頁(yè)巖氣體積壓裂效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)研究*

劉海龍（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院）

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頁(yè)巖氣體積壓裂效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)研究*

劉海龍
（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院）

摘要體積壓裂已經(jīng)成為頁(yè)巖氣增產(chǎn)的必要措施，如何評(píng)價(jià)體積壓裂效果是頁(yè)巖氣藏提高壓裂水平亟待解決的問題。在體積壓裂井產(chǎn)能評(píng)價(jià)、壓裂效果多因素影響分析、相關(guān)性分析、多元回歸分析的理論基礎(chǔ)之上，建立了壓裂投產(chǎn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)和壓裂工藝效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過理論計(jì)算明確裂縫幾何參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣藏壓裂效果的影響程度，同時(shí)引入體積壓裂井產(chǎn)能變化指數(shù)，建立評(píng)價(jià)方法，將壓后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)情況綜合到壓裂效果評(píng)價(jià)中，并應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，解決了壓裂效果評(píng)價(jià)中的地質(zhì)因素和工程因素之間的矛盾。實(shí)例計(jì)算表明：數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)能夠滿足頁(yè)巖氣體積壓裂效果評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)需求，應(yīng)用效果較好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。圖2表4參13

關(guān)鍵詞頁(yè)巖氣體積壓裂數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)效果評(píng)價(jià)

0　引言

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

然而對(duì)于一個(gè)區(qū)塊而言，隨著技術(shù)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(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)越來越繁雜，特別是對(duì)于投產(chǎn)不久的頁(yè)巖氣田，對(duì)其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范和管理的難度更大，目前壓裂在數(shù)據(jù)資料的管理上存在以下問題：數(shù)據(jù)管理尚處在一種半手工、半計(jì)算機(jī)化狀態(tài)，存儲(chǔ)和導(dǎo)出不規(guī)范、不標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)不能被直接應(yīng)用；無錯(cuò)誤校驗(yàn)機(jī)制，動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)存在細(xì)節(jié)上的錯(cuò)誤；各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系脫節(jié)，不利于進(jìn)行綜合分析研究。此外與壓裂施工過程和效果有關(guān)的資料本身具有：“數(shù)據(jù)資料類別眾多；數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性大；隨著頁(yè)巖氣田開發(fā)的不斷進(jìn)行，壓裂施工數(shù)據(jù)在不斷增加”的特點(diǎn)。那么如何準(zhǔn)確、規(guī)范、快速的整理和分析這些數(shù)據(jù)，成為頁(yè)巖體積壓裂效果評(píng)估的關(guān)鍵。因此為解決上述問題，本文基于國(guó)內(nèi)外壓裂效果評(píng)估技術(shù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與管理和多元分析理論，研制一套適合頁(yè)巖氣體積壓裂效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)。

1　現(xiàn)有技術(shù)分析

頁(yè)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(guān)參數(shù)的難度可想而知，雖然能采用最好的壓裂設(shè)計(jì)工具和技術(shù)進(jìn)行壓裂處理，但很難證實(shí)由模型估計(jì)的裂縫幾何形狀是否合理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)壓裂效果評(píng)價(jià)方法主要有裂縫監(jiān)測(cè)法、產(chǎn)能評(píng)價(jià)法、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法，應(yīng)用較多的為裂縫監(jiān)測(cè)法。經(jīng)過近60年的發(fā)展已經(jīng)形成近10余種裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)原理和特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，依據(jù)所采集數(shù)據(jù)特征將裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)分為3類：遠(yuǎn)井直接監(jiān)測(cè)方法、近井直接監(jiān)測(cè)方法、間接監(jiān)測(cè)方法（表1）。由表1知：現(xiàn)有的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)存在一定的缺陷，不能滿足頁(yè)巖氣體積壓裂的效果評(píng)價(jià)。

2　頁(yè)巖氣體積壓裂評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)

2.1效果評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

建立起具有科學(xué)性、客觀性的壓裂效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，是對(duì)壓裂效果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)的必要前提，也是分析壓裂工藝、壓裂地質(zhì)的先決條件。壓裂效果評(píng)價(jià)首先要明確是哪些因素影響了壓裂效果，每一個(gè)因素對(duì)最終效果的影響程度，如何對(duì)壓裂效果進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)。地質(zhì)因素和工程因素對(duì)壓裂效果的影響程度不同，如果僅應(yīng)用一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)則無法對(duì)地質(zhì)和工程進(jìn)行客觀、科學(xué)的評(píng)價(jià)。

