CN106204303A - 一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法 - Google Patents

Abstract

一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法，根据地质甜点和工程甜点因素，优选可压性评价参数，从评价页岩储层含气性和易改造性潜力的角度出发，通过标准化地质甜点参数，综合矿物组分含量与细观力学参数计算工程甜点参数，构建了可以对储层进行连续判断的可压性评价模型，只需获得页岩储层总有机碳含量、镜质体反射率和矿物组分含量便可计算获得地质甜点可压性评价指数、工程甜点可压性评价指数和综合可压性评价指数，实现对页岩气储层的可压性评价；该评价方法可以较为准确地划分有效压裂层段和遮挡层段，指导压裂设计与施工。

Description

一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法。

背景技术

现阶段关于页岩气储层可压性的评价方法主要分为岩心实验评价法和可压性系数评价法两大类。岩心实验法综合考虑了矿物组分含量和力学参数的特征，通过对页岩岩心进行相关的测试分析进行综合判断。但由于页岩岩心易破碎，在岩心测试分析时由于取心角度和加载方式的差异，无法确保测试值的确定性，加上通过XRD获得的矿物组分含量只能代表取心岩样的矿物分布，不能对储层进行连续性判断，且实验操作费时费力，现场推广难度大。可压性系数评价法则是通过综合考虑各种因素，确定各个权重，通过一定的数学方法获得综合评价系数，但现行方法对于权重的分配没有确定的标准，且同样存在无法对储层进行连续性判断的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法，根据地质甜点和工程甜点因素，优选可压性评价参数，从评价页岩储层含气性和易改造性潜力的角度出发，通过标准化地质甜点参数，综合矿物组分含量与细观力学参数计算工程甜点参数，构建了可以对储层进行连续判断的可压性评价模型，只需获得页岩储层总有机碳含量、镜质体反射率和矿物组分含量便可计算获得地质甜点可压性评价指数、工程甜点可压性评价指数和综合可压性评价指数，实现对页岩气储层的可压性评价，该评价方法可以较为准确地划分有效压裂层段和遮挡层段，指导压裂设计与施工。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法，包括以下步骤：

(1)地质甜点可压性评价模型

由于地质甜点是一个宏观上的综合指标，运用经验赋值标准化和权重分配法得到其可压性评价指数：

F₁＝(S₁,S₂)(w₁,w₂)^T (1)

式中：F₁为地质甜点可压性指数；S₁为标准化的TOC含量；S₂为标准化的R_o；w₁为TOC所占的权重系数，％；w₂为R_o所占的权重系数，％；

由于S₁和S₂对于可压性都是正向指标，其标准化处理如下：

$S_1=\left\{\begin{array}{c}1,T_{TOC}>12\\ \frac{T_{TOC}-0.5}{12-0.5},0.5<T_{TOC}<12\\ 0,T_{TOC}<0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

$S_2=\left\{\begin{array}{c}1,R_o>4\\ \frac{R_o-0.5}{4-0.5},0.5<R_o<4\\ 0,R_o<0.5\end{array}\right.---\left(3\right)$

因为T_TOC和R_o本身也是相互影响的指标，有关TOC的下限工业界认为需要达到2％，但事实上对于成熟度高的页岩气储层，TOC的下限可以更低，因此认为二者的权重均为50％，因此(3)式可变为：

$F_1=\frac{S_1+S_2}{2}---\left(4\right)$

(2)工程甜点可压性模型

页岩储层矿物主要由三大类构成：一是硅质矿物，主要包括石英和长石；二是碳酸盐岩矿物，主要包括方解石和白云石；三是黏土矿物，主要包括伊利石和绿泥石，结合不同矿物的细观力学参数值，可以获得页岩剪切模量和断裂韧度的趋势值计算公式：

G_t＝n₁·45+n₂·38.5+n₃·17.65 (5)

K_ICt＝n₁·0.24+n₂·0.79+n₃·2.19 (6)

n₁+n₂+n₃＝100％ (7)

