CN112214886A - 基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，包括如下步骤：a、钻进过程中初次钻揭某地层时随钻建模；b、完钻后首次压裂并于初次测试时压裂建模；c、开发阶段重复压裂获产时进行模型应用，确定小层产能贡献率。本发明采用碳同位素差异值的分析、校正和建模方法对各小层的碳同位素固有性质进行测算，进一步确定重复压裂各小层贡献率，并具备在压裂及开发阶段等在内的更长期稳定的时期对各层产能贡献进行检测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于天然气碳同位素分析的针对单井重复压裂及开发阶段各层产能贡献率的评价方法，属于机电领域石油天然气工业勘探开发范畴开发地质压裂效果评价领域。
背景技术
已压裂完毕的层段由于油藏、工艺等方面原因，产量递减到需要进行第二次或更多次压裂，才能维持设计产量的作业方式称为重复压裂。对于页岩气而言，由于产量可以预见地通常递减比较明显，因此，同井同层的多次压裂也被称作重复压裂。重复压裂虽然具有一定工程风险和投资成本，但相较于重新布井开发，重复压裂无疑在风险控制和资本投入方面更具优势。重复压裂的任务包括两方面，其一，强化和拓展前次压裂造缝的成果，在上次压裂造缝的基础上，改善人工缝网面积和缝密度，增大人造储集空间和渗流通道；其二，通过既有天然和人工缝网***，对上次压裂作业未被有效开发的致密“孤岛”层和远井端围岩层进行首次破压改造，拓展新的人工缝网。杨金林等认为，重复压裂包括三方面作用：层内压出新裂缝、延伸原有裂缝、暂堵老缝压开新缝。
当前，重复压裂在中国页岩气等非常规油气领域发展迅速。2017年长宁H3-6成功完成重复压裂施工，系中国石油集团页岩气首次完成重复压裂施工。中国石化方面，涪陵页岩气田第一口重复压裂试验井焦页9-2HF井也于同年10月正式投产，并达到日产四万方天然气规模。重复压裂效果评价，特别是对于各层产能贡献率的压裂后效果评价显得尤为必要。
有学者认为，评价重复压裂成功与否的关键，既有如何提高单井可采时间、可动用气量的因素，也包括更短时间内快速达到理想经济回报的程度，但各种评价方式的核心即是资源动用程度，因此，急需提出一种方法对重复压裂作业动用改造段各层产能贡献率的方法，为重复压裂效果评价提供重要的数据支撑。
国际上，北美地区重复压裂在2011年前后开始兴起，但重复压裂的效果评价一直是困扰北美页岩气开发和井下工艺的难题。国内外主要通过主动添加示踪剂的方法对压裂层段进行分析，但其共同存在的问题为：人工同位素成本高、放射性危害不确定、持续时间短，难以持续监测。且由于重复压裂施工的特殊性、新缝的压开和延展与老缝的暂堵和封闭同时进行，人工主动添加的示踪剂有窜层、跑失的风险。加之大量新的围岩天然气涌入油管通道，人工主动添加的示踪剂仅能维持较短时间的浓度稳定期，导致花费大量成本的示踪分析仅能检测到压裂获气的初期数据，难以检测测试产量稳定期的多点数据，而检测开发阶段初期甚至更长期的各层贡献率预测就只能重新定期添加，费工费时，且效果一般。
而利用碳同位素原理对页岩气产层天然气样本进行分阶段、***取样不失为一种适用于压裂评价和长期开发效果跟踪分析的问题解决思路。
自然界中碳以12C、13C、14C等多种同位素的形式存在，12C、13C相对丰度分别为98.89％、1.11％；14C只有极微量且具放射性，半衰期为5730年。其他同位素由人工核反应获得，均有放射性。天然物质的碳同位素组成由13C/12C比值确定的δ(13C)表示，以美国南卡罗莱纳州白垩系Pee Dee组拟箭石化石(简称PDB)作为标准品。20世纪50年代以来，浓缩和分析技术的突破，利用13C同位素的质量和磁性的同位素效应提供的信息，已广泛用于有机化学反应机理、有机物结构、天然产品生物合成及结构分析研究，酶促反应机理；农肥、农药机理、植物生理、临床诊断、病理试验、药理作用及药物代谢的研究和应用。在地球科学中碳14广泛应用于成岩作用、成矿作用、古海洋、石油天然气成因研究。
现有技术中相关的技术公开有：1、公开号CN107795310A公开了一种水平井分段压裂效果长期实时跟踪方法，公开日2018-03-13。2、公开号CN108756841A公开了一种页岩重复压裂的处理方法，公开日2018-11-06。