表1　裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

針對(duì)地質(zhì)因素和工程因素在壓裂效果評(píng)價(jià)結(jié)果上的矛盾，本文提出兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：壓裂投產(chǎn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)和壓裂工藝效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。壓裂投產(chǎn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)是一項(xiàng)綜合考慮地質(zhì)、工程及壓后產(chǎn)能變化情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，壓裂工藝效果評(píng)價(jià)指標(biāo)則不考慮壓后產(chǎn)能情況，只是考慮壓裂施工過程的壓裂行為在儲(chǔ)層中產(chǎn)生的效果，因此有可能出現(xiàn)盡管壓裂后氣井的產(chǎn)能很低，但其壓裂工藝效果評(píng)價(jià)卻相對(duì)較好的評(píng)價(jià)結(jié)果。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，最大程度上做到量化性、科學(xué)性和客觀性。

評(píng)價(jià)壓裂投產(chǎn)效果的綜合性能的指標(biāo)有很多個(gè)，歸類分析主要包括：儲(chǔ)層物性參數(shù)指標(biāo)、儲(chǔ)層電性參數(shù)指標(biāo)、壓裂施工規(guī)模參數(shù)指標(biāo)、壓裂泵注程序參數(shù)指標(biāo)、壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工效果參數(shù)指標(biāo)、壓后產(chǎn)能測(cè)試指標(biāo)、裂縫幾何參數(shù)等七個(gè)大的方面(圖1)。而壓裂工藝效果評(píng)價(jià)中，不再考慮壓裂投產(chǎn)后產(chǎn)能情況的影響，完全從地質(zhì)參數(shù)和施工參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。主要的評(píng)級(jí)指標(biāo)為前五個(gè)方面。

圖1　壓裂投產(chǎn)效果監(jiān)測(cè)指標(biāo)因素集

2.2體積壓裂效果判斷

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)后，為提高評(píng)價(jià)速度，首先要對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理（公式1），使得各組值之間具有統(tǒng)一的度量尺度，同時(shí)也可以消除量綱。然后采用加權(quán)綜合法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行體積壓裂效果判斷，最后由判斷結(jié)果進(jìn)行體積壓裂效果分級(jí)[10-11]。

式中：

Xi—原始數(shù)據(jù)資料的第i個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)歸一化后的輸出值；

xi—原始數(shù)據(jù)資料的第i個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的實(shí)際值；

xmax—所有參與評(píng)價(jià)參數(shù)項(xiàng)中的輸入最大值；

xmin—所有參與評(píng)價(jià)參數(shù)項(xiàng)中的輸入最小值。

式中：

k—方案數(shù)，k=1表示壓裂前，k=2表示壓裂后；

m—待評(píng)價(jià)區(qū)塊總井?dāng)?shù)。

指標(biāo)Fi的參數(shù)Fij取壓裂前、后相應(yīng)值，通過比較壓裂前、后評(píng)價(jià)值，判斷體積壓裂效果，并將判斷結(jié)果分為五級(jí)(表2)。

表2　體積壓裂效果判斷標(biāo)準(zhǔn)

2.3效果評(píng)價(jià)資料需求

對(duì)一口井的壓裂施工進(jìn)行評(píng)價(jià),需要該井的開發(fā)地質(zhì)資料、壓裂施工過程記錄資料、壓裂施工應(yīng)用材料性能資料、壓裂前后的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料。如果所分析評(píng)價(jià)的對(duì)象是一個(gè)區(qū)塊，則需要增加區(qū)塊的壓裂地質(zhì)方面的資料。

壓裂評(píng)價(jià)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)主要用來管理與壓裂效果評(píng)價(jià)有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括建立靜態(tài)的地質(zhì)參數(shù)、壓裂施工參數(shù)等數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅具有管理數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)行時(shí)還可進(jìn)行窗口的排列和簡(jiǎn)單的繪圖編輯、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作。

2.4效果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)思路和參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合相關(guān)理論，體積壓裂效果評(píng)價(jià)支持系統(tǒng)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(yè)巖氣體積壓裂數(shù)據(jù)分析的單機(jī)版效果評(píng)價(jià)應(yīng)用系統(tǒng)[12-13]。