式中，G_t为剪切模量趋势值，GPa；K_ICt为断裂韧度趋势值，MPa·m^1/2；n₁，n₂，n₃为硅质，碳酸岩盐，黏土矿物的体积相对含量；

基于归一化准则和调和平均方法，定义工程甜点可压性评价模型为：

$F_2=\frac{2}{\frac{1}{G_n}+\frac{1}{K_{{\mathrm{IC}}_n}}}---\left(8\right)$

式中，F₂为工程甜点可压性指数；G_n为正向归一化的剪切模量趋势值，K_ICn为反向归一化的断裂韧度趋势值，G_max为硅质矿物剪切模量，取值45GPa；G_min为粘土矿物剪切模量，取值17.65GP；K_ICmax为粘土矿物断裂韧度，取值2.19MPa·m^1/2；K_ICmin为硅质矿物断裂韧性，取值0.24MPa·m^1/2；

(3)综合可压性模型

页岩储层可压性模型是反映页岩本身的脆性即可压裂性和压裂后气体产量即出气性的综合指标，因此综合地质甜点和工程甜点双重指标，定义可压性指数：

$F=\frac{F_1+F_2}{2}---\left(9\right)$

(4)评价模型截止值

当综合可压性指F大于50％时，证明页岩储层具有较好的压裂改造效果。

本发明综合地质甜点和工程甜点双重因素，确定优选了四个可以对页岩储层进行可压性评价的关键参数，对地质甜点进行了可压性的定量评价，且在计算工程甜点参数时，采取用矿物组分含量和细观力学参数来计算宏观力学参数趋势值的方法，避免了在纵横波资料不足时无法对储层的力学性质进行判断的问题，并确定了最适合改造的页岩储层矿物含量分布范围。新的评价方法由于充分考虑了页岩储层的含气性和易改造性的潜力，在判断可压裂层段时更加准确，且计算简单方便，具有现场推广价值。

附图说明

图1为实测杨氏模量和泊松比曲线与计算获得的剪切模量和断裂韧度趋势值。

图2为中美页岩储层矿物组分分类对比图，图中图2(a)为北美，图2(b)为中国。

图3为页岩气储层最优改造效果矿物分布范围。

图4为某页岩气井的可压性评价。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法，包括以下步骤：

(1)地质甜点可压性评价模型

地质甜点的可压性评价参数首先需要反映页岩储层本身含气潜力和较好的物性，其次是与储层脆性有相关关系，因此综合考虑，用总有机碳含量和成岩作用两个参数来表征地质甜点。

总有机碳TOC含量是筛选优质储层的关键参数之一，一方面有机质含量的多少直接控制着储层的含气量，且一定程度上影响着裂缝的发育和分布；另一方面TOC含量对含气页岩储层的岩石密度影响巨大，从而对页岩储层的力学性质,尤其是脆性影响显著，结合实际情况，TOC含量与干酪根质量、气体含量和可压性的关系如表1所示。

表1 TOC含量与干酪根质量、气体含量和可压性的关系

在不同的成岩阶段，页岩储层具有不同的特征。其矿物组成，孔隙结构均有较大的差异，且对生气阶段和类型也有一定的影响。镜质体反射率R_o是反映页岩成熟度的关键指标，用它来反映页岩的成岩作用较为合适，且它与页岩气流动速率和储层脆性均有显著地关系，是评价可压性的一个重要指标。R_o与成岩阶段、储层特征、气体流量和可压性的关系如表2所示。

表2 镜质体反射率与成岩阶段、储层特征、气体流量和可压性的关系

由于地质甜点是一个宏观上的综合指标，运用经验赋值标准化和权重分配法得到其可压性评价指数：

F₁＝(S₁,S₂)(w₁,w₂)^T (1)

式中：F₁为地质甜点可压性指数；S₁为标准化的TOC含量；S₂为标准化的R_o；w₁为TOC所占的权重系数，％；w₂为R_o所占的权重系数，％。

由于S₁和S₂对于可压性都是正向指标，根据表1和表2建立的分类评价标准，其标准化处理如下：

$S_1=\left\{\begin{array}{c}1,T_{TOC}>12\\ \frac{T_{TOC}-0.5}{12-0.5},0.5<T_{TOC}<12\\ 0,T_{TOC}<0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

$S_2=\left\{\begin{array}{c}1,R_o>4\\ \frac{R_o-0.5}{4-0.5},0.5<R_o<4\\ 0,R_o<0.5\end{array}\right.---\left(3\right)$

因为T_TOC和R_o本身也是相互影响的指标，有关TOC的下限工业界认为需要达到2％，但事实上对于成熟度高的页岩气储层，TOC的下限可以更低，因此认为二者的权重均为50％，因此(3)式可变为：

