劉海龍（中國石油勘探開發(fā)研究院）

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頁巖氣體積壓裂效果評價數據支持系統研究*

劉海龍
（中國石油勘探開發(fā)研究院）

摘要體積壓裂已經成為頁巖氣增產的必要措施，如何評價體積壓裂效果是頁巖氣藏提高壓裂水平亟待解決的問題。在體積壓裂井產能評價、壓裂效果多因素影響分析、相關性分析、多元回歸分析的理論基礎之上，建立了壓裂投產效果評價指標和壓裂工藝效果評價指標，通過理論計算明確裂縫幾何參數對頁巖氣藏壓裂效果的影響程度，同時引入體積壓裂井產能變化指數，建立評價方法，將壓后生產動態(tài)情況綜合到壓裂效果評價中，并應用模糊數學方法對評價指標進行計算，解決了壓裂效果評價中的地質因素和工程因素之間的矛盾。實例計算表明：數據支持系統能夠滿足頁巖氣體積壓裂效果評價現場需求，應用效果較好，經濟效益顯著。圖2表4參13

關鍵詞頁巖氣體積壓裂數據庫系統效果評價

0　引言

隨著油氣資源供需的日益增加，頁巖氣作為一種清潔、高效的新型能源備受關注，相比于國外，國內對頁巖氣的研究起步較晚，但后勁十足，目前正逐步加大該領域的勘探和開發(fā)力度[1-3]。頁巖儲集層普遍具有滲透率低、天然裂縫發(fā)育、非均質性強的特點，使得頁巖氣在儲集層中的流動常伴隨滑脫、吸附等特性[4-5]，因而廣泛采用體積壓裂進行頁巖氣開采[6-9]。

然而對于一個區(qū)塊而言，隨著技術和理論的不斷提高，壓裂施工的不斷繼續(xù)，各種施工信息和生產動態(tài)數據越來越繁雜，特別是對于投產不久的頁巖氣田，對其基礎數據和施工數據進行規(guī)范和管理的難度更大，目前壓裂在數據資料的管理上存在以下問題：數據管理尚處在一種半手工、半計算機化狀態(tài)，存儲和導出不規(guī)范、不標準，數據不能被直接應用；無錯誤校驗機制，動靜態(tài)數據存在細節(jié)上的錯誤；各種數據之間的關系脫節(jié)，不利于進行綜合分析研究。此外與壓裂施工過程和效果有關的資料本身具有：“數據資料類別眾多；數據之間關聯性大；隨著頁巖氣田開發(fā)的不斷進行，壓裂施工數據在不斷增加”的特點。那么如何準確、規(guī)范、快速的整理和分析這些數據，成為頁巖體積壓裂效果評估的關鍵。因此為解決上述問題，本文基于國內外壓裂效果評估技術，運用數據庫，結合模糊數學、數理統計與管理和多元分析理論，研制一套適合頁巖氣體積壓裂效果評價數據支持系統。

1　現有技術分析

頁巖氣體積壓裂壓開的地層裂縫在幾千米的地下層形成并延伸，了解裂縫幾何形狀及相關參數的難度可想而知，雖然能采用最好的壓裂設計工具和技術進行壓裂處理，但很難證實由模型估計的裂縫幾何形狀是否合理。目前國內外對壓裂效果評價方法主要有裂縫監(jiān)測法、產能評價法、經濟評價法、模糊綜合評價法，應用較多的為裂縫監(jiān)測法。經過近60年的發(fā)展已經形成近10余種裂縫監(jiān)測技術，對現有裂縫監(jiān)測技術原理和特點進行總結，依據所采集數據特征將裂縫監(jiān)測技術分為3類：遠井直接監(jiān)測方法、近井直接監(jiān)測方法、間接監(jiān)測方法（表1）。由表1知：現有的裂縫監(jiān)測技術存在一定的缺陷，不能滿足頁巖氣體積壓裂的效果評價。

