基于層次分析法的致密砂巖儲(chǔ)層可壓性綜合評(píng)價(jià)

張 沖， 夏富國(guó)， 夏玉琴， 周小林

(1中國(guó)石油化工股份有限公司東北油氣分公司石油工程環(huán)保技術(shù)研究院 2油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 3中石油西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部 4中石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的大規(guī)模成功開發(fā)，頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)逐步被引用到致密氣等非常規(guī)儲(chǔ)層改造中。體積壓裂技術(shù)是頁(yè)巖儲(chǔ)層改造的重要手段，通過(guò)有針對(duì)性的引導(dǎo)水力裂縫溝通儲(chǔ)層中的天然裂縫等地質(zhì)弱面，重新開啟或延伸天然裂縫，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加儲(chǔ)層改造體積，獲得較好經(jīng)濟(jì)效益。但對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層是否能形成有效改造體積，目前仍沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和一套可靠有效的方法，需要針對(duì)盆地儲(chǔ)層特征，探索與試驗(yàn)有效的體積壓裂設(shè)計(jì)模式[1]。本次研究充分結(jié)合致密砂巖儲(chǔ)層特性和裂縫擴(kuò)展特點(diǎn)，重點(diǎn)評(píng)價(jià)巖石力學(xué)脆性指數(shù)、礦物脆性、天然裂縫、水平差應(yīng)力系數(shù)、斷裂韌性以及隔層遮擋6個(gè)參數(shù)，通過(guò)層次分析法可全面、準(zhǔn)確判斷儲(chǔ)層的可壓性，對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層科學(xué)選段選層，綜合提高開發(fā)效益，具有重要指導(dǎo)意義。

1 致密砂巖體積壓裂可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)

唐穎[2]等人在K.K.Chong的可壓性概念基礎(chǔ)上，提出了考慮頁(yè)巖脆性、石英含量等因素的頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)系數(shù)。Mike J.Mullen[3]認(rèn)為可壓性應(yīng)綜合考慮儲(chǔ)層沉積特征、礦物含量組成。陳勉[4]等從巖石力學(xué)的角度，評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓性。袁俊亮[5]等人建立了考慮脆性指數(shù)、斷裂韌性及巖石力學(xué)特征的可壓性指數(shù)模型。基于國(guó)內(nèi)外研究成果及頁(yè)巖氣開發(fā)實(shí)踐，結(jié)合砂巖儲(chǔ)層裂縫擴(kuò)展特點(diǎn)，重點(diǎn)評(píng)價(jià)包括脆性指數(shù)、隔層應(yīng)力等6個(gè)參數(shù)。其中巖石力學(xué)脆性指數(shù)采用Rickman[6]的計(jì)算方法，脆性礦物含量采用Larry[7]等人給出的礦物學(xué)的方法計(jì)算。根據(jù)鄂爾多斯盆地經(jīng)驗(yàn)，砂巖礦物脆性指數(shù)一般超過(guò)40%就認(rèn)為儲(chǔ)層具有一定的脆性。天然裂縫發(fā)育情況采用掃描電鏡和CT掃描獲取，其余指標(biāo)通過(guò)巖石力學(xué)及地應(yīng)力參數(shù)計(jì)算獲得。表1為某致密砂巖氣藏4口候選井的可壓性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表，對(duì)比體積縫可壓性指標(biāo)，4口井均未全滿足要求，且難以抉擇最優(yōu)候選井。

2 層次分析法評(píng)價(jià)儲(chǔ)層可壓性

層次分析法(AHP)是一種層次權(quán)重決策分析方法[8]，它把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解成組成因素，并按支配關(guān)系形成層次結(jié)構(gòu)，然后應(yīng)用兩兩比較的方法，計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的相對(duì)重要性，最終判斷最佳方案。

表1 某致密砂巖氣藏可壓性指標(biāo)參數(shù)表

2.1 可壓性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型建立

通過(guò)單一可壓性影響因素對(duì)比評(píng)價(jià)指標(biāo)很難最終完成可壓性決策，各因素之間存在相互影響的情況，綜合數(shù)據(jù)的可靠性、獨(dú)立性，最終選擇脆性礦物含量、天然裂縫發(fā)育情況等5項(xiàng)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)候選井可壓性綜合評(píng)價(jià)層次模型(見圖1)。