$F_1=\frac{S_1+S_2}{2}---\left(4\right)$

(2)工程甜点可压性模型

工程甜点主要在于衡量页岩储层的脆性程度，常用的评价参数包括页岩脆性矿物指数、杨氏模量和泊松比、断裂韧度等参数，在选取工程甜点的可压性参数时应充分考虑其对储层力学性质的影响，因此应将这些因素综合考虑，从脆性破坏难易程度和破坏强弱程度两个方面来判断。

在压裂过程需要尽可能达到人工裂缝更多的与天然裂缝沟通形成复杂缝网的效果，而大量的页岩岩心试验已经证明，页岩在低围压时主要发生张性劈裂，在高围压时发生单剪或双剪破裂，在天然裂缝发育的区域更容易发生剪切破裂。因此采用剪切模量作为表征页岩脆性破坏难易程度的参数，更加符合实际破坏过程，剪切模量是衡量岩石刚性强弱的指标，且剪切模量包含了杨氏模量和泊松比的双重效应。

裂缝向前有效延伸并与天然裂缝沟通的能力是评价页岩储层可压性的另一项重要指标。页岩储层形成缝网过程中以张开型(Ⅰ型裂缝)和剪切型(Ⅱ型裂缝)最为常见。其中人工压裂产生的主裂缝为张开型(Ⅰ型裂缝)，而在人工裂缝延伸的作用下天然微裂缝(闭合或充填矿物)若被激活则形成剪切型(Ⅱ型裂缝)，从而表现出混合型缝网(即Ⅰ型裂缝和Ⅱ型裂缝的叠加)，因此张开型(Ⅰ型裂缝)为主导裂缝。根据Irwin断裂力学理论，在弹塑性条件下，当裂缝边缘应力强度因子达到某个临界值时，裂缝将失稳扩展导致岩体破裂，该临界值为断裂韧度，因此用断裂韧度来判断页岩储层的破坏强弱程度。

页岩储层矿物主要由三大类构成：一是硅质矿物，主要包括石英和长石；二是碳酸盐岩矿物，主要包括方解石和白云石；三是黏土矿物，主要包括伊利石和绿泥石，结合不同矿物的细观力学参数值，可以获得页岩剪切模量和断裂韧度的趋势值计算公式：

G_t＝n₁·45+n₂·38.5+n₃·17.65 (5)

K_ICt＝n₁·0.24+n₂·0.79+n₃·2.19 (6)

n₁+n₂+n₃＝100％ (7)

式中，G_t为剪切模量趋势值，GPa；K_ICt为断裂韧度趋势值，MPa·m^1/2；n₁，n₂，n₃为硅质，碳酸岩盐，黏土矿物的体积相对含量。

基于归一化准则和调和平均方法，定义工程甜点可压性评价模型为：

$F_2=\frac{2}{\frac{1}{G_n}+\frac{1}{K_{{\mathrm{IC}}_n}}}---\left(8\right)$

式中，F₂为工程甜点可压性指数；G_n为正向归一化的剪切模量趋势值，K_ICn为反向归一化的断裂韧度趋势值，G_max为硅质矿物剪切模量，取值45GPa；G_min为粘土矿物剪切模量，取值17.65GP；K_ICmax为粘土矿物断裂韧度，取值2.19MPa·m^1/2；K_ICmin为硅质矿物断裂韧性，取值0.24MPa·m^1/2。

(3)综合可压性模型

页岩储层可压性模型应该是反映页岩本身的脆性即可压裂性和压裂后气体产量即出气性的综合指标，因此综合地质甜点和工程甜点双重指标，定义可压性指数：

$F=\frac{F_1+F_2}{2}---\left(9\right)$

(4)评价模型截止值

在确定可压性指数评价下限的时候也应充分考虑地质甜点下限和工程甜点下限双重因素。对于地质甜点指标，其下限值并没有明确界定。一般工业开采标准认为TOC>2％，Ro>1.0％，但这主要是基于页岩气成藏和生气量的单纯考虑，并未考虑到储层改造因素，事实上，地质甜点指标也并非和储层改造指标毫无关系，国外学者Jarvie曾提出了气体流量随TOC、R_o和矿物脆性指数增加而增加的相关关系图，工程甜点指标则早有用矿物脆性指数作为评价标准的先例。岩石是矿物的综合体，矿物的组成和含量很大程度上可以反映岩石的各类指标。对于页岩来讲，其黏土矿物含量对于页岩沉积、成岩和成气均有显著影响，碳酸盐岩矿物则很大程度上决定了溶蚀孔隙裂缝的发育，而硅质矿物则影响储层的脆性，因此可以通过分析不同矿物的含量的值来确定其可压性下限值，从而将地质甜点指标和工程甜点指标有效结合起来。

