【论文】张兵，等：考虑薄煤层影响的致密砂岩气藏地质工程双甜点评价方法——以鄂尔多斯盆地神府区块为例

神府区块上古生界致密砂岩气藏是鄂尔多斯盆地致密气的重点勘探区域，开发潜力巨大，其中神府区块南部（以下简称神府南区）已投产近130 口井， 日产气量可达110×10⁴ m³。神府区块致密气藏高质量砂体在纵横向分布上呈现强非均质性，为了提高有效砂体钻遇率和压裂后产能，精准定位地质、工程双甜点区域显得尤为重要^[1-3]。然而，神府区块局部区域纵向上夹薄煤层，薄煤层所含资源量少，割理发育且塑性较强，压裂裂缝缝高扩展易受限，难以触及潜在地质甜点，导致遴选的地质、工程双甜点区域的实际产能未达预期，为区块双甜点的准确评价带来挑战。

学者以测井、地震数据为基础，结合各项储层地质工程指标，已就地质甜点和工程甜点评价方法开展了大量研究工作^[4-10]。对于地质甜点评价，宋明水等^[11] 通过页岩层系岩相、天然裂缝分布、页岩油可动性和地层压力等因素综合评价了东营凹陷页岩油储层的地质甜点；Kale 等^[12] 依据孔隙度、总有机碳含量（TOC）、矿物含量和孔喉结构等参数，采用主成分分析法对Barnett 页岩进行了岩相分类，确定了相应的地质甜点区域；于京都等^[13] 优选热成熟度、储层厚度、TOC、孔隙度、渗透率等评价参数，通过数据挖掘的方法，定量预测了鄂尔多斯盆地上三叠统延长组七段致密油藏的地质甜点。对于工程甜点（或可压裂性）评价，Jin 等^[14] 通过脆性矿物含量构建矿物脆性指数，以此表征Barnett 页岩工程甜点区；Rickman 等^[15] 通过杨氏模量和泊松比构建岩石力学脆性指数，以此评价储层可压裂性；李勇明等^[16] 认为复杂裂缝形成难易程度是可压裂性的主要体现， 并提出了一种综合脆性指数、断裂韧性指数、天然弱面张开指数、天然弱面穿过指数、复杂缝网概率指数和改造体积概率指数的页岩工程甜点评价方法； Zhu 等^[17] 综合考虑矿物组分、力学性质、天然裂缝和地应力的影响，建立了基于岩屑—岩心—井眼— 储层的多尺度可压裂性评价方法。由此可见，当前地质甜点评价主要考虑储层物性^[18]、油气赋存^[19]、沉积构造^[19] 等因素，而工程甜点评价主要考虑影响复杂裂缝形成能力的矿物脆性、岩石力学脆性^[20-22]、地应力^[15,23] 及天然裂缝发育情况^[24-25] 等因素。

由于储层的复杂地质特征和强非均质性，地质甜点和工程甜点在空间分布上往往存在差异，即地质甜点区不一定是工程甜点区，反之亦然。因此，单一地质甜点或工程甜点评价并不能准确划定潜在高产区域，需将二者融合进行双甜点评价，即明确地质、工程甜点均较优质的复合区域。对于双甜点评价方法，陈桂华等^[26] 基于TOC 和脆性的反比关系， 提出利用脆性指数与TOC 的乘积表征双甜点；Sahoo 等^[27] 通过矿物脆性、TOC 和含烃孔隙度三大指标来划分储层岩相，最终利用岩相优选双甜点；Zhou 等^[28] 认为纵横波速比和泊松阻抗是甜点岩性和含气性的敏感参数，以此通过地震数据预测了致密砂岩气藏的双甜点区域；朱海燕等^[1] 提出了双甜点判定准则， 以此开展了地质甜点和工程甜点融合评价。神府区块致密砂岩气藏局部区域纵向上发育薄煤层，其会限制压裂裂缝缝高延伸而降低可压性，导致压裂后裂缝难以垂向沟通地质甜点，使潜在高产区域转变为非双甜点区域。因此，评价该区块的地质工程双甜点有必要结合压裂裂缝垂向扩展形态，对地质甜点区的可压裂性进行充分评价，以获得准确的工程甜点分布，进而实施地质工程双甜点融合预测。

