CN110288233B - 一种基于模糊灰色关联法的深层页岩气可压性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过分析总结国内外页岩气可压性评价方法主要参数，结合深层页岩气层具有高温、高压、强塑性特征，主要从地质和工程因素方面，优选了深层页岩气可压性综合评价参数；充分考虑了地层围压及岩石各向异性对参数的影响，形成了可压性评价参数的计算方法；利用模糊灰色关联分析方法，分析不同权重组合的可压性指数曲线与裂缝复杂性指数曲线的相关性，按相关系数最大原则优化权重组合，建立了可压性综合评价数学模型，形成深层页岩气可压性综合评价方法，对深层页岩气提高裂缝复杂程度的压裂参数优化设计具有指导意义。

Description

一种基于模糊灰色关联法的深层页岩气可压性评价方法

技术领域

本发明涉及勘探领域，具体涉及一种基于模糊灰色关联法的深层页岩气 可压性评价方法。

背景技术

可压性是评价页岩气压裂中形成体积压裂复杂裂缝网络的难易程度。目 前主要的可压性评价方法包括四种类型：根据全部脆生矿物含量和岩石脆度 评价可压性，根据岩石脆度和断裂韧性/断裂能评价可压性，综合考虑石英含 量、岩石脆度、天然裂缝发育程度、水平应力差异等参数评价可压性，从不 同角度采用了与裂缝复杂性直接相关的6种评价参数，即脆性矿物含量、粘 土矿物含量、岩石脆度、水平地应力差异、天然裂缝发育程度和断裂韧性。

深层页岩气随着埋深的加深，三向应力增加、水平应力差增加、岩石塑 性特征增强，储层可压性差，裂缝延伸困难，不利于形成复杂缝网。因此， 建立深层页岩气可压性的评价方法对深层页岩气提高裂缝复杂程度的压裂参 数优化设计具有重要的意义。现有技术尚不能很好的解决深层页岩气可压性 评价问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可以与现场的开发实践吻合的基于 模糊灰色关联法的深层页岩气可压性评价方法

包括以下步骤，

S1：获取脆性矿物含量参数数据、粘土矿物含量参数数据、岩石脆度参 数数据、水平地应力差异参数数据、断裂韧性参数数据、内聚力参数数据和 天然裂缝发育参数数据；

S2：采用以下公式获取可压性量化值

式中，

Δσ为水平地应力差异绝对值，单位为MPa，

S_i为石英含量，单位为％，

YMS_c为静态杨氏模量值，单位为10GPa，

PR_C为静态泊松比，PR_C参数无量纲，

S_H岩石脆度，S_H参数无量纲，

K_IC为I型裂纹断裂韧性，单位为MPa·m^0.5，

K_IIC为II型裂纹断裂韧性，单位为MPa·m^0.5，

S₀为内聚力，单位为MPa，

S_F天然裂缝发育程度，S_F参数无量纲。

本发明的有益效果是

(1)本发明优选深层页岩气可压性综合评价的7参数组合：脆性矿物含 量、粘土矿物含量、岩石脆度、水平地应力差异、断裂韧性、内聚力和天然 裂缝发育程度，能够***表述深层页岩气层可压性特征。

(2)本发明利用模糊灰色关联分析方法，得到了不同权重组合的可压性 指数曲线与裂缝复杂性指数曲线的相关性，按相关系数最大原则优化权重组 合，建立得到可压性综合评价数学模型，计算结果与现场的开发实践吻合。

