基于層次分析法的頁巖氣儲層可壓裂性評價研究

賴富強，羅 涵，覃棟優(yōu)，夏煒旭，龔大建

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；3.中國國儲能源化工集團股份公司，北京 100107；4.銅仁中能天然氣有限公司，貴州 銅仁 554300)

0 引 言

頁巖氣儲層的可壓裂性定義為儲層具有被有效壓裂形成壓裂縫從而增產(chǎn)的性質(zhì)。評價頁巖儲層的可壓裂性對優(yōu)選頁巖氣井壓裂井段、優(yōu)化頁巖氣田開發(fā)方案和預(yù)測經(jīng)濟效益具有十分重要的意義[1]。國內(nèi)外學(xué)者從巖石力學(xué)性質(zhì)、礦物組分和地質(zhì)因素等方面進行了頁巖儲層的可壓裂性分析[2-10]，但對可壓裂性評價指標(biāo)及數(shù)學(xué)計算模型尚未形成定論。目前中國頁巖氣成功實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)的代表層系為下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖則是頁巖氣勘探開發(fā)的另一個重點層系[11]。研究區(qū)貴州岑鞏頁巖氣區(qū)塊，是中國極少數(shù)目的層為牛蹄塘組并且壓裂點火成功的頁巖氣區(qū)塊之一，頁巖氣資源潛力巨大。目前針對該區(qū)塊的研究較少，缺乏對牛蹄塘組頁巖儲層可壓裂性的評價研究。因此，在國內(nèi)外學(xué)者對泥頁巖可壓裂性研究的基礎(chǔ)上，通過分析不同儲層因素和地質(zhì)因素對可壓裂性的影響，利用層次分析法進行了泥頁巖儲層可壓裂性評價，完成了可壓裂級別劃分并優(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。黔東南州地跨揚子陸塊和華南褶皺帶，以銅仁—玉屏—凱里—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)頁巖[12]；黃鐵礦發(fā)育，呈條帶狀或零星粒狀分布，局部見方解石充填。

2 可壓裂性評價

可壓裂性是儲層特征及地質(zhì)特征的綜合反映，目前能夠確定的影響頁巖可壓裂性的因素有脆性系數(shù)(BIe)、脆性礦物含量(BM)、有機碳含量(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、低泊松比的頁巖具有高脆性，對壓裂極為有利。

(2) 脆性礦物含量。脆性礦物含量對頁巖儲層的微裂縫發(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)造運動或水力壓裂過程中越易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，越有利于頁巖未連通孔隙相互連接，對頁巖儲層的的壓裂改造效果越好。

(3) 有機碳含量。有機碳含量雖然不能直接反映頁巖儲層的可壓裂性，但對儲層的裂縫發(fā)育及分布、巖石力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。頁巖氣儲層的含氣量取決于有機質(zhì)含量，且有機碳含量往往與吸附氣能力成正比，有機質(zhì)的孔隙性和滲透性比頁巖基質(zhì)好，因此，對裂縫的發(fā)育有一定的影響；頁巖氣儲層的密度也受有機碳含量的影響，進而影響頁巖氣儲層的巖石力學(xué)性質(zhì)。頁巖儲層有機碳含量越高，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巖的主要構(gòu)成成分，同時也對微裂縫發(fā)育程度、頁巖含氣性、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，頁巖的脆性越大；反之則頁巖塑性越強，吸收能量也越多，難以形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，不利于頁巖壓裂改造。

(5) 斷裂韌度。斷裂韌度反映了頁巖儲層可壓裂的難易程度，是巖石的固有屬性。在頁巖氣水力壓裂過程中，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。

(6) 水平應(yīng)力差異系數(shù)。在壓裂過程中，裂縫總是向最大應(yīng)力的方向延伸，為了壓裂時可以產(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)。

為計算可壓裂系數(shù)，利用極差變換法將各參數(shù)進行標(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 層次分析法計算權(quán)重

在可壓裂性評價中涉及儲層多個參數(shù)，各參數(shù)對可壓裂性評價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)雜問題進行分解，把目的問題分解為若干個影響因素，每個因素根據(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 可壓裂性評價指標(biāo)判斷矩陣

2.3 可壓裂性指數(shù)計算

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)計算得到的可壓裂性指數(shù)，將頁巖的可壓裂性劃分為2個級別：可壓裂性較好(FI≥0.500)和可壓裂性較差(FI<0.500)。

3 模型驗證

利用研究區(qū)的TX1井對上述研究方法和模型進行檢驗和應(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。完井測試井段為900.00～1 895.00 m，除進行常規(guī)測井外，同時進行了交叉偶極子陣列聲波、元素俘獲等特殊測井。2014年6月2日至6月5日對牛蹄塘組進行壓裂施工，并進行微地震監(jiān)測。

對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，TOC與可壓裂指數(shù)呈正相關(guān)性；當(dāng)TOC大于7%時，TOC與可壓裂指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。可見TOC過高，頁巖的延展性增大，對構(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)及儲層參數(shù)與可壓裂指數(shù)的關(guān)系

4 實例應(yīng)用

利用計算模型對TX1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組進行可壓裂性綜合評價(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井可壓裂性評價參數(shù)及有效孔隙度、滲透率等測井解釋成果，最終優(yōu)選33號層和35號層作為壓裂層段。

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)層段進行壓裂施工，并采取地面微地震技術(shù)進行裂縫實時監(jiān)測，通過對采集數(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主裂縫延伸方向為北東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)。壓裂后造縫效果較明顯，裂縫在井眼附近特別發(fā)育，造縫總長度為400 m，縫寬總計為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。說明可壓裂性評價方法計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，適用于富含有機質(zhì)的泥頁巖儲層的可壓裂性評價，具有較好的應(yīng)用潛力。

圖2TX1井可壓裂性評價系數(shù)計算結(jié)果

表2 地面微地震監(jiān)測裂縫參數(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)等因素對泥頁巖儲層可壓裂性的影響。根據(jù)脆性指數(shù)越大，脆性礦物含量越高，有機碳含量越高的儲層的可壓裂性越好；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，泥頁巖儲層的可壓裂性越高的原則，采用層次分析法建立了頁巖氣儲層可壓裂性評價模型。

圖3TX1井微地震事件解釋

(2) 利用TX1井對可壓裂性評價模型進行檢驗，當(dāng)TOC小于7%時，可壓裂指數(shù)變大，可壓裂性變好；而TOC大于7%時，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)則沒有明顯的相關(guān)性。

(3) 利用計算模型對TX1井目的層進行可壓裂性綜合評價，通過實際頁巖氣井壓裂層段微地震資料的驗證分析，證實了該方法能夠較好地評價頁巖氣儲層的可壓裂性，同時為其他致密儲層可壓裂性評價提供了一種方法借鑒。

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