趙曉宇

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京 210000）

頁巖氣儲層屬于低孔、低滲透、致密的非常規(guī)儲層，不具備自然產(chǎn)能，需要通過水平鉆井、水力壓裂等方式進行儲層改造，從而實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)［1-3］。因此，儲層的可壓性評價尤為重要，對于選取頁巖氣井壓裂井段、優(yōu)化頁巖氣田開發(fā)方案和經(jīng)濟效益預測都有著十分重要的意義［4］。

目前，頁巖儲層可壓性分析大體分為兩個角度，一種是基于巖石力學參數(shù)的評價方法，一種是基于地應力作用下的評價體系。2011年Breyer等［5］利用巖心分析數(shù)據(jù)、測井資料、抗壓強度等巖石力學參數(shù)，結(jié)合地應力各向異性、天然裂縫方位等因素，進行了頁巖可壓性指數(shù)的預測；2015年趙金洲等［6］認為頁巖儲層的壓裂效果由儲層改造體積與縫網(wǎng)發(fā)育復雜程度共同決定，將頁巖脆性、斷裂韌性和天然弱面做為評價指標，建立可壓性系數(shù)分級評價模型；2016年盛秋紅［7］等通過地震反演，建立焦石壩地區(qū)巖石脆性、地應力特征以及裂縫發(fā)育程度解釋模型，進行可壓性評價，證實該區(qū)域頁巖脆性指數(shù)較高，構造主體部位脆性指數(shù)大于50%，易于破裂，并指出焦石壩地區(qū)頁巖較好的可壓性是該區(qū)頁巖獲得商業(yè)開發(fā)的關鍵。

以上方法的基礎資料大部分來源于巖心力學實驗分析及特殊測井的解釋成果，而在實際生產(chǎn)中，只有少部分探井及評價井進行取心作業(yè)及特殊測井項目，另外實驗以及作業(yè)費用高昂，難以做到在工區(qū)大規(guī)模的應用。因此，引入一種基于常規(guī)測井及隨鉆錄井資料的儲層可壓性評價方法，簡單易操作，可獲取連續(xù)地應力剖面，為選井、選層提供依據(jù)。

1 模型與方法

綜合分析近30年來的實驗研究成果發(fā)現(xiàn)，利用儲層孔隙流體壓力梯度、儲層上覆地層巖石密度資料，可以在測錄井現(xiàn)場快速確定儲層最大水平地應力、最小水平地應力和水平地應力差異系數(shù)［8］。利用應力差異系數(shù)來表征頁巖儲層的可壓性已應用于建南氣田、涪陵頁巖氣田等地區(qū)的五峰—龍馬溪組頁巖儲層的評價，經(jīng)300余口頁巖氣井驗證，符合率達到97.1%?，F(xiàn)場實際應用效果證實了此方法不僅適用于常規(guī)油氣儲層，對頁巖儲層的地應力評價同樣適用。

1.1 數(shù)學模型

楊國圣［9］等提出一種快速預測頁巖儲層水平應力差異系數(shù)的計算方法，利用地層孔隙流體壓力梯度FPG與巖石密度DEN測井值計算水平地應力差異系數(shù)△Ki。

相關計算公式［9-10］：

其中：DEN為上覆地層巖石密度，g/cm3；FPG為地層孔隙流體壓力梯度，MPa/100 m；H為頁巖儲層垂深，100 m；Kmax為最大水平主應力，MPa；Kmin為最小水平主應力，MPa；ΔKi為水平應力差異系數(shù)，無量綱。

其中：dcs為地層dc指數(shù)實測值，無量綱；dcn為正常趨勢線上的dc指數(shù)值，無量綱；ρ為區(qū)域地層水密度，g/cm3。

1.2 參數(shù)選取

1.2.1地層孔隙流體壓力梯度

根據(jù)隨鉆錄井地層壓力解釋結(jié)果，獲得連續(xù)的dcs、dcn值。國內(nèi)外錄井現(xiàn)場常用dc指數(shù)法預測地層壓力、地層壓力梯度表征地層孔隙流體壓力。dc指數(shù)法是利用壓差理論對機械鉆速和泥頁巖壓實程度的影響規(guī)律來檢測地層壓力的一種方法［10］，受鉆壓、鉆速、鉆頭型號及尺寸、鉆井液密度等因素影響。dcs值是考慮鉆頭磨損程度及鉆頭類型的修正dc值，dcn為dcs值回歸趨勢線上對應深度的讀值。