但上述技术还存在实际应用中还存在如下不足：CN108756841A在初次压裂和重复压裂时均人工加入示踪剂进行压裂效果的追踪和评价。CN107795310A和CN108756841A均针对人工添加示踪剂进行分析，随着时间推移、井下情况和地层产能的衰减，基于人工添加示踪剂的方法均难以确保可靠性，因此难以在开发阶段应用。CN107795310A由于只有单次建模，缺乏独立数据来源的校正和调整建模，难以确保模型的可靠性，且随着围岩天然气的不断涌入采输体系，示踪剂和添加剂的不断衰减，难以确保示踪剂浓度的稳定性，其测算结果可靠性也将受影响。CN108756841A强调初次压裂和重复压裂的关系，但成本高、操作难度大，且同样面临示踪剂浓度不稳定、可靠性随时间推进逐步下降的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法。本发明采用碳同位素差异值的分析、校正和建模方法对各小层的碳同位素固有性质进行测算，进一步确定重复压裂各小层贡献率，并具备在压裂及开发阶段等在内的更长期稳定的时期对各层产能贡献进行检测和分析。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、钻进过程中初次钻揭某地层时随钻建模；
b、完钻后首次压裂并于初次测试时压裂建模；
c、开发阶段重复压裂获产时进行模型应用，确定小层产能贡献率。
所述步骤a具体包括：
a1、根据工程、地质及行业标准，将待评价层分为有限个小层；
a2、计算各小层随钻测得天然气碳同位素特征值；
a3、建立基于随钻测得天然气碳同位素特征值的随钻模型。
所述a1中，对于某特定地层，分为4个小层，对于某非特定地层，设将该层分成j个小层。
所述a2中，设待评价层的总厚度为m,各小层厚度为ni,第i米碳同位素分析碳13数据经归一化处理后的值为
相同迟到深度碳同位素分析碳12数据经归一化处理后的数据为
则将待评价井段天然气碳同位素特征值确定为：
A.深度域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素归一化后值的差值
B.频域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素差值的小层内每米平均值
由此得到各小层天然气碳同位素特征值，第j小层的对应天然气碳同位素特征值表示为
所述a3中，通过在横坐标为
纵坐标为
的H-F直角坐标系中的几何距离来确定待判断随钻测量点更接近哪个小层以及确定各小层贡献权重系数，设各小层对应特征值的二维距离dj；设待判断的随钻测量点在H-F坐标系的坐标为
设P点到各小层特征点Tj的距离dj经从小到大排序后按照排序位置变换为数组kj,设第j层贡献权重率为
建立表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型如下：
所述步骤b具体包括：
b1、初次压裂时应用分层封隔工艺分段加入人工示踪剂，并在测试时根据示踪剂浓度测算各小层产能贡献率；
b2、应用表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型，根据初次压裂示踪剂浓度测算结果，调整随钻模型，建立压裂模型。
所述b1中，初次压裂通过加入封隔井下工具在各小层分别使用加入混有一定浓度的共p种不同示踪剂的压裂液进行储层压裂施工，并在放喷后检测测试放空过程中混合天然气样本中不同示踪剂的占比ZBp。
所述b2中，包括初次压裂在内，设一共进行M次重复压裂，则压裂次m＝1,2,3,…M,m∈Z+，将样本足够多的同区邻井的对应第j层不同示踪剂的占比ZBp的H-F坐标内特征值近似为正态分布，测算随钻计算测得的各小层天然气碳同位素特征值设其对应的第P种示踪剂的置信度为Zpm，Zpm∈[0,1]，据此调整各小层贡献率
取值，则对于第m次压裂，其调整后的第j小层产能贡献率的权重系数
计算方式如下：
即对于各小层样本点的正态分布其均值等于根据初次压裂施工时代表不同小层的各种示踪剂的浓度所表征的H-F坐标系对应值，完成对随钻模型的调整。
所述b2中，逐次完成包括初次压裂在内每一次压裂后对产能贡献率权重系数的调整，逐次建立M次压裂模型。
所述c中，在开发阶段和重复压裂获产期，通过离散或者连续取该井天然气样本并计算H-F坐标系值，根据步骤b建立的压裂模型，确定各小层贡献率。
采用本发明的优点在于：
