非常規(guī)氣藏儲(chǔ)層改造體積評(píng)價(jià)方法研究

羅睿喬

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000)

非常規(guī)油氣藏中蘊(yùn)含著相當(dāng)一部分石油和天然氣資源。但這類非常規(guī)油氣藏通常地質(zhì)即流動(dòng)特征極其復(fù)雜，構(gòu)建相應(yīng)精確的地質(zhì)和流動(dòng)模型一直是油氣藏建模和模擬的難點(diǎn)。另外，非常規(guī)油氣藏的開發(fā)和生產(chǎn)，基本上依賴于人工干預(yù)措施，如人工水力壓裂等，其開發(fā)特點(diǎn)是人工水力壓裂產(chǎn)生的近井段改造體積決定單井產(chǎn)能和油氣天區(qū)塊的生產(chǎn)潛力，而如何準(zhǔn)確的定量評(píng)價(jià)近井段儲(chǔ)層改造體積是壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

微地震壓裂監(jiān)測(cè)是近年來低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)[1-2]。每一次微裂縫開啟都對(duì)應(yīng)著一個(gè)微地震事件，通過對(duì)微地震信號(hào)進(jìn)行解釋，即可確定起裂點(diǎn)位置和破裂能量。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)壓裂動(dòng)態(tài)和評(píng)估壓裂結(jié)果。目前基于微地震解釋結(jié)果進(jìn)行壓裂縫網(wǎng)重構(gòu)的研究可以分為2類[3-4]，首先是使用PKN、KGD、P3D等巖石破裂模型，結(jié)合巖石的機(jī)械力學(xué)特性及壓裂液物性，使用有限元方法或邊界元方法對(duì)裂縫開裂動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬，并與微地震結(jié)果進(jìn)行擬合。該方法計(jì)算量較大，且無法充分利用微地震信息；其次是根據(jù)微地震點(diǎn)位置的宏觀趨勢(shì)，使用線性擬合，獲得主裂縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，圖中灰點(diǎn)為微地震點(diǎn)，青色直線為根據(jù)微地震點(diǎn)的聚集程度和趨勢(shì)擬合出的裂縫網(wǎng)絡(luò)。該方法可以迅速得到一個(gè)可以用于油藏?cái)?shù)值模擬的壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)，但該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)受研究者主觀影響較大：選擇不同的主裂縫條數(shù)、位置，擬合得出的縫網(wǎng)完全不同。其次，頁巖氣開發(fā)中的壓裂屬于體積壓裂，整個(gè)SRV被微裂縫系統(tǒng)溝通，而該方法將壓裂結(jié)果簡(jiǎn)化為一稀疏的主裂縫網(wǎng)，這與現(xiàn)有的SRV理論不符。因此本文構(gòu)建了結(jié)合微地震數(shù)據(jù)的縫網(wǎng)重構(gòu)算法，并在此基礎(chǔ)上提出基于壓力場(chǎng)的SRV計(jì)算方法，最后將該方法用于礦場(chǎng)實(shí)際。

1 縫網(wǎng)重構(gòu)算法

1.1 壓裂縫網(wǎng)擴(kuò)展特征

多級(jí)壓裂技術(shù)使用封堵球或限流技術(shù)分隔儲(chǔ)層不同位置，并分段施工，各段裂縫依次開裂。壓裂過程產(chǎn)生1條或多條主裂縫，同時(shí)在其側(cè)向強(qiáng)制形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續(xù)分枝形成二級(jí)次生裂縫。主裂縫與多級(jí)次生裂縫形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并與天然裂縫、巖石層理溝通，使儲(chǔ)層基質(zhì)與裂縫面的接觸面積最大化。Beugelsdijk等[5-6]也通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了復(fù)雜裂縫網(wǎng)的存在。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖1)，使用低黏度壓裂液時(shí)，裂縫延伸方向上沒有主裂縫存在，裂縫沿天然裂縫起裂延伸；而采用高粘度壓裂液時(shí)明顯存在主裂縫，且水力裂縫幾乎不與天然裂縫發(fā)生作用。同時(shí)可以看出，壓裂裂縫主要成樹形從起裂點(diǎn)向外擴(kuò)展。

圖1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of laboratory experimental results

