賴富強(qiáng)，羅 涵，覃棟優(yōu)，夏煒旭，龔大建

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.中國(guó)國(guó)儲(chǔ)能源化工集團(tuán)股份公司，北京 100107；4.銅仁中能天然氣有限公司，貴州 銅仁 554300)

0 引 言

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性定義為儲(chǔ)層具有被有效壓裂形成壓裂縫從而增產(chǎn)的性質(zhì)。評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性對(duì)優(yōu)選頁(yè)巖氣井壓裂井段、優(yōu)化頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)方案和預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從巖石力學(xué)性質(zhì)、礦物組分和地質(zhì)因素等方面進(jìn)行了頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性分析[2-10]，但對(duì)可壓裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)學(xué)計(jì)算模型尚未形成定論。目前中國(guó)頁(yè)巖氣成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)的代表層系為下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖則是頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的另一個(gè)重點(diǎn)層系[11]。研究區(qū)貴州岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊，是中國(guó)極少數(shù)目的層為牛蹄塘組并且壓裂點(diǎn)火成功的頁(yè)巖氣區(qū)塊之一，頁(yè)巖氣資源潛力巨大。目前針對(duì)該區(qū)塊的研究較少，缺乏對(duì)牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性的評(píng)價(jià)研究。因此，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥頁(yè)巖可壓裂性研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析不同儲(chǔ)層因素和地質(zhì)因素對(duì)可壓裂性的影響，利用層次分析法進(jìn)行了泥頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)，完成了可壓裂級(jí)別劃分并優(yōu)選壓裂層段，為后期的射孔及壓裂施工提供了重要依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

貴州岑鞏區(qū)塊地處貴州省東部銅仁市西南部的江口、萬(wàn)山和黔東南州岑鞏縣境內(nèi)，面積約為914.633 km2。黔東南州地跨揚(yáng)子陸塊和華南褶皺帶，以銅仁—玉屏—?jiǎng)P里—三都為界。主體位于江南造山帶西南緣、右江造山帶的北東側(cè)。研究區(qū)內(nèi)北東向、東西向構(gòu)造發(fā)育且相互交切，以逆斷層為主。東西兩側(cè)逆沖斷層發(fā)育，地層破碎，中部地層較穩(wěn)定，發(fā)育近直立的斷層，斷距不大，延伸長(zhǎng)度較短。研究區(qū)地層發(fā)育比較完整，由老至新主要發(fā)育南華系、震旦系、寒武系和第四系。目的層下寒武統(tǒng)牛蹄塘組屬于臺(tái)地邊緣斜坡深水陸棚沉積，埋藏深度為1 757.00～1 816.40 m。巖性以頁(yè)巖、泥巖為主，夾少量灰?guī)r、粉砂巖，下部發(fā)育黑色及深灰色硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)頁(yè)巖[12]；黃鐵礦發(fā)育，呈條帶狀或零星粒狀分布，局部見(jiàn)方解石充填。

2 可壓裂性評(píng)價(jià)

可壓裂性是儲(chǔ)層特征及地質(zhì)特征的綜合反映，目前能夠確定的影響頁(yè)巖可壓裂性的因素有脆性系數(shù)(BIe)、脆性礦物含量(BM)、有機(jī)碳含量(TOC)、黏土礦物含量(CL)、斷裂韌度(KC)和水平應(yīng)力差系數(shù)(Kh)等[13-15]。

(1) 脆性指數(shù)。脆性指數(shù)通常用來(lái)表征壓裂的難易程度，由彈性模量和泊松比兩部分組成。高彈性模量、低泊松比的頁(yè)巖具有高脆性，對(duì)壓裂極為有利。

(2) 脆性礦物含量。脆性礦物含量對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的微裂縫發(fā)育程度、含氣性、孔隙結(jié)構(gòu)及其壓裂改造方式等的影響巨大。脆性礦物含量越高的層段，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或水力壓裂過(guò)程中越易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，越有利于頁(yè)巖未連通孔隙相互連接，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的的壓裂改造效果越好。

(3) 有機(jī)碳含量。有機(jī)碳含量雖然不能直接反映頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性，但對(duì)儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育及分布、巖石力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的含氣量取決于有機(jī)質(zhì)含量，且有機(jī)碳含量往往與吸附氣能力成正比，有機(jī)質(zhì)的孔隙性和滲透性比頁(yè)巖基質(zhì)好，因此，對(duì)裂縫的發(fā)育有一定的影響；頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的密度也受有機(jī)碳含量的影響，進(jìn)而影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖石力學(xué)性質(zhì)。頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)碳含量越高，含氣量越大，可壓裂性往往越好。

