頁巖氣儲層評價新技術(shù)——甜度評價方法

蔣廷學(xué)， 卞曉冰

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

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頁巖氣儲層評價新技術(shù)——甜度評價方法

蔣廷學(xué)1,2， 卞曉冰1,2

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

在應(yīng)用地質(zhì)甜點與工程甜點對頁巖氣層產(chǎn)氣能力進行評價時，只能表明頁巖氣層壓后產(chǎn)氣可能性的大小，而壓后產(chǎn)氣量的高低與該甜點指標的正相關(guān)性并不明顯。為此，提出了地質(zhì)甜度及工程甜度的概念，對地質(zhì)甜點與工程甜點的“甜度”進行精確表征和量化，并給出了其計算方法：設(shè)置待評價區(qū)地質(zhì)甜度及工程甜度最甜的標桿，即涵蓋一系列最佳地質(zhì)參數(shù)與工程參數(shù)的集合體，然后計算歐氏貼近度來表征待評價區(qū)參數(shù)集合與該標桿的相似度，并將其作為地質(zhì)甜度與工程甜度，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法確定地質(zhì)甜度和工程甜度的權(quán)重分配后，可計算得到綜合的甜度指標。涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊7口井的驗證結(jié)果表明，與地質(zhì)甜點與工程甜點相比，地質(zhì)甜度與工程甜度與各段簇產(chǎn)氣量的正相關(guān)性更強。研究與應(yīng)用表明，應(yīng)用地質(zhì)甜度與工程甜度可以實現(xiàn)頁巖氣層產(chǎn)氣能力的定量評價，增強了頁巖氣水平井分段壓裂段簇位置優(yōu)選的科學(xué)性與可靠性，對頁巖氣開發(fā)的降本增效具有重要的現(xiàn)實意義。

頁巖氣；壓裂；地質(zhì)甜度；工程甜度；壓裂設(shè)計；焦石壩區(qū)塊；涪陵頁巖氣田

國內(nèi)外大量頁巖氣水平井分段壓裂后的產(chǎn)氣剖面結(jié)果證明，頁巖氣井的產(chǎn)氣量基本符合“三三三”原則，即約三分之一的段簇貢獻了約70%的產(chǎn)氣量，約三分之一的段簇貢獻了約30%的產(chǎn)氣量，其余約三分之一的段簇?zé)o產(chǎn)氣量。可見，頁巖氣水平井分段壓裂段簇位置的優(yōu)選，成為頁巖氣高效開發(fā)最為重要的技術(shù)之一。為此，人們提出了頁巖氣地質(zhì)甜點與工程甜點的概念，來表征頁巖氣儲層的產(chǎn)氣潛力，目前已被業(yè)界廣泛采納，并被大量用于頁巖氣勘探開發(fā)實踐中，尤其是在水平井分段壓裂段簇位置的優(yōu)選中。

所謂甜點，就是指地質(zhì)上的含氣性較好、壓后產(chǎn)氣概率較高的儲層；或者工程上的巖石脆性程度較高，壓裂裂縫容易起裂和延伸，最終容易形成體積裂縫的儲層。顯然，理想的甜點應(yīng)是涵蓋地質(zhì)甜點與工程甜點的綜合甜點(綜合甜點計算中，地質(zhì)甜點與工程甜點的權(quán)重分配應(yīng)不一樣)。在綜合甜點位置進行射孔和壓裂作業(yè)，可在實現(xiàn)體積裂縫的前提下，最大限度地發(fā)揮地質(zhì)上的產(chǎn)氣潛力。顯然，如果甜點選擇準確，頁巖氣開發(fā)可以達到事半功倍的效果，因此，甜點評價方法研究的現(xiàn)實指導(dǎo)意義非常重大。