圖2　整體結(jié)構(gòu)示意圖

從整體開發(fā)結(jié)構(gòu)來看，本效果評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)可劃分為主要功能模塊和輔助功能模塊等多個(gè)模塊(圖2)。主要功能模塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)建立及保存模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入及繪圖顯示模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、數(shù)據(jù)輸出及自動(dòng)生成數(shù)據(jù)文件模塊；而輔助功能模塊則為輸入數(shù)據(jù)查看、輸入數(shù)據(jù)編輯、文件的切換、附件工具(如計(jì)算器、記事本等)。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的主要功能模塊是統(tǒng)計(jì)輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)理分析，輔助功能是協(xié)助計(jì)算，同時(shí)方便用戶操作。

3　實(shí)例分析

該評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)在涪陵大安寨頁(yè)巖氣田某區(qū)塊(簡(jiǎn)稱研究區(qū))的實(shí)例分析表明，用評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)解釋的裂縫參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)裂縫監(jiān)測(cè)參數(shù)吻合，驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用效果較好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

首先對(duì)每一項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，評(píng)價(jià)參數(shù)歸一化的處理部分結(jié)果如表3所示。

表3　某區(qū)塊壓裂投產(chǎn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)部分?jǐn)?shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)歸一化后結(jié)果值

由表2可知各因素的評(píng)價(jià)向量，如孔隙度的評(píng)價(jià)向量為(0,0.78,0.85,0.62,1)，按照一級(jí)指標(biāo)(圖1中七項(xiàng)指標(biāo))分類評(píng)價(jià)，形成六個(gè)評(píng)價(jià)向量矩陣，如儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)向量矩陣為：

然后對(duì)每一項(xiàng)的參數(shù)權(quán)重進(jìn)行確定，在各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合評(píng)價(jià)的參數(shù)需求，對(duì)地質(zhì)、工程、裂縫監(jiān)測(cè)、壓后產(chǎn)能等四個(gè)方面選擇的各具代表性的評(píng)價(jià)參數(shù)分別進(jìn)行權(quán)重分析（表4）。

表4　壓裂效果評(píng)價(jià)部分指標(biāo)權(quán)重確定

對(duì)于壓后產(chǎn)能監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，采用三項(xiàng)參數(shù)，即投產(chǎn)初期計(jì)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(chǎn)氣量，以及對(duì)壓裂氣井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)的壓后產(chǎn)能變化指數(shù)。對(duì)于這三個(gè)參數(shù)，將壓后產(chǎn)能監(jiān)測(cè)的權(quán)重平均分配，即在綜合監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)值為23.07，壓裂效果很好，與現(xiàn)場(chǎng)壓裂效果評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

4　結(jié)論

（1）研究開發(fā)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，集數(shù)據(jù)錄入、統(tǒng)計(jì)、分析于一體，實(shí)例計(jì)算表明，該評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，應(yīng)用效果較好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）影響壓裂效果的主要因素是儲(chǔ)層物性參數(shù)，其次是壓裂規(guī)模參數(shù)、儲(chǔ)層電性參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)施工效果參數(shù)、泵注程序參數(shù)等，而儲(chǔ)層物性參數(shù)為不可控制因素，因此壓裂施工規(guī)模參數(shù)成為調(diào)整的核心。

（3）在壓裂井產(chǎn)能評(píng)價(jià)、壓裂效果多因素影響分析、相關(guān)性分析、多元回歸分析的理論基礎(chǔ)之上建立了壓裂投產(chǎn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)和壓裂工藝效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過理論計(jì)算明確裂縫幾何參數(shù)對(duì)研究頁(yè)巖氣藏壓裂效果的影響程度，同時(shí)通過引入壓裂井產(chǎn)能變化指數(shù)建立了評(píng)價(jià)方法，將壓后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)情況綜合到壓裂效果評(píng)價(jià)中，并應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)研究區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，解決了壓裂效果評(píng)價(jià)中的地質(zhì)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(jiǎn)介劉海龍，男，1989年出生，工程師；2013年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，主要從事數(shù)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(xué)院路20號(hào)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(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣股份有限公司科技重大專項(xiàng)（2011A-1010）“新一代油藏?cái)?shù)值模擬軟件”。