CN105156103B - 一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩屑‑岩心‑井眼‑储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法。它包括下列步骤：S1、计算页岩取心位置处的矿物含量脆性指数；S2、建立内摩擦角、I型和II型断裂韧性与岩石力学参数间的关系式；S3、建立综合考虑矿物含量、弹性参数、内摩擦角、临界应变能释放率和断裂韧性的页岩可压裂性评价模型；S4、运用支持向量机算法，得到储层可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式；S5、应用聚类分析模式到储层三维弹性参数数据体，建立基于岩屑‑岩心‑井眼‑储层多尺度的页岩储层三维可压裂性模型。运用该方法可得到页岩储层内任意空间位置的可压裂性，避免井位选择的盲目性，提高压裂改造效果和压后产量。
Description
技术领域
本发明属于页岩油气开发技术领域，尤其涉及一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法。
背景技术
随着我国国民经济持续快速增长，能源需求急剧增加，石油天然气资源供需矛盾突出。我国页岩气资源十分丰富，根据2012年国土资源部油气中心最新研究成果表明，我国页岩气可采资源量为25万亿方，发展潜力巨大。随着美国Barnett、Eagle Ford和我国涪陵等典型页岩气田的成功开发，页岩气有望成为重要的接替能源。然而，我国页岩气的开发普遍存在着单井成本高、整体产量低、压后效果参差不齐等瓶颈问题，再加上国际油价的大幅下跌，使得我国页岩气资源的开发面临着投资成本难以回收的难题，严重制约页岩气产业的发展。
美国的页岩气储层地貌平坦、埋藏较浅、储层物性均匀，通常通过对比水平井井眼各位置的可压裂性来优选射孔簇位置和压裂层段，压后效果较好。然而，四川地区地质构造剧烈、储层地质条件复杂，页岩储层内部物性和非均质性差异较大，现有的脆性指数评价方法仅属于井眼尺度，无法实现整个储层脆性的预测，若水平井井眼轨迹位于脆性较差的储层或钻遇弹性模量较高和泊松比较小的脆性隔层，采用现有方法优化的射孔位置和压裂层段将难以得到体积压裂所要求的裂缝网络，从而使页岩气井的产能达不到预期目标甚至部分井压后并不见气，导致前期钻井和大规模水力压裂的巨额投资难以得到回报。为了优化页岩气井长水平段轨迹的设计，使1000-2000m的长水平段均位于储层物性和可压裂性较好的位置，必须建立整个储层的三维可压裂性模型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，建立页岩储层的三维可压裂性模型。结合地质甜点、地应力和天然裂缝发育情况，此模型可用于指导页岩气水平井的井眼轨迹设计，为射孔簇位置和压裂层段的优化提供理论支持，以形成最大化的裂缝网络，提高最终压裂效果，尽快回收页岩气井的投资成本。
本发明的目的通过以下技术方案来实现，一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，包括下列步骤：
S1、采用矿物含量脆性指数评价经验公式，计算页岩取心位置处的矿物含量脆性指数；
S2、建立内摩擦角、I型和II型裂缝断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式；
S3、建立综合考虑矿物含量、弹性参数、内摩擦角、临界应变能释放率和断裂韧性的页岩可压裂性评价模型，计算钻井位置处储层的单井可压裂性纵向曲线；
S4、运用支持向量机算法，得到储层可压裂性与弹性参数之间的聚类分析关系，并采用单井可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式；
S5、将聚类分析模式应用到储层三维弹性参数数据体中进行建模，建立基于岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性模型。
进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31、采用弹性参数脆性指数评价经验公式，计算取心位置处的弹性参数脆性指数EEn；
S32、建立综合考虑所述步骤S1中的矿物含量脆性指数Bn、弹性参数脆性指数EEn和所述步骤S3中的内摩擦角临界应变能释放率GC和断裂韧性的页岩可压裂性评价模型：
式中，FI1、FI2分别为考虑页岩应变能释放率和断裂韧性的可压裂性评价指数，无量纲；