本文针对神府区块南部致密砂岩气藏薄煤层发育的地质特征，拟在研究区地质工程双甜点初次评价结果的基础上，进一步考虑薄煤层对缝高延伸的影响，筛除压裂裂缝难以穿煤层扩展沟通优质砂体的区域，实现地质、工程双甜点的二次优选，形成适应神府南区的双甜点“两步走”评价方法，以期为区块井眼轨迹和压裂参数优化提供支撑，助力增储上产。

1 　研究区概况

神府南区位于鄂尔多斯盆地东北缘伊陕斜坡带与晋西挠褶带之间的过渡带，呈东高西低的微幅单斜构造，目标地层为上古生界石炭系—二叠系致密砂岩，储层沉积环境复杂，岩相类型包含海相、陆相和海陆过渡相^[29-31]。

薄煤层发育致密砂岩气藏的形成与其特定沉积相及环境密切相关。潮坪沉积环境促进了砂泥互层与煤层的发育，为厚煤层提供了稳定的发育环境，改善了承载层的流体条件，利于气体的聚集；而曲流河三角洲相的环境则相对不稳定，导致煤层厚度减薄， 影响气源供应。

沉积环境的多样性导致储层的物理特性差异， 如孔隙度和渗透率的变化，直接接触的砂煤界面通过溶蚀提升了致密砂岩的物性，增强了气藏的开发潜力。垂向沉积组合有助于气体的迁移，潮坪相的特点增加了煤层与砂岩的接触机率，促进了薄煤层致密砂岩的成藏。这种特征在煤系砂岩储层中较为常见^[32]。

研究区主要为致密砂岩气储层，下二叠统山西组—上石炭统本溪组发育厚度为0.3 ～ 6.0 m 的煤层， 且0.3 ～ 1.0 m 的薄煤层占比高，薄煤层规模小，资源量也相对较小，压裂改造过程中，煤层会捕获裂缝， 限制裂缝进入砂岩储层，从而导致储层甜点区改造不充分，因此有必要研究薄煤层发育对储层甜点区的影响。

2 　地质建模与地质力学建模

研究区地质模型网格尺寸为50 m×50 m×1 m， 网格总数达6.437×10⁷ 个。该区地质建模步骤如下： ①将研究区单井离散的岩相数据连续化，设置单井测井数据和地震数据之间的相关系数，并通过线性回归函数完成变量相关性预分析；②采用协同克里金法，结合测井数据、三维地震数据及纵横波叠前反演数据体，开展山2 段—太1 段—太2 段—本1 段岩相建模（图1-a）；③以岩相作为约束条件，建立研究区属性模型（孔隙度模型见图1-b）。对于地质力学建模，以单井岩石力学和地应力测井解释结果作为学习样本，通过遗传反演算法优选纵波阻抗（与岩石力学参数的相关性系数达0.766）作为地质力学模型反演的地震数据体，进而建立研究区杨氏模量、泊松比（图1-c）及地应力分布模型（图1-d、e）^[33-34]。同时，基于构造裂缝构型特征，利用岩心识别结果建立构造裂缝原位分级特征模式，并通过岩心—单井— 地震多元信息融合方法，形成限定构造裂缝发育范围的发生指数模型，进而建立研究区构造裂缝离散网络模型（图1-f）^[35]。建模结果表明，神府南区纵横向局部区域发育薄煤层，其对裂缝垂向扩展的影响不可忽略。此外，有效砂体区域（细/ 中/ 粗砂岩相）的孔隙度为8% ～ 12%，泊松比为0.11 ～ 0.35， 最大水平和最小水平主应力分别为33 ～ 54 MPa 和24 ～ 49 MPa，且天然裂缝分布呈强非均质性。上述地质模型和地质力学模型将为后续双甜点评价提供重要的基础参数。