地質(zhì)甜點與工程甜點的評價方法很多，尤其是工程甜點的評價方法超過20種[1-5]，但各種評價方法的計算結(jié)果差異性較大，難以綜合權(quán)衡確定最佳的甜點值，導(dǎo)致水平井分段壓裂段簇位置的劃分具有很大的不確定性。頁巖氣井實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的驗證結(jié)果表明，氣井壓后產(chǎn)氣量與甜點指標的正相關(guān)性并不強，因此，根據(jù)甜點指標進行的段簇位置優(yōu)選仍具有一定的盲目性。此外，地質(zhì)甜點和工程甜點的概念也有些寬泛，計算結(jié)果也只能是定性和半定量的居多。為此，筆者提出了地質(zhì)甜度和工程甜度的概念，對地質(zhì)甜點與工程甜點的“甜度”進行精確表征和量化，以進一步提高水平井分段壓裂段簇位置優(yōu)選的科學(xué)性和指導(dǎo)性，從而能更好地實現(xiàn)頁巖氣勘探開發(fā)“降本增效”的目標，進一步加速國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的進程，并為國家“十三五”能源戰(zhàn)略及美麗中國的早日實現(xiàn)，提供重要的技術(shù)支撐。

1　頁巖氣地質(zhì)甜點與工程甜點的評價方法

頁巖氣地質(zhì)甜點的評價參數(shù)主要包括總有機碳含量(TOC)、熱成熟度(RO)、含氣量、孔隙度、天然裂縫特性參數(shù)及孔隙壓力等[6-9]，工程甜點的評價參數(shù)主要包括巖石礦物組分及巖石力學(xué)參數(shù)等[10-15]。

計算頁巖氣地質(zhì)甜點時，常用最小-最大規(guī)范化方法對頁巖關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)進行歸一化處理，采用專家打分法確定各參數(shù)權(quán)重，然后進行加權(quán)處理即可得到頁巖氣地質(zhì)甜點指數(shù)，計算公式為：

(1)

式中：S地質(zhì)為頁巖地質(zhì)甜點指數(shù)；n為地質(zhì)參數(shù)的數(shù)量；Si為頁巖地質(zhì)參數(shù)的歸一化值(i=0，1，2，…，n)；wi為地質(zhì)參數(shù)的權(quán)重因子(i=0，1，2，…，n)。

最常用的2種頁巖氣工程甜點指數(shù)的計算公式為：

(2)

(3)

式中：S工程為頁巖氣工程甜點指數(shù)；Ec為綜合測定的楊氏模量，MPa；Ecmax和Ecmin分別為綜合測定的最大楊氏模量和最小楊氏模量，MPa；μc為綜合測定的泊松比；μcmax和μcmin分別為綜合測定的最大泊松比和最小泊松比。

應(yīng)用頁巖氣地質(zhì)甜點指數(shù)和工程甜點指數(shù)，可以計算頁巖氣綜合甜點指數(shù)：

(4)

式中：S綜合為頁巖氣綜合甜點指數(shù)；w地質(zhì)和w工程分別為地質(zhì)甜點和工程甜點的權(quán)重因子，基于涪陵頁巖氣田實際地質(zhì)參數(shù)及工程參數(shù)，根據(jù)專家打分法確定兩者權(quán)重值分別為0.6和0.4。

筆者應(yīng)用涪陵頁巖氣田的地質(zhì)參數(shù)及工程參數(shù)，對其頁巖氣綜合甜點指數(shù)進行了計算，并與氣井實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)綜合甜點指數(shù)與壓后產(chǎn)量的相關(guān)性不強。例如，圖1為某井各段綜合甜點指數(shù)與其產(chǎn)氣貢獻率的統(tǒng)計結(jié)果，由圖1可以看出，綜合甜點指數(shù)與產(chǎn)氣量并無明顯的相關(guān)性。

圖1　焦石壩區(qū)塊某井綜合甜點指數(shù)和產(chǎn)氣貢獻率的關(guān)系Fig.1　Relation between comprehensive sweet spot and corresponding production contribution results for one shale gas well in Jiaoshiba Area

綜上所述，為了更好地指導(dǎo)頁巖氣井壓裂設(shè)計與施工，實現(xiàn)頁巖氣的高效開發(fā)，有必要研究一種新的評價指標來代替甜點指標，對頁巖氣儲層的產(chǎn)氣潛力進行更為準確的評價。

