基于层次分析法的页岩气储层可压裂性评价研究

赖富强，罗 涵，覃栋优，夏炜旭，龚大建

(1.重庆科技学院，重庆 401331；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000；3.中国国储能源化工集团股份公司，北京 100107；4.铜仁中能天然气有限公司，贵州 铜仁 554300)

0 引 言

页岩气储层的可压裂性定义为储层具有被有效压裂形成压裂缝从而增产的性质。评价页岩储层的可压裂性对优选页岩气井压裂井段、优化页岩气田开发方案和预测经济效益具有十分重要的意义[1]。国内外学者从岩石力学性质、矿物组分和地质因素等方面进行了页岩储层的可压裂性分析[2-10]，但对可压裂性评价指标及数学计算模型尚未形成定论。目前中国页岩气成功实现商业化开发的代表层系为下志留统龙马溪组页岩，下寒武统牛蹄塘组页岩则是页岩气勘探开发的另一个重点层系[11]。研究区贵州岑巩页岩气区块，是中国极少数目的层为牛蹄塘组并且压裂点火成功的页岩气区块之一，页岩气资源潜力巨大。目前针对该区块的研究较少，缺乏对牛蹄塘组页岩储层可压裂性的评价研究。因此，在国内外学者对泥页岩可压裂性研究的基础上，通过分析不同储层因素和地质因素对可压裂性的影响，利用层次分析法进行了泥页岩储层可压裂性评价，完成了可压裂级别划分并优选压裂层段，为后期的射孔及压裂施工提供了重要依据。

1 区域地质背景

贵州岑巩区块地处贵州省东部铜仁市西南部的江口、万山和黔东南州岑巩县境内，面积约为914.633 km2。黔东南州地跨扬子陆块和华南褶皱带，以铜仁—玉屏—凯里—三都为界。主体位于江南造山带西南缘、右江造山带的北东侧。研究区内北东向、东西向构造发育且相互交切，以逆断层为主。东西两侧逆冲断层发育，地层破碎，中部地层较稳定，发育近直立的断层，断距不大，延伸长度较短。研究区地层发育比较完整，由老至新主要发育南华系、震旦系、寒武系和第四系。目的层下寒武统牛蹄塘组属于台地边缘斜坡深水陆棚沉积，埋藏深度为1 757.00～1 816.40 m。岩性以页岩、泥岩为主，夹少量灰岩、粉砂岩，下部发育黑色及深灰色硅质泥岩、硅质页岩[12]；黄铁矿发育，呈条带状或零星粒状分布，局部见方解石充填。

2 可压裂性评价

可压裂性是储层特征及地质特征的综合反映，目前能够确定的影响页岩可压裂性的因素有脆性系数(BIe)、脆性矿物含量(BM)、有机碳含量(TOC)、黏土矿物含量(CL)、断裂韧度(KC)和水平应力差系数(Kh)等[13-15]。

(1) 脆性指数。脆性指数通常用来表征压裂的难易程度，由弹性模量和泊松比两部分组成。高弹性模量、低泊松比的页岩具有高脆性，对压裂极为有利。

(2) 脆性矿物含量。脆性矿物含量对页岩储层的微裂缝发育程度、含气性、孔隙结构及其压裂改造方式等的影响巨大。脆性矿物含量越高的层段，在构造运动或水力压裂过程中越易形成复杂的裂缝网络，越有利于页岩未连通孔隙相互连接，对页岩储层的的压裂改造效果越好。

(3) 有机碳含量。有机碳含量虽然不能直接反映页岩储层的可压裂性，但对储层的裂缝发育及分布、岩石力学性质有显著影响。页岩气储层的含气量取决于有机质含量，且有机碳含量往往与吸附气能力成正比，有机质的孔隙性和渗透性比页岩基质好，因此，对裂缝的发育有一定的影响；页岩气储层的密度也受有机碳含量的影响，进而影响页岩气储层的岩石力学性质。页岩储层有机碳含量越高，含气量越大，可压裂性往往越好。

(4) 黏土矿物含量。黏土矿物与脆性矿物一样是页岩的主要构成成分，同时也对微裂缝发育程度、页岩含气性、基质孔隙和压裂改造方式等有重要的影响，黏土矿物含量越低，页岩的脆性越大；反之则页岩塑性越强，吸收能量也越多，难以形成裂缝网络，不利于页岩压裂改造。

(5) 断裂韧度。断裂韧度反映了页岩储层可压裂的难易程度，是岩石的固有属性。在页岩气水力压裂过程中，断裂韧度越小，形成的裂缝网络愈加复杂，且裂缝形成之后越容易向前延伸，与天然裂缝连通的能力越强。

(6) 水平应力差异系数。在压裂过程中，裂缝总是向最大应力的方向延伸，为了压裂时可以产生更多裂缝，形成复杂缝网并且最大限度地与天然裂缝进行沟通，地层中的最大水平应力与最小水平应力的差值越小越好。

2.1 可压裂性影响参数标准化

根据页岩可压裂性与影响因素的关系，将影响因素分为2类：脆性系数、脆性矿物含量、有机碳含量与可压裂性呈正相关性，为正向参数；断裂韧度、水平应力差、黏土矿物含量与可压裂性呈负相关性，为负向参数。

为计算可压裂系数，利用极差变换法将各参数进行标准化处理，并将具有不同单位和量纲的各参数分为正向指标和负向指标。

正向指标：

(1)