1.2 縫網(wǎng)重構(gòu)算法流程

破裂生長(zhǎng)樹方法需要解決的技術(shù)問題是，根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，重構(gòu)出微裂縫網(wǎng)的連通關(guān)系；在復(fù)雜微裂縫網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立離散裂縫地質(zhì)模型并進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)值模擬。算法的具體流程如圖2所示。

圖2 破裂樹生長(zhǎng)法技術(shù)流程Fig.2 Technical process of "the growth of a complex treelike form of fracture network"

(1)對(duì)水力壓裂過程中微地震監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，剔除不合理的微震點(diǎn)。并將各壓裂段的壓裂點(diǎn)整理成順序發(fā)生的時(shí)間序列。以其中任一段壓裂為例，將其所有微地震點(diǎn)的時(shí)間序列記為P，其中各點(diǎn)pi(i=1，…，n)依次發(fā)生。

對(duì)研究區(qū)微地震點(diǎn)篩查與不合理數(shù)據(jù)剔除，主要方式如下：①能量篩查：找出微震能量在合理區(qū)間內(nèi)的事件。在微地震解釋時(shí)進(jìn)行。②位置篩查：沿破裂事件序列，剔除距離過遠(yuǎn)的事件點(diǎn)。在裂縫重構(gòu)過程中進(jìn)行。

(2)分別以各壓裂段起裂點(diǎn)(投球滑套或壓差滑套位置)為起點(diǎn)，迭代重構(gòu)微裂縫網(wǎng)絡(luò)N，方法如下：①縫網(wǎng)N最初為空集。第一步將起裂點(diǎn)p0作為初始裂縫網(wǎng)加入N；②選擇微震事件序列P中序號(hào)i最小的點(diǎn)pi為研究對(duì)象，計(jì)算已有裂縫網(wǎng)N中所有線段到pi最近的點(diǎn)q；③如果q本來就是N中某條線段的端點(diǎn)，則直接將線段piq加入N。否則，q即為N中某線段(記為ab)的內(nèi)點(diǎn)，此時(shí)首先將原線段ab拆成aq和qb兩條線段，再將piq加入N；④從事件序列P中刪除pi；⑤重復(fù)步驟②、③、④，直到序列P成為空集。

(3)根據(jù)微地震點(diǎn)的能量e計(jì)算N中各微裂縫段的開度a和滲透率k，計(jì)算公式為a=Dln(e/e0)和k=a2/12。其中比例系數(shù)D根據(jù)以下步驟擬合得到。

(4)將各壓裂段的微裂縫網(wǎng)合并，并在此縫網(wǎng)基礎(chǔ)上建立離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。

(5)以該模型為基礎(chǔ)進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)值模擬，并與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史擬合，確定步驟(3)中比例系數(shù)D。

(6)數(shù)模計(jì)算直至系統(tǒng)達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)，選取其壓力場(chǎng)，并求取油藏所有點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)。

(7)計(jì)算該統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)的拐點(diǎn)，作為SRV的邊界壓力。繪制該壓力的等值線圖，則即為此次壓裂產(chǎn)生的SRV范圍。

2 基于壓力場(chǎng)的SRV計(jì)算方法

2.1 SRV評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

2004年，F(xiàn)isher等[7-10]研究了利用微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)來優(yōu)化完善Barnett 頁巖水平井壓裂技術(shù)等問題，大量的裂縫測(cè)試表明橫切縫是產(chǎn)生裂縫體積的主要部分，同時(shí)給出了直井網(wǎng)絡(luò)裂縫典型圖，并用“通道長(zhǎng)度”和“通道寬度”來表征裂縫擴(kuò)展的長(zhǎng)度和寬度，數(shù)據(jù)表明這些通道長(zhǎng)度可達(dá)1 600 m，寬度可達(dá)366 m。2006 年，Mayerhofer等[11-13]研究了Barnett頁巖的微地震技術(shù)與壓裂裂縫變化時(shí)，第1 次用到改造的油藏體積(Stimulated Reservoir Volume，簡(jiǎn)稱SRV)這個(gè)概念，研究了不同SRV 與累積產(chǎn)量的關(guān)系，以及相應(yīng)的裂縫間距、導(dǎo)流等參數(shù)，總結(jié)提出了通過增加水平井筒長(zhǎng)度、增大施工規(guī)模、增加改造段數(shù)、轉(zhuǎn)向、多井同步壓裂、重復(fù)壓裂等方式實(shí)現(xiàn)增大改造體積、提高采出程度的技術(shù)思路。大量研究表明，儲(chǔ)層改造體積越大，增產(chǎn)效果越明顯，儲(chǔ)層的改造體積與增產(chǎn)效果具有顯著的正相關(guān)性。2008年，Mayerhofer等則第1 次在標(biāo)題中正式提出了“什么是改造的油藏體積”的問題，總結(jié)了以往微地震研究的一些初步認(rèn)識(shí)，對(duì)改造體積進(jìn)行了計(jì)算，提出大縫網(wǎng)、小裂縫間距，并配合合適的導(dǎo)流能力是低滲透頁巖氣藏獲得最好改造效果的關(guān)鍵。Mayerhofer等雖然提出了什么是改造的油藏體積，但在改造體積(SRV)的計(jì)算上仍然只是簡(jiǎn)單的等同于微地震偵測(cè)點(diǎn)的包絡(luò)體，而裂縫的間距和真實(shí)分布等關(guān)鍵信息無法影響SRV的計(jì)算結(jié)果，這一點(diǎn)是需要改進(jìn)的。在之前研究中，對(duì)于改造體積(SRV)的計(jì)算，常常是以最邊界的裂縫點(diǎn)為外邊界，將該面積分割為許多寬度一定的小矩形，之后求和計(jì)算面積(SRA)。之后乘以其地層的深度，可以得到改造體積(SRV)。