(4) 黏土礦物含量。黏土礦物與脆性礦物一樣是頁(yè)巖的主要構(gòu)成成分，同時(shí)也對(duì)微裂縫發(fā)育程度、頁(yè)巖含氣性、基質(zhì)孔隙和壓裂改造方式等有重要的影響，黏土礦物含量越低，頁(yè)巖的脆性越大；反之則頁(yè)巖塑性越強(qiáng)，吸收能量也越多，難以形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，不利于頁(yè)巖壓裂改造。

(5) 斷裂韌度。斷裂韌度反映了頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂的難易程度，是巖石的固有屬性。在頁(yè)巖氣水力壓裂過(guò)程中，斷裂韌度越小，形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)愈加復(fù)雜，且裂縫形成之后越容易向前延伸，與天然裂縫連通的能力越強(qiáng)。

(6) 水平應(yīng)力差異系數(shù)。在壓裂過(guò)程中，裂縫總是向最大應(yīng)力的方向延伸，為了壓裂時(shí)可以產(chǎn)生更多裂縫，形成復(fù)雜縫網(wǎng)并且最大限度地與天然裂縫進(jìn)行溝通，地層中的最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力的差值越小越好。

2.1 可壓裂性影響參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)頁(yè)巖可壓裂性與影響因素的關(guān)系，將影響因素分為2類：脆性系數(shù)、脆性礦物含量、有機(jī)碳含量與可壓裂性呈正相關(guān)性，為正向參數(shù)；斷裂韌度、水平應(yīng)力差、黏土礦物含量與可壓裂性呈負(fù)相關(guān)性，為負(fù)向參數(shù)。

為計(jì)算可壓裂系數(shù)，利用極差變換法將各參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將具有不同單位和量綱的各參數(shù)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)。

正向指標(biāo)：

(1)

負(fù)向指標(biāo)：

(2)

式中：S為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值；Xmax為參數(shù)最大值；Xmin為參數(shù)最小值；X為參數(shù)值。

2.2 層次分析法計(jì)算權(quán)重

在可壓裂性評(píng)價(jià)中涉及儲(chǔ)層多個(gè)參數(shù)，各參數(shù)對(duì)可壓裂性評(píng)價(jià)影響的程度難以判定，需在量化基礎(chǔ)上綜合研究這些參數(shù)的影響，而層次分析法能夠較為準(zhǔn)確地定量分析各參數(shù)所占的權(quán)重[16]。層次分析法(AHP)是一種層次權(quán)重決策分析方法[17]，該方法將復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解，把目的問(wèn)題分解為若干個(gè)影響因素，每個(gè)因素根據(jù)屬性不同繼續(xù)分解，從而形成層次結(jié)構(gòu)，并建立判斷矩陣確定各因素的權(quán)重[18-19]。

表1 可壓裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣

2.3 可壓裂性指數(shù)計(jì)算

根據(jù)層次分析法得到的各影響因素所占的比例，建立可壓裂性指數(shù)(FI)的計(jì)算模型：

FI=0.375 1BIe+0.243 6BM+0.153 4TOC+0.093 0Kc+0.093 0Kh+0.041 9CL

(3)

根據(jù)計(jì)算得到的可壓裂性指數(shù)，將頁(yè)巖的可壓裂性劃分為2個(gè)級(jí)別：可壓裂性較好(FI≥0.500)和可壓裂性較差(FI<0.500)。

3 模型驗(yàn)證

利用研究區(qū)的TX1井對(duì)上述研究方法和模型進(jìn)行檢驗(yàn)和應(yīng)用。TX1井為研究區(qū)一口預(yù)探參數(shù)井，2013年12月4日開(kāi)鉆，2014年1月28日完井，完鉆井深為1 897.60 m，完鉆層位為板溪群組，目的層為牛蹄塘組。完井測(cè)試井段為900.00～1 895.00 m，除進(jìn)行常規(guī)測(cè)井外，同時(shí)進(jìn)行了交叉偶極子陣列聲波、元素俘獲等特殊測(cè)井。2014年6月2日至6月5日對(duì)牛蹄塘組進(jìn)行壓裂施工，并進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)。

