蔣廷學(xué) 路保平 左 羅 卞曉冰

1. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029;

2. 中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司, 北京 100029

0 前言

經(jīng)20多年的技術(shù)探索,美國成功地進(jìn)行了頁巖氣革命[1-2],2019年頁巖氣產(chǎn)量約7 198×108m3,是中國天然氣總產(chǎn)量的4倍以上,基本上實(shí)現(xiàn)了“能源獨(dú)立”[3]。據(jù)資料介紹,美國3 500 m以淺頁巖氣完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā),埋深大于3 500 m的Eagle Ford、Haynesville、Cana Woodford區(qū)塊已實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā),其余4 100 m以深的深層頁巖氣區(qū)塊未獲經(jīng)濟(jì)開發(fā)[4-9]。

美國頁巖氣革命引發(fā)了全球頁巖氣開發(fā)熱潮,2009年前后中國油氣行業(yè)正式進(jìn)軍頁巖氣,經(jīng)過10余年的探索,在頁巖氣勘探開發(fā)理論及工程技術(shù)方法等方面取得了重大技術(shù)突破[10-12],目前中國探明地質(zhì)儲(chǔ)量約1.79×1012m3，2021年產(chǎn)量超過200×108m3，3 500 m以淺頁巖氣已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)開發(fā),3 500 m以深及常壓頁巖氣也取得了重要進(jìn)展,中國成為第三個(gè)實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家。

國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)成功案例表明[13-15],科學(xué)的成藏規(guī)律認(rèn)識(shí)、選區(qū)評(píng)價(jià)、頁巖氣工程技術(shù)鏈以及地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)的有機(jī)結(jié)合是頁巖氣勘探開發(fā)工作的基礎(chǔ);地質(zhì)工程一體化是實(shí)現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)的關(guān)鍵?？蓧盒允潜碚鞯刭|(zhì)-工程一體化的核心要素,內(nèi)涵包括目的儲(chǔ)層的出氣潛力評(píng)價(jià)(儲(chǔ)層品質(zhì)評(píng)價(jià))、壓裂難易程度及復(fù)雜縫網(wǎng)形成難易程度評(píng)價(jià),即行業(yè)熟知的地質(zhì)甜點(diǎn)及工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)[16-18];但由于地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)與壓后產(chǎn)量相關(guān)性有待進(jìn)一步提升,其結(jié)果只能用來進(jìn)行地質(zhì)分段,而不能有效指導(dǎo)工藝分段分簇。因此,又提出地質(zhì)甜度、工程甜度及可壓度評(píng)價(jià)方法,以彌補(bǔ)地質(zhì)及工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)的不足?？蓧盒钥捎糜诰圮壽E的優(yōu)化控制、改造層位的優(yōu)選、段簇及施工工藝的精細(xì)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)頁巖氣井有效改造體積(Effective Stimulated Reservoir Volume,ESRV)及可采儲(chǔ)量的最大化。

目前,國內(nèi)頁巖氣高效開發(fā)中仍然面臨諸多問題,比較普遍的是地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)匹配度不高[19-20]及可壓性評(píng)價(jià)技術(shù)體系不完善問題,統(tǒng)計(jì)資料表明部分壓裂井段裂縫復(fù)雜度較低,復(fù)雜縫網(wǎng)的段簇占比不到50%,相當(dāng)于部分壓裂段幾乎不貢獻(xiàn)產(chǎn)量或貢獻(xiàn)少部分產(chǎn)量。因此，亟需改進(jìn)與完善甜點(diǎn)與可壓性評(píng)價(jià)技術(shù)體系,以提高其評(píng)價(jià)精度與適用性,促進(jìn)頁巖氣高效開發(fā)。

1 甜度評(píng)價(jià)

在甜點(diǎn)評(píng)價(jià)的廣泛應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)壓后產(chǎn)氣量與甜點(diǎn)指標(biāo)的相關(guān)性并不強(qiáng),無法有效指導(dǎo)壓裂段簇的劃分和優(yōu)選。因此,提出了地質(zhì)甜度和工程甜度的概念,可對地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)的“甜度”進(jìn)行精確表征和量化,利于提高段簇位置優(yōu)選的科學(xué)性和指導(dǎo)性。

