CN111648767A - 一种天然气水合物储层可压性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物储层可压性评价方法，具体涉及天然气水合物开发中的储层改造工程领域。该方法通过选取岩石脆性指数、水合物饱和度、脆性矿物指数和水平应力差异系数作为天然气水合物储层可压性评价参数，计算各评价参数值并进行标准化处理，得到各评价参数的标准化值；利用层次分析法获取各评价参数的模糊权重，再基于熵值法修正得到修正权重，根据各评价参数的标准化值和修正权重，计算天然气水合物储层的可压指数，制作水合物岩心进行可压性测试实验，通过表征可压性测试实验结果，建立天然气水合物储层可压性评价标准。本发明为天然气水合物储层可压性评价提供了依据，有利于指导天然气水合物储层的改造和高效开发。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物开发中的储层改造工程领域，具体涉及一种天然气水合物储层可压性评价方法。
背景技术
天然气水合物是指分布于陆地永久冻土或海底沉积物中，由天然气与水在低温高压环境下形成的类冰状结晶化合物。相比于传统的石油天然气等化石燃料，其能量效率值更高、分布区域更广、储量更丰富，是未来清洁能源的重点开发对象。天然气水合物藏传统降压开采法产能低，具有两个弊端：一是井底压力降波及范围有限，天然气水合物分解是一个动态过程，且分解吸热，容易引起地层深部天然气水合物的二次形成，使得降压开发天然气水合物效率缓慢且范围有限。二是天然气水合物地层的孔隙度随着天然气水合物饱和度的增加而迅速降低，对于天然气水合物饱和度高的地层，其渗透率很低，不利于天然气水合物分解后流体的流动。
如何大幅增加天然气水合物地层降压开采的压降波及范围，提供天然气水合物分解后流体有效的渗流通道是目前天然气水合物降压开采面临的难题。水力压裂技术作为一项成熟的储层改造技术已在油气藏开发中得到了广泛的应用，水力压裂形成的人工裂缝可以有效扩大井底压力波及范围，同时人工裂缝充填有效支撑材料后具有充足的导流能力，可以作为流体有效的渗流通道。当然，并非所有类型水合物藏都具备可压性。海底浅表层弱胶结天然气水合物藏可能不具备压裂造缝条件，陆地永久冻土等水合物藏区域地层参数与常规油气藏接近，但水合物自身对岩石骨架颗粒具有一定的胶结作用，其岩石力学参数又具有自身特性，能否借助水力压裂技术开发天然气水合物是目前研究的一个热点和空白。
在对天然气水合物储层进行压裂前需要对其可压性进行评价。然而目前尚未有任何关于天然气水合物储层的可压性评价方法，已见报道的储层可压性评价研究对象主要是页岩储层，且尚没有提出被广泛接受、统一规范的可压性评价指标。
发明内容
本发明旨在解决缺少针对天然气水合物储层的可压性评价方法，提出了一种天然气水合物储层可压性评价方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种天然气水合物储层可压性评价方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选取岩石脆性指数BI、水合物饱和度Shy、脆性矿物指数Bw和水平应力差异系数Kσ作为天然气水合物储层可压性评价参数，分别计算天然气水合物储层可压性各评价参数值；
步骤2，基于正向指标对天然气水合物储层可压性评价参数进行标准化处理，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的标准化值；
步骤3，利用层次分析法，获取天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重；
步骤4，利用熵值法对天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重进行修正，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的修正权重；
步骤5，根据天然气水合物储层可压性各评价参数的标准化值和修正权重，计算天然气水合物储层的可压指数；
步骤6，根据天然气水合物储层物性参数制作天然气水合物岩心，利用天然气水合物岩心替代天然气水合物储层进行可压性测试实验，改变压裂液粘度，在一定排量下对天然气水合物岩心进行水力压裂测试，得到天然气水合物岩心可压性测试实验结果；
步骤7，定义压裂液粘度比为天然气水合物岩心可压性测试实验中压裂液粘度与水的粘度之比，利用天然气水合物储层的可压指数和压裂液粘度比表征可压性测试实验结果，建立天然气水合物储层可压性评价标准。
优选地，所述步骤1中，岩石脆性指数BI计算公式为：
式中，BI表示岩石脆性指数，无量纲；E表示静态弹性模量，单位为GPa；μ表示静态泊松比，无量纲；Emax表示天然气水合物储层层段内的最大静态弹性模量，单位为GPa；Emin表示天然气水合物储层层段内的最小静态弹性模量，单位为GPa；μmax表示天然气水合物储层层段内的最大静态泊松比，无量纲；μmin天然气水合物储层层段内的最小静态泊松比，无量纲；
水合物饱和度Shy计算公式为：
式中，Vhy表示水合物体积，单位为m3；V表示天然气水合物储层孔隙体积，单位为m3；
脆性矿物指数Bw计算公式为：
式中，w脆性矿物表示天然气水合物储层中脆性矿物组分的质量，单位为Kg；w全部矿物表示天然气水合物储层中全部矿物组分的质量，单位为Kg；
水平应力差异系数Kσ计算公式为：
式中，σH表示最大水平主应力，单位为MPa；σh表示最小水平主应力，单位为MPa。
优选地，所述步骤2中，基于正向指标进行标准化处理，计算公式为：
式中，Si表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的标准化值，无量纲；Xi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数值；Ximax表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数在目标区块内的最大值；Ximin表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数在目标区块内的最小值。