根据页岩矿物组分三元端分类，对比北美主要页岩气产气盆地页岩矿物组分含量分布和中国典型产气盆地页岩矿物组分分布，有利区的矿物组成分布具有相对一致性。即页岩可压性储层矿物分布范围应该为硅质矿物含量20％～60％，碳酸盐岩矿物10％～30％，粘土矿物含量30％～50％，在此区域内页岩储层可压性最强。因此，理论上下限值选取应为反向指标的最大值和正向指标最小值的综合，因此取黏土矿物含量的最大值50％，硅质矿物的最小值20％，剩下的即为碳酸盐岩矿物含量30％。结合细观力学参数值，计算截止值，当综合可压性指F大于50％时证明页岩储层具有较好的压裂改造效果。

1.工程甜点可行性说明

为了保证所获得的趋势值可以识别出页岩储层的工程甜点，结合某页岩气井龙马溪组某页岩储层段的测井数据进行了计算，如图1所示，计算出的剪切模量和断裂韧度趋势值与实测出的杨氏模量和泊松比曲线具有较为相似的变化趋势，从而证明了本发明计算工程甜点的可行性。

2.评价模型截止值说明

北美主要页岩气产气盆地页岩矿物组分含量分布和中国典型产气盆地页岩矿物组分分布如图2所示，有利区的矿物组成分布具有相对一致性，即页岩气储层应该存在一个最优改造区(图3)。

因为对于黏土矿物来讲，当储层含量大于50％时，为深水陆棚沉积；当含量小于30％时，为海陆过度相沉积；当含量在30％～50％之间时，沉积环境多为浅水陆棚沉积。深水陆棚环境虽然有效的增加了页岩储层吸附气量但却不利于压裂改造；海陆过度相环境，储层脆性虽增强，适合压裂改造，但页岩储层的含气量却大大降低；而在浅水陆棚环境中，高岭石不发育，伊/蒙混层矿物含量较高，有利于页岩气发育，且适合进行储层改造。

对于碳酸岩盐矿物来讲，其含量在10％～30％时最容易形成高孔裂隙段。当其含量小于10％，即使全被溶解，孔隙度也只有10％，若大于30％其溶孔会因缺少支撑物而闭合，从而导致孔隙率降低。

对于硅质矿物来讲，主要决定储层的脆性程度，理论上其值越高越好。

实施例一

1.由常规测井曲线分析储层的有利层段，确定含气层段；

2.由页岩气测井曲线处理获得的TOC曲线，由地质评价结果或岩心测试值获得R_o，计算其平均值，根据式(2)和式(3)获得标准化值，再根据式(4)获得地质甜点可压性评价参数F₁；

3.由矿物含量曲线(元素俘获测井或荧光录井)分别计算三大类矿物的相对含量，根据式(5)和式(6)分别计算出剪切模量和断裂韧度趋势值曲线，再由式(8)获得工程甜点可压性评价参数F₂；

4.将式(4)和式(8)获得的参数值代入式(9)计算综合可压性指数评价曲线F；

(2)具体效果分析

将评价方法对川南地区某页岩气井进行现场应用，并与传统评价方法进行对比：

1.按照技术流程和划分依据，将储层划分如下：1、3、5、7、9、11、13、15和17层(图4第14道浅蓝色)为遮挡层；2、4、6、8、10、12、14、16和18层(图4第15道粉红色)为可压裂层段。

2.第1、11、15、17层为明显隔层段，第2、10、16和18层为明显的可压裂层段；第3～9遮挡层与第4～8可压裂层段相互间隔，其中4层无实测含气显示，第6和8虽然有含气显示，但厚度太薄，因此将这些层段统一归为隔层；第13层夹在12和14可压裂层段间，推断为薄夹层，因此与12和14层统一划分为可压裂层段。

