页岩气地质—工程可压度评价方法研究及应用

蒋廷学 路保平 左 罗 卞晓冰

1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室, 北京 100029;

2. 中石化石油工程技术研究院有限公司, 北京 100029

0 前言

经20多年的技术探索,美国成功地进行了页岩气革命[1-2],2019年页岩气产量约7 198×108m3,是中国天然气总产量的4倍以上,基本上实现了“能源独立”[3]。据资料介绍,美国3 500 m以浅页岩气完全实现商业开发,埋深大于3 500 m的Eagle Ford、Haynesville、Cana Woodford区块已实现经济开发,其余4 100 m以深的深层页岩气区块未获经济开发[4-9]。

美国页岩气革命引发了全球页岩气开发热潮,2009年前后中国油气行业正式进军页岩气,经过10余年的探索,在页岩气勘探开发理论及工程技术方法等方面取得了重大技术突破[10-12],目前中国探明地质储量约1.79×1012m3，2021年产量超过200×108m3，3 500 m以浅页岩气已实现大规模商业开发,3 500 m以深及常压页岩气也取得了重要进展,中国成为第三个实现页岩气商业开发的国家。

国内外页岩气开发成功案例表明[13-15],科学的成藏规律认识、选区评价、页岩气工程技术链以及地质甜点与工程甜点的有机结合是页岩气勘探开发工作的基础;地质工程一体化是实现页岩气经济高效开发的关键。可压性是表征地质-工程一体化的核心要素,内涵包括目的储层的出气潜力评价(储层品质评价)、压裂难易程度及复杂缝网形成难易程度评价,即行业熟知的地质甜点及工程甜点评价[16-18];但由于地质甜点与工程甜点与压后产量相关性有待进一步提升,其结果只能用来进行地质分段,而不能有效指导工艺分段分簇。因此,又提出地质甜度、工程甜度及可压度评价方法,以弥补地质及工程甜点评价的不足。可压性可用于井眼轨迹的优化控制、改造层位的优选、段簇及施工工艺的精细优化,以实现页岩气井有效改造体积(Effective Stimulated Reservoir Volume,ESRV)及可采储量的最大化。

目前,国内页岩气高效开发中仍然面临诸多问题,比较普遍的是地质甜点与工程甜点匹配度不高[19-20]及可压性评价技术体系不完善问题,统计资料表明部分压裂井段裂缝复杂度较低,复杂缝网的段簇占比不到50%,相当于部分压裂段几乎不贡献产量或贡献少部分产量。因此，亟需改进与完善甜点与可压性评价技术体系,以提高其评价精度与适用性,促进页岩气高效开发。

1 甜度评价

在甜点评价的广泛应用中发现压后产气量与甜点指标的相关性并不强,无法有效指导压裂段簇的划分和优选。因此,提出了地质甜度和工程甜度的概念,可对地质甜点与工程甜点的“甜度”进行精确表征和量化,利于提高段簇位置优选的科学性和指导性。

1.1 甜度概念与定义

页岩储层甜度是指待评价区参数集合与标杆参数(最好指标)集合的贴近度。根据甜度定义甜度评价先要找到该区块最高甜度点的参数集合作为标杆(该标杆是地质或工程甜点评价中所有最利于产气的独立性参数的集合),但是在区块开发过程中一般很难找到这个标杆,因为随着页岩气井的开发,页岩储层的地质及工程参数将不断发生变化。因此,假设一个标杆值,用于甜度评价然后利用欧氏贴近度来表征水平井筒某个位置处的参数集合与上述标杆的相似度,相似度越高则越接近标杆,因此,可以沿井筒方向用这种贴近度定量评价地质甜度及工程甜度,用于科学地指导压裂分段、分簇。

1.2 地质甜度的评价

根据甜度计算参数的独立性要求,在甜点评价参数基础上,尽量全面考虑与地质甜度评价相关的参数,而且还要保证各参数之间没有关联性[10],如TOC含量与含气量只能二选一。地质甜度具体评价参数见表1。

表1 地质甜度评价参数表Tab.1 Evaluation parameters of geologic sweetnees

设A为待评价点A1、A2、A3…An-1与标杆组成的集合,设P(P1、P2、P3…Pm)为与A对应的m个特征参数的集合,按最大最小法求取由集合A到集合P的模糊矩阵R:

R=[rij]n×m

(1)

(2)

将模糊矩阵R划分为n个次级模糊矩阵R1、R2、R3…R及,由式(3)计算各次级模糊矩阵与的贴近度,该贴近度ρ即为所求的地质甜度。

SG

(3)

1.3 工程甜度的评价

工程甜度按上述地质甜度相同的方法求取,只是进一步划分为近井工程甜度与远井工程甜度。近井工程甜度是近井筒压裂难易程度及复杂裂缝形成难易程度的定量表征参数,侧重体现近井可压裂性,一般通过相关近井筒参数来计算;而远井工程甜度则是远井筒压裂难易程度的定量表征参数,一般利用施工参数来计算与评价。

