非常规气藏储层改造体积评价方法研究

罗睿乔

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司，广东 深圳 518000)

非常规油气藏中蕴含着相当一部分石油和天然气资源。但这类非常规油气藏通常地质即流动特征极其复杂，构建相应精确的地质和流动模型一直是油气藏建模和模拟的难点。另外，非常规油气藏的开发和生产，基本上依赖于人工干预措施，如人工水力压裂等，其开发特点是人工水力压裂产生的近井段改造体积决定单井产能和油气天区块的生产潜力，而如何准确的定量评价近井段储层改造体积是压裂优化设计和产能预测的关键。

微地震压裂监测是近年来低渗透油气藏压裂改造领域的一项新技术[1-2]。每一次微裂缝开启都对应着一个微地震事件，通过对微地震信号进行解释，即可确定起裂点位置和破裂能量。微地震监测技术可用于监测压裂动态和评估压裂结果。目前基于微地震解释结果进行压裂缝网重构的研究可以分为2类[3-4]，首先是使用PKN、KGD、P3D等岩石破裂模型，结合岩石的机械力学特性及压裂液物性，使用有限元方法或边界元方法对裂缝开裂动态进行模拟，并与微地震结果进行拟合。该方法计算量较大，且无法充分利用微地震信息；其次是根据微地震点位置的宏观趋势，使用线性拟合，获得主裂缝网结构，图中灰点为微地震点，青色直线为根据微地震点的聚集程度和趋势拟合出的裂缝网络。该方法可以迅速得到一个可以用于油藏数值模拟的压裂裂缝网络，但该网络的结构受研究者主观影响较大：选择不同的主裂缝条数、位置，拟合得出的缝网完全不同。其次，页岩气开发中的压裂属于体积压裂，整个SRV被微裂缝系统沟通，而该方法将压裂结果简化为一稀疏的主裂缝网，这与现有的SRV理论不符。因此本文构建了结合微地震数据的缝网重构算法，并在此基础上提出基于压力场的SRV计算方法，最后将该方法用于矿场实际。

1 缝网重构算法

1.1 压裂缝网扩展特征

多级压裂技术使用封堵球或限流技术分隔储层不同位置，并分段施工，各段裂缝依次开裂。压裂过程产生1条或多条主裂缝，同时在其侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分枝形成二级次生裂缝。主裂缝与多级次生裂缝形成裂缝网络系统，并与天然裂缝、岩石层理沟通，使储层基质与裂缝面的接触面积最大化。Beugelsdijk等[5-6]也通过室内实验证实了复杂裂缝网的存在。实验结果表明(图1)，使用低黏度压裂液时，裂缝延伸方向上没有主裂缝存在，裂缝沿天然裂缝起裂延伸；而采用高粘度压裂液时明显存在主裂缝，且水力裂缝几乎不与天然裂缝发生作用。同时可以看出，压裂裂缝主要成树形从起裂点向外扩展。

图1 室内实验结果对比Fig.1 Comparison of laboratory experimental results

1.2 缝网重构算法流程

破裂生长树方法需要解决的技术问题是，根据微地震监测点的位置，重构出微裂缝网的连通关系；在复杂微裂缝网的基础上建立离散裂缝地质模型并进行生产数值模拟。算法的具体流程如图2所示。

图2 破裂树生长法技术流程Fig.2 Technical process of "the growth of a complex treelike form of fracture network"

(1)对水力压裂过程中微地震监测点的数据进行初步处理，剔除不合理的微震点。并将各压裂段的压裂点整理成顺序发生的时间序列。以其中任一段压裂为例，将其所有微地震点的时间序列记为P，其中各点pi(i=1，…，n)依次发生。

对研究区微地震点筛查与不合理数据剔除，主要方式如下：①能量筛查：找出微震能量在合理区间内的事件。在微地震解释时进行。②位置筛查：沿破裂事件序列，剔除距离过远的事件点。在裂缝重构过程中进行。