3 　神府南区地质工程双甜点初次评价

3.1 　多因素融合的双甜点评价方法

采用多因素融合的方法建立地质甜点和工程甜点评价模型，进而开展神府南区双甜点初次评价。由于双甜点的影响因素众多，本文参考朱海燕等^[1] 的做法，选择双甜点的主控因素作为多因素融合评价模型的评价参数^[1,36]。

结合研究区的前期认识^[1,3,29-30]，开展地质甜点影响因素与产量、工程甜点影响因素与破裂压力的皮尔逊相关系数分析^[1]（图2），最终选取孔隙度、渗透率、全烃含量、含水饱和度及地层压力系数作为致密砂岩气藏地质甜点的主要评价参数，选取脆性矿物含量、杨氏模量、泊松比、弱面逼近角及地应力作为致密砂岩气藏工程甜点的主要评价参数。需要说明的是， 本文选取相关性系数小于－0.6 或大于0.6 的影响因素作为甜点评价主控因素。虽然断裂能是影响破裂压力的岩石力学指标，但其与破裂压力的相关系数仅为－ 0.23，故工程甜点评价时不考虑断裂能的影响。

选择脆性矿物含量、杨氏模量、泊松比、弱面逼近角及地应力作为工程甜点的主要评价参数，构建岩心—井眼—储层多尺度工程甜点评价模型。岩心尺度考虑矿物脆性指数B_m，其定义为脆性矿物总含量与矿物总含量的比值：

式中E_max 和E_min 分别表示目标区域内的最大和最小杨氏模量，GPa ；v_max 和v_min 分别表示目标区域内的最大和最小泊松比，m/m。

储层尺度构建了考虑天然裂缝分布和地应力场分布特征的复杂裂缝形成指数F_nf，该指标由天然裂缝影响部分和地应力影响部分构成。由于本文建立了神府南区的离散天然裂缝模型，所以可用天然裂缝的平均走向角代表该层段裂缝的弱面逼近角θ，并构建相应指标。水平应力差异程度对渗流通道及裂缝扩展的影响较大，这里采用水平应力差异系数来表征地应力对压裂裂缝复杂程度的影响。复杂裂缝形成指数F_nf 为：

式中θ_max 表示研究区的最大弱面逼近角，(°) ；σ_H、σ_h 分别表示最大、最小水平主应力，MPa。

类似地，采用灰色关联分析法，可得w₁ 和w₂ 分别为0.518 和0.482。将矿物脆性指数、岩石力学脆性指数和复杂裂缝形成指数以乘积形式融合，由此得到工程甜点评价模型如下：

由于B_m、B_I 和F_nf 的变化区间为0 ～ 1，则F_E 的变化区间也为0 ～ 1。F_E 越趋近于1，地层可压裂性越大。

传统做法多将地质甜点和工程甜点分开应用， 而未能合理将地质甜点与工程甜点有机融合，因此本文提出将地质甜点和工程甜点融合的双甜点评价模型。考虑到实际的地质甜点和工程甜点位置并非一一对应，引入地质甜点和工程甜点修正因子a 和b， 将同时大于修正后地质甜点指数和工程甜点指数的叠合区域作为优质双甜点区域，而将其他区域作为非双甜点区域，以此实现地质甜点和工程甜点的有效结合。判定准则为：

3.2 　初次评价结果

基于神府南区三维地质模型和地质力学模型， 通过地质甜点评价模型、工程甜点评价模型和双甜点叠合判定准则，开展该区地质工程双甜点初次评价， 初次评价结果如图3 所示。