但是，考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程，流體的流動(dòng)是受基質(zhì)和裂縫總壓力的分布的影響，所以單純的由最外界構(gòu)成的裂縫面積并不能完全描述實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)流體流動(dòng)的影響。所以本研究嘗試一種新方法，根據(jù)生產(chǎn)過程中壓力的分布來確定SRV的范圍。

2.2 方法原理

在不同壓裂階段分別打一口井，定產(chǎn)生產(chǎn)，當(dāng)生產(chǎn)一定時(shí)間后看壓力的分布，根據(jù)分布圖確定SRV的范圍。由于生產(chǎn)過程沒有達(dá)到“穩(wěn)態(tài)”的時(shí)候不具有代表性，所以本研究取達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)的時(shí)間時(shí)的壓力分布作為分析樣本。當(dāng)油藏定產(chǎn)量生產(chǎn)達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)時(shí)，全場(chǎng)壓力同步下降，壓力的相對(duì)大小不變。因此可以根據(jù)此段時(shí)間的壓力分布確定SRV的邊界及體積。由于擬穩(wěn)態(tài)中各網(wǎng)格點(diǎn)相對(duì)壓力差不變，所以我們?nèi)【缀蛪毫逊秶鷥?nèi)的某一網(wǎng)格，當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)格之差隨時(shí)間變化為定值的時(shí)候可以認(rèn)為達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)，并找到該時(shí)刻下的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的傳導(dǎo)率分布。根據(jù)離散方程：

T·▽P=A

式中，T為傳導(dǎo)率；P為該網(wǎng)格及相鄰網(wǎng)格的壓力；A為該網(wǎng)格的累計(jì)項(xiàng)(考慮壓縮性)。

在已經(jīng)知道傳導(dǎo)率和網(wǎng)格體積的情況下，解出壓力場(chǎng)中壓力分布。雖然傳導(dǎo)率會(huì)隨著時(shí)間變化而變化(壓力改變，粘度等參數(shù)也會(huì)改變)，但是由于在累計(jì)項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間改變，而壓力場(chǎng)的相對(duì)分布不變，所以即使取擬穩(wěn)態(tài)中不同時(shí)刻的傳導(dǎo)率值，求解的壓力場(chǎng)不同，但是壓力場(chǎng)相對(duì)分布相對(duì)，則確定的SRV邊界也相同，所以擬穩(wěn)態(tài)中取不同時(shí)間的傳導(dǎo)率對(duì)SRV的確定沒有影響。

任取擬穩(wěn)態(tài)中某一時(shí)刻的壓力分布，做出其累計(jì)概率密度分布圖(CDF)。由于工業(yè)界SRV邊界會(huì)幾種取法[14-17]，一般取CDF為0.9或0.5。但是0.9的取法過于樂觀，在實(shí)際生產(chǎn)中不因?yàn)榉歉脑靺^(qū)域滲透率很低，所以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的壓力漏斗區(qū)應(yīng)該只存在場(chǎng)中改造位置，靠邊界區(qū)域的壓力不變。所以不會(huì)出現(xiàn)在全場(chǎng)達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)，壓力統(tǒng)一下降的情況。所以這里保守估計(jì)SRV體積時(shí)邊界取CDF取0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力(圖3)。之后找出壓力比該值小的四面體網(wǎng)格，把這些網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的體積相加，得到SRV。