(2)分别以各压裂段起裂点(投球滑套或压差滑套位置)为起点，迭代重构微裂缝网络N，方法如下：①缝网N最初为空集。第一步将起裂点p0作为初始裂缝网加入N；②选择微震事件序列P中序号i最小的点pi为研究对象，计算已有裂缝网N中所有线段到pi最近的点q；③如果q本来就是N中某条线段的端点，则直接将线段piq加入N。否则，q即为N中某线段(记为ab)的内点，此时首先将原线段ab拆成aq和qb两条线段，再将piq加入N；④从事件序列P中删除pi；⑤重复步骤②、③、④，直到序列P成为空集。

(3)根据微地震点的能量e计算N中各微裂缝段的开度a和渗透率k，计算公式为a=Dln(e/e0)和k=a2/12。其中比例系数D根据以下步骤拟合得到。

(4)将各压裂段的微裂缝网合并，并在此缝网基础上建立离散裂缝网络模型。

(5)以该模型为基础进行生产数值模拟，并与实际生产数据进行历史拟合，确定步骤(3)中比例系数D。

(6)数模计算直至系统达到拟稳态，选取其压力场，并求取油藏所有点的压力数据的统计分布函数。

(7)计算该统计分布函数的拐点，作为SRV的边界压力。绘制该压力的等值线图，则即为此次压裂产生的SRV范围。

2 基于压力场的SRV计算方法

2.1 SRV评价现状

2004年，Fisher等[7-10]研究了利用微地震裂缝监测技术来优化完善Barnett 页岩水平井压裂技术等问题，大量的裂缝测试表明横切缝是产生裂缝体积的主要部分，同时给出了直井网络裂缝典型图，并用“通道长度”和“通道宽度”来表征裂缝扩展的长度和宽度，数据表明这些通道长度可达1 600 m，宽度可达366 m。2006 年，Mayerhofer等[11-13]研究了Barnett页岩的微地震技术与压裂裂缝变化时，第1 次用到改造的油藏体积(Stimulated Reservoir Volume，简称SRV)这个概念，研究了不同SRV 与累积产量的关系，以及相应的裂缝间距、导流等参数，总结提出了通过增加水平井筒长度、增大施工规模、增加改造段数、转向、多井同步压裂、重复压裂等方式实现增大改造体积、提高采出程度的技术思路。大量研究表明，储层改造体积越大，增产效果越明显，储层的改造体积与增产效果具有显著的正相关性。2008年，Mayerhofer等则第1 次在标题中正式提出了“什么是改造的油藏体积”的问题，总结了以往微地震研究的一些初步认识，对改造体积进行了计算，提出大缝网、小裂缝间距，并配合合适的导流能力是低渗透页岩气藏获得最好改造效果的关键。Mayerhofer等虽然提出了什么是改造的油藏体积，但在改造体积(SRV)的计算上仍然只是简单的等同于微地震侦测点的包络体，而裂缝的间距和真实分布等关键信息无法影响SRV的计算结果，这一点是需要改进的。在之前研究中，对于改造体积(SRV)的计算，常常是以最边界的裂缝点为外边界，将该面积分割为许多宽度一定的小矩形，之后求和计算面积(SRA)。之后乘以其地层的深度，可以得到改造体积(SRV)。

但是，考虑到实际生产过程，流体的流动是受基质和裂缝总压力的分布的影响，所以单纯的由最外界构成的裂缝面积并不能完全描述实际生产中对流体流动的影响。所以本研究尝试一种新方法，根据生产过程中压力的分布来确定SRV的范围。