图3 展现了神府南区整体和各层段的双甜点分布情况。由图3 可知，双甜点区域主要分布在研究区的边部。由图3-b ～ e 的各层位双甜点分布结果可知，太1 段和太2 段的双甜点分布范围较广，可作为主力开发层位；山2 段的双甜点分布范围次之， 可作为备选主力开发层位；本1 段的双甜点分布则较少，应作为备选开发层位。结合已建井的井位和压裂后产能发现，大部分高产井位于初次评价的双甜点区（图3-b ～ e 中红圈区域），单井无阻流量为(5 ～ 17)×10⁴ m³/d，说明优选的主控因素及权重赋值较为合理。然而，部分井的开发层位虽位于双甜点区域内或其附近，但压裂后产能却较低，未发挥双甜点的高产潜力，例如图3-b 蓝圈中的SF-1 和SF-2 井，单井无阻流量均低于2×10⁴ m³/d。这是因为初次评价未能考虑薄煤层对双甜点分布的影响，即没有考虑薄煤层对压裂裂缝缝高扩展的限制作用，存在压裂裂缝不能触及的甜点区域，导致双甜点预测范围过大。

4 　考虑薄煤层影响的双甜点二次优选

4.1 　缝高穿层判定依据

本文针对神府南区提出考虑薄煤层对压裂裂缝穿层扩展影响的双甜点二次优选方法。应用Abaqus 有限元软件建立水力裂缝穿层扩展数值模型，重点分析煤层厚度和起裂点距煤层垂直距离对水力裂缝穿层扩展形态的影响，以此构建缝高穿煤层扩展判据。

使用Abaqus 软件建立“煤层—砂岩—煤层”互层储层的缝高扩展有限元数值模型。通过设置零厚度黏聚力单元预设裂缝扩展路径。在内聚力破环理论中，当裂缝尖端应力克服黏聚力作用时，物质产生损伤而分离，裂缝发生扩展。本文选取最大拉应力准则作为零厚度黏聚力单元（裂缝面）的损伤准则：

选择线性能量损伤演化准则作为零厚度黏聚力单元的损伤演化模式，其描述了达到相应损伤判据后黏聚力单元的刚度退化速率。以损伤因子D 表示单元的总体损伤，其初始值为0。假设D 在损伤开始后的加载过程中从0 单调线性增加到1，则该损伤演化模型可表示为：

水力裂缝穿煤层扩展的有限元模型尺寸为100 m×50 m×60 m（图4-a），其中预置的裂缝扩展面垂直贯穿砂岩层和煤层，注入点位于预置裂缝扩展面的中部。水力裂缝在由黏聚力单元构成的破裂面内延伸，随着压裂液的注入，水力裂缝缝长在扩展层内向模型另一侧延伸，而裂缝沿破裂面穿煤层扩展， 如图4-b 所示。整个模型采用六面体结构化网格进行网格划分，所有实体单元设置为C3D8P 单元，共计29 376 个；所有零厚度黏聚力单元设置为COH3D8P 单元，共计1 835 个。为了提升模型运算效率，对靠近注入点的网格进行纵横向网格加密。纵向上，距离注入点15 m 内的地层，设置全局网格划分种子为1， 距离注入点超过 15 m 的地层，随距离增大相应的网格种子也增大，范围为1 ～ 4 ；横向上和沿缝长扩展方向上，随着网格远离注入点，网格划分种子呈线性增大，范围分别为1 ～ 4 和1 ～ 6。

设置压裂液注入分析步和地应力平衡分析步。为避免初期排量过大而导致计算不收敛，在注入点添加注入幅值，设置压裂液泵注10 s 内达到预定排量。设置模型的渗流边界为超静水压力边界（渗流速度为0），同时约束水平和竖直方向位移。设置初始孔压为26 MPa，初始孔隙度为0.2，初始应力场设置如表1 所示。

设置中部砂岩层和顶底煤层的物理力学性质。依据神府南区储层测井解释结果和本文文献[37]，设置砂岩层与煤层网格属性和黏聚力单元参数，具体取值如表2、3 所示。通过调整网格单元和黏聚力单元的尺寸，来控制起裂点距煤层垂直距离及煤层厚度。统计神府南区的产层和煤层厚度，发现砂岩层和煤层厚度大多为0.3 ～ 6.0 m。为了获得较准确的裂缝穿煤层扩展判据，设置煤层厚度为2 m、3 m 和4 m， 设置起裂点距煤层垂直距离为2 m、3 m 和4 m。依据神府南区实际压裂施工情况设置模型注入参数： 泵注排量5 m³/min，压裂液黏度30 mPa·s，注入液量400 m³。应用上述模型参数取值，开展不同煤层厚度和起裂点距煤层垂直距离组合条件下的裂缝扩展数值模拟。