對(duì)TX1井牛蹄塘組處理得到的可壓裂指數(shù)結(jié)果與脆性指數(shù)、TOC、脆性礦物含量、斷裂韌度、黏土礦物含量及水平應(yīng)力差異系數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了分析。TOC與可壓裂指數(shù)之間表現(xiàn)出分段式關(guān)系(圖1a)：當(dāng)TOC小于7%時(shí)，TOC與可壓裂指數(shù)呈正相關(guān)性；當(dāng)TOC大于7%時(shí)，TOC與可壓裂指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性?？梢?jiàn)TOC過(guò)高，頁(yè)巖的延展性增大，對(duì)構(gòu)造裂縫的發(fā)育不利，但高TOC及伴隨的高硅質(zhì)(剛性礦物)含量有利于頁(yè)巖微觀孔、縫的發(fā)育與保存[20]。脆性指數(shù)及脆性礦物含量與可壓裂指數(shù)呈良好的正相關(guān)性(圖1b、c)，即脆性指數(shù)越大，脆性礦物含量越高，脆性越大，頁(yè)巖的可壓裂性越好。黏土礦物含量和斷裂韌度則與可壓裂指數(shù)總體呈負(fù)相關(guān)性(圖1d、e)，即黏土礦物含量越高，斷裂韌度越大，裂縫發(fā)育程度越差，可壓裂性越差。水平應(yīng)力差異系數(shù)與可壓裂指數(shù)則沒(méi)有明顯的相關(guān)性(圖1f)。

圖1TX1井牛蹄塘組巖石力學(xué)參數(shù)及儲(chǔ)層參數(shù)與可壓裂指數(shù)的關(guān)系

4 實(shí)例應(yīng)用

利用計(jì)算模型對(duì)TX1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組進(jìn)行可壓裂性綜合評(píng)價(jià)(圖2)，可壓裂指數(shù)為0.355～0.619，平均為0.495，下段整體可壓裂性較好。綜合TX1井可壓裂性評(píng)價(jià)參數(shù)及有效孔隙度、滲透率等測(cè)井解釋成果，最終優(yōu)選33號(hào)層和35號(hào)層作為壓裂層段。

最終將TX1井牛蹄塘組1 795.00～1 801.60 m、1 809.40～1 813.80 m層段作為射孔目標(biāo)層段進(jìn)行壓裂施工，并采取地面微地震技術(shù)進(jìn)行裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)處理解釋得到裂縫參數(shù)(表2)。

從TX1井微地震事件解釋圖可見(jiàn)主裂縫延伸方向?yàn)楸睎|60°，壓裂縫沿右翼延伸幅度大(圖3,圖中彩色細(xì)線表示裂縫延伸趨勢(shì))。壓裂后造縫效果較明顯，裂縫在井眼附近特別發(fā)育，造縫總長(zhǎng)度為400 m，縫寬總計(jì)為284 m，裂縫面積為77 388 m2，縫高為35 m，裂縫體積為1.57×106m3，壓裂效果較好。說(shuō)明可壓裂性評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，適用于富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性評(píng)價(jià)，具有較好的應(yīng)用潛力。

圖2TX1井可壓裂性評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 地面微地震監(jiān)測(cè)裂縫參數(shù)

5 結(jié) 論

(1) 綜合分析脆性指數(shù)、脆性礦物含量、有機(jī)碳含量、黏土礦物、Ⅰ型和Ⅱ型斷裂韌度、水平應(yīng)力差異系數(shù)等因素對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性的影響。根據(jù)脆性指數(shù)越大，脆性礦物含量越高，有機(jī)碳含量越高的儲(chǔ)層的可壓裂性越好；而黏土礦物含量越低，斷裂韌度越小，水平應(yīng)力差異系數(shù)越小時(shí)，泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的可壓裂性越高的原則，采用層次分析法建立了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)模型。

圖3TX1井微地震事件解釋

(2) 利用TX1井對(duì)可壓裂性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)TOC小于7%時(shí)，可壓裂指數(shù)變大，可壓裂性變好；而TOC大于7%時(shí)，裂縫發(fā)育程度降低，可壓裂指數(shù)變小，可壓裂性變差。脆性指數(shù)及脆性礦物含量與可壓裂指數(shù)呈正相關(guān)，黏土礦物含量和斷裂韌度則與可壓裂指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，水平應(yīng)力差異系數(shù)與可壓裂指數(shù)則沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

