页岩储层具有储层致密、低孔低渗的特征，要实现页岩气的经济开发，需进行体积压裂增产措施，页岩储层的可压性评价对于优选压裂井段、优化压裂参数及预测经济效益具有重要意义。四川威远页岩气示范区是页岩气开发的重要区域，本文通过计算页岩储层有效厚度、有效孔隙度、总有机碳含量、脆性指数等参数，并结合压裂施工工艺参数、微地震监测成果等资料，对四川威远地区龙马溪组页岩储层的可压性进行综合评价，为优选压裂井段、优化压裂参数以提高压裂改造效果提供重要依据。 The shale reservoir has the characteristics of tight reservoir, low porosity and low permeability. To realize the economic development of shale gas, the stimulation measures of volumetric fracture are needed. The evaluation for the compressibility of shale reservoir has great significance on selecting well sections of fracture, optimizing the fracture parameters and predicting economic benefits. The Weiyuan Shale Gas Demonstration Area in Sichuan is an important area for the development of shale gas. We calculated the effective thickness, effective porosity, total organic carbon content, brittleness index and other parameters of the shale reservoir, and combined with the parameters of fracturing construction process and the results of micro-seismic monitoring to evaluate the compressibility of shale reservoir in Weiyuan, Sichuan, which could provide an important basis for selecting well sections of fracture and optimizing fracturing parameters to improve the effect of fracture.
康亮，蒋琳，孙皓楠，刘丽婷，唐勇
中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西南物探分公司， 四川 成都
收稿日期：2020年7月8日；录用日期：2020年7月22日；发布日期：2020年7月29日
页岩储层具有储层致密、低孔低渗的特征，要实现页岩气的经济开发，需进行体积压裂增产措施，页岩储层的可压性评价对于优选压裂井段、优化压裂参数及预测经济效益具有重要意义。四川威远页岩气示范区是页岩气开发的重要区域，本文通过计算页岩储层有效厚度、有效孔隙度、总有机碳含量、脆性指数等参数，并结合压裂施工工艺参数、微地震监测成果等资料，对四川威远地区龙马溪组页岩储层的可压性进行综合评价，为优选压裂井段、优化压裂参数以提高压裂改造效果提供重要依据。
关键词 :威远页岩气示范区，页岩储层，可压性评价，脆性指数
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页岩储层具有储层致密、低孔低渗的特征，要实现页岩气的经济开发，需进行体积压裂增产措施，因此，页岩储层的可压性评价对于优选压裂井段、优化压裂参数及预测经济效益具有重要意义 [
四川盆地龙马溪组是现阶段页岩气开发的主要层系。整体为陆棚相沉积，沉积相带较稳定，分布范围广泛，外陆棚为页岩储层分布的有利相带 [