不同煤层厚度和起裂点距煤层垂直距离组合条件下的部分数值模拟结果如图5 所示。由图5-a、b 可知，在起裂点距煤层垂直距离为2 m 的情况下， 当煤层厚度为3 m 时，水力裂缝能够穿过煤层垂向扩展而触及煤层阻隔的双甜点区域；当煤层厚度为4 m 时，水力裂缝缝高扩展受煤层的限制作用较大， 压裂裂缝未能穿透煤层，裂缝扩展整体限制在煤层内部。由图5-c、d 可知，在起裂点距煤层垂直距离为3 m 的情况下，当煤层厚度为2 m 时，压裂裂缝能够在垂向上穿过煤层扩展；当煤层厚度为3 m 时，压裂裂缝缝高扩展受限，无法穿透煤层而触及双甜点区域。由图5-e、f 可知，在起裂点距煤层垂直距离为4 m 的情况下，水力裂缝无法穿透煤层扩展，这是因为起裂点距煤层较远，裂缝起裂后在砂岩层内扩展已消耗大量能量，当裂缝遇到煤层后，不具备足够的能量穿透煤层，因而缝高扩展受煤层的限制作用较强。高杰等^[38] 通过大尺寸真三轴水力压裂裂缝扩展实验研究了煤砂互层地层中煤层厚度对裂缝扩展的影响， 发现当煤层厚度较薄时，水力裂缝穿透薄煤层所需消耗的能量较少，水力裂缝能够扩展至煤层以外的砂岩层；当煤层较厚时，水力裂缝穿煤层效果差，这与本文数值模拟结果一致。

由图5 所得的数值模拟结果可知，在起裂点距煤层垂直距离为2 m、煤层厚度小于等于3 m 时，压裂裂缝能够穿煤层扩展；在起裂点距煤层垂直距离为3 m、煤层厚度小于等于2 m 时，压裂裂缝能够穿煤层扩展；当起裂点距煤层底部的距离为4 m 时，压裂裂缝无法穿煤层扩展。由此构建裂缝穿煤层扩展的判定准则，如表4 所示，并将其用于神府南区地质工程双甜点的二次优选。

4.2 　双甜点二次优选方法

当压裂裂缝能够穿越薄煤层扩展时，该薄煤层能够与初次评价得到的双甜点整合为新的潜在双甜点区域；当压裂裂缝无法穿越薄煤层扩展时，该薄煤层将判定为风险区而被剔除，煤层顶底部毗邻的双甜点成为被分隔的甜点区域。双甜点二次优选流程和示意图分别如图6、7 所示。具体地，使用Petrel 软件导出地质模型网格坐标和网格属性数据，其中网格属性数据指初次评价结果中的双甜点指数。通过编制python 程序逐个分析初次评价获得的双甜点网格，基于起裂点距顶底煤层的距离（L）和煤层厚度（T），判定裂缝是否能够穿煤层扩展，将裂缝能够穿过的煤层网格标定为甜点网格，否则标定为风险网格，从而完成对研究区网格属性的更新；最终将更新后的数据导入Petrel 软件，得到二次优选后的双甜点厚度分布图。