1.2.2巖石密度DEN

原公式中DEN是取自頁巖儲層上方“頂板”巖層的密度平均值，但筆者認為在此取值模式下，最大水平主應力僅與垂深有相關關系，忽略了巖石本身的影響，因此認為應采用連續(xù)的井DEN值。

1.3 評價標準

地應力大小在頁巖壓裂中對于裂縫的延伸及裂縫的剪切起到?jīng)Q定性作用。通常認為地應力差異系數(shù)小于0.3時，有利于形成人工網(wǎng)絡裂縫，且地應力差異系數(shù)越小，越有利于形成裂縫網(wǎng)絡［11］。當水平應力差異系數(shù)為0～0.3時，可壓性好，能夠形成剪切網(wǎng)狀縫；當水平應力差異系數(shù)為0.3～0.5時，可壓性中等，能夠形成較為復雜的裂縫；當水平應力差異系數(shù)大于0.5時，可壓性較差，能夠形成主縫或單一分支裂縫。

2 應用實例

A井是南川頁巖氣田東勝區(qū)塊的一口重點預探井，其水平段1 933 m，主要穿行層位為龍一段①～③小層。依據(jù)上述方法，計算其導眼井（直井）五峰—龍馬溪組①～⑨小層的地應力參數(shù)，獲得連續(xù)地應力剖面（圖1），與偶極子聲波測井解釋結(jié)果進行對比（表1），與計算結(jié)果基本一致，相對誤差在5%以內(nèi)。依據(jù)分析結(jié)果，該井頁巖儲層水平應力差異系數(shù)為0.09，可壓性好。該井未進行三軸應力巖心分析，一般來說通過此方法計算或測井解釋的地應力值與實驗測試值相比偏大，受井斜和地層傾角影響，這里計算或者解釋的地應力可看作為“視地應力”，與實測有所偏差，但不影響現(xiàn)場使用。

表1 A井地應力參數(shù)對比

圖1 A井可壓性分析剖面

利用上述方法計算A井水平段頁巖水平應力差異系數(shù)，結(jié)合頁巖含氣性、電性特征、裂縫發(fā)育情況、巖石力學參數(shù)等因素，優(yōu)選高氣測、硅質(zhì)含量高、黏土礦物含量少、楊氏模量高、泊松比小、水平差異系數(shù)小于0.1的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層作為壓裂段。A井壓裂施工主體采用前置酸處理、階梯升排量砂比、長段塞連續(xù)加砂的壓裂工藝，埋深適中（2 900～3 000 m），施工壓力45～90 MPa，平均破裂壓力78 MPa，平均最高砂比16%。低破裂壓力、高砂比說明儲層具有良好的可壓性。壓裂后的壓降分析為裂縫形態(tài)診斷提供了一種簡單高效的評價方法。G函數(shù)分析則是壓后壓降分析的主要技術，這一特殊的技術能夠?qū)毫咽┕そY(jié)束后的壓裂過程進行評估、對裂縫的復雜性做出判斷，從而改進壓裂方案、優(yōu)化氣田壓裂參數(shù)、提高壓裂施工質(zhì)量，獲得最佳儲層改造效果。壓后通過G函數(shù)形態(tài)分析，曲線類型多以圖2所示為主，曲線前期爬升快，后期波動多，說明裂縫復雜程度高。

圖2 A井壓裂G函數(shù)曲線

A井壓后放噴測試結(jié)果（圖3），在14 mm油嘴制度下，平均壓力16.81 MPa，獲得穩(wěn)定測試氣產(chǎn)量32.8×104m3/d，平均液量13.84 m3/h。

圖3 A井試氣測試曲線

投產(chǎn)初期，平均產(chǎn)氣量可達（8～14）×104m3/d。儲層改造結(jié)果及試氣測試結(jié)果皆反映可壓性分析的可靠性。

上述方法已應用于南川頁巖氣田平橋南區(qū)、JY10井區(qū)、東勝區(qū)塊的30余口頁巖氣井，指導頁巖儲層可壓性評價，符合率較高，取得了較好的應用效果。

3 結(jié)論

（1）利用地層孔隙流體壓力梯度FPG、巖石密度測井值DEN、儲層垂深H等參數(shù)計算水平地應力差，可獲得連續(xù)地應力剖面，用于頁巖儲層可壓性評價，是一種方便快捷、低成本的評價方法。

（2）在原有公式基礎上改變?nèi)≈的Ｊ?，采用連續(xù)測井DEN值替代上覆巖層平均DEN值，使得最大水平主應力的計算更加科學合理。

（3）現(xiàn)場應用效果表明，該數(shù)學模型能夠較為準確地預測南川地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖儲層的可壓性，可應用于壓裂分段設計，適用性強。