2.2 方法原理

在不同压裂阶段分别打一口井，定产生产，当生产一定时间后看压力的分布，根据分布图确定SRV的范围。由于生产过程没有达到“稳态”的时候不具有代表性，所以本研究取达到拟稳态的时间时的压力分布作为分析样本。当油藏定产量生产达到拟稳态时，全场压力同步下降，压力的相对大小不变。因此可以根据此段时间的压力分布确定SRV的边界及体积。由于拟稳态中各网格点相对压力差不变，所以我们取井底和压裂范围内的某一网格，当两个网格之差随时间变化为定值的时候可以认为达到拟稳态，并找到该时刻下的非结构化网格中的传导率分布。根据离散方程：

T·▽P=A

式中，T为传导率；P为该网格及相邻网格的压力；A为该网格的累计项(考虑压缩性)。

在已经知道传导率和网格体积的情况下，解出压力场中压力分布。虽然传导率会随着时间变化而变化(压力改变，粘度等参数也会改变)，但是由于在累计项也会随着时间改变，而压力场的相对分布不变，所以即使取拟稳态中不同时刻的传导率值，求解的压力场不同，但是压力场相对分布相对，则确定的SRV边界也相同，所以拟稳态中取不同时间的传导率对SRV的确定没有影响。

任取拟稳态中某一时刻的压力分布，做出其累计概率密度分布图(CDF)。由于工业界SRV边界会几种取法[14-17]，一般取CDF为0.9或0.5。但是0.9的取法过于乐观，在实际生产中不因为非改造区域渗透率很低，所以实现生产的压力漏斗区应该只存在场中改造位置，靠边界区域的压力不变。所以不会出现在全场达到拟稳态，压力统一下降的情况。所以这里保守估计SRV体积时边界取CDF取0.5时对应的压力(图3)。之后找出压力比该值小的四面体网格，把这些网格对应的体积相加，得到SRV。

图3 基于累积概率密度函数确定临界压力Fig.3 Determine critical pressure based on cumulative probability density function

3 矿场应用实例

3.1 长宁201井区开发概况

长宁201井为水平生产井，水平段全长1 400 m，深度2 100 m。主要钻遇龙马溪组页岩储层，储层平均厚度50m。龙马溪组页岩埋藏较深、热演化程度较高、含气量较低、储层较致密[18-19]。该层页岩上部为蓝灰色、黄绿色泥质或粉砂质页岩，下部为黑色笔石页岩，天然断层、裂缝发育，可压裂性较高。N201井共分10段进行水力压裂，压裂过程中通过微地震技术检测缝网破裂过程，微地震数据显示压后形成复杂的微裂缝网络。对微地震点进行观察知，该井贯穿一天然断层。地震蚂蚁体数据表明，该井区存在数条天然大裂缝(图4)。因此，断层、天然大裂缝、微裂缝网络形成多尺度裂缝系统，需要分别加以刻画。并且该井区需要使用离散裂缝模型进行描述，才能够精确刻画裂缝对流动过程的影响。

图4 蚂蚁体数据断层重构效果Fig.4 Effect of fault reconstruction of ant body data

3.2 N201井缝网重构

N201井共分10段进行压裂，每段3～4簇，压裂过程持续8 d。压裂过程中全程使用微地震监测技术进行裂缝破裂监测。将压裂产生的微地震监测数据导入地质建模软件进行数据观察和分析可知，微地震事件有局部聚集特征，反映有断层存在。因此在进行后续的微裂缝网重构前需要首先将断层提取出来。考虑到该断层处微地震事件较多，推测其为开放断层。且经过水力压裂打开原天然微裂缝后，渗透性增加。因此在后期的数模中，设置其孔隙度0.5，渗透率100 μm2。提取完断层后，剩余的微地震点与断层面之间的位置关系如图5所示。

图5 断层与剩余微地震点位置关系Fig.5 Relationship between fault and remaining micro-seismic points

N201井共分10段进行压裂，每段共3～4簇。根据各压裂段的射孔位置(起裂点)，即可应用破裂树生长法独立重构出各段的压裂缝网。运行算法后，即可重构出微裂缝网(图6、图7)。使用外部程序(如matlab、tecplot等)呈现生成结果如下。