优选地，所述步骤3中，基于比较矩阵标度，建立天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的重要指数；根据天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵和天然气水合物储层可压性各评价参数的重要指数，建立判断矩阵，计算得到判断矩阵的最优传递矩阵，求解最优传递矩阵的特征向量并进行归一化处理，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重。
优选地，对步骤3中建立的判断矩阵进行标准化处理，根据标准化处理后的判断矩阵计算天然气水合物储层可压性各评价参数的熵值，公式如下所示：
式中，Hi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的熵值；n表示天然气水合物储层可压性评价参数的总数；j表示判断矩阵的列数；ri,j表示判断矩阵中第i行第j列的数值；
基于天然气水合物储层可压性各评价参数的熵值，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的初始权重，公式如下所示：
式中，Wi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的初始权重；
基于天然气水合物储层可压性各评价参数的初始权重和模糊权重，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的修正权重，公式如下所示：
式中，ξi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的模糊权重；λi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的修正权重。
优选地，所述步骤5中，天然气水合物储层的可压指数计算公式为：
式中，FI表示天然气水合物储层的可压指数，无量纲；Si表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的标准化值，无量纲；λi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的修正权重。
优选地，所述步骤7中，水的粘度为1mPa·s。
本发明具有如下有益效果：
本发明采用层次分析法和熵值法，提出了一种天然气水合物储层可压性评价方法，并根据天然气水合物储层物性参数制作水合物岩心进行水力压裂试验，分析天然气水合物储层的可压性，结合可压性测试实验结果建立天然气水合物储层可压性标准；本发明方法为判断天然气水合物储层是否具备水力压裂的可行性提供了评价依据，本发明提出的评价方法可以有效地判断现场水力压裂技术决策的可行性，指导对天然气水合物储层的改造；本发明方法明确了水力压裂技术在天然气水合物储层的适用范围，有利于提高水力压裂技术在天然气水合物储层改造过程中的成功率，为天然气水合物储层的高效开发提供了有力依据，增加了经济效益。
附图说明
图1为可压性测试实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
以阿拉斯加北坡某处天然气水合物储层为例，采用本发明提出的一种天然气水合物储层可压性评价方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选取岩石脆性指数BI、水合物饱和度Shy、脆性矿物指数Bw和水平应力差异系数Kσ作为天然气水合物储层可压性评价参数，分别计算天然气水合物储层可压性各评价参数值；
其中，岩石脆性指数BI计算公式为：
式中，BI表示岩石脆性指数，无量纲；E表示静态弹性模量，单位为GPa；μ表示静态泊松比，无量纲；Emax表示天然气水合物储层层段内的最大静态弹性模量，单位为GPa；Emin表示天然气水合物储层层段内的最小静态弹性模量，单位为GPa；μmax表示天然气水合物储层层段内的最大静态泊松比，无量纲；μmin天然气水合物储层层段内的最小静态泊松比，无量纲；
水合物饱和度Shy计算公式为：
式中，Vhy表示水合物体积，单位为m3；V表示天然气水合物储层孔隙体积，单位为m3；
水合物饱和度Shy越高，水合物对岩石颗粒胶结作用越强，岩石的脆性特征越明显，越有利于水合物储层水力压裂；
脆性矿物指数Bw计算公式为：
式中，w脆性矿物表示天然气水合物储层中脆性矿物组分的质量，单位为Kg；w全部矿物表示天然气水合物储层中全部矿物组分的质量，单位为Kg；
水平应力差异系数Kσ计算公式为：
式中，σH表示最大水平主应力，单位为MPa；σh表示最小水平主应力，单位为MPa。
步骤2，由于岩石脆性指数BI、水合物饱和度Shy、脆性矿物指数Bw和水平应力差异系数Kσ四个天然气水合物储层可压性评价参数的单位及量纲均不相同，因此，需要基于正向指标对天然气水合物储层可压性评价参数进行标准化处理，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的标准化值。
基于正向指标进行标准化处理，计算公式为：
式中，Si表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的标准化值，无量纲；Xi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数值；Ximax表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数在目标区块内的最大值；Ximin表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数在目标区块内的最小值。
