一種頁巖氣井壓后評估的遠井可壓指數評價方法

蘇 瑗，蔣廷學，卞曉冰，周 珺

（中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

頁巖氣屬于非常規油氣資源，是一種清潔、高效的能源資源，其常以吸附、游離等狀態賦存在低孔、低滲的頁巖儲層中。由于美國頁巖氣工業化開發的大規模發展，頁巖氣這一新興領域已在全球范圍受到了廣泛的關注，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豐富，初步估計我國頁巖氣可采資源量在36.1萬億立方米，近年來，隨著勘探開發技術的快速發展，我國已從頁巖氣開發的初期起步階段，晉升為繼美國和加拿大之后的第三個實現頁巖氣大規模開發的國家[1]。

與常規油氣資源開發相比，頁巖油氣的開采難度較大、改造工藝措施復雜。一般需采用水平井鉆井及體積壓裂才能將頁巖儲層進行有效的改造，最終實現商業化開發。眾所周知，由于頁巖礦物組分、巖石力學性質、天然裂縫發育情況等地質特征參數的差異性較大，使得頁巖儲層表現出較強的非均質性，增加了壓裂改造的難度。對于頁巖儲層的體積壓裂來說，人工裂縫的起裂與擴展是關鍵所在，其又與頁巖巖石的脆性及可壓性密切相關。現今，國內外的諸多學者已經在頁巖的脆性指數和可壓性指數上進行了多方面的研究，從室內的巖心分析、測井參數的推算及施工參數的反演等各種角度，量化表征頁巖儲層近井筒和遠井的脆性及可壓性。脆性的評價模型常用于壓前的儲層評價工作，是對將要進行壓裂施工的井段進行選位、優化施工參數及預測改造效果的一項具有針對性的研究工作。其無法在壓后評估中表征改造措施的適用性。對于壓后效果評估來說，除了研究和評價所形成的人工裂縫的形態和體積以外，分析和評估各項施工參數是否適應于某一類頁巖儲層，可否達到預期或者更高的壓后產量也是極為重要的工作之一。因此，本文通過對蔣廷學等提出的利用施工參數反演頁巖儲層遠井可壓指數模型進行改進，將各施工段的遠井可壓指數與測試產量等參數進行對比分析，探討基于施工參數的頁巖儲層遠井可壓性模型的準確性，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。

1 頁巖儲層脆性模型

巖石的脆性是指巖石受外力作用時表現出來的一種固有性質，通常用脆性指數來量化表征，反映了在壓裂改造過程中，人工裂縫起裂和延展的復雜及難易程度。對于頁巖儲層而言，脆性評價多用于壓裂改造施工前，是壓前可壓裂性評價的一項關鍵指標。頁巖脆性的大小對壓裂產生的誘導裂縫的形態產生很大的影響，通常，頁巖脆性越高，壓裂形成的裂縫網絡越復雜，可壓裂性越高。自1990年R.J.Evans對頁巖的脆性進行了定義后，國內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、分強度比值、全應力-應變特征、硬度或堅固性等的頁巖脆性指數表征模型（見表1）。

常用的脆性指數評價模型雖然應用廣泛、實用性強，但也仍具有一定的局限性。多數的頁巖脆性指數評價模型，如基于礦物組分和基于巖石力學參數的脆性指數計算模型，這兩種類型的計算模型應用范圍最為廣泛，但均是通過對北美地區Barnett區塊多口頁巖氣井的數據的收集和分析，并根據專業人員的經驗總結而得。對于頁巖儲層而言，同一區塊不同深度不同層位的礦物組分差異性明顯，若用于不同區塊，該方法的可指導性尚待進一步驗證。巖石力學參數亦是同理，礦物組成和含量的不同、TOC含量等儲層特征參數的差異均會對巖石的楊氏模量和泊松比產生明顯的影響，可造成不同樣品各項巖石力學參數的迥異，從而使得脆性指數計算結果存在一定偏差[2]。除此以外，室內進行礦物組分分析及巖石力學試驗所取的樣品位置、角度、形狀的不同，也會影響試驗所得數據，從而給脆性指數的計算帶來誤差。