附图说明

图1 A1井动静态弹性模量关系拟合示意图。

图2 A1井动静态泊松比关系拟合示意图。

图3水平应力差异与裂缝复杂指数关系示意图。

图4 B2井16段裂缝复杂性指数图。

图5各权重分配方案下B2井可压性指数与裂缝复杂指数曲线相关系数示意 图。

图6最优化权重分配方案下B2井16段可压性指数与裂缝复杂指数曲线对比 示意图。

图7 B1井可压性指数曲线示意图。

图8 A1井可压性指数曲线示意图。

具体实施方式

可压性是评价页岩气压裂中形成体积压裂复杂裂缝网络的难易程度。本 发明过分析总结国内外页岩气可压性评价方法主要参数，结合深层页岩气层 具有高温、高压、强塑性特征，主要从地质和工程因素方面，优选了深层页 岩气可压性综合评价参数；充分考虑了地层围压及岩石各向异性对参数的影 响，形成了可压性评价参数的计算方法；利用模糊灰色关联分析方法，分析 不同权重组合的可压性指数曲线与裂缝复杂性指数曲线的相关性，按相关系 数最大原则优化权重组合，建立了可压性综合评价数学模型，形成深层页岩 气可压性综合评价方法，对深层页岩气提高裂缝复杂程度的压裂参数优化设 计具有指导意义。

下面对本发明方法中深层页岩气可压性指数综合评价数学模型的推导过 程和优越性进行说明。

深层页岩气随着埋深的加深，三向应力增加、水平应力差增加、岩石塑 性特征增强，储层可压性差，裂缝延伸困难，不利于形成复杂缝网。因此， 建立深层页岩气可压性的评价方法对深层页岩气提高裂缝复杂程度的压裂参 数优化设计具有重要的意义。

下面对深层页岩气可压性综合评价参数选择进行说明。

1.1可压性综合评价参数

可压性是评价页岩气压裂中形成体积压裂复杂裂缝网络的难易程度。目 前主要的可压性评价方法包括四种类型：根据全部脆生矿物含量和岩石脆度 评价可压性，根据岩石脆度和断裂韧性/断裂能评价可压性，综合考虑石英含 量、岩石脆度、天然裂缝发育程度、水平应力差异等参数评价可压性等，从 不同角度采用了与裂缝复杂性直接相关的6种评价参数，即脆性矿物含量、 粘土矿物含量、岩石脆度、水平地应力差异、天然裂缝发育程度和断裂韧性。

深层页岩气压裂能够形成剪切缝，内聚力是表征储层压裂形成剪切裂缝 难易程度的重要因素，因此，深层页岩气可压性综合评价参数为脆性矿物含 量、粘土矿物含量、岩石脆度、水平地应力差异、断裂韧性、内聚力和天然 裂缝发育程度共7种。

1.2可压性评价参数计算方法

充分考虑了地层围压及岩石各向异性对参数的影响，利用实验数据对测 井解释结果进行修正，形成了可压性参数的计算方法。

(1)脆性矿物(石英)含量

石英含量能反映裂缝复杂性对提高压裂效果的有利影响。石英含量可通 过室内实验和测井计算得到。对比实验实测数据与测井解释数据，发现两者 之间存在一定的差距，因此建立两者之间的关系模型，对测井解释数据进行 修正，得到页岩气层石英含量纵向剖面。

S_i＝-107.5953+(0.0378578)*AC+39.3799522*DEN+0.273128*GR (1)

(2)岩石力学脆性指数

岩石的脆性指数一般采用杨氏模量和泊松比进行描述，杨氏模量越大， 泊松比越小，岩石脆性越好。Rickman R等人于2008年提出了用杨氏模量和 泊松比综合计算脆性指数的方法。

式中：BI为脆性指数，无量纲；YMSc为静态杨氏模量值，10GPa；YMBrit为 归一化后的杨氏模量值，无量纲；PRC为静态泊松比，无量纲，PRBrit为归 一化后的泊松比，无量纲。

静态杨氏模量及泊松比可通过室内实验得到。由于所加围压的不同其测 得的值也不同，因此，深层页岩气需要考虑井深对裂缝复杂性的影响，采用 零围压下的实验数据，动态杨氏模量及泊松比可通过测井数据计算得到。将 工区A井实验测得静态岩石力学参数数据(岩心实验数据外推到地层围压条 件下)和对应层段测井资料确定的动态岩石力学参数数据进行线性回归(如 图1-2所示)，得到工区静态弹性参数与动态弹性参数的转换关系如下：

E_s＝0.1842E_d+41274 (5)

