頁巖氣地質—工程可壓度評價方法研究及應用

蔣廷學 路保平 左 羅 卞曉冰

1. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室, 北京 100029;

2. 中石化石油工程技術研究院有限公司, 北京 100029

0 前言

經20多年的技術探索,美國成功地進行了頁巖氣革命[1-2],2019年頁巖氣產量約7 198×108m3,是中國天然氣總產量的4倍以上,基本上實現了“能源獨立”[3]。據資料介紹,美國3 500 m以淺頁巖氣完全實現商業開發,埋深大于3 500 m的Eagle Ford、Haynesville、Cana Woodford區塊已實現經濟開發,其余4 100 m以深的深層頁巖氣區塊未獲經濟開發[4-9]。

美國頁巖氣革命引發了全球頁巖氣開發熱潮,2009年前后中國油氣行業正式進軍頁巖氣,經過10余年的探索,在頁巖氣勘探開發理論及工程技術方法等方面取得了重大技術突破[10-12],目前中國探明地質儲量約1.79×1012m3，2021年產量超過200×108m3，3 500 m以淺頁巖氣已實現大規模商業開發,3 500 m以深及常壓頁巖氣也取得了重要進展,中國成為第三個實現頁巖氣商業開發的國家。

國內外頁巖氣開發成功案例表明[13-15],科學的成藏規律認識、選區評價、頁巖氣工程技術鏈以及地質甜點與工程甜點的有機結合是頁巖氣勘探開發工作的基礎;地質工程一體化是實現頁巖氣經濟高效開發的關鍵?？蓧盒允潜碚鞯刭|-工程一體化的核心要素,內涵包括目的儲層的出氣潛力評價(儲層品質評價)、壓裂難易程度及復雜縫網形成難易程度評價,即行業熟知的地質甜點及工程甜點評價[16-18];但由于地質甜點與工程甜點與壓后產量相關性有待進一步提升,其結果只能用來進行地質分段,而不能有效指導工藝分段分簇。因此,又提出地質甜度、工程甜度及可壓度評價方法,以彌補地質及工程甜點評價的不足。可壓性可用于井眼軌跡的優化控制、改造層位的優選、段簇及施工工藝的精細優化,以實現頁巖氣井有效改造體積(Effective Stimulated Reservoir Volume,ESRV)及可采儲量的最大化。

目前,國內頁巖氣高效開發中仍然面臨諸多問題,比較普遍的是地質甜點與工程甜點匹配度不高[19-20]及可壓性評價技術體系不完善問題,統計資料表明部分壓裂井段裂縫復雜度較低,復雜縫網的段簇占比不到50%,相當于部分壓裂段幾乎不貢獻產量或貢獻少部分產量。因此，亟需改進與完善甜點與可壓性評價技術體系,以提高其評價精度與適用性,促進頁巖氣高效開發。

1 甜度評價

在甜點評價的廣泛應用中發現壓后產氣量與甜點指標的相關性并不強,無法有效指導壓裂段簇的劃分和優選。因此,提出了地質甜度和工程甜度的概念,可對地質甜點與工程甜點的“甜度”進行精確表征和量化,利于提高段簇位置優選的科學性和指導性。

1.1 甜度概念與定義

頁巖儲層甜度是指待評價區參數集合與標桿參數(最好指標)集合的貼近度。根據甜度定義甜度評價先要找到該區塊最高甜度點的參數集合作為標桿(該標桿是地質或工程甜點評價中所有最利于產氣的獨立性參數的集合),但是在區塊開發過程中一般很難找到這個標桿,因為隨著頁巖氣井的開發,頁巖儲層的地質及工程參數將不斷發生變化。因此,假設一個標桿值,用于甜度評價然后利用歐氏貼近度來表征水平井筒某個位置處的參數集合與上述標桿的相似度,相似度越高則越接近標桿,因此,可以沿井筒方向用這種貼近度定量評價地質甜度及工程甜度,用于科學地指導壓裂分段、分簇。

1.2 地質甜度的評價

根據甜度計算參數的獨立性要求,在甜點評價參數基礎上,盡量全面考慮與地質甜度評價相關的參數,而且還要保證各參數之間沒有關聯性[10],如TOC含量與含氣量只能二選一。地質甜度具體評價參數見表1。

表1 地質甜度評價參數表Tab.1 Evaluation parameters of geologic sweetnees

設A為待評價點A1、A2、A3…An-1與標桿組成的集合,設P(P1、P2、P3…Pm)為與A對應的m個特征參數的集合,按最大最小法求取由集合A到集合P的模糊矩陣R:

R=[rij]n×m

(1)

(2)

將模糊矩陣R劃分為n個次級模糊矩陣R1、R2、R3…R及,由式(3)計算各次級模糊矩陣與的貼近度,該貼近度ρ即為所求的地質甜度。

SG

(3)

1.3 工程甜度的評價

工程甜度按上述地質甜度相同的方法求取,只是進一步劃分為近井工程甜度與遠井工程甜度。近井工程甜度是近井筒壓裂難易程度及復雜裂縫形成難易程度的定量表征參數,側重體現近井可壓裂性,一般通過相關近井筒參數來計算;而遠井工程甜度則是遠井筒壓裂難易程度的定量表征參數,一般利用施工參數來計算與評價。

