評(píng)價(jià)頁(yè)巖水力壓裂效果的一種新方法及其應(yīng)用

許　丹，高　瑋 ，胡瑞林

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中科院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué))

?

評(píng)價(jià)頁(yè)巖水力壓裂效果的一種新方法及其應(yīng)用

許丹1,2，高瑋1，胡瑞林1

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，中科院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué))

提出了評(píng)價(jià)頁(yè)巖水力壓力效果的一種新方法——修正的帶寬投影連通率計(jì)算方法，對(duì)帶寬投影法計(jì)算連通率的方法進(jìn)行了修正，根據(jù)修正后的帶寬投影法的原理編寫(xiě)計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算頁(yè)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(jì)算玫瑰花圖占半圓的比例，將此比例作為指標(biāo)評(píng)價(jià)壓裂效果面的縫網(wǎng)體系。將這一方法應(yīng)用到重慶焦石壩采集的龍馬溪組頁(yè)巖的室內(nèi)水力壓裂效果評(píng)價(jià)上，取得了良好的效果。

焦石壩地區(qū)；頁(yè)巖儲(chǔ)層;水力壓裂;縫網(wǎng);節(jié)理連通率;玫瑰花圖

頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透率極低，絕大多數(shù)頁(yè)巖氣井需要通過(guò)壓裂等增產(chǎn)措施提高頁(yè)巖氣的采收率[1]。頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層壓裂不同，常規(guī)砂巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫主要以對(duì)稱雙翼縫為主[2]，而頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂裂縫縱橫交錯(cuò)形成無(wú)規(guī)則的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系。對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造即體積壓裂，是指頁(yè)巖儲(chǔ)層隨著水力壓裂，在天然裂縫、沉積層理不斷擴(kuò)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(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)體系[3]，其目的是溝通頁(yè)巖儲(chǔ)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(luò)裂縫系統(tǒng)，而不是常規(guī)壓裂所形成的對(duì)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(kuò)展形態(tài)，未能對(duì)壓裂縫網(wǎng)好壞作定量描述與整體評(píng)價(jià)[4-9]。然而在實(shí)際生產(chǎn)或室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下，研究重點(diǎn)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(guān)重要。實(shí)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(lái)判斷；而實(shí)驗(yàn)室條件下，如何判斷壓裂效果好壞是一個(gè)難點(diǎn)。本文提出利用節(jié)理面連通率玫瑰花圖面積比這一指標(biāo)來(lái)定量評(píng)價(jià)體積壓裂效果好壞，并將其運(yùn)用于焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖室內(nèi)水力壓裂效果評(píng)價(jià)上，取得了良好的效果。

1　帶寬投影連通率的計(jì)算方法及其修正

1.1結(jié)構(gòu)面連通率

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

(1)

其中，l為節(jié)理面平均長(zhǎng)度，i為平均巖橋長(zhǎng)度。

計(jì)算方法主要有基于實(shí)測(cè)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(jì)算方法)和基于結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬[13](如Monte Carlo網(wǎng)絡(luò)模擬方法)兩類計(jì)算方法。對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層水力壓裂實(shí)驗(yàn)，采用基于實(shí)測(cè)的概率模型估算方法比較客觀。

1.2帶寬投影連通率計(jì)算方法

帶寬投影法的中心思想是：①在結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬圖上的一個(gè)測(cè)窗內(nèi)設(shè)置一條基準(zhǔn)測(cè)線；②以基準(zhǔn)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(zhǔn)線的直線，d為結(jié)構(gòu)面投影帶寬度，其大小與測(cè)窗內(nèi)結(jié)構(gòu)面的數(shù)量有關(guān)；③沿著基準(zhǔn)線的方向搜索每條與其夾角(裂隙起，基準(zhǔn)線止)小于φ°的裂隙，將符合條件的結(jié)構(gòu)面投影到基準(zhǔn)線上，并計(jì)算其投影長(zhǎng)度li；④平移測(cè)窗，遍及結(jié)構(gòu)面所有裂隙，按照此方法搜索，并計(jì)算相應(yīng)的投影長(zhǎng)度，除去重合的部分，將其累加，然后除以基準(zhǔn)線的長(zhǎng)度，即為該方向的連通率，其公式為：