步骤3，利用层次分析法，获取天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重；
层次分析法是定量表征多因素权重的有效方法；表1所示为比较矩阵标度，将天然气水合物储层可压性评价参数两两之间进行比较，判断天然气水合物储层可压性各评价参数间的相对重要性，比较后确定岩石脆性指数BI是影响天然气水合物储层可压性的首要因素，其次是脆性矿物指数Bw，水合物饱和度Shy，而水平应力差异系数Kσ的影响程度最小。
表1比较矩阵标度
基于比较矩阵标度结果，建立天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵，如表2所示。
表2天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵
利用天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的重要指数ri，计算结果如表3所示。
表3天然气水合物储层可压性评价参数的重要指数
根据表2和表3建立判断矩阵A，判断矩阵A如下所示：
计算判断矩阵A的反对称矩阵B，如下所示：
利用反对称矩阵B，计算得到判断矩阵A的最优传递矩阵A*，如下所示：
通过求解最优传递矩阵A*的特征向量并进行归一化处理，得到：
ξ＝(0.4521,0.117,0.2809,0.177) (12)
因此，利用层次分析法对天然气水合物储层可压性评价参数进行分析，确定岩石脆性指数BI的模糊权重为0.4251，水平应力差异系数Kσ的模糊权重为0.117，脆性矿物指数Bw的模糊权重为0.2809，水合物饱和度Shy的模糊权重为0.177。
步骤4，利用熵值法对天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重进行修正，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的修正权重；
对判断矩阵A进行标准化处理，得到标准化处理后的判断矩阵R，如下所示：
根据标准化处理后的判断矩阵R计算天然气水合物储层可压性各评价参数的熵值，公式如下所示：
式中，Hi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的熵值；n表示天然气水合物储层可压性评价参数的总数；j表示判断矩阵的列数；ri,j表示判断矩阵中第i行第j列的数值；
基于天然气水合物储层可压性各评价参数的熵值，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的初始权重，公式如下所示：
式中，Wi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的初始权重；
基于天然气水合物储层可压性各评价参数的初始权重和模糊权重，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的修正权重，公式如下所示：
式中，ξi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的模糊权重；λi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的修正权重。
天然气水合物储层可压性评价参数的熵值Hi、初始权重Wi、模糊权重ξi和修正权重λi的计算结果如表4所示。
表4熵值法修正后天然气水合物储层可压性评价参数的权重
因此，得到修正后天然气水合物储层可压性评价参数的权重，其中，岩石脆性指数BI的修正权重为0.4148，水平应力差异系数Kσ的修正权重为0.1213，脆性矿物指数Bw的修正权重为0.2913，水合物饱和度Shy的修正权重为0.1726。
步骤5，根据天然气水合物储层可压性各评价参数的标准化值和修正权重，将岩石脆性指数BI、水合物饱和度Shy、脆性矿物指数Bw和水平应力差异系数Kσ的修正权重代入公式(9)中，得到本实施例中天然气水合物储层的可压指数FI计算公式为：
FI＝0.4148BI+0.1213Kσ+0.2913Bw+0.1726Shy (14)
将岩石脆性指数BI、水平应力差异系数Kσ、水合物饱和度Shy和脆性矿物指数Bw的值代入公式(14)，计算得到天然气水合物储层的可压指数FI。
步骤6，根据天然气水合物储层物性参数制作天然气水合物岩心，使得水合物岩心的物性参数与本实施例中的目标区块物性参数一致，实验中各天然气水合物岩心的物性参数及可压指数FI如表5所示，利用天然气水合物岩心替代天然气水合物储层进行可压性测试实验，改变压裂液粘度，在一定排量下对天然气水合物岩心进行可压性测试实验，通过进行水力压裂测试，得到可压性测试实验结果，如表5所示。
表5天然气水合物岩心可压性测试实验结果
步骤7，在天然气水合物岩心可压性测试实验过程中，天然气水合物岩心可压性测试结果除了受岩心本身物性参数影响，还受压裂液粘度的影响，因此，定义压裂液粘度比Ru为实验中压裂液粘度与水的粘度之比，其中，水的粘度为1mPa·s，压裂液粘度比Ru无量纲；利用天然气水合物储层的可压指数和压裂液粘度比表征水合物岩心的可压性测试实验结果，如图1所示。根据天然气水合物岩心可压性测试实验结果，结合天然气水合物储层的可压指数和压裂液粘度比，建立天然气水合物储层可压性评价标准，如表6所示。
表6基于可压指数和压裂液粘度比的天然气水合物储层可压性评价标准
该评价标准基于天然气水合物储层的可压指数FI和压裂液粘度比Ru，准确、便捷、定量地表征了天然气水合物储层改造过程中水力压裂技术的适用条件，为天然气水合物储层可压性评价提供了依据，有利于确定水力压裂技术在天然气水合物储层改造中的应用范围。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，选取岩石脆性指数BI、水合物饱和度Shy、脆性矿物指数Bw和水平应力差异系数Kσ作为天然气水合物储层可压性评价参数，分别计算天然气水合物储层可压性各评价参数值；
