一種頁巖氣井壓后評(píng)估的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)評(píng)價(jià)方法

蘇 瑗，蔣廷學(xué)，卞曉冰，周 珺

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

頁巖氣屬于非常規(guī)油氣資源，是一種清潔、高效的能源資源，其常以吸附、游離等狀態(tài)賦存在低孔、低滲的頁巖儲(chǔ)層中。由于美國頁巖氣工業(yè)化開發(fā)的大規(guī)模發(fā)展，頁巖氣這一新興領(lǐng)域已在全球范圍受到了廣泛的關(guān)注，已然成為了全球能源格局中的重要組成部分。我國的頁巖氣資源也相當(dāng)豐富，初步估計(jì)我國頁巖氣可采資源量在36.1萬億立方米，近年來，隨著勘探開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，我國已從頁巖氣開發(fā)的初期起步階段，晉升為繼美國和加拿大之后的第三個(gè)實(shí)現(xiàn)頁巖氣大規(guī)模開發(fā)的國家[1]。

與常規(guī)油氣資源開發(fā)相比，頁巖油氣的開采難度較大、改造工藝措施復(fù)雜。一般需采用水平井鉆井及體積壓裂才能將頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行有效的改造，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。眾所周知，由于頁巖礦物組分、巖石力學(xué)性質(zhì)、天然裂縫發(fā)育情況等地質(zhì)特征參數(shù)的差異性較大，使得頁巖儲(chǔ)層表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性，增加了壓裂改造的難度。對(duì)于頁巖儲(chǔ)層的體積壓裂來說，人工裂縫的起裂與擴(kuò)展是關(guān)鍵所在，其又與頁巖巖石的脆性及可壓性密切相關(guān)?，F(xiàn)今，國內(nèi)外的諸多學(xué)者已經(jīng)在頁巖的脆性指數(shù)和可壓性指數(shù)上進(jìn)行了多方面的研究，從室內(nèi)的巖心分析、測(cè)井參數(shù)的推算及施工參數(shù)的反演等各種角度，量化表征頁巖儲(chǔ)層近井筒和遠(yuǎn)井的脆性及可壓性。脆性的評(píng)價(jià)模型常用于壓前的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作，是對(duì)將要進(jìn)行壓裂施工的井段進(jìn)行選位、優(yōu)化施工參數(shù)及預(yù)測(cè)改造效果的一項(xiàng)具有針對(duì)性的研究工作。其無法在壓后評(píng)估中表征改造措施的適用性。對(duì)于壓后效果評(píng)估來說，除了研究和評(píng)價(jià)所形成的人工裂縫的形態(tài)和體積以外，分析和評(píng)估各項(xiàng)施工參數(shù)是否適應(yīng)于某一類頁巖儲(chǔ)層，可否達(dá)到預(yù)期或者更高的壓后產(chǎn)量也是極為重要的工作之一。因此，本文通過對(duì)蔣廷學(xué)等提出的利用施工參數(shù)反演頁巖儲(chǔ)層遠(yuǎn)井可壓指數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn)，將各施工段的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)與測(cè)試產(chǎn)量等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討基于施工參數(shù)的頁巖儲(chǔ)層遠(yuǎn)井可壓性模型的準(zhǔn)確性，從而為頁巖氣井的壓裂施工方案的制定等各方面提供理論依據(jù)。

1 頁巖儲(chǔ)層脆性模型

巖石的脆性是指巖石受外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的一種固有性質(zhì)，通常用脆性指數(shù)來量化表征，反映了在壓裂改造過程中，人工裂縫起裂和延展的復(fù)雜及難易程度。對(duì)于頁巖儲(chǔ)層而言，脆性評(píng)價(jià)多用于壓裂改造施工前，是壓前可壓裂性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。頁巖脆性的大小對(duì)壓裂產(chǎn)生的誘導(dǎo)裂縫的形態(tài)產(chǎn)生很大的影響，通常，頁巖脆性越高，壓裂形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，可壓裂性越高。自1990年R.J.Evans對(duì)頁巖的脆性進(jìn)行了定義后，國內(nèi)外的研究人員相繼提出了多種基于礦物組分、楊氏模量和泊松比、分強(qiáng)度比值、全應(yīng)力-應(yīng)變特征、硬度或堅(jiān)固性等的頁巖脆性指數(shù)表征模型（見表1）。