2　頁巖氣地質(zhì)甜度及工程甜度的定義

頁巖氣地質(zhì)甜點和工程甜點的概念，只能說明頁巖氣層壓后產(chǎn)氣可能性的大小，而壓后產(chǎn)能的高低與甜點指標的正相關(guān)性并不明顯。地質(zhì)甜度和工程甜度則表征了甜點程度的大小，與壓后產(chǎn)能的高低具有較好的正相關(guān)性。也就是說，甜點可以對頁巖氣層的產(chǎn)氣能力進行定性評價，而甜度可以實現(xiàn)頁巖氣層產(chǎn)氣能力的定量評價。

在對某一區(qū)塊的甜度進行評價時，首先要找出該區(qū)塊甜度最高的標桿，該最高值可設(shè)置為1。該標桿是地質(zhì)甜點與工程甜點中所有相關(guān)獨立性參數(shù)的集合，且各個參數(shù)值均最有利于壓后產(chǎn)氣，由于部分參數(shù)與壓后產(chǎn)氣量可能具有負相關(guān)性，因此所選參數(shù)值不一定是最大值。顯然，標桿是某個區(qū)塊或水平段中假想的最佳甜點位置，不存在或存在的概率非常低。

有了標桿的假設(shè)，可利用歐氏貼近度來表征水平井筒某個位置處的參數(shù)集合與上述標桿的相似度：相似度越高，表明該處頁巖屬性越接近標桿，甜度越高；反之，該處頁巖屬性與標桿差距越大，甜度也越低。換言之，可用與標桿的歐氏貼近度代替某頁巖氣層的地質(zhì)甜度和工程甜度。

3　頁巖氣地質(zhì)甜度與工程甜度的計算

根據(jù)甜度的定義，在精細評價頁巖地層各項地質(zhì)參數(shù)及工程參數(shù)的基礎(chǔ)上，嚴格分析各參數(shù)的相關(guān)性，確定彼此獨立的地質(zhì)參數(shù)與工程參數(shù)作為評價參數(shù)。例如，總有機碳含量(TOC)和含氣量都可以描述頁巖含氣性，但是TOC主要用來評價頁巖的生烴能力，含氣量主要用來評價目前頁巖的實測含氣數(shù)值，TOC高并不代表含氣量高，而含氣量高TOC往往會較高。所以，可以說二者有一定聯(lián)系，相互間并不獨立，因此評價參數(shù)只選用了含氣量，沒有選用TOC。

基于評價參數(shù)之間具有獨立性的原則，對頁巖氣甜點評價參數(shù)進行篩選，初步篩選的獨立地質(zhì)參數(shù)有脆性礦物含量、黏土礦物含量、頁巖厚度、總孔隙度、有機質(zhì)孔隙度、熱演化程度、總含氣量、游離氣比例、基質(zhì)滲透率、天然裂縫發(fā)育程度、壓力系數(shù)、楊氏模量和泊松比；工程參數(shù)有脆性指數(shù)(基于施工曲線中脆性區(qū)和彈性區(qū)的面積及對應(yīng)的排量計算)、施工液量和加砂量。

3.1關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)的評價

初步篩選的地質(zhì)參數(shù)已有成熟的評價方法，包括露頭觀測(可獲得天然裂縫發(fā)育程度)、巖心試驗(可獲得頁巖礦物組分、總孔隙度、含氣量、楊氏模量和泊松比等大部分地質(zhì)參數(shù))、測井及錄井資料解釋(可獲得礦物組分、頁巖厚度、含氣量、楊氏模量和泊松比等大部分地質(zhì)參數(shù))等，并結(jié)合同區(qū)塊鄰井?dāng)?shù)據(jù)進行校正，則可以得到單井或區(qū)域性的連續(xù)性地質(zhì)參數(shù)。