3.综合上述分析，优选出5段可压裂层段，如图1所示。由于第Ⅱ段储层较厚，约为30米，上下均发育厚的隔层段，可压性指数较高，为58.1％，因此建议优先开发第Ⅱ段；其次第Ⅲ段也是较为理想的改造层段，上下具有较厚的隔层，储层厚度约11米，可压性指数54.8％；Ⅵ和Ⅴ段储层也是优质的改造层段，但两段间的隔层太薄，改造任何一段储层都可能存在穿层的风险，是否可将二者进行合层改造有待进一步论证。Ⅰ段储层相对较薄，可作为后期改造的备选储层。

将划分结果与用岩石力学参数法和矿物组分参数法进行对比(图4第11、12和13道)，由岩石力学参数法和矿物组分评价法所评价出的整个层段均适合压裂改造，结合含气性分析后所划出的储层范围也较大，而可压性指数法综合了地质甜点和工程甜点，充分考虑了储层含气性和力学性质，划分出的储层更细致，且隔层划分也更明显，当综合可压性指数>50％时，页岩储层容易有效形成缝网改造。

Claims (1)

1.一种基于权重分配的页岩气储层可压性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)地质甜点可压性评价模型

由于地质甜点是一个宏观上的综合指标，运用经验赋值标准化和权重分配法得到其可压性评价指数：

F₁＝(S₁,S₂)(w₁,w₂)^T (1)

式中：F₁为地质甜点可压性指数；S₁为标准化的TOC含量；S₂为标准化的R_o；w₁为TOC所占的权重系数，％；w₂为R_o所占的权重系数，％；

由于S₁和S₂对于可压性都是正向指标，其标准化处理如下：

$S_1=\left\{\begin{array}{c}1,T_{TOC}>12\\ \frac{T_{TOC}-0.5}{12-0.5},0.5<T_{TOC}<12\\ 0,T_{TOC}<0.5\end{array}\right.---\left(2\right)$

$S_2=\left\{\begin{array}{c}1,R_o>4\\ \frac{R_o-0.5}{4-0.5},0.5<R_o<4\\ 0,R_o<0.5\end{array}\right.---\left(3\right)$

T_TOC和R_o本身也是相互影响的指标，二者的权重均为50％，因此(3)式可变为：

$F_1=\frac{S_1+S_2}{2}---\left(4\right)$

(2)工程甜点可压性模型

页岩储层矿物主要由三大类构成：一是硅质矿物，主要包括石英和长石；二是碳酸盐岩矿物，主要包括方解石和白云石；三是黏土矿物，主要包括伊利石和绿泥石，结合不同矿物的细观力学参数值，可以获得页岩剪切模量和断裂韧度的趋势值计算公式：

G_t＝n₁·45+n₂·38.5+n₃·17.65 (5)

$K_{{\mathrm{IC}}_t}=n_1\&CenterDot;0.24+n_2\&CenterDot;0.79+n_3\&CenterDot;2.19---\left(6\right)$

n₁+n₂+n₃＝100％ (7)

式中，G_t为剪切模量趋势值，GPa；K_ICt为断裂韧度趋势值，MPa·m^1/2；n₁，n₂，n₃为硅质，碳酸岩盐，黏土矿物的体积相对含量；

基于归一化准则和调和平均方法，定义工程甜点可压性评价模型为：

$F_2=\frac{2}{\frac{1}{G_n}+\frac{1}{K_{{\mathrm{IC}}_n}}}---\left(8\right)$

式中，F₂为工程甜点可压性指数；G_n为正向归一化的剪切模量趋势值，K_ICn为反向归一化的断裂韧度趋势值，G_max为硅质矿物剪切模量，取值45GPa；G_min为粘土矿物剪切模量，取值17.65GP；K_ICmax为粘土矿物断裂韧度，取值2.19MPa·m^1/2；K_ICmin为硅质矿物断裂韧性，取值0.24MPa·m^1/2；

(3)综合可压性模型

页岩储层可压性模型是反映页岩本身的脆性即可压裂性和压裂后气体产量即出气性的综合指标，因此综合地质甜点和工程甜点双重指标，定义可压性指数：

$F=\frac{F_1+F_2}{2}---\left(9\right)$

(4)评价模型截止值

当综合可压性指F大于50％时，证明页岩储层具有较好的压裂改造效果。