(2)

式中：l為基準(zhǔn)線的長(zhǎng)度；li為第i條裂隙在基準(zhǔn)線上的投影長(zhǎng)度。⑤再將基準(zhǔn)線旋轉(zhuǎn)θ°，重復(fù)上述過(guò)程，如此反復(fù)至基準(zhǔn)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(jì)算方法

利用公式(2)計(jì)算的連通率K值可能大于1并且沒(méi)有上限，因?yàn)楫?dāng)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(zhǎng)[14]較長(zhǎng)時(shí)，所有裂隙在基準(zhǔn)線上投影長(zhǎng)度總和可能大于基準(zhǔn)線的長(zhǎng)度。然而，根據(jù)連通率計(jì)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(zhǔn)線長(zhǎng)度l的取值不明確，需要對(duì)其進(jìn)行修正：帶寬內(nèi)的連通率等于帶寬內(nèi)所有與基準(zhǔn)線夾角(裂隙起，基準(zhǔn)線止)小于10°的裂隙在基準(zhǔn)線上投影累加長(zhǎng)度(去除重合部分)除以裂隙在基準(zhǔn)線上投影累加長(zhǎng)度與帶寬內(nèi)巖橋在基準(zhǔn)線投影累加長(zhǎng)度之和，即：

(3)

(4)

(5)

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

Ks為基準(zhǔn)線第s次旋轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面在該方向的連通率(無(wú)量綱)，其大小等于帶寬每次平移時(shí)的連通率與權(quán)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(jì)尺寸內(nèi)垂直基準(zhǔn)線的最大長(zhǎng)度與帶寬寬度之比，然后取整。

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

2　基于帶寬投影法連通率的水力壓裂效果評(píng)價(jià)方法與程序

2.1基本思路

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

將水力壓裂實(shí)驗(yàn)后試樣表面裂縫最明顯、網(wǎng)絡(luò)最復(fù)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(jì)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(zhǔn)確地表征壓裂后縫網(wǎng)各方向效果的好壞，利用計(jì)算機(jī)編程算出玫瑰花圖占半圓的比例，評(píng)價(jià)整體壓裂效果。

2.2水力壓裂效果評(píng)價(jià)方法

利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)程序讀取壓裂效果面上每一條裂隙的長(zhǎng)度和兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)置基準(zhǔn)線，初始方向設(shè)為豎直向上，根據(jù)修正帶寬投影法的原理，計(jì)算各個(gè)方向裂隙的連通率，基準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)

3.1頁(yè)巖樣品采集

3.2壓裂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將采集的頁(yè)巖切割成4個(gè)30 cm×30 cm×45 cm的長(zhǎng)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(qiáng)度黏結(jié)劑將套管與試樣封固。在四個(gè)豎直面上各非對(duì)稱放置兩個(gè)聲發(fā)射探頭，采用清水作為壓裂液，壓裂時(shí)暫不設(shè)置圍壓。控制好水泵壓力，緩慢加壓，以避免加壓過(guò)程中頁(yè)巖試樣劇烈破壞，導(dǎo)致無(wú)法觀測(cè)頁(yè)巖表面裂縫的生成、擴(kuò)展、貫通、破壞的全過(guò)程。

3.3壓裂結(jié)果

壓裂過(guò)程中觀測(cè)頁(yè)巖表面裂縫的變化。圖2為1號(hào)試樣的表面裂縫最明顯、網(wǎng)絡(luò)最復(fù)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(cè)技術(shù)提取出裂隙，去除噪聲，將裂隙銳化加強(qiáng)，得到提取的由107條裂隙組成的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。

