评价页岩水力压裂效果的一种新方法及其应用

2016-08-24胡瑞林

石油地质与工程 2016年4期

关键词：基准线水力投影

许　丹，高　玮，胡瑞林

(1.中国科学院地质与地球物理研究所，中科院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学)

评价页岩水力压裂效果的一种新方法及其应用

许丹1,2，高玮1，胡瑞林1

(1.中国科学院地质与地球物理研究所，中科院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学)

提出了评价页岩水力压力效果的一种新方法——修正的带宽投影连通率计算方法，对带宽投影法计算连通率的方法进行了修正，根据修正后的带宽投影法的原理编写计算机软件，计算页岩压裂效果面缝网体系各方向的连通率，并做出连通率玫瑰花图，计算玫瑰花图占半圆的比例，将此比例作为指标评价压裂效果面的缝网体系。将这一方法应用到重庆焦石坝采集的龙马溪组页岩的室内水力压裂效果评价上，取得了良好的效果。

焦石坝地区；页岩储层;水力压裂;缝网;节理连通率;玫瑰花图

页岩储层的渗透率极低，绝大多数页岩气井需要通过压裂等增产措施提高页岩气的采收率[1]。页岩储层压裂与常规砂岩储层压裂不同，常规砂岩储层水力压裂裂缝主要以对称双翼缝为主[2]，而页岩储层水力压裂裂缝纵横交错形成无规则的裂缝网络体系。对页岩储层进行压裂改造即体积压裂，是指页岩储层随着水力压裂，在天然裂缝、沉积层理不断扩张和脆性岩石产生剪切破坏的综合作用下，形成天然裂缝、沉积层理与水力裂缝相互交错的裂缝网络体系[3]，其目的是沟通页岩储层内的微孔隙、天然裂缝、沉积层理等，形成沿井筒径向分布的网络裂缝系统，而不是常规压裂所形成的对称双翼裂缝，网状系统涉及的范围越大，压裂效果越好。

前人研究均偏重于体积压裂后裂缝扩展形态，未能对压裂缝网好坏作定量描述与整体评价[4-9]。然而在实际生产或室内实验条件下，研究重点不仅仅是体积压裂后的裂缝形态，判断整体压裂效果好坏也至关重要。实际生产中判断压裂效果好坏最直接方法是由产气量多少来判断；而实验室条件下，如何判断压裂效果好坏是一个难点。本文提出利用节理面连通率玫瑰花图面积比这一指标来定量评价体积压裂效果好坏，并将其运用于焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩室内水力压裂效果评价上，取得了良好的效果。

1　带宽投影连通率的计算方法及其修正

1.1结构面连通率

连通率[10,11](无量纲)是表征岩体节理面连通情况的参数，其表达式为：

(1)

其中，l为节理面平均长度，i为平均岩桥长度。

计算方法主要有基于实测的概率模型估算方法(如H-H连通率、广义H-H连通率、带宽投影连通率[12]计算方法)和基于结构面网络模拟[13](如Monte Carlo网络模拟方法)两类计算方法。对于页岩储层水力压裂实验，采用基于实测的概率模型估算方法比较客观。

1.2带宽投影连通率计算方法

带宽投影法的中心思想是：①在结构面网络模拟图上的一个测窗内设置一条基准测线；②以基准线为中心轴线，在其两侧0.5d的位置分别作一条平行于基准线的直线，d为结构面投影带宽度，其大小与测窗内结构面的数量有关；③沿着基准线的方向搜索每条与其夹角(裂隙起，基准线止)小于φ°的裂隙，将符合条件的结构面投影到基准线上，并计算其投影长度li；④平移测窗，遍及结构面所有裂隙，按照此方法搜索，并计算相应的投影长度，除去重合的部分，将其累加，然后除以基准线的长度，即为该方向的连通率，其公式为：

(2)

式中：l为基准线的长度；li为第i条裂隙在基准线上的投影长度。⑤再将基准线旋转θ°，重复上述过程，如此反复至基准线旋转180°终止，便可以得到不同方位的连通率。

1.3修正的带宽投影连通率计算方法

利用公式(2)计算的连通率K值可能大于1并且没有上限，因为当某方向带宽范围内夹角符合条件的裂隙数量很多且迹长[14]较长时，所有裂隙在基准线上投影长度总和可能大于基准线的长度。然而，根据连通率计算公式(1)，K值介于0和1之间(也可包括0和1)，出现矛盾，而且基准线长度l的取值不明确，需要对其进行修正：带宽内的连通率等于带宽内所有与基准线夹角(裂隙起，基准线止)小于10°的裂隙在基准线上投影累加长度(去除重合部分)除以裂隙在基准线上投影累加长度与带宽内岩桥在基准线投影累加长度之和，即：