(3) 利用計(jì)算模型對(duì)TX1井目的層進(jìn)行可壓裂性綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)實(shí)際頁(yè)巖氣井壓裂層段微地震資料的驗(yàn)證分析，證實(shí)了該方法能夠較好地評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的可壓裂性，同時(shí)為其他致密儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)提供了一種方法借鑒。

[1] 袁俊亮，鄧金根，張定宇，等. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性評(píng)價(jià)技術(shù)[J]. 石油學(xué)報(bào)，2013，34 (3) : 523-527.

[2] 王漢青，陳軍斌，張杰，等. 基于權(quán)重分配的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)新方法[J]. 石油鉆探技術(shù)，2016，44 (3) : 88-994.

[3] 盛秋紅，李文成. 泥頁(yè)巖可壓性評(píng)價(jià)方法及其在焦石壩地區(qū)的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2016，31 (4) : 1473-1479.

[4] 楊宏偉，李軍，柳貢慧，等. 基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的頁(yè)巖可壓性定量評(píng)價(jià)[J]. 斷塊油氣田，2017，24 (3) : 382-386.

[5] JARVIE D M，HILL R J，RUBLE T E，et al. Unconventional shale-gas systems：the Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J]. AAPG Bulletin，2007，91 (4) : 475-499.

[6] BREYER J A，ALSLEBEN H，ENDERLIN M B. Predicting Fracability in Shale Reservoirs [C/OL]. [2012-08-10]. http://www. Searchanddiscovery. com/ abstracts/ pdf/ 2011/ hedberg-texas/ abstraces/ ndx_breyer. pdf.

[7] MULLEN M J，ENDERLIN M B. Fracability index more than just calculating rock properties[C]. SPE159755，2012 : 2-8.

[8] 蔣廷學(xué)，卞曉冰，蘇媛，等. 頁(yè)巖可壓性指數(shù)評(píng)價(jià)新方法及應(yīng)用[J]. 石油鉆探技術(shù)，2014，42 (5) : 16-20.

[9] 趙金洲，許文俊，李勇明，等. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)新方法[J]. 天然氣地球科學(xué)，2015，26 (6) : 1165-1172.

[10] 王建波，馮明剛，嚴(yán)偉，等. 焦石壩地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性影響因素及計(jì)算方法[J]. 斷塊油氣田，2016，23 (2) : 216-220.

[11] 王濡岳，龔大建，丁文龍，等. 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià):以貴州岑鞏區(qū)塊為例[J].地學(xué)前緣，2016，23 (1) : 87-95.

[12] 冷濟(jì)高，龔大建，李飛，等. 黔東北地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖氣勘探前景分析[J]. 地學(xué)前緣，2016，23 (2) : 29-38.

[13] 唐穎，邢云，李樂(lè)忠，等. 頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓裂性影響因素及評(píng)價(jià)方法[J]. 地學(xué)前緣，2012，19(5)：356-363.

[14] 隋麗麗，楊永明，楊文光，等. 勝利油田東營(yíng)凹陷區(qū)頁(yè)巖可壓裂性評(píng)價(jià)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2015，40 (7) : 1588-1594.

[15] 陳江湛，曹函，孫平賀，等. 湘西北牛蹄塘組頁(yè)巖可壓裂性評(píng)價(jià)[J]. 地學(xué)前緣，2017，24 (6) : 390-398.

[16] 姜寶益，李治平，蔡喜東，等. 基于模糊層次分析法的油藏滲吸潛力評(píng)價(jià)方法[J]. 特種油氣藏，2012，19 (6) : 81-84.

[17] SAATY Thomas L. 層次分析法——在資源分配、管理和沖突分析中的應(yīng)用[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1988：45-49

[18] 張軍華，黃廣譚，李軍，等. 基于層次分析法的地震有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)[J]. 特種油氣藏，2015，22 (5) : 23-27.

[19] 徐東晶，牛超，相詩(shī)堯，等. AHP-Fisher判別法在工作面安全開(kāi)采評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 煤炭技術(shù)，2016，35 (10) : 18-20.

[20] 王濡岳，丁文龍，龔大建，等. 渝東南—黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征與主控因素[J]. 石油學(xué)報(bào)，2016，37 (7) : 832-845.