3.2關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)權(quán)重的確定

由于地質(zhì)參數(shù)一般為近井參數(shù)，可通過計算氣井壓后初產(chǎn)與關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)間的灰色關(guān)聯(lián)度，并對計算結(jié)果進行歸一化處理后可得到各參數(shù)權(quán)重分配。

(5)

式中：i=0，1，2，…,n；k=1，2，…，N；N為變量序列的長度。

(6)

式中：ρ為分辨系數(shù)，其取值范圍為[0，1]，通常取0.5；ξ0i(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)，反映第i個比較序列Xi與參考序列X0在第k個位置的關(guān)聯(lián)程度。

綜合所有的關(guān)聯(lián)系數(shù)，可求取各比較序列與參考序列間的關(guān)聯(lián)度：

(7)

式中：r0i為各比較序列與參考序列間的關(guān)聯(lián)度。

將各參數(shù)的關(guān)聯(lián)程度視為一個整體，其中某一參數(shù)的權(quán)重可通過該參數(shù)的關(guān)聯(lián)度與各參數(shù)關(guān)聯(lián)度集合間的比值求得：

(8)

式中：wi為第i個參數(shù)的權(quán)重。

按照該方法，根據(jù)涪陵頁巖氣田實際獲得的地質(zhì)數(shù)據(jù)(某些地質(zhì)參數(shù)不全，如壓力系數(shù)等)，求得關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)的權(quán)重為：總孔隙度的權(quán)重為0.083，基質(zhì)滲透率的權(quán)重為0.107，黏土礦物的權(quán)重為0.096，總含氣量的權(quán)重為0.225，天然裂縫發(fā)育程度的權(quán)重為0.123，楊氏模量的權(quán)重為0.113，泊松比的權(quán)重為0.125，脆性礦物含量的權(quán)重為0.128。

3.3甜度(歐氏貼近度)的計算

貼近度是描述2個模糊集合相似或者貼近程度的一個重要指標，筆者用歐式貼近度來表征實際井甜度與標桿甜度之間的接近程度，即實際井甜度的大小。歐式貼近度的計算方法如下：

(10)

式中：rij表示待評價區(qū)Ai具有參數(shù)Pj特征的隸屬度；x為待評價區(qū)或標桿的任一特征參數(shù)；a1為待評價區(qū)或標桿的任一特征參數(shù)的最小值；a2為待評價區(qū)或標桿的任一特征參數(shù)的最大值。

3.4工程甜度的計算

頁巖氣井壓裂施工中的壓力曲線形態(tài)及施工規(guī)模是頁巖可壓性最真實的反映，筆者以文獻[4]提出的脆性指數(shù)和遠井可壓性指數(shù)評價方法為基礎(chǔ)，通過壓裂施工破裂壓力曲線形態(tài)計算得到近井工程甜點，通過計算總的加砂量與總的入井壓裂液量的比值而得到遠井工程甜點，兩者的權(quán)重采用2.2中灰色關(guān)聯(lián)度的計算方法確定。頁巖的工程甜度即定義為考慮近井工程甜點和遠井工程甜點的綜合指標。

3.5綜合甜度的計算

有了地質(zhì)甜度及工程甜度后，最終的甜度應(yīng)是綜合考慮地質(zhì)甜度與工程甜度的折中結(jié)果，這涉及到地質(zhì)甜度與工程甜度的權(quán)重分配問題。同樣，根據(jù)2.2中灰色關(guān)聯(lián)度的計算方法，考察壓后產(chǎn)量與上述地質(zhì)甜度及工程甜度的灰色關(guān)聯(lián)度，按歸一化原理求得各自的權(quán)重。則最終的甜度為：

S=(SG,SE)(wG,wE)T=SGwG+SEwE(12)

式中：S為頁巖綜合甜度；SG為地質(zhì)甜度；SE為工程甜度；wG為地質(zhì)甜度的權(quán)重因子；wE為工程甜度的權(quán)重因子。

4　計算實例

將涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊頁巖氣井的甜度計算結(jié)果與產(chǎn)氣量進行對比分析，來說明甜度評價方法的適應(yīng)性。