1.3.1 近井工程甜度的評價計算

近井工程甜度的計算方法與地質甜度的計算方法一致。在近井工程甜度計算中考慮了基于施工壓力曲線的脆性指數、水平兩向主應力差異系數及垂向應力與最小水平應力差,近井工程甜度具體評價參數見表2。

表2 近井工程甜度評價參數表Tab.2 Evaluation parameters of near wellbore engineering sweetness

脆性指數(基于施工壓力曲線)計算方法如下[11]:

假設頁巖為純塑性時其脆性指數為0,為純脆性時脆性指數為1,那么實際頁巖的脆性指數可用下式計算(根據脆塑材料破裂時消耗的能量來計算):

IB

(4)

水力壓裂消耗的能量可用注入排量的積分來表示,則式(4)可變為:

IB

(5)

1.3.2 遠井工程甜度的評價計算

遠井工程甜度主要考慮的是施工參數的綜合影響,經研究提出了利用施工時支撐劑及壓裂液來定量表征遠井可壓性的方法[10]。

考慮到進入地層的壓裂液類型及黏度組合較多,采用以下方法來折算等效壓裂液體積:

(6)

壓裂過程中所有支撐劑體積統一折算為40/70目支撐劑體積:

(7)

(8)

遠井工程甜度用下式計算:

Sf

(9)

1.3.3 工程甜度的評價計算

為了評價頁巖氣復雜裂縫形成難易程度與近井及遠井的壓裂難易程度,綜合考慮近井及遠井工程甜度,并以加權求和方式進行計算:

SE=SnWn+SfWf

(10)

2 可壓度評價

用可壓度概念來定量表征可壓性好壞?？蓧憾戎傅氖峭瑫r考慮地質甜度與近井及遠井工程甜度的影響,用于量化表征頁巖可壓性程度與壓后產氣潛力。

可壓度計算公式如下:

S=SGWG+SEWE

(11)

3 可壓度評價技術體系應用

地質甜點與工程甜點可用于地質導向及水平井段初步的地質分段,在此基礎上,再利用可壓度進行精細地質分段及更精細的段簇劃分,有利于提高優質儲層的鉆遇率、壓裂改造的針對性及壓后產量。

3.1 甜度應用與效果

地質甜度可用于段簇優化,工程甜度可用于復雜裂縫設計與預測。應用結果表明，地質甜度與壓裂后產量的相關性較好,地質甜度與測試產量對應關系見圖1,工程甜度與裂縫復雜度的對應關系明顯，見圖2。

圖1 地質甜度與測試產量對應關系圖Fig.1 The corresponding relationship between geologic sweetness and test gas production

圖2 工程甜度與裂縫復雜度對應關系圖Fig.2 The corresponding relationship between fracture complexity index and engineering sweetness

3.2 可壓度的應用

可壓度主要用于水平井壓裂的精細分段、簇數優化設計與施工指導,由于它直接反映了地質甜度與工程甜度的綜合特征,促進了地質甜度與工程甜度的合理匹配與融合,因此增強了水平井分段壓裂段簇位置優選與工程施工參數與措施的科學性與可靠性。實踐表明,可壓度越高,可壓性越好,壓裂有效性越高?？蓧憾?0.5的情況下,一般都會產生比較好的壓裂效果。涪陵某區塊可壓度與無阻流量的關系見圖3、表3,涪陵某區塊可壓度指導壓裂前后的各段簇產氣貢獻率與產量提高率，見圖4、圖5。

圖3 涪陵某區塊可壓度與無阻流量對應關系圖Fig.3 The corresponding relationship between fracness and open-flow capacity

表3 可壓性評價結果與無阻流量的關系表Tab.3 Relationship table between fracness evaluation result and open-flow capacity

a)焦頁184-2HF產剖測試產量a)The production of JY184-2HF acquired by producing profile testing

b)焦頁190-2HF產剖測試產量b)The production of JY190-2HF acquired by producing profile testing

a)江東區塊產量對比a)Production comparison of Jiangdong block

b)平橋區塊產量對比b)Production comparison of Pingqiao block

從圖3～5和表3可見，可壓度越高,壓裂后無阻產量越高,無效段簇占比由33%降至13%～20%,平均單井產量提高了35.6%,單簇裂縫改造體積提高約15%,壓裂有效性明顯提高。

4 結論與建議

1)研究提出了較為系統完善的可壓度技術評價方法體系,涵蓋甜點、甜度到可壓度的發展脈絡,與壓后產量的正相關性逐步提升,進一步提高了段簇劃分的精準性程度,最大限度地促進了降本增效效果。經現場驗證,效果顯著,在提高有效壓裂段簇比例和降低無效段簇比例方面發揮了積極的作用。

2)提出了包括地質甜度與工程甜度的新理念,建立了相關計算方法。甜度可用于頁巖氣壓裂優化設計中的段簇精細優選與施工措施的進一步優化。

3)建立了用可壓度來表征可壓性大小的理念與模型。結果表明,可壓度越大,壓后無阻流量越高,可壓度大于0.5時會產生較好的壓裂效果;采用可壓度評價方法,無效段簇占比可由33%降至13%～20%,平均單井產量提高了35.6%,單簇裂縫改造體積提高了約15%。因此,可壓度顯著增強了水平井分段壓裂設計與施工的科學性、針對性與實用性。

4)建議進一步加大頁巖氣可壓度評價體系的應用力度,特別是在常壓與深層頁巖氣中的應用與驗證,并在應用中進一步完善與迭代升級。