1、本发明适应范围更广，能够在更多工作场景应用；在分析重复压裂各小层贡献率的同时，也能应用于同一口井开发阶段分析。CN107795310A和CN108756841A均针对人工添加示踪剂进行分析，随着时间推移、井下情况和地层产能的衰减是一种体量大、持续长、规律难的难以控制的地质作用和开发效果的合力，若参考传统方案使用人工添加示踪剂的方法，一方面难以保证人工添加药剂的配比浓度稳定性，另一方面，主动添加药剂难度大、井控风险高、可靠性差，因此，本发明适应范围更广、能够适合更多工作场景。
2、本发明效果更持续、稳定，天然气碳同位素特征系各层固有地层和地质年代特征，属于稳定、可靠的地层固有性质，本发明采用碳同位素差异值的分析、校正和建模方法对各小层的碳同位素固有性质进行测算，进一步确定重复压裂各小层贡献率，并具备在压裂及开发阶段等在内的更长期稳定的时期对各层产能贡献进行检测和分析。而CN107795310A由于只有单次建模，缺乏独立数据来源的校正和调整建模，难以确保模型的可靠性，且随着围岩天然气的不断涌入采输体系，示踪剂和添加剂的不断衰减，难以确保示踪剂浓度的稳定性，其测算结果可靠性也将受影响。CN108756841A强调初次压裂和重复压裂的关系，但成本高、操作难度大，且同样面临示踪剂浓度不稳定、可靠性随时间推进逐步下降的风险。
3、本发明成本低，本发明无需额外投放或者保持任何添加药剂，仅采用被动探测的地层天然气同位素固有特征，因此，具有重复投入资金少、成本低、无污染的特征，具有环保、节约的特点。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明随钻模型示意图。
具体实施方式
实施例1
一种基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，包括如下步骤：
a、钻进过程中初次钻揭某地层时随钻建模；
b、完钻后首次压裂并于初次测试时压裂建模；
c、开发阶段重复压裂获产时进行模型应用，确定小层产能贡献率。
所述步骤a具体包括：
a1、根据工程、地质及行业标准，将待评价层分为有限个小层；
a2、计算各小层随钻测得天然气碳同位素特征值；
a3、建立基于随钻测得天然气碳同位素特征值的随钻模型。
所述a1中，对于某特定地层，分为4个小层，对于某非特定地层，设将该层分成j个小层。
所述a2中，设待评价层的总厚度为m,各小层厚度为ni,第i米碳同位素分析碳13数据经归一化处理后的值为
相同迟到深度碳同位素分析碳12数据经归一化处理后的数据为
则将待评价井段天然气碳同位素特征值确定为：
A.深度域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素归一化后值的差值
B.频域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素差值的小层内每米平均值
由此得到各小层天然气碳同位素特征值，第j小层的对应天然气碳同位素特征值表示为
所述a3中，通过在横坐标为
纵坐标为
的H-F直角坐标系中的几何距离来确定待判断随钻测量点更接近哪个小层以及确定各小层贡献权重系数，设各小层对应特征值的二维距离dj；设待判断的随钻测量点在H-F坐标系的坐标为
设P点到各小层特征点Tj的距离dj经从小到大排序后按照排序位置变换为数组kj,设第j层贡献权重率为
建立表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型如下：
所述步骤b具体包括：
b1、初次压裂时应用分层封隔工艺分段加入人工示踪剂，并在测试时根据示踪剂浓度测算各小层产能贡献率；
b2、应用表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型，根据初次压裂示踪剂浓度测算结果，调整随钻模型，建立压裂模型。
所述b1中，初次压裂通过加入封隔井下工具在各小层分别使用加入混有一定浓度的共p种不同示踪剂的压裂液进行储层压裂施工，并在放喷后检测测试放空过程中混合天然气样本中不同示踪剂的占比ZBp。
所述b2中，包括初次压裂在内，设一共进行M次重复压裂，则压裂次m＝1,2,3,…M,m∈Z+，将样本足够多的同区邻井的对应第j层不同示踪剂的占比ZBp的H-F坐标内特征值近似为正态分布，测算随钻计算测得的各小层天然气碳同位素特征值设其对应的第P种示踪剂的置信度为Zpm，Zpm∈[0,1]，据此调整各小层贡献率
取值，则对于第m次压裂，其调整后的第j小层产能贡献率的权重系数
计算方式如下：
即对于各小层样本点的正态分布其均值等于根据初次压裂施工时代表不同小层的各种示踪剂的浓度所表征的H-F坐标系对应值，完成对随钻模型的调整。