常用的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)模型雖然應(yīng)用廣泛、實(shí)用性強(qiáng)，但也仍具有一定的局限性。多數(shù)的頁巖脆性指數(shù)評(píng)價(jià)模型，如基于礦物組分和基于巖石力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)計(jì)算模型，這兩種類型的計(jì)算模型應(yīng)用范圍最為廣泛，但均是通過對(duì)北美地區(qū)Barnett區(qū)塊多口頁巖氣井的數(shù)據(jù)的收集和分析，并根據(jù)專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而得。對(duì)于頁巖儲(chǔ)層而言，同一區(qū)塊不同深度不同層位的礦物組分差異性明顯，若用于不同區(qū)塊，該方法的可指導(dǎo)性尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。巖石力學(xué)參數(shù)亦是同理，礦物組成和含量的不同、TOC含量等儲(chǔ)層特征參數(shù)的差異均會(huì)對(duì)巖石的楊氏模量和泊松比產(chǎn)生明顯的影響，可造成不同樣品各項(xiàng)巖石力學(xué)參數(shù)的迥異，從而使得脆性指數(shù)計(jì)算結(jié)果存在一定偏差[2]。除此以外，室內(nèi)進(jìn)行礦物組分分析及巖石力學(xué)試驗(yàn)所取的樣品位置、角度、形狀的不同，也會(huì)影響試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，從而給脆性指數(shù)的計(jì)算帶來誤差。

表1 基于不同算法的頁巖脆性評(píng)價(jià)模型[3-5]

2 基于施工參數(shù)的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)計(jì)算模型

由于頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，物性條件較差，且裂縫發(fā)育程度低，常規(guī)的壓裂手段無法有效、廣泛的溝通儲(chǔ)集空間，需采用水平井體積壓裂，利用形態(tài)復(fù)雜、延伸范圍廣，并得到有效支撐的人工裂縫才能實(shí)現(xiàn)頁巖氣井的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)?，F(xiàn)有的脆性指數(shù)評(píng)價(jià)模型多由于壓前可壓性評(píng)估，且常用于評(píng)價(jià)的是近井筒范圍內(nèi)巖石破裂的難易程度，鑒于頁巖儲(chǔ)層的特殊性，遠(yuǎn)井地帶巖石的可壓裂性評(píng)價(jià)對(duì)于壓后評(píng)估的意義更為重要。雖然頁巖儲(chǔ)層遠(yuǎn)井的地質(zhì)特征參數(shù)獲取難度較大，但是，頁巖氣井壓裂施工過程中，壓裂液的使用量亦可反映裂縫開啟和延展，同時(shí)，加砂的數(shù)量也表征了人工裂縫體積及地層的容納能力。因此，對(duì)蔣廷學(xué)等提出了利用壓裂施工參數(shù)來反演頁巖儲(chǔ)層遠(yuǎn)井可壓指數(shù)的計(jì)算模型[6]中所選取的參數(shù)進(jìn)行部分調(diào)整，利用施工的液量及砂量，運(yùn)用等效折算的方法將兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用支撐劑量與近地層的所有壓裂液量的比值大小求得各施工段簇的可壓指數(shù)，該指數(shù)不僅可表征人工裂縫起裂及延展的情況，還可直觀反映頁巖地層壓裂施工的難易程度，以及壓裂工藝措施的適應(yīng)性。

目前，頁巖氣水平井壓裂常用的主要液體體系為低～中黏滑溜水和超低濃度膠液兩種。支撐劑雖然在同一口井的施工過程中類型統(tǒng)一，但是粒徑會(huì)有明顯差異，在頁巖氣井中主要使用的是30/50目、40/70目以及70/140目三種不同粒徑的支撐劑。鑒于液體類型和支撐劑粒徑的差異，等效折算和可壓指數(shù)的計(jì)算具體公式如下：

2.1 壓裂液等效計(jì)算

在頁巖氣井壓裂施工中，壓裂液的主要作用為促使人工裂縫的起裂、延展和攜帶支撐劑進(jìn)入人工裂縫。由于促使裂縫起裂和延展不易進(jìn)行量化，在不同類型壓裂液的等效計(jì)算中，運(yùn)用各類液體的攜砂性能進(jìn)行量化的等效折算。

砂量與液量的比值常用來表征壓裂液的攜砂能力，利用不同液體在最大施工排量下，所攜砂的最大砂液比間的關(guān)系，將攜砂膠液體積折算等效成滑溜水體積，具體公式如下：

2.2 支撐劑等效計(jì)算

現(xiàn)在頁巖氣壓裂施工中用量最大的支撐劑尺寸為40目～70目，因此，在其進(jìn)行等效計(jì)算時(shí)，利用不同尺寸支撐劑的平均粒徑，將所用其他尺寸支撐劑均折算成為40/70目的主支撐劑，具體公式如下：