2.2 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

各評(píng)價(jià)參數(shù)有各自單位和量綱，需參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后參與運(yùn)算。根據(jù)唐穎等人的研究成果對(duì)天然裂縫發(fā)育情況進(jìn)行賦值。結(jié)合氣藏巖石力學(xué)及地應(yīng)力數(shù)據(jù)，將斷裂韌性及儲(chǔ)隔層應(yīng)力差轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗔秧g性系數(shù)及隔層遮擋系數(shù)。由于評(píng)價(jià)參數(shù)分為正、逆向兩種指標(biāo)，正向即指標(biāo)值越大越好，逆向即指標(biāo)值越小越好。評(píng)價(jià)參數(shù)中礦物脆性、天然裂縫發(fā)育程度、隔層遮擋系數(shù)是正向指標(biāo)，水平差應(yīng)力系數(shù)以及斷裂韌性是逆向指標(biāo)。為了便于計(jì)算，采用極差變化進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)一。

圖1 可壓性評(píng)價(jià)層次模型

對(duì)于正向指標(biāo)，取：

(1)

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，取：

(2)

式中:S—參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值;

X—參數(shù)值;

Xmax—參數(shù)最大值;

Xmin—參數(shù)最小值。

經(jīng)過(guò)極差變換后，指標(biāo)值均為0～1，正、逆向指標(biāo)均化為正向指標(biāo)，最優(yōu)值為1，最劣值為0。

各井綜合可壓性影響因素的無(wú)量化值見表2。

2.3 構(gòu)建判斷矩陣

按照AHP方法分別建立遞階層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣、計(jì)算特征根和特征向量[9]，逐項(xiàng)就任意2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，根據(jù)評(píng)價(jià)參數(shù)的重要程度進(jìn)行賦值。基于文獻(xiàn)調(diào)研[10- 12]及專業(yè)分析，將可壓性評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣，如表3所示。

表2 候選井儲(chǔ)層特征

表3 可壓性評(píng)價(jià)的判斷矩陣

2.4 計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

為了避免用一種方法求取權(quán)重產(chǎn)生偏差，本文采用2種方法求權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如表4所示。為了確保得出的結(jié)果全面、準(zhǔn)確，采用一致性指標(biāo)檢驗(yàn)判斷矩陣一致性。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)小于0.1時(shí)認(rèn)為判斷矩陣是可以接受的，通過(guò)計(jì)算選用和積法計(jì)算的權(quán)重。

表4 各評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重分配

3 可壓性綜合評(píng)價(jià)及分析

根據(jù)層次分析法計(jì)算的各評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的各井段參數(shù)進(jìn)行可壓性評(píng)價(jià)，候選井可壓性綜合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果如表5所示。表5中計(jì)算結(jié)果顯示眾多候選井中3號(hào)井的可壓性最佳，4口井中優(yōu)選3號(hào)井實(shí)施體積壓裂。3號(hào)井采用體積壓裂的改造思路，泵入滑溜水435 m3、線性膠260 m3、凍膠280 m3、支撐劑40 m3。壓后通過(guò)G函數(shù)分析認(rèn)為地層中形成多條水力裂縫，同時(shí)產(chǎn)能為同區(qū)鄰井3.6倍，獲得了較好的開發(fā)效果，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層體積改造的目的。

表5 候選井可壓性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)致密砂巖儲(chǔ)層體積壓裂可壓性評(píng)價(jià)可借鑒頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)考慮巖石力學(xué)脆性、礦物脆性、天然裂縫、水平主應(yīng)力差異、斷裂韌性以及隔層遮擋效應(yīng)。

(2)基于層次分析法構(gòu)建判斷矩陣并評(píng)價(jià)其一致性，確定各因素的權(quán)重。對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后及權(quán)重乘積綜合確定候選井的可壓指數(shù)，指數(shù)越高可壓性越強(qiáng)。壓后分析認(rèn)為形成多條水力裂縫，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的體積改造。

(3)與傳統(tǒng)單因素評(píng)價(jià)方法相比，層次分析法可全面、準(zhǔn)確地判斷儲(chǔ)層的可壓性，有利于指導(dǎo)選井選層。