高度的預(yù)測方法。不僅為頁巖油氣儲層的力學(xué)性質(zhì)研究作參考,并為泥頁巖儲層完井壓裂改造提供有力依據(jù)。

圖1 A1井巖石力學(xué)參數(shù)分析圖

1 泥頁巖可壓裂性表征參數(shù)分析

彈性模量(E)、泊松比(μ)、脆性系數(shù)(IB)、脆性礦物含量(XX)、鉆時(TDC)、自然伽馬(GR)、密度(DEN)等參數(shù)與儲層可壓裂性密切相關(guān)。從圖1可見,一般彈性模量偏高、泊松比偏低、脆性系數(shù)偏高、脆性礦物含量偏低、鉆時偏低值、自然伽馬值偏低、密度值偏高的儲層可壓裂性較好。

(1) 彈性模量E。在線性彈性形變區(qū),應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量[8],在數(shù)值上等于彈性體發(fā)生單位線應(yīng)變時彈性體產(chǎn)生的應(yīng)力大小,是表征頁巖脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)。彈性模量反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力,頁巖彈性模量越高,脆性越大。

(2) 泊松比μ。泊松比表征彈性材料變形時橫向縮短和縱向伸長的比值,也是表征頁巖脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)之一,泊松比反映了頁巖在壓力下破裂的能力。泊松比越低,脆性越大。如圖1所示,蘇北盆地阜寧組A1井的3 160.5～3 163 m層段氣測結(jié)論為泥巖裂縫,測井響應(yīng)顯示為低GR、低AC、高DEN,而E為高值(平均值為23.5 GPa,轉(zhuǎn)化成動彈性模量為61.7 GPa),μ為低值(平均值為0.26)。該段可壓裂性較好。

(3) 脆性系數(shù)IB。脆性大小除了間接用測井響應(yīng)和巖石力學(xué)參數(shù)定性判別外,還可利用巖石力學(xué)參數(shù)定量計算脆性系數(shù),配合脆性礦物含量可較好地指示泥頁巖地層的可壓裂性。通常脆性系數(shù)[4]越高、脆性礦物含量越高,脆性越大,可壓裂性就越好。如圖2所示,3 160.5～3 163 m層段氣測結(jié)論為泥巖裂縫,脆性系數(shù)較高(平均值為40.9%),與北美Barnett頁巖的脆性系數(shù)46.4%接近,灰質(zhì)含量較高(平均值為35.9%)。可判識該段可壓裂性較好。

圖2 A1井巖石力學(xué)參數(shù)圖

(4) 脆性礦物含量XX。泥頁巖脆性的大小對壓裂產(chǎn)生的誘導(dǎo)縫的形態(tài)有很大影響。脆性礦物含量越高的層段,壓裂時越容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),連通泥頁巖中的未連通孔隙。脆性含量越高的層段,可壓裂性越高。

(5) 鉆時TDC。TDC代表鉆井過程中在單位儲層所花去的時間。有開發(fā)價值的層段分為:①無裂縫發(fā)育、致密、脆性礦物含量較高的層段,其TDC值較高;②裂縫發(fā)育的層段則是高鉆時背景下低鉆時層段;③裂縫發(fā)育的總有機碳含量(TOC)高的泥巖層段,TDC低值。

(6) 自然伽馬GR。自然伽馬測井曲線測量地層的自然放射性,是識別地層巖性的有效方法之一。儲層巖性是影響地層可壓裂性的重要參數(shù)。如圖1所示,該盆地泥頁巖儲層的巖性可以由GR表征,灰質(zhì)含量高的層段GR值低,富含有機質(zhì)的泥頁巖層段GR值高。

(7) 密度DEN。與自然伽馬相同,密度測井曲線也反映地層巖性,相比于自然伽馬測井曲線,它對地層巖性的靈敏度更高?；屹|(zhì)含量高的DEN值高,富含有機質(zhì)的泥頁巖DEN值低。該盆地部分井密度測井曲線明顯受到擴徑影響,僅在定性分析中考慮其對泥頁巖可壓裂性的影響。