所述b2中，逐次完成包括初次压裂在内每一次压裂后对产能贡献率权重系数的调整，逐次建立M次压裂模型。
所述c中，在开发阶段和重复压裂获产期，通过离散或者连续取该井天然气样本并计算H-F坐标系值，根据步骤b建立的压裂模型，确定各小层贡献率。
实施例2
本发明系一种基于天然气碳同位素分析的针对单井重复压裂及开发阶段各层产能贡献率的评价方法。其实施步骤如下：
1)钻进过程中初次钻揭某地层时随钻建模；
2)完钻后首次压裂并初次测试时压裂建模；
3)开发阶段重复压裂获产时进行模型应用，确定小层产能贡献率。
具体步骤分述如下：
1)钻进过程中初次钻揭某地层时随钻建模；
(1)根据工程、地质及行业标准，将待评价层分层有限个小层
由于钻井工程需要、地质理论规定或石油天然气勘探开发行业内的要求或约定，通常可将某地层分为有限个小层，如四川页岩气勘探开发过程中根据页岩气评价参数和勘探开发实践将龙马溪组龙一1亚段细分为1、2、3、4小层。
对于某非特定地层，设将该层按照上述标准或规范分成j个小层。每个小层具有一定地质关联性，即属于待评价的某层具有某种地质或者工程共性的集合体；但每个小层也须有年代地层学意义的岩性差异，应按照岩性特征、沉积特征、物性特征、电性特征、生物化石和遗迹等地质要素的重要性排序，确保各小层具有一定区别。具体划分标准一方面按照国家、企业、行业、协会或地方标准参考执行；另一方面，也可根据小层贡献率的需要在参考前述标准的同时，另行确定。
(2)计算各小层随钻测得天然气碳同位素特征值
钻进过程中，通过在色谱仪采气管路上按照支路管连续获取随钻过程中随钻井液返出井口的天然气气样并按照迟到井深每米作碳同位素分析，设待评价层的总厚度为m,各小层厚度为ni,第i米碳同位素分析碳13数据经归一化处理后的值为
相同迟到深度碳同位素分析碳12数据经归一化处理后的数据为
则将待评价井段天然气碳同位素特征值确定为以下几项：
A.深度域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素归一化后值的差值
B.频域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素差值的小层内每米平均值
其上差值求和均分别在深度域和频域内求取，对应各小层内平均值则均在深度域内计算完成。
由此得到各小层天然气碳同位素特征值，第j小层的对应天然气碳同位素特征值表示为
(3)建立基于随钻测得天然气碳同位素特征值的随钻模型
通过在横坐标为
纵坐标为
的H-F直角坐标系中的几何距离来确定待判断随钻测量点更接近哪个小层以及确定各小层贡献权重系数，设各小层对应特征值的二维距离dj；设待判断的随钻测量点在H-F坐标系的坐标为
设P点到各小层特征点Tj的距离dj经从小到大排序后按照排序位置变换为数组kj,设第j层贡献权重率为
2)完钻后首次压裂并于初次测试时压裂建模；
(1)初次压裂时应用分层封隔工艺分段加入人工示踪剂，并在测试时根据示踪剂浓度测算各小层产能贡献率；
初次压裂通过加入封隔井下工具在各小层分别使用加入混有一定浓度的共p种不同示踪剂的压裂液进行储层压裂施工，并在放喷后检测测试放空过程中混合天然气样本中不同示踪剂的占比ZBp；
(2)应用表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型，根据初次压裂示踪剂浓度测算结果，调整随钻模型，建立压裂模型；
包括初次压裂在内，设一共进行M次重复压裂，则压裂次m＝1,2,3,…M,m∈Z+，将样本足够多的同区邻井的对应第j层不同示踪剂的占比ZBp的H-F坐标内特征值近似为正态分布，测算随钻计算测得的各小层天然气碳同位素特征值设其对应的第P种示踪剂的置信度为Zpm，Zpm∈[0,1]，据此调整各小层贡献率
取值，则对于第m次压裂，其调整后的第j小层产能贡献率的权重系数
计算方式如下：
即对于各小层样本点的正态分布其均值等于根据初次压裂施工时代表不同小层的各种示踪剂的浓度所表征的H-F坐标系对应值，将该问题转化为解多元无理方程问题,完成对随钻模型的调整。
由此，逐次完成包括初次压裂在内每一次压裂后对产能贡献率权重系数这一关键模型参数的调整，逐次建立M次压裂模型。
3)开发阶段重复压裂获产时进行模型应用，确定小层产能贡献率。
在开发阶段和重复压裂获产期，通过离散或者连续取该井天然气样本并计算H-F坐标系值，根据步骤2)建立的压裂模型，即可确定各小层贡献率。
Claims (10)