(3)

(4)

(5)

其中，s为基准线角度第s次变化、无量纲，s=1,2,…17；t为带宽第t次平移、无量纲，t的范围与基准线角度和带宽有关；Ks t为基准线的角度第s次变化、第t次平移时带宽内的裂隙连通率，无量纲；lst为基准线角度第s次变化、第t次平移时基准线长度，m,其大小等于基准线与结构面交割线长度,m；li为带宽内第i条裂隙在基准线上的投影长度,m；lj为第j条岩桥在基准线上的投影长度,m；m、n分别为带宽内裂隙和岩桥的条数。

Ks为基准线第s次旋转统计结构面在该方向的连通率(无量纲)，其大小等于带宽每次平移时的连通率与权重乘积之和。

(6)

(7)

r为t的最大取值，等于结构面统计尺寸内垂直基准线的最大长度与带宽宽度之比，然后取整。

利用修正后的带宽投影法计算裂隙连通率虽然过程繁琐，但比H-H连通率和广义H-H连通率计算方法更准确、直观。

2　基于带宽投影法连通率的水力压裂效果评价方法与程序

2.1基本思路

页岩气主要是以吸附或游离状态赋存于页岩微孔隙中，页岩储层体积压裂的目的就是产生复杂的裂缝网络体系，尽可能地多沟通微孔隙，利于蕴含的页岩气尽多地释放，因此，压裂后缝网越复杂，压裂效果越好。如何定量、有效地表征这种裂缝网络体系，对于评价压裂效果的好坏具有重要意义。

将水力压裂实验后试样表面裂缝最明显、网络最复杂的一面，定义为压裂效果面[15]。根据修正的带宽投影法的原理，计算压裂效果面缝网体系各方向的连通率，作连通率玫瑰花图(角度方向代表倾角，半径方向代表结构面连通率)，能直观准确地表征压裂后缝网各方向效果的好坏，利用计算机编程算出玫瑰花图占半圆的比例，评价整体压裂效果。

2.2水力压裂效果评价方法

利用VB语言编写程序读取压裂效果面上每一条裂隙的长度和两个端点的坐标，设置基准线，初始方向设为竖直向上，根据修正带宽投影法的原理，计算各个方向裂隙的连通率，基准线每次旋转10°，做出连通率玫瑰花图，如图1所示。

图1　连通率玫瑰花示意图

图1中半圆的面积(单位：m2)为:

(8)

由于ry=1，所以，Sy= π/2。

图1中连通率玫瑰花图的小三角形面积为：

Ss=KsKs+1sin10°/2

(9)

玫瑰花图的面积(单位：m2)为：

(10)

玫瑰花图与半圆的面积比为：

(11)

3　水力压裂实验

3.1页岩样品采集

3.2压裂实验设计

将采集的页岩切割成4个30 cm×30 cm×45 cm的长方体，表面打磨光滑，在30 cm×30 cm面的中心采用外径为24 mm的金刚石钻头钻出150 mm的裸眼，将特制的模拟井筒放入其中，用高强度黏结剂将套管与试样封固。在四个竖直面上各非对称放置两个声发射探头，采用清水作为压裂液，压裂时暂不设置围压。控制好水泵压力，缓慢加压，以避免加压过程中页岩试样剧烈破坏，导致无法观测页岩表面裂缝的生成、扩展、贯通、破坏的全过程。

3.3压裂结果

压裂过程中观测页岩表面裂缝的变化。图2为1号试样的表面裂缝最明显、网络最复杂的一面，可将其定义为压裂效果面。先将图2用MATLAB软件变换为二维图像，再用边缘检测技术提取出裂隙，去除噪声，将裂隙锐化加强，得到提取的由107条裂隙组成的结构面网络图，如图3所示。

4　计算压裂效果面的连通率

利用编写的软件计算出连通率结果(表1)并做出1号试样页岩压裂效果面的连通率玫瑰花图，如图4所示，并计算玫瑰花图所占半圆的比例为11.692%。同样计算出2号试样为9.387%，3号为11.8739%，4号为10.8372%。据此可准确、定量地判断3号试样的体积压裂效果最佳。

图2　页岩压裂效果面

图3　结构面网络提取图

表1　基于VB程序的连通率计算结果

图4　软件界面

5　结语

本文对带宽投影计算连通率的方法进行了修正，将修正后带宽连通率的基本思路运用到页岩压裂效果面的评价上，实验结果表明，该方法能够定量评价页岩压裂效果，能够为现场页岩压裂工艺提供参考。

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编辑：刘洪树

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