4.1標桿(段簇)的確定

根據(jù)焦石壩區(qū)塊的地質(zhì)參數(shù)與工程參數(shù)評價結(jié)果，確定標桿的參數(shù)集合為：地質(zhì)參數(shù){總孔隙度5.79%，基質(zhì)滲透率0.26 mD，黏土礦物含量22%，總含氣量3.49 m3/t，天然裂縫發(fā)育程度0.43，楊氏模量51.3 GPa，泊松比0.17，脆性礦物含量66.8%}，工程參數(shù){脆性指數(shù)0.51，施工液量1 400 m3，加砂量90 m3}。

4.2單井綜合甜度分析

焦石壩區(qū)塊7口井的頁巖氣甜度計算結(jié)果如表1所示。

表1焦石壩區(qū)塊7口井頁巖氣甜度計算結(jié)果

Table1Calculation results of sweetness for 7 shale gas wells in Jiaoshiba Block

井名地質(zhì)甜度工程甜度綜合甜度無阻流量/(104m3·d-1)A井0.260.290.2810.13B井0.360.620.5116.74C井0.400.660.5527.60D井0.340.520.4441.32E井0.561.000.8281.92F井0.390.740.59102.29G井0.390.720.58155.83

由表1可以看出，該氣田頁巖氣甜度與無阻流量具有正相關(guān)性。

圖2為焦石壩區(qū)塊部分頁巖氣井無阻流量與計算的頁巖氣地質(zhì)甜點和綜合甜度的關(guān)系。

圖2　焦石壩頁巖氣田部分井無阻流量與頁巖氣甜點和綜合甜度的關(guān)系Fig.2　Relation of open flow capacity with sweet spot and sweetness for shale gas wells in Jiaoshiba Area

由圖2可以看出，頁巖氣甜度與無阻流量的相關(guān)性高于地質(zhì)甜點與無阻流量的相關(guān)性。因此，可優(yōu)先選用甜度指標對目標區(qū)塊頁巖可壓性進行評價。

4.3單井不同段簇甜度分析

以焦頁H井為例，分別在地面計量產(chǎn)量為1.0×105m3/d和1.5×105m3/d的工作制度下進行水平井FSI產(chǎn)氣剖面測試，測試結(jié)果與甜度的對應(yīng)關(guān)系見圖3。由圖3可以看出，在兩種工作制度下，綜合甜度指標與氣井單段產(chǎn)氣量具有較好的正相關(guān)性，產(chǎn)量變化較大的壓裂段為第1、第2、第7、第10和第13段，其余壓裂段產(chǎn)氣量變化不大。該井僅第4段和第11段沒有產(chǎn)量貢獻，壓裂產(chǎn)氣有效段簇占比達88.2%，高于國外有效段簇的比例(1/2～2/3)，

圖3　焦頁H井產(chǎn)出剖面解釋成果與甜度的關(guān)系Fig.3　Relation between interpretation results of production profile and calculated sweetness for JY H shale gas well

獲得了較好的儲層改造效果。

以1.0×105m3/d工作制度為例，焦頁H井單段產(chǎn)量與頁巖氣甜點和綜合甜度的關(guān)系如圖4所示。

圖4　焦頁7-1HF井單段產(chǎn)量與頁巖氣甜點和甜度的關(guān)系Fig.4　Relation of staged production with sweet spot and sweetness for JY H shale gas well

由圖4可以看出，隨著綜合甜度的增加，該井單段產(chǎn)量有增大的趨勢，且綜合甜度與單段產(chǎn)量的正相關(guān)性比地質(zhì)甜點與單段產(chǎn)量的正相關(guān)性更強。因此，應(yīng)用綜合甜度進行段簇設(shè)計，有利于提高頁巖氣水平井分段壓裂效果。