4　計(jì)算壓裂效果面的連通率

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

圖2　頁(yè)巖壓裂效果面

圖3　結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)提取圖

表1　基于VB程序的連通率計(jì)算結(jié)果

圖4　軟件界面

5　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)帶寬投影計(jì)算連通率的方法進(jìn)行了修正，將修正后帶寬連通率的基本思路運(yùn)用到頁(yè)巖壓裂效果面的評(píng)價(jià)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖壓裂效果，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)頁(yè)巖壓裂工藝提供參考。

[1]肖鋼,唐穎.頁(yè)巖氣及其勘探開(kāi)發(fā)[M].北京：高等教育出版社,2012：80-100.

[2]張礦生,樊鳳玲,雷鑫.致密砂巖與頁(yè)巖壓裂縫網(wǎng)形成能力對(duì)比評(píng)價(jià)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(14):185-189,211.

[3]郭海萱,郭天魁.勝利油田羅家地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2013,35(3):339-346.

[4]Meyer B R, Bazan L W, Jacotrh, et al. Optimization of multiple transverse hydraulic fractures in horizontal wellbores[C]//paper131732-MS presented at the SPE Unconventional Gas Conference, 23-25 February 2010.

[5]Meyer B R, Bazan L W. A discrete fracture network model for hydraulically induced fractures: Theory, parametric and case studies[C]//paper140514-MS presented at the SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference and Exhibition, 24-26 January,2011.

[6]Xu W X, Thiercelin M, Calvez J L, et al. Fracture network development and proppant placement during slick water fracturing treatment of Barnett Shale laterals[C] ∥paper135484-MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, 19-22 September 2010.

[7]陳勉.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水力裂縫轉(zhuǎn)向擴(kuò)展機(jī)制[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,37(5):88-94.

[8]程遠(yuǎn)方,李友志,時(shí)賢,等.頁(yè)巖氣體積壓裂縫網(wǎng)模型分析及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2013,33(9):53-59.

[9]郭印同,楊春和, 賈長(zhǎng)貴,等.頁(yè)巖水力壓裂物理模擬與裂縫表征方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(1):52-59.

[10]范留明,黃潤(rùn)秋.巖體結(jié)構(gòu)面連通率估計(jì)的概率模型及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(5):723-727.

[11]范留明,黃潤(rùn)秋.一種估計(jì)結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)的新方法及其工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(1):53-57.

[12]肖建勛,程遠(yuǎn)帆,王利豐.巖體結(jié)構(gòu)面連通率研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2006,2(2):325-328.

[13]陳劍平.巖體隨機(jī)不連續(xù)面三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4):397-402.

[14]黃國(guó)明,黃潤(rùn)秋.基于交切條件的不連續(xù)面平均跡長(zhǎng)估算法[J].地質(zhì)科技情報(bào),1999,18(1):105-107.

[15]Xu Dan,Hu Ruilin,Gao Wei,et al.Effects of laminated structure on hydraulic fracture propagation in shale[J].Petroleum Exploration and Development,2015,42(4):573-579.

編輯：劉洪樹(shù)

下期主要文章預(yù)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(zhǎng)6儲(chǔ)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

王穎

低滲透砂巖儲(chǔ)層可動(dòng)流體賦存特征及影響因素研究

馬淼等

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?jī)?chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

董德勝等

測(cè)井技術(shù)在馬北油氣層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

楊正茂

電纜測(cè)壓資料在渤海海域XX34-9油田古近系油藏評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉文超等

固井水泥界面膠結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)技術(shù)及在沈家鋪油田的應(yīng)用

唐世忠等

元壩103-1H井超探井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

孫曉波

空氣鉆井在喀斯特地區(qū)的探索與實(shí)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(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性、地質(zhì)工程等方向的研究。

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技(B類)課題“儲(chǔ)層非均質(zhì)性與可壓裂性(編號(hào)：XDB10030100)”。

TE357.1

A