图6 模块重构出的微裂缝网络Fig.6 Micro-crack network reconstructed

图7 微裂缝片的渗透率分布Fig.7 Permeability distribution of microfractures

综上所述，共建立了3级裂缝系统，即天然大裂缝4条，断层1条，以及压裂形成的微裂缝网络1组(图8)。

图8 建模过程中用到的三组裂缝面Fig.8 Three sets of fracture surfaces used in the modeling process

建模过程中，这3组裂缝面的渗流属性为：①断层面(孔隙度0.5，渗透率100 μm2)；②微地震点连成的微裂缝网络(孔隙度0.5，渗透率根据微震能量计算，大部分在1 μm2左右)；③根据蚂蚁体识别出的天然裂缝(孔隙度1.0，渗透率1 000 μm2)。不同类型、级别的裂缝数据准备完成后，即可建立地质模型。由于原地质模型没有基质孔、渗等属性。根据龙马溪组页岩储层的一般特征，先赋渗透率10-6μm2，孔隙度3%进行地质建模。

3.3 数值模拟产能预测

根据层状离散裂缝模型建模结果，进行数值模拟历史拟合，在获得最佳拟合结果后，即可使用该结果对N201井未来的生产状况进行预测和分析。为达此目的，继续保持保持N201井放喷生产，持续计算30年。计算结果如下(图9)，从模拟结果可以看出，N201井的产气量衰减很快，但生产周期较长，符合典型页岩气井的生产规律。

图9 后续30年生产数据Fig.9 Production forecast for next 30 years

3.4 基于拟合结果的SRV评价

以往研究中，通常以微地震点的外边界作为SRV的界限[20-22]。但在实际生产过程中，流动受基质和裂缝总压力场的控制，而压力场不但受裂缝区域边界影响，还受裂缝疏密分布、透率分布等影响，甚至与裂缝—基质渗透率、孔隙度极差有关，必须进行综合考虑。

N201井使用拟稳态流动时特定的压力等值线来确定SRV范围，将SRV的边界定义在压降漏斗最剧烈的地方(图10)。为确定系统进入拟稳态的时间，绘制产量Q与油藏平均压力降Δp的比值(图11)。可见当生产时间超过3年后，Q/Δp基本稳定，可以认为系统已达到拟稳态流动。选择此后任一时刻t的压力场进行分析。

图10 衰竭开发3年后各网格层压降漏斗Fig.10 Pressure drop funnel of each layer for exhaustion development after three years

图11 模拟得到的Q/Δp与时间的关系Fig.11 Relationship between Q/Δp obtained by simulation and time

生产时间超过4年以后，Q/Δp的值基本维持稳定，此时系统达到拟稳态。再在研究工区内取n个均匀分布的代表点(n>10 000)，并通过插值计算其在t时刻对应的压力值，对其压力值进行统计，如图12所示。图12中，实线为概率密度函数；虚线为累积分布函数。

图12 储层压力的分布统计结果Fig.12 Distribution statistics of reservoir pressure

择压力累积分布函数的拐点31.19 MPa，作为SRV的分界线，以拐点压力绘制压力等值线，即为该工区压裂改造后的SRV范围。将该范围内所有网格的体积累加，就可计算出SRV体积为0.052 1 km3。

4 结论

(1)破裂生长树缝网重构算法可充分结合微地震数据，重构缝网符合压裂裂缝主要成树形从起裂点向外扩展的分布特征，缝网刻画还原度高。在重构缝网的基础上，数值模拟的产量预测结果符合典型页岩气井的生产规律。

(2)基于压力场的SRV分析方法区别于以微地震点的外边界作为SRV的界限的通常分析方法，充分考虑了实际生产过程中压力场对SRV的控制作用，计算的SRV更加符合实际生产规律。

(3)形成一整套基于微地震监测结果的非常规气藏体积改造评价及产能预测方法体系，为非常规气田开发提供关键的技术保障。