2　頁巖氣體積壓裂評價數據支持系統

2.1效果評價指標建立

建立起具有科學性、客觀性的壓裂效果評價指標，是對壓裂效果進行量化評價的必要前提，也是分析壓裂工藝、壓裂地質的先決條件。壓裂效果評價首先要明確是哪些因素影響了壓裂效果，每一個因素對最終效果的影響程度，如何對壓裂效果進行綜合的評價。地質因素和工程因素對壓裂效果的影響程度不同，如果僅應用一個評價指標則無法對地質和工程進行客觀、科學的評價。

表1　裂縫監(jiān)測技術對比

針對地質因素和工程因素在壓裂效果評價結果上的矛盾，本文提出兩個評價指標：壓裂投產效果評價指標和壓裂工藝效果評價指標。壓裂投產效果評價指標是一項綜合考慮地質、工程及壓后產能變化情況的評價指標，壓裂工藝效果評價指標則不考慮壓后產能情況，只是考慮壓裂施工過程的壓裂行為在儲層中產生的效果，因此有可能出現盡管壓裂后氣井的產能很低，但其壓裂工藝效果評價卻相對較好的評價結果。運用模糊數學和人工神經網絡的方法建立評價指標，最大程度上做到量化性、科學性和客觀性。

評價壓裂投產效果的綜合性能的指標有很多個，歸類分析主要包括：儲層物性參數指標、儲層電性參數指標、壓裂施工規(guī)模參數指標、壓裂泵注程序參數指標、壓裂現場施工效果參數指標、壓后產能測試指標、裂縫幾何參數等七個大的方面(圖1)。而壓裂工藝效果評價中，不再考慮壓裂投產后產能情況的影響，完全從地質參數和施工參數兩個方面進行考慮。主要的評級指標為前五個方面。

圖1　壓裂投產效果監(jiān)測指標因素集

2.2體積壓裂效果判斷

確定評價指標后，為提高評價速度，首先要對各項數據進行歸一化處理（公式1），使得各組值之間具有統一的度量尺度，同時也可以消除量綱。然后采用加權綜合法對各指標進行數據處理，對各評價指標進行體積壓裂效果判斷，最后由判斷結果進行體積壓裂效果分級[10-11]。

式中：

Xi—原始數據資料的第i個評價參數歸一化后的輸出值；

xi—原始數據資料的第i個評價參數的實際值；

xmax—所有參與評價參數項中的輸入最大值；

xmin—所有參與評價參數項中的輸入最小值。

式中：

k—方案數，k=1表示壓裂前，k=2表示壓裂后；

m—待評價區(qū)塊總井數。

指標Fi的參數Fij取壓裂前、后相應值，通過比較壓裂前、后評價值，判斷體積壓裂效果，并將判斷結果分為五級(表2)。

表2　體積壓裂效果判斷標準

2.3效果評價資料需求

對一口井的壓裂施工進行評價,需要該井的開發(fā)地質資料、壓裂施工過程記錄資料、壓裂施工應用材料性能資料、壓裂前后的生產動態(tài)資料。如果所分析評價的對象是一個區(qū)塊，則需要增加區(qū)塊的壓裂地質方面的資料。

壓裂評價支持數據庫主要用來管理與壓裂效果評價有關的數據，包括建立靜態(tài)的地質參數、壓裂施工參數等數據庫，不僅具有管理數據庫的功能，還具有瀏覽、錄入、插入、編輯、修改、查詢等基本功能，在運行時還可進行窗口的排列和簡單的繪圖編輯、數據導出等操作。

2.4效果評價設計方法

根據設計思路和參數評價指標，結合相關理論，體積壓裂效果評價支持系統基于Visual Basic 6.0編程開發(fā)，適用于Microsoft Office 32位和64位，形成一套能夠支持頁巖氣體積壓裂數據分析的單機版效果評價應用系統[12-13]。