1.1 甜度概念與定義

頁巖儲(chǔ)層甜度是指待評(píng)價(jià)區(qū)參數(shù)集合與標(biāo)桿參數(shù)(最好指標(biāo))集合的貼近度。根據(jù)甜度定義甜度評(píng)價(jià)先要找到該區(qū)塊最高甜度點(diǎn)的參數(shù)集合作為標(biāo)桿(該標(biāo)桿是地質(zhì)或工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)中所有最利于產(chǎn)氣的獨(dú)立性參數(shù)的集合),但是在區(qū)塊開發(fā)過程中一般很難找到這個(gè)標(biāo)桿,因?yàn)殡S著頁巖氣井的開發(fā),頁巖儲(chǔ)層的地質(zhì)及工程參數(shù)將不斷發(fā)生變化。因此,假設(shè)一個(gè)標(biāo)桿值,用于甜度評(píng)價(jià)然后利用歐氏貼近度來表征水平井筒某個(gè)位置處的參數(shù)集合與上述標(biāo)桿的相似度,相似度越高則越接近標(biāo)桿,因此,可以沿井筒方向用這種貼近度定量評(píng)價(jià)地質(zhì)甜度及工程甜度,用于科學(xué)地指導(dǎo)壓裂分段、分簇。

1.2 地質(zhì)甜度的評(píng)價(jià)

根據(jù)甜度計(jì)算參數(shù)的獨(dú)立性要求,在甜點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)基礎(chǔ)上,盡量全面考慮與地質(zhì)甜度評(píng)價(jià)相關(guān)的參數(shù),而且還要保證各參數(shù)之間沒有關(guān)聯(lián)性[10],如TOC含量與含氣量只能二選一。地質(zhì)甜度具體評(píng)價(jià)參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)甜度評(píng)價(jià)參數(shù)表Tab.1 Evaluation parameters of geologic sweetnees

設(shè)A為待評(píng)價(jià)點(diǎn)A1、A2、A3…An-1與標(biāo)桿組成的集合,設(shè)P(P1、P2、P3…Pm)為與A對應(yīng)的m個(gè)特征參數(shù)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(gè)次級(jí)模糊矩陣R1、R2、R3…R及,由式(3)計(jì)算各次級(jí)模糊矩陣與的貼近度,該貼近度ρ即為所求的地質(zhì)甜度。

SG

(3)

1.3 工程甜度的評(píng)價(jià)

工程甜度按上述地質(zhì)甜度相同的方法求取,只是進(jìn)一步劃分為近井工程甜度與遠(yuǎn)井工程甜度。近井工程甜度是近井筒壓裂難易程度及復(fù)雜裂縫形成難易程度的定量表征參數(shù),側(cè)重體現(xiàn)近井可壓裂性,一般通過相關(guān)近井筒參數(shù)來計(jì)算;而遠(yuǎn)井工程甜度則是遠(yuǎn)井筒壓裂難易程度的定量表征參數(shù),一般利用施工參數(shù)來計(jì)算與評(píng)價(jià)。

1.3.1 近井工程甜度的評(píng)價(jià)計(jì)算

近井工程甜度的計(jì)算方法與地質(zhì)甜度的計(jì)算方法一致。在近井工程甜度計(jì)算中考慮了基于施工壓力曲線的脆性指數(shù)、水平兩向主應(yīng)力差異系數(shù)及垂向應(yīng)力與最小水平應(yīng)力差,近井工程甜度具體評(píng)價(jià)參數(shù)見表2。

表2 近井工程甜度評(píng)價(jià)參數(shù)表Tab.2 Evaluation parameters of near wellbore engineering sweetness

脆性指數(shù)(基于施工壓力曲線)計(jì)算方法如下[11]:

假設(shè)頁巖為純塑性時(shí)其脆性指數(shù)為0,為純脆性時(shí)脆性指數(shù)為1,那么實(shí)際頁巖的脆性指數(shù)可用下式計(jì)算(根據(jù)脆塑材料破裂時(shí)消耗的能量來計(jì)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?yōu)?

IB

(5)

1.3.2 遠(yuǎn)井工程甜度的評(píng)價(jià)計(jì)算

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

考慮到進(jìn)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(tǒng)一折算為40/70目支撐劑體積:

(7)

(8)

遠(yuǎn)井工程甜度用下式計(jì)算:

Sf

(9)

1.3.3 工程甜度的評(píng)價(jià)計(jì)算

為了評(píng)價(jià)頁巖氣復(fù)雜裂縫形成難易程度與近井及遠(yuǎn)井的壓裂難易程度,綜合考慮近井及遠(yuǎn)井工程甜度,并以加權(quán)求和方式進(jìn)行計(jì)算:

SE=SnWn+SfWf

(10)

2 可壓度評(píng)價(jià)

用可壓度概念來定量表征可壓性好壞。可壓度指的是同時(shí)考慮地質(zhì)甜度與近井及遠(yuǎn)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(chǎn)氣潛力。