2 泥頁巖可壓裂性評價方法

應(yīng)用IB值、TDC值、TOC值、全烴含量THC值、E值、μ值等參數(shù)研究泥頁巖儲層的可壓裂性,綜合評價劃分泥頁巖儲層段壓裂級別。

2.1 定性評價方法

利用巖石力學(xué)參數(shù)結(jié)合測井響應(yīng)、脆性系數(shù)及脆性礦物含量指標(biāo),分析了評價泥頁巖可壓裂性的適應(yīng)性,發(fā)現(xiàn)識別結(jié)果統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上,2個盆地的頁巖油、頁巖氣儲層提取測井響應(yīng)值、脆性系數(shù)、裂縫發(fā)育程度、脆性礦物含量對可壓裂級別劃分進(jìn)行了探討,初步提出了Ⅰ、Ⅱ級劃分方案。考慮到不同區(qū)塊泥巖儲層的差異性,分區(qū)塊進(jìn)行綜合評價(見表1、表2)。

(1) Ⅰ級可壓裂層段:這類儲層脆性礦物含量高,TDC為高值背景下的低值、TOC高、THC較高,孔隙度較高、E高、μ低、裂縫發(fā)育。這類層段有利于壓裂。

表1 阜四段泥頁巖儲層級壓裂級別分析表

表2 大安寨段泥巖儲層級壓裂級別分析表

(2) Ⅱ級可壓裂層段:相比于Ⅰ類,這類層段的脆性礦物含量稍低,TDC為高值、TOC稍低、THC稍低,孔隙度稍低、E高、μ低、且裂縫不發(fā)育或發(fā)育不良好。

由此可知,其脆性系數(shù)IB、脆性礦物含量、E值越大,μ、GR值越低,TDC為高值背景下的低值且發(fā)育天然裂縫的層段的可壓裂性越好。

2.2 綜合壓裂系數(shù)分析法

層次分析法[9-10]是在結(jié)合定性和定量分析的基礎(chǔ)上,將思維過程層次化、數(shù)量化,通過構(gòu)建各因素之間兩兩比較矩陣確定各因素權(quán)重和最優(yōu)方案的方法。分析系統(tǒng)各因素之間的關(guān)系,建立系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)(見圖3)

圖3 泥頁巖可壓裂影響因素層次結(jié)構(gòu)圖

(1) 對同一層次的各元素關(guān)于上一層中某一元素的重要性進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣A(見表3)。

表3 儲層壓裂級別判斷矩陣A

(2) 計算各元素對目標(biāo)的權(quán)重,進(jìn)而擬合出綜合壓裂系數(shù)ICR

ICR=0.42IB+0.23XX+0.19TDC+0.08μ+

0.05GR+0.03E

(1)

(3) 根據(jù)判斷矩陣計算的矩陣特征根,對判別矩陣A進(jìn)行一致性檢驗,有

IC=(λmax-n)/(n-1)

(2)

ICR=IC/IR

(3)

式中,λmax為最大特征根;IC為一致性指標(biāo);IR為隨機一致性指標(biāo),6階矩陣IR為1.24。當(dāng)ICR<0.1時認(rèn)為判斷矩陣具有可接受的不一致性,計算結(jié)果IC=0.116,ICR=0.093 58。

(4) 對評價參數(shù)進(jìn)行歸一化,E為正向參數(shù)

SY=(Emax-E)/(E-Emin)

(4)

μ為負(fù)向參數(shù)

SP=(μ-μmax)/(μ-μmin)

(5)

式中,SY為正向歸一化彈性模量;SP為負(fù)向歸一化泊松比。當(dāng)參數(shù)為正向參數(shù)時,即參數(shù)增大時,表明泥頁巖的可壓裂性好;參數(shù)為負(fù)向參數(shù),即參數(shù)減小時,對泥頁巖的可壓裂性有貢獻(xiàn)。

歸一化參數(shù)SY分布于0～1之間,歸一化參數(shù)SP分布于-1～0之間。在參數(shù)歸一化基礎(chǔ)上,根據(jù)綜合評價系數(shù)ICR對大安寨段、阜四段進(jìn)行研究泥頁巖可壓裂性分析,得到不同層段的劃分標(biāo)準(zhǔn)表(見表4)。

表4 綜合壓裂級別劃分表

2.3 可壓裂級別劃分

根據(jù)建立的可壓裂級別分析表,對蘇北盆地高郵凹陷A1井阜四段的部分儲層(油層)進(jìn)行可壓裂級別分析(見圖4),將A1井的1級儲層劃分為I級壓裂層和II級壓裂層。Ⅰ級壓裂層深度為3 455～3 462.875 m,用A表示裂縫發(fā)育,ICR為0.219<0.53;Ⅱ級壓裂層深度為3 423.05～3 424.85 m,用B表示裂縫不發(fā)育,ICR為0.548>0.53。結(jié)果均符合(見表4)綜合壓裂級別劃分表。