圖3 基于累積概率密度函數(shù)確定臨界壓力Fig.3 Determine critical pressure based on cumulative probability density function

3 礦場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

3.1 長(zhǎng)寧201井區(qū)開發(fā)概況

長(zhǎng)寧201井為水平生產(chǎn)井，水平段全長(zhǎng)1 400 m，深度2 100 m。主要鉆遇龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)層平均厚度50m。龍馬溪組頁巖埋藏較深、熱演化程度較高、含氣量較低、儲(chǔ)層較致密[18-19]。該層頁巖上部為藍(lán)灰色、黃綠色泥質(zhì)或粉砂質(zhì)頁巖，下部為黑色筆石頁巖，天然斷層、裂縫發(fā)育，可壓裂性較高。N201井共分10段進(jìn)行水力壓裂，壓裂過程中通過微地震技術(shù)檢測(cè)縫網(wǎng)破裂過程，微地震數(shù)據(jù)顯示壓后形成復(fù)雜的微裂縫網(wǎng)絡(luò)。對(duì)微地震點(diǎn)進(jìn)行觀察知，該井貫穿一天然斷層。地震螞蟻體數(shù)據(jù)表明，該井區(qū)存在數(shù)條天然大裂縫(圖4)。因此，斷層、天然大裂縫、微裂縫網(wǎng)絡(luò)形成多尺度裂縫系統(tǒng)，需要分別加以刻畫。并且該井區(qū)需要使用離散裂縫模型進(jìn)行描述，才能夠精確刻畫裂縫對(duì)流動(dòng)過程的影響。

圖4 螞蟻體數(shù)據(jù)斷層重構(gòu)效果Fig.4 Effect of fault reconstruction of ant body data

3.2 N201井縫網(wǎng)重構(gòu)

N201井共分10段進(jìn)行壓裂，每段3～4簇，壓裂過程持續(xù)8 d。壓裂過程中全程使用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行裂縫破裂監(jiān)測(cè)。將壓裂產(chǎn)生的微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入地質(zhì)建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察和分析可知，微地震事件有局部聚集特征，反映有斷層存在。因此在進(jìn)行后續(xù)的微裂縫網(wǎng)重構(gòu)前需要首先將斷層提取出來。考慮到該斷層處微地震事件較多，推測(cè)其為開放斷層。且經(jīng)過水力壓裂打開原天然微裂縫后，滲透性增加。因此在后期的數(shù)模中，設(shè)置其孔隙度0.5，滲透率100 μm2。提取完斷層后，剩余的微地震點(diǎn)與斷層面之間的位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 斷層與剩余微地震點(diǎn)位置關(guān)系Fig.5 Relationship between fault and remaining micro-seismic points

N201井共分10段進(jìn)行壓裂，每段共3～4簇。根據(jù)各壓裂段的射孔位置(起裂點(diǎn))，即可應(yīng)用破裂樹生長(zhǎng)法獨(dú)立重構(gòu)出各段的壓裂縫網(wǎng)。運(yùn)行算法后，即可重構(gòu)出微裂縫網(wǎng)(圖6、圖7)。使用外部程序(如matlab、tecplot等)呈現(xiàn)生成結(jié)果如下。

圖6 模塊重構(gòu)出的微裂縫網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Micro-crack network reconstructed

圖7 微裂縫片的滲透率分布Fig.7 Permeability distribution of microfractures

綜上所述，共建立了3級(jí)裂縫系統(tǒng)，即天然大裂縫4條，斷層1條，以及壓裂形成的微裂縫網(wǎng)絡(luò)1組(圖8)。

圖8 建模過程中用到的三組裂縫面Fig.8 Three sets of fracture surfaces used in the modeling process

建模過程中，這3組裂縫面的滲流屬性為：①斷層面(孔隙度0.5，滲透率100 μm2)；②微地震點(diǎn)連成的微裂縫網(wǎng)絡(luò)(孔隙度0.5，滲透率根據(jù)微震能量計(jì)算，大部分在1 μm2左右)；③根據(jù)螞蟻體識(shí)別出的天然裂縫(孔隙度1.0，滲透率1 000 μm2)。不同類型、級(jí)別的裂縫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，即可建立地質(zhì)模型。由于原地質(zhì)模型沒有基質(zhì)孔、滲等屬性。根據(jù)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層的一般特征，先賦滲透率10-6μm2，孔隙度3%進(jìn)行地質(zhì)建模。