μ_s＝5.7681μ_d-1.1861 (6)

式中：E_s为静态弹性模量；μ_s为静态泊松比；E_d为动态弹性模量；μ_d为动态 泊松比。

(3)水平地应力差异

用应力差异系数还是应力差异绝对值表述水平地应力差异，取决于页岩 气水平地应力差异系数和绝对值大小与裂缝复杂性指数的相关程度。对比A、 B、C井水平地应力差异与裂缝复杂性指数相关程度，水平地应力差值的变化 趋势与压裂缝复杂指数具有明显的负相关性(如图3所示)，因此，采用水平 地应力差异绝对值作为水平地应力差异可压性评价指标。

(4)断裂韧性

断裂韧性反映压裂过程中裂缝形成之后维持裂缝向前延伸的能力。断裂 韧性越小，则形成复杂裂缝的可能性越大，反之则可能性越小。将研究工区 无围压条件下纵向临界断裂韧性实验评价结果和对应层段测井资料得到的临 界断裂韧性进行回归分析，得到工区地层围压条件下断裂韧性计算方法。

Ⅰ型(张开型)裂纹：

Ⅱ型(错开型)裂纹：

式中：K_IC为I型裂纹断裂韧性，MPa·m^0.5；为实测的I型裂纹断裂韧 性，MPa·m^0.5；K_IIC为II型裂纹断裂韧性，MPa·m^0.5；/>为实测的II型裂纹 断裂韧性，MPa·m^0.5；P_W为地层围压，MPa。

(5)内聚力

内聚力S₀能表征储层压裂形成剪切裂缝难易程度。将B1井测井资料计算 得到内聚力与实验测定的内聚力进行拟合，得公式如下：

S_Os＝7.1603S_Od-48.109 (7)

式中：S_Os为测井资料计算得到内聚力，MPa；S_Od为实验测定的内聚力，MPa。

(6)天然裂缝发育程度

天然裂缝是影响裂缝复杂性的重要因素之一，天然裂缝越发育，越有利 于形成复杂网络裂缝。天然裂缝难以量化，主要通过录井和测井资料解释结 果，统计研究工区天然裂缝发育情况相关参数。

下面对可压性综合评价数学模型建立与验证进行说明。

2.1可压裂性评价的基本数学模型

页岩气层可压性评价基本模型为：

2.2可压性评价参数归一化

量化程度较高的参数采用极差变换归一化，难以量化的参数采用经验赋 值归一化。

石英含量、岩石力学脆性、天然裂缝发育程度均为正向参数，参数归一 化值：

粘土矿物含量、水平两向应力差异、断裂缝韧性、粘聚力均为逆向参数， 参数归一化值：

式中，S为参数归一化值，X为参数值，X_max为参数最大值，X_min为参数最 小值。经过极差变换后，参数值均为0-1，正、逆向参数均化为正向参数，最 优值为1，最劣值为0。

天然裂缝通过裂缝发育程度表征，采用经验赋值的方法：裂缝不发育赋 值为0.2，裂缝中等发育赋值为0.5，裂缝很发育赋值为0.8，其他情况为 0.2-0.5及0.5-0.8。

针对脆性矿物含量、粘土矿物含量、岩石脆度、水平地应力差异、断裂 韧性/断裂能等6项可压性评价参数，在研究区6口页岩气水平井的可压性参 数计算的基础上，针对各可压性参数的极差变换取值范围(如表1)，建立了 可压性参数归一化计算方法。

表1 6口页岩气水平井的可压性参数范围

2.3裂缝复杂性指数(FCI)

裂缝复杂性指数(FCI)定义为压裂裂缝宽度与长度之比，压裂裂缝参数 来源于裂缝监测，B2井地面微地震监测的16段压裂裂缝参数见表2。

表2 B2井压裂微地震监测结果统计表

由表2计算出压裂裂缝宽度与长度之比(图4a)，但裂缝宽长比受多簇射 孔数等影响，采用单位液量改造SRV评价裂缝复杂性更合理(图4b)；同时结 合该井G函数波动次数分析(图4c)，获得该井16段压裂综合裂缝复杂性指 数曲线(图4d)。