1.3.1 近井工程甜度的评价计算

近井工程甜度的计算方法与地质甜度的计算方法一致。在近井工程甜度计算中考虑了基于施工压力曲线的脆性指数、水平两向主应力差异系数及垂向应力与最小水平应力差,近井工程甜度具体评价参数见表2。

表2 近井工程甜度评价参数表Tab.2 Evaluation parameters of near wellbore engineering sweetness

脆性指数(基于施工压力曲线)计算方法如下[11]:

假设页岩为纯塑性时其脆性指数为0,为纯脆性时脆性指数为1,那么实际页岩的脆性指数可用下式计算(根据脆塑材料破裂时消耗的能量来计算):

IB

(4)

水力压裂消耗的能量可用注入排量的积分来表示,则式(4)可变为:

IB

(5)

1.3.2 远井工程甜度的评价计算

远井工程甜度主要考虑的是施工参数的综合影响,经研究提出了利用施工时支撑剂及压裂液来定量表征远井可压性的方法[10]。

考虑到进入地层的压裂液类型及黏度组合较多,采用以下方法来折算等效压裂液体积:

(6)

压裂过程中所有支撑剂体积统一折算为40/70目支撑剂体积:

(7)

(8)

远井工程甜度用下式计算:

Sf

(9)

1.3.3 工程甜度的评价计算

为了评价页岩气复杂裂缝形成难易程度与近井及远井的压裂难易程度,综合考虑近井及远井工程甜度,并以加权求和方式进行计算:

SE=SnWn+SfWf

(10)

2 可压度评价

用可压度概念来定量表征可压性好坏。可压度指的是同时考虑地质甜度与近井及远井工程甜度的影响,用于量化表征页岩可压性程度与压后产气潜力。

可压度计算公式如下:

S=SGWG+SEWE

(11)

3 可压度评价技术体系应用

地质甜点与工程甜点可用于地质导向及水平井段初步的地质分段,在此基础上,再利用可压度进行精细地质分段及更精细的段簇划分,有利于提高优质储层的钻遇率、压裂改造的针对性及压后产量。

3.1 甜度应用与效果

地质甜度可用于段簇优化,工程甜度可用于复杂裂缝设计与预测。应用结果表明，地质甜度与压裂后产量的相关性较好,地质甜度与测试产量对应关系见图1,工程甜度与裂缝复杂度的对应关系明显，见图2。

图1 地质甜度与测试产量对应关系图Fig.1 The corresponding relationship between geologic sweetness and test gas production

图2 工程甜度与裂缝复杂度对应关系图Fig.2 The corresponding relationship between fracture complexity index and engineering sweetness

3.2 可压度的应用

可压度主要用于水平井压裂的精细分段、簇数优化设计与施工指导,由于它直接反映了地质甜度与工程甜度的综合特征,促进了地质甜度与工程甜度的合理匹配与融合,因此增强了水平井分段压裂段簇位置优选与工程施工参数与措施的科学性与可靠性。实践表明,可压度越高,可压性越好,压裂有效性越高。可压度>0.5的情况下,一般都会产生比较好的压裂效果。涪陵某区块可压度与无阻流量的关系见图3、表3,涪陵某区块可压度指导压裂前后的各段簇产气贡献率与产量提高率，见图4、图5。

图3 涪陵某区块可压度与无阻流量对应关系图Fig.3 The corresponding relationship between fracness and open-flow capacity

表3 可压性评价结果与无阻流量的关系表Tab.3 Relationship table between fracness evaluation result and open-flow capacity

a)焦页184-2HF产剖测试产量a)The production of JY184-2HF acquired by producing profile testing

b)焦页190-2HF产剖测试产量b)The production of JY190-2HF acquired by producing profile testing

a)江东区块产量对比a)Production comparison of Jiangdong block

b)平桥区块产量对比b)Production comparison of Pingqiao block

从图3～5和表3可见，可压度越高,压裂后无阻产量越高,无效段簇占比由33%降至13%～20%,平均单井产量提高了35.6%,单簇裂缝改造体积提高约15%,压裂有效性明显提高。

4 结论与建议

1)研究提出了较为系统完善的可压度技术评价方法体系,涵盖甜点、甜度到可压度的发展脉络,与压后产量的正相关性逐步提升,进一步提高了段簇划分的精准性程度,最大限度地促进了降本增效效果。经现场验证,效果显著,在提高有效压裂段簇比例和降低无效段簇比例方面发挥了积极的作用。

2)提出了包括地质甜度与工程甜度的新理念,建立了相关计算方法。甜度可用于页岩气压裂优化设计中的段簇精细优选与施工措施的进一步优化。

3)建立了用可压度来表征可压性大小的理念与模型。结果表明,可压度越大,压后无阻流量越高,可压度大于0.5时会产生较好的压裂效果;采用可压度评价方法,无效段簇占比可由33%降至13%～20%,平均单井产量提高了35.6%,单簇裂缝改造体积提高了约15%。因此,可压度显著增强了水平井分段压裂设计与施工的科学性、针对性与实用性。

4)建议进一步加大页岩气可压度评价体系的应用力度,特别是在常压与深层页岩气中的应用与验证,并在应用中进一步完善与迭代升级。