步骤2，基于正向指标对天然气水合物储层可压性评价参数进行标准化处理，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的标准化值；
步骤3，利用层次分析法，获取天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重；
步骤4，利用熵值法对天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重进行修正，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的修正权重；
步骤5，根据天然气水合物储层可压性各评价参数的标准化值和修正权重，计算天然气水合物储层的可压指数；
步骤6，根据天然气水合物储层物性参数制作天然气水合物岩心，利用天然气水合物岩心替代天然气水合物储层进行可压性测试实验，改变压裂液粘度，在一定排量下对天然气水合物岩心进行水力压裂测试，得到天然气水合物岩心可压性测试实验结果；
步骤7，定义压裂液粘度比为天然气水合物岩心可压性测试实验中压裂液粘度与水的粘度之比，利用天然气水合物储层的可压指数和压裂液粘度比表征可压性测试实验结果，建立天然气水合物储层可压性评价标准。
2.如权利要求1所述的一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，所述步骤1中，岩石脆性指数BI计算公式为：
式中，BI表示岩石脆性指数，无量纲；E表示静态弹性模量，单位为GPa；μ表示静态泊松比，无量纲；Emax表示天然气水合物储层层段内的最大静态弹性模量，单位为GPa；Emin表示天然气水合物储层层段内的最小静态弹性模量，单位为GPa；μmax表示天然气水合物储层层段内的最大静态泊松比，无量纲；μmin天然气水合物储层层段内的最小静态泊松比，无量纲；
水合物饱和度Shy计算公式为：
式中，Vhy表示水合物体积，单位为m3；V表示天然气水合物储层孔隙体积，单位为m3；
脆性矿物指数Bw计算公式为：
式中，w脆性矿物表示天然气水合物储层中脆性矿物组分的质量，单位为Kg；w全部矿物表示天然气水合物储层中全部矿物组分的质量，单位为Kg；
水平应力差异系数Kσ计算公式为：
式中，σH表示最大水平主应力，单位为MPa；σh表示最小水平主应力，单位为MPa。
3.如权利要求1所述的一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，所述步骤2中，基于正向指标进行标准化处理，计算公式为：
式中，Si表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的标准化值，无量纲；Xi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数值；Ximax表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数在目标区块内的最大值；Ximin表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数在目标区块内的最小值。
4.如权利要求1所述的一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，所述步骤3中，基于比较矩阵标度，建立天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的重要指数；根据天然气水合物储层可压性评价参数比较矩阵和天然气水合物储层可压性各评价参数的重要指数，建立判断矩阵，计算得到判断矩阵的最优传递矩阵，求解最优传递矩阵的特征向量并进行归一化处理，得到天然气水合物储层可压性各评价参数的模糊权重。
5.如权利要求1所述的一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，所述步骤4中，对步骤3中建立的判断矩阵进行标准化处理，根据标准化处理后的判断矩阵计算天然气水合物储层可压性各评价参数的熵值，公式如下所示：
式中，Hi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的熵值；n表示天然气水合物储层可压性评价参数的总数；j表示判断矩阵的列数；ri,j表示判断矩阵中第i行第j列的数值；
基于天然气水合物储层可压性各评价参数的熵值，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的初始权重，公式如下所示：
式中，Wi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的初始权重；
基于天然气水合物储层可压性各评价参数的初始权重和模糊权重，计算天然气水合物储层可压性各评价参数的修正权重，公式如下所示：
式中，ξi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的模糊权重；λi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的修正权重。
6.如权利要求1所述的一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，所述步骤5中，天然气水合物储层的可压指数计算公式为：
式中，FI表示天然气水合物储层的可压指数，无量纲；Si表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的标准化值，无量纲；λi表示第i个天然气水合物储层可压性评价参数的修正权重。
7.如权利要求1所述的一种天然气水合物储层可压性评价方法，其特征在于，所述步骤7中，水的粘度为1mPa·s。
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