根據(jù)建立的可壓裂級別分析表對四川盆地大安寨段的A2井儲層(氣層)進(jìn)行可壓裂級別分析(見圖5)。Ⅰ級壓裂層有2個段,第1段深度為3 839.18～3 843.36 m,ICR為0.117≤0.25,第2段深度為3 864.64～3 867.84 m,ICR為0.130 4≤0.25;Ⅱ級壓裂層3段,3 858.92～3 863.32 m,ICR為0.394>0.25,第2段3 870.8～3 874.84 m,ICR為0.289 9>0.25,及3 874.84～3 878.34 m,ICR為0.259 9>0.25。其結(jié)果符合(見表4)綜合壓裂級別劃分表,由此可知,可以使用該表來劃分儲層的可壓裂性級別。

圖4 A1井可壓裂性分析圖

圖5 A2井可壓裂性分析圖

3 壓裂高度預(yù)測

3.1 可壓裂高度計算流程與實例分析

在求取巖石力學(xué)參數(shù)及強度曲線的基礎(chǔ)上,建立可壓裂高度的計算程序[13-16]。將地層的應(yīng)力計算轉(zhuǎn)化為頂部應(yīng)力強度因子Ktop、底部應(yīng)力強度因子Kbot和巖石韌度KLC。其中,Ktop表示整個射孔段受到的應(yīng)力在裂縫頂端的作用效應(yīng);Kbot表示整個射孔段受到的應(yīng)力在裂縫底端的作用效應(yīng)。巖石韌度KLC表示巖石抵抗應(yīng)力能力強弱。將裂縫高度的計算轉(zhuǎn)化為頂部和底部的應(yīng)力強度因子計算,與所在處巖石韌度作對比,最后得到裂縫高度。

圖6 壓裂高度計算程序流程圖

按照壓裂高度計算程序流程(見圖6)計算A1井的壓裂高度。A1井儲層段(油層)破裂壓力為99.1～136.73 MPa,平均值為113.089 MPa,最小水平應(yīng)力最小值為52.8 MPa,最大值為79.995 MPa,平均值為66.397 5 MPa。設(shè)置初始壓力為60 MPa,每次增壓5 MPa(見圖7)。

壓裂高度預(yù)測的過程中,當(dāng)壓力為60 MPa時,壓裂縫分為2個部分3 456.75～3 458 m、3 459.25～3 459.75 m,2個部分壓裂縫高度合計2 m;當(dāng)壓力增加至65 MPa時,壓裂縫增加2個部分,3 460.5～3 461.625、3 462.375～3 462.875 m,高度合計3.875 m;當(dāng)壓力為70～105 MPa時,3 455～3 462.875 m層段全部壓裂成功,壓裂縫高達(dá)8 m。

3.2 壓裂高度實例證明

以四川盆地A2井儲層(氣層)為例,實際壓裂改造工作采用加砂壓裂方式,破裂壓力150.3 MPa,壓裂改造層段3 838～3 878 m,共壓裂改造40 m地層, 其試氣結(jié)論為日產(chǎn)氣0.259 2×104m3, 為典型低產(chǎn)氣層。依照實驗程序,其計算結(jié)果與現(xiàn)場實際結(jié)果相符,表明該程序計算精度高,可用于泥頁巖壓裂高度預(yù)測。

圖7 A1井壓裂高度預(yù)測圖

4 結(jié) 論

(1) 綜合測、錄井信息,分析脆性礦物含量、脆性系數(shù)、自然伽馬、密度、鉆時、泊松比、彈性模量等因素對泥頁巖可壓裂性的影響,定性分析、評價泥頁巖可壓裂性;彈性模量越大、泊松比越小、脆性系數(shù)越大、脆性礦物含量越高、鉆時為高背景之下的低值、自然伽馬越低、密度值越大的儲層可壓裂性越高。

(2) 建立綜合壓裂級別評價系數(shù)ICR定量評價泥頁巖儲層的可壓裂性,建立定量評價標(biāo)準(zhǔn),評價泥頁巖可壓裂性。識別結(jié)果與定性分析結(jié)果識別一致,說明了綜合測錄井信息可以有效地評價頁巖油氣儲層可壓裂性。

(3) 在綜合評價泥頁巖的可壓裂研究基礎(chǔ)上建立可壓裂高度計算方法,預(yù)測壓裂高度,從而為泥頁巖儲層射孔開發(fā)工作提供指導(dǎo),并為頁巖油氣的研究提供技術(shù)支撐。

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