圖2　整體結構示意圖

從整體開發(fā)結構來看，本效果評價數據支持系統可劃分為主要功能模塊和輔助功能模塊等多個模塊(圖2)。主要功能模塊包括數據庫建立及保存模塊、基礎數據導入及繪圖顯示模塊、數據統計分析模塊、數據輸出及自動生成數據文件模塊；而輔助功能模塊則為輸入數據查看、輸入數據編輯、文件的切換、附件工具(如計算器、記事本等)。評價數據支持系統的主要功能模塊是統計輸入數據并進行數理分析，輔助功能是協助計算，同時方便用戶操作。

3　實例分析

該評價數據支持系統在涪陵大安寨頁巖氣田某區(qū)塊(簡稱研究區(qū))的實例分析表明，用評價數據支持系統解釋的裂縫參數與現場裂縫監(jiān)測參數吻合，驗證了該評價數據支持系統的可靠性，應用效果較好，經濟效益顯著。

首先對每一項數據進行歸一化處理，評價參數歸一化的處理部分結果如表3所示。

表3　某區(qū)塊壓裂投產效果評價指標部分數據部分數據歸一化后結果值

由表2可知各因素的評價向量，如孔隙度的評價向量為(0,0.78,0.85,0.62,1)，按照一級指標(圖1中七項指標)分類評價，形成六個評價向量矩陣，如儲層物性評價向量矩陣為：

然后對每一項的參數權重進行確定，在各項評價指標分析的基礎上，結合綜合評價的參數需求，對地質、工程、裂縫監(jiān)測、壓后產能等四個方面選擇的各具代表性的評價參數分別進行權重分析（表4）。

表4　壓裂效果評價部分指標權重確定

對于壓后產能監(jiān)測結果的分析，采用三項參數，即投產初期計算得到的壓后氣井無阻流量，氣井壓裂后一年中的月平均產氣量，以及對壓裂氣井的生產動態(tài)進行分析監(jiān)測的壓后產能變化指數。對于這三個參數，將壓后產能監(jiān)測的權重平均分配，即在綜合監(jiān)測中各占33%?？紤]到研究區(qū)與鄰近井區(qū)的差異性，最終得到研究區(qū)的評價值為23.07，壓裂效果很好，與現場壓裂效果評價結果一致。

4　結論

（1）研究開發(fā)的評價數據支持系統具有功能強、穩(wěn)定性好、操作簡便等特點，集數據錄入、統計、分析于一體，實例計算表明，該評價數據支持系統能夠滿足現場需求，應用效果較好，經濟效益顯著。

（2）影響壓裂效果的主要因素是儲層物性參數，其次是壓裂規(guī)模參數、儲層電性參數、現場施工效果參數、泵注程序參數等，而儲層物性參數為不可控制因素，因此壓裂施工規(guī)模參數成為調整的核心。

（3）在壓裂井產能評價、壓裂效果多因素影響分析、相關性分析、多元回歸分析的理論基礎之上建立了壓裂投產效果評價指標和壓裂工藝效果評價指標，通過理論計算明確裂縫幾何參數對研究頁巖氣藏壓裂效果的影響程度，同時通過引入壓裂井產能變化指數建立了評價方法，將壓后生產動態(tài)情況綜合到壓裂效果評價中，并應用模糊數學方法對研究區(qū)評價指標進行計算，解決了壓裂效果評價中的地質因素和工程因素之間的矛盾。

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（修改回稿日期2015-05-14編輯文敏）

作者簡介劉海龍，男，1989年出生，工程師；2013年畢業(yè)于中國地質大學（北京）石油工程專業(yè)，主要從事數值模擬、提高采收率方面的研究工作。地址：（100083）北京市海淀區(qū)學院路20號勘探開發(fā)研究院軟件中心。電話：（010）83595001，15210831176。E-mail：478277608@qq.com

*基金項目：中國石油天然氣股份有限公司科技重大專項（2011A-1010）“新一代油藏數值模擬軟件”。