2.4可压性指数综合评价数学模型

(1)权重分配备选方案

为了计算方便，将脆性矿物含量、粘土矿物含量、岩石脆度、水平地应 力差异、断裂韧性、内聚力和天然裂缝发育等分别记为参数1-7。考虑天然裂 缝发育程度(参数7)对裂缝复杂程度影响较大，但其量化困难，取其权重系 数为平均值0.143；其余6项参数分别按权重平均分配、强调单个参数、强调 2个参数、强调3个参数等共分成4类42套权重分配方案，见表3。 表3页岩气可压性参数权重分配备选方案

(2)可压性指数综合评价数学模型

可压性参数权重分配优化采用裂缝复杂指数相关性分析法，即分析不同 权重组合的可压性指数曲线与裂缝复杂性指数曲线的相关性，按相关系数最 大原则优化权重组合，形成优化的可压性综合评价方法。

采用上述权重分配方案计算出B2井的42套可压性指数剖面(如图5所 示)，并分别与综合裂缝复杂性指数剖面进行相关系数计算(如图6所示)， 结果表明，第36套权重分配方案相关系数最高(0.48)。

综上，深层页岩气可压性指数综合评价数学模型为：

式中，

Δσ为水平地应力差异绝对值，单位为MPa，

S_i为石英含量，单位为％，

YMS_c为静态杨氏模量值，单位为10GPa，

PR_C为静态泊松比，PRC参数无量纲，

S_H岩石脆度，S_H参数无量纲，

K_IC为I型裂纹断裂韧性，单位为MPa·m^0.5，

K_IIC为II型裂纹断裂韧性，单位为MPa·m^0.5，

S₀为内聚力，单位为MPa，

下面对深层页岩气可压性评价进行说明

采用深层页岩气可压性指数综合评价数学模型(式12)进行可压性参数 评价，结果如表4。

表4 6口水平井可压性参数评价数据

根据页岩气可压性指数综合评价方法，建立6口水平井可压性指数剖面， 见图7-8。按形成复杂裂缝的可能性大小，可将工区可压性指数划分为3个等 级，I级可压性指数大于0.55，裂缝复杂可能性较大；II级可压性指数为 0.4-0.55，裂缝复杂可能性一般；III级可压性指数小于0.4，裂缝复杂可能 性较小，6口井的平均可压性指数及分级见表5。

表5 6口水平井可压性指数对比

本发明的有益效果是：

(1)优选深层页岩气可压性综合评价的7参数组合：脆性矿物含量、粘 土矿物含量、岩石脆度、水平地应力差异、断裂韧性、内聚力和天然裂缝发 育程度，能够***表述深层页岩气层可压性特征。

(2)利用模糊灰色关联分析方法，得到了不同权重组合的可压性指数曲 线与裂缝复杂性指数曲线的相关性，按相关系数最大原则优化权重组合，建 立得到可压性综合评价数学模型，计算结果与现场的开发实践吻合。

Claims (1)

1.一种基于模糊灰色关联法的深层页岩气可压性评价方法，包括以下步骤，S1：获取脆性矿物含量参数数据、粘土矿物含量参数数据、岩石脆度参数数据、水平地应力差异参数数据、断裂韧性参数数据、内聚力参数数据和天然裂缝发育参数数据；

S2：采用以下公式获取可压性量化值

式中，

△σ为水平地应力差异绝对值，单位为MPa，

S_i为石英含量，单位为％，

YMS_c为静态杨氏模量值，单位为10GPa，

PR_c为静态泊松比，PR_c参数无量纲，

S_H为粘土矿物含量，单位为％，

K_IC为I型裂纹断裂韧性，单位为MPa·m^0.5，

K_IIC为II型裂纹断裂韧性，单位为MPa·m^0.5，

S_O为内聚力，单位为MPa，

S_F天然裂缝发育程度，S_F参数无量纲。