可壓度計(jì)算公式如下:

S=SGWG+SEWE

(11)

3 可壓度評(píng)價(jià)技術(shù)體系應(yīng)用

地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)可用于地質(zhì)導(dǎo)向及水平井段初步的地質(zhì)分段,在此基礎(chǔ)上,再利用可壓度進(jìn)行精細(xì)地質(zhì)分段及更精細(xì)的段簇劃分,有利于提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的鉆遇率、壓裂改造的針對性及壓后產(chǎn)量。

3.1 甜度應(yīng)用與效果

地質(zhì)甜度可用于段簇優(yōu)化,工程甜度可用于復(fù)雜裂縫設(shè)計(jì)與預(yù)測。應(yīng)用結(jié)果表明，地質(zhì)甜度與壓裂后產(chǎn)量的相關(guān)性較好,地質(zhì)甜度與測試產(chǎn)量對應(yīng)關(guān)系見圖1,工程甜度與裂縫復(fù)雜度的對應(yīng)關(guān)系明顯，見圖2。

圖1 地質(zhì)甜度與測試產(chǎn)量對應(yīng)關(guān)系圖Fig.1 The corresponding relationship between geologic sweetness and test gas production

圖2 工程甜度與裂縫復(fù)雜度對應(yīng)關(guān)系圖Fig.2 The corresponding relationship between fracture complexity index and engineering sweetness

3.2 可壓度的應(yīng)用

可壓度主要用于水平井壓裂的精細(xì)分段、簇?cái)?shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工指導(dǎo),由于它直接反映了地質(zhì)甜度與工程甜度的綜合特征,促進(jìn)了地質(zhì)甜度與工程甜度的合理匹配與融合,因此增強(qiáng)了水平井分段壓裂段簇位置優(yōu)選與工程施工參數(shù)與措施的科學(xué)性與可靠性。實(shí)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(huì)產(chǎn)生比較好的壓裂效果。涪陵某區(qū)塊可壓度與無阻流量的關(guān)系見圖3、表3,涪陵某區(qū)塊可壓度指導(dǎo)壓裂前后的各段簇產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率與產(chǎn)量提高率，見圖4、圖5。

圖3 涪陵某區(qū)塊可壓度與無阻流量對應(yīng)關(guān)系圖Fig.3 The corresponding relationship between fracness and open-flow capacity

表3 可壓性評(píng)價(jià)結(jié)果與無阻流量的關(guān)系表Tab.3 Relationship table between fracness evaluation result and open-flow capacity

a)焦頁184-2HF產(chǎn)剖測試產(chǎn)量a)The production of JY184-2HF acquired by producing profile testing

b)焦頁190-2HF產(chǎn)剖測試產(chǎn)量b)The production of JY190-2HF acquired by producing profile testing

a)江東區(qū)塊產(chǎn)量對比a)Production comparison of Jiangdong block

b)平橋區(qū)塊產(chǎn)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(chǎn)量越高,無效段簇占比由33%降至13%～20%,平均單井產(chǎn)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(jié)論與建議

1)研究提出了較為系統(tǒng)完善的可壓度技術(shù)評(píng)價(jià)方法體系,涵蓋甜點(diǎn)、甜度到可壓度的發(fā)展脈絡(luò),與壓后產(chǎn)量的正相關(guān)性逐步提升,進(jìn)一步提高了段簇劃分的精準(zhǔn)性程度,最大限度地促進(jìn)了降本增效效果。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)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(fā)揮了積極的作用。

2)提出了包括地質(zhì)甜度與工程甜度的新理念,建立了相關(guān)計(jì)算方法。甜度可用于頁巖氣壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)中的段簇精細(xì)優(yōu)選與施工措施的進(jìn)一步優(yōu)化。

3)建立了用可壓度來表征可壓性大小的理念與模型。結(jié)果表明,可壓度越大,壓后無阻流量越高,可壓度大于0.5時(shí)會(huì)產(chǎn)生較好的壓裂效果;采用可壓度評(píng)價(jià)方法,無效段簇占比可由33%降至13%～20%,平均單井產(chǎn)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(qiáng)了水平井分段壓裂設(shè)計(jì)與施工的科學(xué)性、針對性與實(shí)用性。

4)建議進(jìn)一步加大頁巖氣可壓度評(píng)價(jià)體系的應(yīng)用力度,特別是在常壓與深層頁巖氣中的應(yīng)用與驗(yàn)證,并在應(yīng)用中進(jìn)一步完善與迭代升級(jí)。