3.3 數(shù)值模擬產(chǎn)能預(yù)測(cè)

根據(jù)層狀離散裂縫模型建模結(jié)果，進(jìn)行數(shù)值模擬歷史擬合，在獲得最佳擬合結(jié)果后，即可使用該結(jié)果對(duì)N201井未來的生產(chǎn)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。為達(dá)此目的，繼續(xù)保持保持N201井放噴生產(chǎn)，持續(xù)計(jì)算30年。計(jì)算結(jié)果如下(圖9)，從模擬結(jié)果可以看出，N201井的產(chǎn)氣量衰減很快，但生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，符合典型頁巖氣井的生產(chǎn)規(guī)律。

圖9 后續(xù)30年生產(chǎn)數(shù)據(jù)Fig.9 Production forecast for next 30 years

3.4 基于擬合結(jié)果的SRV評(píng)價(jià)

以往研究中，通常以微地震點(diǎn)的外邊界作為SRV的界限[20-22]。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，流動(dòng)受基質(zhì)和裂縫總壓力場(chǎng)的控制，而壓力場(chǎng)不但受裂縫區(qū)域邊界影響，還受裂縫疏密分布、透率分布等影響，甚至與裂縫—基質(zhì)滲透率、孔隙度極差有關(guān)，必須進(jìn)行綜合考慮。

N201井使用擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)特定的壓力等值線來確定SRV范圍，將SRV的邊界定義在壓降漏斗最劇烈的地方(圖10)。為確定系統(tǒng)進(jìn)入擬穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，繪制產(chǎn)量Q與油藏平均壓力降Δp的比值(圖11)?？梢姰?dāng)生產(chǎn)時(shí)間超過3年后，Q/Δp基本穩(wěn)定，可以認(rèn)為系統(tǒng)已達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。選擇此后任一時(shí)刻t的壓力場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖10 衰竭開發(fā)3年后各網(wǎng)格層壓降漏斗Fig.10 Pressure drop funnel of each layer for exhaustion development after three years

圖11 模擬得到的Q/Δp與時(shí)間的關(guān)系Fig.11 Relationship between Q/Δp obtained by simulation and time

生產(chǎn)時(shí)間超過4年以后，Q/Δp的值基本維持穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到擬穩(wěn)態(tài)。再在研究工區(qū)內(nèi)取n個(gè)均勻分布的代表點(diǎn)(n>10 000)，并通過插值計(jì)算其在t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的壓力值，對(duì)其壓力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖12所示。圖12中，實(shí)線為概率密度函數(shù)；虛線為累積分布函數(shù)。

圖12 儲(chǔ)層壓力的分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.12 Distribution statistics of reservoir pressure

擇壓力累積分布函數(shù)的拐點(diǎn)31.19 MPa，作為SRV的分界線，以拐點(diǎn)壓力繪制壓力等值線，即為該工區(qū)壓裂改造后的SRV范圍。將該范圍內(nèi)所有網(wǎng)格的體積累加，就可計(jì)算出SRV體積為0.052 1 km3。

4 結(jié)論

(1)破裂生長(zhǎng)樹縫網(wǎng)重構(gòu)算法可充分結(jié)合微地震數(shù)據(jù)，重構(gòu)縫網(wǎng)符合壓裂裂縫主要成樹形從起裂點(diǎn)向外擴(kuò)展的分布特征，縫網(wǎng)刻畫還原度高。在重構(gòu)縫網(wǎng)的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬的產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果符合典型頁巖氣井的生產(chǎn)規(guī)律。

(2)基于壓力場(chǎng)的SRV分析方法區(qū)別于以微地震點(diǎn)的外邊界作為SRV的界限的通常分析方法，充分考慮了實(shí)際生產(chǎn)過程中壓力場(chǎng)對(duì)SRV的控制作用，計(jì)算的SRV更加符合實(shí)際生產(chǎn)規(guī)律。

(3)形成一整套基于微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果的非常規(guī)氣藏體積改造評(píng)價(jià)及產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法體系，為非常規(guī)氣田開發(fā)提供關(guān)鍵的技術(shù)保障。