负向指标：

(2)

式中：S为参数标准化值；Xmax为参数最大值；Xmin为参数最小值；X为参数值。

2.2 层次分析法计算权重

在可压裂性评价中涉及储层多个参数，各参数对可压裂性评价影响的程度难以判定，需在量化基础上综合研究这些参数的影响，而层次分析法能够较为准确地定量分析各参数所占的权重[16]。层次分析法(AHP)是一种层次权重决策分析方法[17]，该方法将复杂问题进行分解，把目的问题分解为若干个影响因素，每个因素根据属性不同继续分解，从而形成层次结构，并建立判断矩阵确定各因素的权重[18-19]。

表1 可压裂性评价指标判断矩阵

2.3 可压裂性指数计算

根据层次分析法得到的各影响因素所占的比例，建立可压裂性指数(FI)的计算模型：

FI=0.375 1BIe+0.243 6BM+0.153 4TOC+0.093 0Kc+0.093 0Kh+0.041 9CL

(3)

根据计算得到的可压裂性指数，将页岩的可压裂性划分为2个级别：可压裂性较好(FI≥0.500)和可压裂性较差(FI<0.500)。

3 模型验证

利用研究区的TX1井对上述研究方法和模型进行检验和应用。TX1井为研究区一口预探参数井，2013年12月4日开钻，2014年1月28日完井，完钻井深为1 897.60 m，完钻层位为板溪群组，目的层为牛蹄塘组。完井测试井段为900.00～1 895.00 m，除进行常规测井外，同时进行了交叉偶极子阵列声波、元素俘获等特殊测井。2014年6月2日至6月5日对牛蹄塘组进行压裂施工，并进行微地震监测。

对TX1井牛蹄塘组处理得到的可压裂指数结果与脆性指数、TOC、脆性矿物含量、断裂韧度、黏土矿物含量及水平应力差异系数间的关系进行了分析。TOC与可压裂指数之间表现出分段式关系(图1a)：当TOC小于7%时，TOC与可压裂指数呈正相关性；当TOC大于7%时，TOC与可压裂指数呈负相关性。可见TOC过高，页岩的延展性增大，对构造裂缝的发育不利，但高TOC及伴随的高硅质(刚性矿物)含量有利于页岩微观孔、缝的发育与保存[20]。脆性指数及脆性矿物含量与可压裂指数呈良好的正相关性(图1b、c)，即脆性指数越大，脆性矿物含量越高，脆性越大，页岩的可压裂性越好。黏土矿物含量和断裂韧度则与可压裂指数总体呈负相关性(图1d、e)，即黏土矿物含量越高，断裂韧度越大，裂缝发育程度越差，可压裂性越差。水平应力差异系数与可压裂指数则没有明显的相关性(图1f)。

图1TX1井牛蹄塘组岩石力学参数及储层参数与可压裂指数的关系

4 实例应用

利用计算模型对TX1井下寒武统牛蹄塘组进行可压裂性综合评价(图2)，可压裂指数为0.355～0.619，平均为0.495，下段整体可压裂性较好。综合TX1井可压裂性评价参数及有效孔隙度、渗透率等测井解释成果，最终优选33号层和35号层作为压裂层段。

最终将TX1井牛蹄塘组1 795.00～1 801.60 m、1 809.40～1 813.80 m层段作为射孔目标层段进行压裂施工，并采取地面微地震技术进行裂缝实时监测，通过对采集数据处理解释得到裂缝参数(表2)。

从TX1井微地震事件解释图可见主裂缝延伸方向为北东60°，压裂缝沿右翼延伸幅度大(图3,图中彩色细线表示裂缝延伸趋势)。压裂后造缝效果较明显，裂缝在井眼附近特别发育，造缝总长度为400 m，缝宽总计为284 m，裂缝面积为77 388 m2，缝高为35 m，裂缝体积为1.57×106m3，压裂效果较好。说明可压裂性评价方法计算结果较为准确，适用于富含有机质的泥页岩储层的可压裂性评价，具有较好的应用潜力。

图2TX1井可压裂性评价系数计算结果

表2 地面微地震监测裂缝参数

5 结 论

(1) 综合分析脆性指数、脆性矿物含量、有机碳含量、黏土矿物、Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度、水平应力差异系数等因素对泥页岩储层可压裂性的影响。根据脆性指数越大，脆性矿物含量越高，有机碳含量越高的储层的可压裂性越好；而黏土矿物含量越低，断裂韧度越小，水平应力差异系数越小时，泥页岩储层的可压裂性越高的原则，采用层次分析法建立了页岩气储层可压裂性评价模型。

图3TX1井微地震事件解释

(2) 利用TX1井对可压裂性评价模型进行检验，当TOC小于7%时，可压裂指数变大，可压裂性变好；而TOC大于7%时，裂缝发育程度降低，可压裂指数变小，可压裂性变差。脆性指数及脆性矿物含量与可压裂指数呈正相关，黏土矿物含量和断裂韧度则与可压裂指数呈负相关，水平应力差异系数与可压裂指数则没有明显的相关性。

(3) 利用计算模型对TX1井目的层进行可压裂性综合评价，通过实际页岩气井压裂层段微地震资料的验证分析，证实了该方法能够较好地评价页岩气储层的可压裂性，同时为其他致密储层可压裂性评价提供了一种方法借鉴。

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