依据四川威远页岩气示范区资料的实际情况，由横纵波关系出发，结合密度曲线计算泊松比和杨氏模量，进而得到脆性指数，再利用研究区的常规测井曲线计算泥质含量和孔隙度参数，并结合总有机碳含量进行储层物性、总有机碳含量的评价，再综合天然裂缝等地质特征及压裂施工工艺参数、微地震监测成果等资料，对页岩储层进行可压性综合分析评价，为优选压裂井段、优化压裂参数以提高压裂改造效果提供重要依据，具体技术流程见图1：
图1. 技术路线图
在计算杨氏模量及泊松比参数中，需要地层的横波资料，但是常规测井中并没有直接的横波资料，只能通过纵波与横波资料的关系转换得到 [
S D T = 1.3618 * D T + 83.409 (1)
R 2 = 0.9534 (2)
其中SDT为横波时差(μs/m)；DT为纵波时差(μs/m)。运用拟合公式计算了研究井区其它井的横波曲线，应用N1井横波曲线进行验证，相对误差为2.6%，计算结果可靠。
通过上述计算得到了横波和纵波数据，结合密度曲线可以计算泊松比和杨氏模量两个弹性参数。采用经验公式，计算泊松比(μ)公式 [
μ = 0.5 Δ t s 2 − Δ t p 2 Δ t s 2 − Δ t p 2 (3)
其中∆ts为横波时差(μs/ft)；∆tp为纵波时差(μs/ft)。
计算杨氏模量(E)公式：
E = ρ ( 3 Δ t s 2 − 4 Δ t p 2 ) Δ t s 2 ( Δ t s 2 − Δ t p 2 ) (4)
其中∆ts为横波时差(μs/m)；∆tp为纵波时差(μs/m)；ρ为密度(g/cm3)。
页岩脆性是影响可压裂性最重要的因素，页岩脆性的大小对压裂产生的诱导裂缝的形态产生很大的影响。页岩脆性越高，压裂形成的裂缝网络越复杂，可压裂性越高 [
Y M _ B R I T = ( Y M − Y M _ M I N / ( Y M _ M A X − Y M _ M I N ) ) × 100 (5)
P R _ B R I T = ( P R − P R _ M A X / ( P R _ M I N − P R _ M A X ) ) × 100 (6)
B R I T a v g = ( Y M _ B R I T + P R _ B R I T ) / 2 (7)
其中，YM为静态杨氏模量，10 GPa；PR为静态泊松比；YM_BRIT为归一化的杨氏模量；PR_BRIT为归一化的泊松比；BRITavg为脆性指数。
目前用于分析页岩储层矿物组分的测井方法一般为常规测井、元素俘获能谱测井和自然伽马能谱测井等 [
I S h = G R − G R min G R max − G R min (8)
V S h = 2 ( G C U R × I s h ) − 1 2 G C U R − 1 (9)
其中Vsh为自然伽马曲线计算的泥质含量；Ish为泥质指数；GRmax为纯泥岩处的自然伽马测井值；GRmin为纯砂岩处的自然伽马测井值；GR为估算井段自然伽马测井值；GCUR为计算泥质体积的经验系数，一般老地层取值2，古近系和新近系取值3.7。
由于泥页岩中含有一定量的有机质，同时占据矿物骨架体积，采用张晋言等提出的一种适用于泥页岩的利用密度测井资料进行泥质和TOC含量校正的孔隙度计算公式 [
∅ e = ∅ d − V T O C ( ρ m a − ρ T O C ) ρ m a − ρ f − V s h ( ρ m a − ρ s h ) ρ m a − ρ f (10)
其中VTOC为有机质体积；Vsh为泥质含量；ρma、ρTOC、ρf、ρsh分别为骨架、有机质、流体、泥质密度。
由于干酪根形成常在放射性元素U含量高的还原环境中，因而总有机碳含量较高的地方其自然伽马曲线会出现高值 [
T O C = 0.0367 * G R − 4.3379 (11)
R 2 = 0.866 (12)
根据四川威远地区部分井资料，威远志留系龙马溪组储层厚度一般在20~50 m，孔隙度一般在3.6%~6.3%，TOC含量一般分布在1.1%~4.3% (表1)。
| 井名 | 层位 | 层号 | 起始 深度(m) | 终止 深度(m) | 厚度(m) | 有效孔隙度(%) | 总有机碳 含量(%) | 解释结论 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | 龙1段 | 1 | 1506 | 1544 | 36.7 | 5.6 | 3 | Ⅱ类页岩气层 |
| X2 | 龙-2~龙-1 | 1 | 2535 | 2574 | 37.9 | 6.3 | 3.3 | Ⅱ类页岩气层 |