2.3 遠(yuǎn)井可壓指數(shù)計(jì)算

各施工段的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)是利用公式（1）和（2）得到的折算液量和折算砂量計(jì)算得到的砂液比來表征。綜合砂液比公式如下：

式中：R'-折算后的綜合砂液比。

需注意的是，在頁巖氣井現(xiàn)場施工中，所用的壓裂液量一般較大，單段的施工液量往往是砂量的10倍左右。因此，經(jīng)過上述公式折算后得到的砂液比數(shù)量級(jí)較小，需對(duì)所得到的綜合砂液比行歸一化處理，處理后的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)為0～1的數(shù)值。

3 遠(yuǎn)井可壓指數(shù)在壓后評(píng)估中的應(yīng)用

涪陵頁巖氣田位于重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)，屬川東褶皺帶，主要目的層為奧陶系五峰-龍馬溪組。目前，該區(qū)塊已有200余口井完成了壓裂施工，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣水平井商業(yè)化經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

A井為涪陵頁巖氣田的一口頁巖氣水平井，該井位于焦石壩背斜帶構(gòu)造高部位，目的層位為龍馬溪組中下部-五峰組，巖性主要是灰黑色碳質(zhì)泥巖，測(cè)井解釋其有機(jī)質(zhì)含量為1.6%～4.8%，平均值為3.73%，孔隙度在0.5%～6.3%，硅質(zhì)含量為50.9%～80.3%，含氣量0.47 m3/t～5.19 m3/t。該井壓裂改造水平段長度為1 499 m，共開展了21段的壓裂施工。2014年8月對(duì)A井的后9段壓裂段進(jìn)行了產(chǎn)能測(cè)試，各壓裂段的主要施工參數(shù)與后9段的測(cè)試產(chǎn)能（見表2）。

在壓裂施工過程中，現(xiàn)場施工曲線可快速并直觀的顯示施工措施對(duì)地層的效用，除此以外，各段施工曲線停泵壓力和開井壓力的差值（簡稱為開井壓差）也能反映改造后人工裂縫與儲(chǔ)層的連通情況。運(yùn)用本文所述的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)模型計(jì)算A井后9段的可壓指數(shù)，并將其與所對(duì)應(yīng)的開井壓差、停泵壓力及測(cè)試產(chǎn)能分別進(jìn)行對(duì)比（見圖1～圖3），對(duì)比結(jié)果顯示，停泵壓力、遠(yuǎn)井可壓指數(shù)以及各段的測(cè)試產(chǎn)量之間呈現(xiàn)正相關(guān)性，停泵壓力高的壓裂段遠(yuǎn)井可壓指數(shù)相對(duì)較大，同時(shí)該段的測(cè)試產(chǎn)氣量也相對(duì)較高。開井壓差則與可壓指數(shù)、停泵壓力以及測(cè)試產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)性，開井壓差小的壓裂段，壓裂后的改造效果相對(duì)較好。利用該模型所求得的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)與該井的測(cè)試產(chǎn)能和開井壓差符合率可達(dá)80%以上。

表2 A井各段主要施工參數(shù)及測(cè)試產(chǎn)量

圖1 A井第13～21段開井壓差、停泵壓力及遠(yuǎn)井可壓指數(shù)對(duì)比圖

圖2 A井第13～21段遠(yuǎn)井可壓指數(shù)與測(cè)試產(chǎn)量對(duì)比圖

圖3 A井第13～21段開井壓差與測(cè)試產(chǎn)量對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）為了更準(zhǔn)確的找到頁巖氣水平井的甜點(diǎn)位置，業(yè)界研究人員已建立了多種脆性評(píng)價(jià)和可壓性評(píng)價(jià)模型，但是由于頁巖儲(chǔ)層的獨(dú)特性質(zhì)，各類模型在運(yùn)用前應(yīng)對(duì)研究區(qū)目的層的儲(chǔ)層特性進(jìn)行分析，選取更為適用的模型開展評(píng)價(jià)；

（2）本文提出的遠(yuǎn)井可壓指數(shù)的計(jì)算方法，利用了施工參數(shù)對(duì)頁巖儲(chǔ)層脆塑性的響應(yīng)，建立了一種可評(píng)價(jià)遠(yuǎn)井地帶壓裂施工效果的模型算法，通過實(shí)際壓裂施工井的驗(yàn)證，該方法求得的各壓裂段可壓指數(shù)與測(cè)試產(chǎn)量吻合度較高，可用于頁巖氣井壓后效果的評(píng)價(jià)。