表1 基于不同算法的頁巖脆性評價模型[3-5]

2 基于施工參數的遠井可壓指數計算模型

由于頁巖儲層非均質性強，物性條件較差，且裂縫發育程度低，常規的壓裂手段無法有效、廣泛的溝通儲集空間，需采用水平井體積壓裂，利用形態復雜、延伸范圍廣，并得到有效支撐的人工裂縫才能實現頁巖氣井的經濟有效開發。現有的脆性指數評價模型多由于壓前可壓性評估，且常用于評價的是近井筒范圍內巖石破裂的難易程度，鑒于頁巖儲層的特殊性，遠井地帶巖石的可壓裂性評價對于壓后評估的意義更為重要。雖然頁巖儲層遠井的地質特征參數獲取難度較大，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，加砂的數量也表征了人工裂縫體積及地層的容納能力。因此，對蔣廷學等提出了利用壓裂施工參數來反演頁巖儲層遠井可壓指數的計算模型[6]中所選取的參數進行部分調整，利用施工的液量及砂量，運用等效折算的方法將兩個參數進行標準化處理，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，該指數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一，但是粒徑會有明顯差異，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的計算具體公式如下：

2.1 壓裂液等效計算

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入人工裂縫。由于促使裂縫起裂和延展不易進行量化，在不同類型壓裂液的等效計算中，運用各類液體的攜砂性能進行量化的等效折算。

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 支撐劑等效計算

現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，在其進行等效計算時，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 遠井可壓指數計算

各施工段的遠井可壓指數是利用公式（1）和（2）得到的折算液量和折算砂量計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，經過上述公式折算后得到的砂液比數量級較小，需對所得到的綜合砂液比行歸一化處理，處理后的遠井可壓指數為0～1的數值。

3 遠井可壓指數在壓后評估中的應用

涪陵頁巖氣田位于重慶市涪陵區焦石鎮，屬川東褶皺帶，主要目的層為奧陶系五峰-龍馬溪組。目前，該區塊已有200余口井完成了壓裂施工，實現了頁巖氣水平井商業化經濟有效開發。

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泥巖，測井解釋其有機質含量為1.6%～4.8%，平均值為3.73%，孔隙度在0.5%～6.3%，硅質含量為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A井的后9段壓裂段進行了產能測試，各壓裂段的主要施工參數與后9段的測試產能（見表2）。

在壓裂施工過程中，現場施工曲線可快速并直觀的顯示施工措施對地層的效用，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層的連通情況。運用本文所述的遠井可壓指數模型計算A井后9段的可壓指數，并將其與所對應的開井壓差、停泵壓力及測試產能分別進行對比（見圖1～圖3），對比結果顯示，停泵壓力、遠井可壓指數以及各段的測試產量之間呈現正相關性，停泵壓力高的壓裂段遠井可壓指數相對較大，同時該段的測試產氣量也相對較高。開井壓差則與可壓指數、停泵壓力以及測試產量呈負相關性，開井壓差小的壓裂段，壓裂后的改造效果相對較好。利用該模型所求得的遠井可壓指數與該井的測試產能和開井壓差符合率可達80%以上。

表2 A井各段主要施工參數及測試產量

圖1 A井第13～21段開井壓差、停泵壓力及遠井可壓指數對比圖

圖2 A井第13～21段遠井可壓指數與測試產量對比圖

圖3 A井第13～21段開井壓差與測試產量對比圖

4 結論

（1）為了更準確的找到頁巖氣水平井的甜點位置，業界研究人員已建立了多種脆性評價和可壓性評價模型，但是由于頁巖儲層的獨特性質，各類模型在運用前應對研究區目的層的儲層特性進行分析，選取更為適用的模型開展評價；

（2）本文提出的遠井可壓指數的計算方法，利用了施工參數對頁巖儲層脆塑性的響應，建立了一種可評價遠井地帶壓裂施工效果的模型算法，通過實際壓裂施工井的驗證，該方法求得的各壓裂段可壓指數與測試產量吻合度較高，可用于頁巖氣井壓后效果的評價。