w为数值范围0～1的权重系数，无量纲；
为综合矿物含量脆性指数Bn和弹性参数脆性指数EEn的脆性表达式，Bn-n为综合矿物含量和弹性参数的页岩脆性指数，无量纲；Bn、EEn均无量纲；
为临界应变能释放率权重表达式，GC_n为砂岩储层的应变能释放
率权重，无量纲；GC、GC_max、GC_min分别为砂岩储层的临界应变能释放率、砂岩储层的最大临界应变能释放率和最小临界应变能释放率，单位为N/m；
为内摩擦角权重表达式，为砂岩储层的内摩擦角权重，无量纲；分别为砂岩储层计算位置处内摩擦角的正弦值、砂岩储层的最大内摩擦角的正弦值和最小内摩擦角的正弦值，无量纲；
为I型断裂韧性权重表达式，KIC_n为砂岩储层的I型断裂韧性权重，无量纲；KIC、KIC_max、KIC_min分别为砂岩储层计算位置处的I型断裂韧性、砂岩储层的最大I型断裂韧性和最小I型断裂韧性，单位为MPa·m1/2；
为II型断裂韧性权重表达式，KIIC_n为砂岩储层的II型断裂韧性权重，无量纲；KIIC、KIIC_max、KIIC_min为分别为砂岩储层计算位置处的II型断裂韧性、砂岩储层的最大II型断裂韧性和最小II型断裂韧性，单位为MPa·m1/2；
S33、利用所建立的综合多因素可压裂性评价模型，结合页岩气井的测井数据和所述步骤S2中的内摩擦角、I型和II型断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式，计算页岩气钻井位置储层的可压裂性纵向曲线特征。
进一步地，所述步骤S4包括：
采用支持向量机算法，考虑到地震反演储层弹性参数的可靠性，选择纵波阻抗，横波阻抗，泊松比，拉梅参数与剪切模量之比作为聚类分析训练的弹性参数，训练页岩储层可压裂性与页岩弹性参数之间的分类关系，找出储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式，并采用所述步骤S3中单井可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式。
进一步地，所述步骤S5包括：
对叠前地震数据体进行预处理以确保数据体质量并得到储层三维弹性参数数据体，利用所述步骤S3所建立的单井可压裂性纵向曲线，通过将所述步骤S4中的聚类分析模式应用到储层三维弹性参数数据体中进行建模，建立基于岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性模型。
本发明具有以下优点：
1、建立了页岩气储层的三维可压裂性评价模型，此模型可真实准确地量化储层不同空间位置的可压裂性，结合地质甜点，使页岩气水平井总是钻遇高产、高可压裂性层位，在一定程度上弥补地质条件认识不清楚的不足，提高页岩储层体积压裂的效果，最大化页岩气井的产能，减小页岩气井投资成本的回收时间；
2、运用所建立的模型可评价单井钻井位置处的可压裂性，优选射孔簇位置和压裂层段；
3、运用所建立的模型可使井眼轨迹总是位于可压裂性高的储层内部，钻头在高可压裂性储层钻进时钻速得到提高，缩短钻井周期，节约钻井成本。
附图说明
图1是本发明一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法的流程图；
图2是本发明中井眼钻井位置处储层的矿物含量脆性指数曲线图；
图3是本发明中井眼钻井位置处储层的弹性参数脆性指数曲线图；
图4是本发明中综合考虑矿物含量、弹性参数、内摩擦角、临界应变能释放率的钻井位置处储层的可压裂性纵向曲线图；
图5是本发明中基于储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式的纵向剖面图；
图6是本发明中所建立的页岩储层三维可压裂性垂向截面图；
图7是本发明中所建立的页岩储层三维可压裂性横向截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，包括下列步骤：
S1、采用X-射线衍射仪等测试设备，开展目标区块钻井岩屑和取样岩心碎片的矿物组分测试，采用Wang和Gale的矿物含量脆性指数Bn评价经验公式(Wang,F.P.,andJ.F.W.Gale.Screening criteria for shale-gas systems:Gulf Coast AssociationofGeological Societi es Transactions,v.59,p.779-793,2009)：
Bn＝(W石英、方解石+W白云岩)/W总质量 (1)