| 五峰 | 2 | 2574 | 2580.6 | 3.6 | 5.1 | 2.9 | Ⅰ类页岩气层 | |
| 平均值 | 41.5 | 6.2 | 3.3 | |||||
表1. 四川威远地区龙马溪组部分井储层厚度、孔隙度、TOC含量统计表
威远地区井脆性指数计算结果显示，其脆性指数一般为30%~80%，平均脆性指数为42.5%~65.6%，处于中高水平，可压性较高。其中，H1平台页岩脆性指数一般为38%~63% (图2)；H2井页岩脆性指数一般为32%~64% (图3)；H3平台页岩脆性指数一般为37%~68% (图4)；H4平台页岩脆性指数一般为38%~80% (图5)，H4脆性较高。
结合微地震事件分析，井旁脆性较好区段监测到的微地震事件个数较井旁脆性较差区段多，事件密度大。叠合微地震事件与龙马溪组优质页岩段脆性指数、裂缝预测切片可以发现，高脆性指数区域，微地震事件数较多，微地震事件分布与脆性指数平面宏观特征一致。
图2. H1井脆性指数概率图
图3. H2井脆性指数概率图
图4. H3井脆性指数概率图
图5. H4井脆性指数概率图
天然裂缝的存在是地应力不均一的表现，发育区带往往是地层应力薄弱的地带，天然裂缝的存在降低了岩石的抗张强度，并使井筒附近的地应力发生改变，对诱导裂缝的产生和延伸产生影响 [
四川威远页岩气示范区压裂开采结果表明，天然裂缝的存在提高了龙马溪组页岩的可压性。在X3-2井第6段附近地震属性预测结果显示存在明显的天然裂缝响应带，天然裂缝方向为80˚，压裂时微地震监测反映，压裂初期微地震事件主要沿天然裂缝方向延展，随着压裂的进行，发育更多近东西向的裂缝，说明诱导裂缝受到天然裂缝的影响，裂缝方向受天然裂缝和诱导裂缝的共同控制(图6)。
图6. X3-2井第6-9段压裂裂缝特征分析图
据威远地区龙马溪组优质页岩物性参数，设计压裂模型，正演模拟分析得到，在一定的施工排量下，相同射孔方式、数量条件下，随着压裂施工规模加大，液体波及范围增大，但是，增大幅度减小。页岩气在采用水平井开发时，考虑级间距和水平井间距，当施工规模为2000方液体，100方支撑剂，可以满足经济有效开发需求。
施工排量越大越能够提供持续的能量，使水力裂缝和天然裂缝开启和延伸。但是，近井地带产生的裂缝过多，则会消耗过多能量，这样会使井壁不稳定且不能给远井地带裂缝扩展提供能量。因此，需要使用变排量，调整压裂液黏度，控制近井地带的裂缝，使裂缝扩展到远井地带。
压裂施工及微地震监测结果显示，当储层非均质性强时，压裂施工参数、排量、压力及加砂量，段间差异较大；当储层段间差异较小，压裂施工参数变化不大时，微地震监测结果SRV体积与压裂施工规模关系不明显 [
因此，从压裂施工的角度，需要增大有效SRV，获取较好的改造效果，实现平台产能建设，在设定施工规模和施工排量条件下，采用拉链式作业模式，提高作业效率与返排液环保利用；利用微地震实时监测，现场优化泵注参数，交错布缝，充分利用井间应力干扰增加裂缝复杂程度，可以达到提高压裂改造效果的目的。
图7. H2井微地震监测结果SRV体积和施工参数分析图
1) 计算结果显示，威远地区页岩储层厚度一般为20~50 m，孔隙度一般为3.6%~6.3%，TOC含量一般为1.1%~4.3%。此外，储层脆性指数一般为30%~80%，平均脆性指数为42.5%~65.6%，处于中高水平，可压裂性较高。高脆性指数区域，微地震事件数较多，微地震事件分布与脆性指数平面宏观特征一致。
2) 研究显示该区存在明显的天然裂缝响应带，且微地震监测成果反映，压裂初期微地震事件主要沿天然裂缝方向延展，随着压裂的进行，裂缝方向受天然裂缝和诱导裂缝的共同控制。
3) 研究区在设定施工规模和施工排量条件下，需要增大有效SRV，采用拉链式作业模式，提高作业效率与返排液环保利用。同时利用微地震实时监测，现场优化泵注参数，交错布缝，充分利用井间应力干扰增加裂缝复杂程度，以达到提高压裂改造效果的目的。
康 亮,蒋 琳,孙皓楠,刘丽婷,唐 勇. 四川威远地区页岩储层可压性评价方法研究Evaluation Method for the Compressibility of Shale Reservoir in the Weiyuan, Sichuan[J]. 自然科学, 2020, 08(04): 369-377. https://doi.org/10.12677/OJNS.2020.84045
https://doi.org/10.2118/115258-MS