1.一种基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、钻进过程中初次钻揭某地层时随钻建模；
b、完钻后首次压裂并于初次测试时压裂建模；
c、开发阶段重复压裂获产时进行模型应用，确定小层产能贡献率。
2.根据权利要求1所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述步骤a具体包括：
a1、根据工程、地质及行业标准，将待评价层分为有限个小层；
a2、计算各小层随钻测得天然气碳同位素特征值；
a3、建立基于随钻测得天然气碳同位素特征值的随钻模型。
3.根据权利要求2所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述a1中，对于某特定地层，分为4个小层，对于某非特定地层，设将该层分成j个小层。
4.根据权利要求3所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述a2中，设待评价层的总厚度为m,各小层厚度为ni,第i米碳同位素分析碳13数据经归一化处理后的值为
相同迟到深度碳同位素分析碳12数据经归一化处理后的数据为
则将待评价井段天然气碳同位素特征值确定为：
A.深度域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素归一化后值的差值
B.频域内各小层天然气样本碳13和碳12同位素差值的小层内每米平均值
由此得到各小层天然气碳同位素特征值，第j小层的对应天然气碳同位素特征值表示为
5.根据权利要求4所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述a3中，通过在横坐标为
纵坐标为
的H-F直角坐标系中的几何距离来确定待判断随钻测量点更接近哪个小层以及确定各小层贡献权重系数，设各小层对应特征值的二维距离dj；设待判断的随钻测量点在H-F坐标系的坐标为
设P点到各小层特征点Tj的距离dj经从小到大排序后按照排序位置变换为数组kj,设第j层贡献权重率为
建立表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型如下：
6.根据权利要求5所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述步骤b具体包括：
b1、初次压裂时应用分层封隔工艺分段加入人工示踪剂，并在测试时根据示踪剂浓度测算各小层产能贡献率；
b2、应用表征各小层天然气碳同位素特征值的随钻模型，根据初次压裂示踪剂浓度测算结果，调整随钻模型，建立压裂模型。
7.根据权利要求6所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述b1中，初次压裂通过加入封隔井下工具在各小层分别使用加入混有一定浓度的共p种不同示踪剂的压裂液进行储层压裂施工，并在放喷后检测测试放空过程中混合天然气样本中不同示踪剂的占比ZBp。
8.根据权利要求7所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述b2中，包括初次压裂在内，设一共进行M次重复压裂，则压裂次m＝1,2,3,…M,m∈Z+，将样本足够多的同区邻井的对应第j层不同示踪剂的占比ZBp的H-F坐标内特征值近似为正态分布，测算随钻计算测得的各小层天然气碳同位素特征值设其对应的第P种示踪剂的置信度为Zpm，Zpm∈[0,1]，据此调整各小层贡献率
取值，则对于第m次压裂，其调整后的第j小层产能贡献率的权重系数
计算方式如下：
即对于各小层样本点的正态分布其均值等于根据初次压裂施工时代表不同小层的各种示踪剂的浓度所表征的H-F坐标系对应值，完成对随钻模型的调整。
9.根据权利要求8所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：逐次完成包括初次压裂在内每一次压裂后对产能贡献率权重系数的调整，逐次建立M次压裂模型。
10.根据权利要求9所述的基于天然气碳同位素分析产能贡献率的评价方法，其特征在于：所述c中，在开发阶段和重复压裂获产期，通过离散或者连续取该井天然气样本并计算H-F坐标系值，根据步骤b建立的压裂模型，确定各小层贡献率。
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