计算钻井位置或取心位置处页岩的矿物含量脆性指数Bn，无量纲，式中，W石英、方解石为石英和方解石的质量，W白云岩为白云石质量，单位为Kg；W总质量为矿物的总质量，单位为Kg；结合校正后的矿物含量曲线，计算井眼钻井位置处储层的矿物含量脆性指数曲线见图2所示；
S2、采用高温高压三轴岩石力学测试系统，测试页岩岩心的单轴和三轴岩石力学强度参数，包括弹性模量E、泊松比v、内摩擦角等，采用巴西圆盘实验测定页岩试样的抗拉强度、I型和II型断裂韧性KIC和K IIC，建立内摩擦角I型和II型断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式：
式中，σt为致密砂岩的抗拉强度，单位为MPa；σn为裂缝面法向围压，单位为MPa；
ρ为致密砂岩密度，单位为Kg/m3。
S3、采用Rickman的矿物含量脆性指数评价经验公式(Rickman R,MullenM,PetreE,et al.A Practical Use of Shale Petrophysics for StimulationDesignOptimization:All Shale Plays Are Not Clones of the Barnett Shale.SPE115258,SPEAnnual Technical Conference and Exhibit ion,21-24September,Denver,Colorado,USA,2008)，计算取心位置处的弹性参数脆性指数EEn，无量纲：
式中，En为弹性参数脆性指数，无量纲；E、Emax和Emin分别是致密砂岩储层的弹性模量、致密砂岩储层内最大弹性模量和最小弹性模量，单位为GPa，
νn为泊松比脆性指数，无量纲；ν、vmax和vmin分别是致密砂岩储层的泊松比、致密砂岩储层的最大泊松比和最小泊松比，无量纲，结合测井资料，计算出井眼钻井位置处储层的弹性参数脆性指数曲线如图3所示；
建立综合考虑所述步骤S1中的矿物含量脆性指数Bn、弹性参数脆性指数EEn和所述步骤S3中的内摩擦角、临界应变能释放率GC、断裂韧性的页岩可压裂性评价模型：
式中，FI1、FI2分别为考虑页岩应变能释放率和断裂韧性的可压裂性评价指数，无量纲；
w为数值范围0～1的权重系数，无量纲；
为综合矿物含量脆性指数Bn和弹性参数脆性指数EEn的脆性表达式，Bn-n为综合矿物含量和弹性参数的页岩脆性指数，无量纲；Bn、EEn均无量纲；
为临界应变能释放率权重表达式，GC_n为砂岩储层的应变能释放
率权重，无量纲；GC、GC_max、GC_min分别为砂岩储层的临界应变能释放率、砂岩储层的最大临界应变能释放率和最小临界应变能释放率，单位为N/m；
为内摩擦角权重表达式，为砂岩储层的内摩擦角权重，无量纲；分别为砂岩储层计算位置处内摩擦角的正弦值、砂岩储层的最大内摩擦角的正弦值和最小内摩擦角的正弦值，无量纲；
为I型断裂韧性权重表达式，KIC_n为砂岩储层的I型断裂韧性权重，无量纲；KIC、KIC_max、KIC_min分别为砂岩储层计算位置处的I型断裂韧性、砂岩储层的最大I型断裂韧性和最小I型断裂韧性，单位为MPa·m1/2；
为II型断裂韧性权重表达式，KIIC_n为砂岩储层的II型断裂韧性权重，无量纲；KIIC、KIIC_max、KIIC_min分别为砂岩储层计算位置处的II型断裂韧性、砂岩储层的最大II型断裂韧性和最小II型断裂韧性，单位为MPa·m1/2；
利用所建立的综合多因素可压裂性评价模型，结合页岩气井的测井数据、矿物含量脆性指数Bn、弹性参数脆性指数EEn、内摩擦角、抗拉强度、I型和II型断裂韧性、岩石力学特征参数之间的关系式(2)，计算页岩气钻井位置储层的单井可压裂性纵向曲线如图4所示。
S4、采用支持向量机算法，考虑到地震反演储层弹性参数的可靠性，选择纵波阻抗Zp，单位为kg·m-2·s-1，横波阻抗Zs，单位为kg·m-2·s-1，泊松比ν，无量纲，拉梅参数与剪切模量比μ/λ作为聚类分析训练的弹性参数，训练页岩储层可压裂性与页岩弹性参数之间的分类关系，找出储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式如图5所示，发现所得到的聚类分析模式与标准井计算结果有很好的吻合性。
S5、对叠前地震数据体进行预处理，以确保数据体质量并得到储层三维弹性参数数据体，利用所建立的单井可压裂性纵向曲线如图4所示，通过将聚类分析模式(图5)应用到储层三维弹性参数数据体中进行建模，建立基于岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性模型，如图6为页岩储层三维可压裂性垂向截面图，图7为页岩储层三维可压裂性横向截面图，从图6和图7中，可以比较直观的看到储层空间区域可压裂性较好的位置，页岩气水平井井位的布置应优选考虑该区域，使体积压裂形成最大化的裂缝网络，提高压裂的最终效果。