5　結(jié)論與建議

1) 在地質(zhì)甜點與工程甜點的基礎(chǔ)上，提出了更具量化特征的地質(zhì)甜度及工程甜度的概念及計算方法，這對頁巖氣水平井分段壓裂段簇位置的優(yōu)選和最終的降本增效具有重要的現(xiàn)實意義。

2) 在計算甜度時，采用灰色關(guān)聯(lián)度法確定各相關(guān)獨立參數(shù)的權(quán)重分配，計算待評價區(qū)與標桿的相似度，即歐氏貼近度，并將其作為待評價區(qū)的地質(zhì)甜度和工程甜度，再用灰色關(guān)聯(lián)度法確定地質(zhì)甜度和工程甜度的權(quán)重分配后，可計算出綜合的甜度指標。

3) 涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊7口水平井的計算分析結(jié)果表明，與頁巖氣甜點相比，頁巖氣甜度與氣井壓后產(chǎn)量的正相關(guān)性更強。因此，可應(yīng)用頁巖氣甜度來指導(dǎo)水平井分段壓裂段簇位置的優(yōu)選。

4) 建議擴大頁巖氣甜度評價方法的應(yīng)用規(guī)模，不斷修正和完善該評價方法，以更好地提高頁巖氣水平井分段壓裂效果，實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)降本增效的目的。

致謝：在本文的撰寫過程中，中國石化石油工程技術(shù)研究院測錄井研究所劉雙蓮博士及儲層改造所蘇瑗同志給予了大量幫助，在些表示誠摯的謝意。

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BIAN Xiaobing,JIANG Tingxue，JIA Changgui，et al.A new post-fracturing evaluation method for shale gas wells based on fracturing curves[J].Natural Gas Industry，2016，36(2):60-65.

[編輯陳會年]

The Novel Technology of Shale Gas Play Evaluation—Sweetness Calculation Method

JIANG Tingxue1,2，BIAN Xiaobing1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing, 100101，China; 2.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101，China)

The evaluation results of a shale gas play based on geologic and engineering sweet spots can only show the probability of gas production after shale gas fracturing, while the production capacity after fracturing has no significant positive correlation with the sweet spot indicator. For this reason, the concept of geologic and engineering sweetness is proposed and corresponding calculation method is also provided in order to develop a “sweetness index”. It is necessary to set the benchmark for the highest geologic sweetness and engineering sweetness of the area to be evaluated, namely the collection of a series of optimum geological parameter combinations and engineering parameters, then to calculate the Euclid approach degree to indicate the similarity between the parameter combinations and the benchmark. Taking it as the geologic sweetness and engineering sweetness, we need to determine weighted distribution of geologic sweetness and engineering sweetness by means of grey correlation in order to obtain the aggregative sweetness indicator, or a “sweetness index”. The concept was applied to seven wells in Jiaoshiba Block of Fuling Shale Gas Field and results showed that gas production of clusters from each segment has significant positive correlation with geologic sweetness and engineering sweetness. According to results of the study and applications, geologic sweetness and engineering sweetness can be used in the quantitative evaluation of the gas production capacity of a shale gas play, which improves rationality and reliability of segment cluster selection in staged fracturing of horizontal shale gas wells and results in significant cost reduction and effectiveness of shale gas fracturing.

shale gas; fracturing; geologic sweetness; engineering sweetness; fracturing design; Jiaoshiba Block; Fuling Shale Gas Field

2016-06-28。

蔣廷學(xué)(1969—)，男，江蘇東海人，1991年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)采油工程專業(yè)，2007年獲中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所流體力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，教授級高級工程師，中國石化集團公司高級專家，主要從事水力壓裂理論與技術(shù)方面的研究。系本刊編委。E-mail：lffy-jtx@sohu.com。

國家自然科學(xué)基金項目“頁巖地層動態(tài)隨機裂縫控制機理與無水壓裂理論”(編號：51490653)和中國石化科技攻關(guān)項目“涪陵區(qū)塊頁巖氣層改造技術(shù)研究”(編號:P14091)資助。

doi:10.11911/syztjs.201604001

TE357.1+1

A

1001-0890(2016)04-0001-06

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