注：重复标定的煤层网格若有1 次被标定为风险网格，则最终判定为风险网格。

4.3 　二次优选结果及验证

针对神府南区山2 段储层双甜点初次评价结果进行二次优选，结果如图8 所示。对比图8-a、b 可见，二次优选后的双甜点平面分布范围和纵向甜点厚度均有所减小，说明考虑薄煤层影响对双甜点分布起到了进一步的约束作用。在初次评价结果（图8-a） 中，SF-1 井位于双甜点区域内，但其无阻流量仅为0.8×10⁴ m³/d ；考虑薄煤层进行二次优选后，SF-1 井所处位置及周围的双甜点区域被剔除，三维岩相模型显示SF-1 井射孔点上下均有超过4 m 的煤层，二次优选后SF-1 井所在区域的甜点厚度很小，符合无阻流量小的实际情况。对于SF-3 井，其位于双甜点初次评价区域内，二次优选后，SF-3 井仍位于双甜点区域内，且该井的无阻流量高达16.7×10⁴ m³/d，三维岩相模型显示SF-1 井射孔点附近没有煤层。此外， 其余高产井（如SF-4、SF-6 和SF-7 等井）的无阻流量和二次优选双甜点分布范围匹配度较高，而低产井（如SF-2、SF-8 和SF-9 等井）均位于非甜点区域或距离二次优选双甜点较远的区域，对比各井产能与煤层发育情况发现，高产能井均发育少量薄煤层， 且煤层距离射孔点较近，低产井射孔点附近煤层厚度大。

基于神府南区双甜点二次优选结果，建立研究区的双甜点分级分类指标。统计研究区内30 口井的产量及相应的双甜点指数，结果如图9 所示。将产能划分为(0.5 ～ 5.0)×10⁴ m³/d、(5.0 ～ 10.0)×10⁴ m³/d 和大于10.0×10⁴ m³/d 共3 个区间，对应可划分3 类甜点区。对于Ⅰ类甜点区，双甜点指数大于0.46，单井产能一般高于7.0×10⁴ m³/d。对于Ⅱ类甜点区，双甜点指数为0.37 ～ 0.46，单井产能为(5.0 ～ 7.0)×10⁴ m³/d。对于Ⅲ类甜点区，双甜点指数为0.30 ～ 0.37，单井产能主要为(0.5 ～ 5.0)×10⁴ m³/d。双甜点指数低于0.3 的区域，可界定为非甜点区域。

进一步统计不同类型甜点的各项储层地质工程指标分布情况，建立地质工程指标约束下的甜点分类方案（表5）。不同类型甜点的各指标分布虽然存在范围交叉，但仍具有一定差异。因此，选用的地质工程指标可以用于研究区双甜点的分类评价。

5 　结论

1）当煤层厚大于等于4 m 或起裂点距煤层垂直距离大于等于4 m 时，压裂裂缝被限制在煤层中， 难以纵向沟通煤层以外甜点区，可压性降低；当煤层厚度为(0, 3] m 且起裂点距煤层垂直距离为(0, 2] m， 或煤层厚度为(0, 2] m 且起裂点距煤层垂直距离为(0, 3] m 时，水力裂缝能够穿透煤层，实现对煤层以外甜点区的有效控制。

2）考虑煤层影响的二次甜点评价能够进一步筛选优质双甜点，优选结果与实际高产区域的匹配度较高，能够对后期布井布缝和压裂参数优化提供指导。

3）对于Ⅰ类甜点，双甜点指数≥ 0.46，单井产能一般高于7.0×10⁴ m³/d ；对于Ⅱ类甜点，0.37 ≤双甜点指数＜ 0.46，单井产能为(5.0 ～ 7.0)×10⁴ m³/d ； 对于Ⅲ类甜点，0.3 ≤双甜点指数＜ 0.37，单井产能主要为(0.5 ～ 5.0)×10⁴ m³/d。同时，划分的不同类型甜点对应的地质工程指标范围合理，可作为甜点分类评价依据。

4）提出的甜点二次优选方法考虑了裂缝扩展与储层甜点的相互作用，实现了根据现有技术和压裂施工条件对甜点的动态优选，能够充分利用压裂能量， 避免盲目压裂改造增加压裂成本。同时该研究方法还能为砂泥互层发育的储层提供研究思路，也够应用到多气合采领域研究不同类型甜点的同步开发方案。