Claims (4)
1.一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，其特征在于，它包括下列步骤：
S1、采用矿物含量脆性指数评价经验公式，计算页岩取心位置处的矿物含量脆性指数；
S2、建立内摩擦角、I型和II型裂缝断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式；
S3、建立综合考虑矿物含量、弹性参数、内摩擦角、临界应变能释放率和断裂韧性的页岩可压裂性评价模型，用于计算钻井位置处储层的单井可压裂性纵向曲线；
S4、运用支持向量机算法，得到储层可压裂性与弹性参数之间的聚类分析关系，并采用单井可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式；
S5、将聚类分析模式应用到储层三维弹性参数数据体中进行建模，建立基于岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性模型。
2.根据权利要求1所述的一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31、采用弹性参数脆性指数评价经验公式，计算取心位置处的弹性参数脆性指数EEn；
S32、建立综合考虑所述步骤S1中的矿物含量脆性指数Bn、弹性参数脆性指数EEn和所述步骤S3中的内摩擦角临界应变能释放率GC和断裂韧性的页岩可压裂性评价模型：
式中，FI1、FI2分别为考虑页岩应变能释放率和断裂韧性的可压裂性评价指数，无量纲；
w为数值范围0～1的权重系数，无量纲；
为综合矿物含量脆性指数Bn和弹性参数脆性指数EEn的脆性表达式，Bn-n为综合矿物含量和弹性参数的页岩脆性指数，无量纲；Bn、EEn均无量纲；
为临界应变能释放率权重表达式，GC_n为砂岩储层的应变能释放率权重，无量纲；GC、GC_max、GC_min分别为砂岩储层的临界应变能释放率、砂岩储层的最大临界应变能释放率和最小临界应变能释放率，单位为N/m；
为内摩擦角权重表达式，为砂岩储层的内摩擦角权重，无量纲；分别为砂岩储层计算位置处内摩擦角的正弦值、砂岩储层的最大内摩擦角的正弦值和最小内摩擦角的正弦值，无量纲；
为I型断裂韧性权重表达式，KIC_n为砂岩储层的I型断裂韧性权重，无量纲；KIC、KIC_max、KIC_min分别为砂岩储层计算位置处的I型断裂韧性、砂岩储层的最大I型断裂韧性和最小I型断裂韧性，单位为MPa·m1/2；
为II型断裂韧性权重表达式，KIIC_n为砂岩储层的II型断裂韧性权重，无量纲；KIIC、KIIC_max、KIIC_min为分别为砂岩储层计算位置处的II型断裂韧性、砂岩储层的最大II型断裂韧性和最小II型断裂韧性，单位为MPa·m1/2；
S33、利用所建立的综合多因素可压裂性评价模型，结合页岩气井的测井数据和所述步骤S2中的内摩擦角、I型和II型断裂韧性与岩石力学特征参数之间的关系式，计算页岩气钻井位置储层的可压裂性纵向曲线特征。
3.根据权利要求1所述的一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
采用支持向量机算法，考虑到地震反演储层弹性参数的可靠性，选择纵波阻抗，横波阻抗，泊松比，拉梅参数与剪切模量之比作为聚类分析训练的弹性参数，训练页岩储层可压裂性与页岩弹性参数之间的分类关系，找出储层弹性参数与可压裂性之间的聚类分析模式，并采用所述步骤S3中单井可压裂性纵向曲线验证可压裂性与弹性参数之间的聚类分析模式。
4.根据权利要求1所述的一种岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性评价方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
对叠前地震数据体进行预处理以确保数据体质量并得到储层三维弹性参数数据体，利用所述步骤S3所建立的单井可压裂性纵向曲线，通过将所述步骤S4中的聚类分析模式应用到储层三维弹性参数数据体中进行建模，建立基于岩屑-岩心-井眼-储层多尺度的页岩储层三维可压裂性模型。
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