基于多准则优化的延长油田长7段页岩油甜点综合评价方法

穆景福; 孙晓; 郭兴; 张军涛; 卢聪; 孙基宏

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507617

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (28) :12157-12167 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507617

石油、天然气工业

基于多准则优化的延长油田长7段页岩油甜点综合评价方法

穆景福 ¹ ,
孙晓 ¹ ,
郭兴 ¹ ,
张军涛 ¹ ,
卢聪 ² ,
孙基宏 ²^,^*

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Multi-criteria Optimization-based Comprehensive Evaluation Method for Shale Oil Sweet Spots in the Chang 7 Member of Yanchang Oilfield

MU Jing-fu ¹ ,
SUN Xiao ¹ ,
GUO Xing ¹ ,
ZHANG Jun-tao ¹ ,
LU Cong ² ,
SUN Ji-hong ²^,^*

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摘要

可压性评价是页岩油储层优化压裂设计的核心前提。针对延长油田小庄科区块长7段储层非均质性强、改造效果受地质、工程多因素制约的难题,提出基于多准则优化的双甜点可压性综合评价方法。通过降维处理测井数据并结合室内实验,进行地质参数与工程参数差异化优选,建立夹层型、纹层型、天然裂缝型三类储层甜点指标体系,并基于层次分析(analytic hierarchy process, AHP)-多准则妥协解排序法(vlsekriterijumska optimizacija i kompromisno resenje, VIKOR)构建权重模型,最后利用核密度估计法对可压性结果分级分类。实际应用表明,该模型可精准量化储层可压性等级,指导压裂靶体优选,为复杂页岩油储层高效开发提供理论支撑。

Abstract

Fracability evaluation is regarded as the core prerequisite for optimizing fracturing design in shale oil reservoirs. The Chang 7 Member reservoir in the Xiaozhuangke block of Yanchang Oilfield exhibits strong heterogeneity. Its stimulation effectiveness is constrained by multiple geological and engineering factors. A comprehensive evaluation method for dual-sweet-spot fracability based on multi-criteria optimization was proposed to address these challenges. Dimensionality reduction of logging data was performed. Laboratory experiments were conducted. Geological and engineering parameters were differentially optimized. Three types of reservoir sweet spot indicator systems were established, namely interbedded, laminated, and natural fracture types. A weight model was constructed based on the analytic hierarchy process(AHP)-vlsekriterijumska optimizacija i kompromisno resenje(VIKOR). Finally, the fracability results were classified and categorized using kernel density estimation. Practical application shows that this model can accurately quantify the fracability grade of reservoirs. It guides the optimization of fracturing targets. It provides theoretical support for the efficient development of complex shale oil reservoirs.

Graphical abstract

关键词

页岩油储层 / 地质工程双甜点 / 层次分析法 / 多准则妥协解排序法 / 可压性评价

Key words

shale oil reservoir / geo-engineering dual sweet spots / analytic hierarchy process / VIKOR / fracability evaluation

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穆景福, 孙晓, 郭兴, 张军涛, 卢聪, 孙基宏. 基于多准则优化的延长油田长7段页岩油甜点综合评价方法[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(28): 12157-12167 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507617

MU Jing-fu, SUN Xiao, GUO Xing, ZHANG Jun-tao, LU Cong, SUN Ji-hong. Multi-criteria Optimization-based Comprehensive Evaluation Method for Shale Oil Sweet Spots in the Chang 7 Member of Yanchang Oilfield[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(28): 12157-12167 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507617

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页岩油气藏甜点区是指基于现有勘探开发技术条件,能够经济性地获得工业油气产量、具备较高开发效益的有利区域^[1]。延长油田长7段储层作为鄂尔多斯盆地页岩油勘探开发的重点层系,其岩相呈现出显著的分异特征^[2]。基于岩心观测与测井响应的综合表征,该储层可进一步划分为三类典型结构单元:“夹层型储层”以砂岩薄夹层为特征,形成垂向非均质屏障;“纹层型储层”表现为砂岩页岩高频交替;“天然裂缝型储层”则受构造应力与成岩作用双重控制,发育多尺度裂缝网络。近年来,学者们针对页岩储层可压性评价已开展了大量研究^[3-5]。史璨等^[1]提出了基于双甜点的评价方法,但权重确定主观性较强。隋丽丽等^[6]和李泉辉等^[7]分别采用不同参数集进行评价,但均未充分考虑不同岩相类型(如夹层、纹层、天然裂缝)对改造机理的差异性影响。总体而言,现有方法多采用均一化的指标体系,难以精准表征强非均质性储层内部改造潜力的空间差异;同时,评价结果与压裂工艺参数的关联性较弱,导致其对现场工程实践的指导作用受限。

储层可压性本质上受控于地质甜点与工程甜点的协同作用,与施工工艺、泵注参数、液体参数等工程因素无关^[6]。地质甜点以孔隙度、渗透率、含油饱和度及天然裂缝发育程度等指标为核心参数,控制着资源的空间分布;工程甜点系统则聚焦上述三类岩相核心难题:夹层型储层需克服垂向应力屏障的封隔效应^[8];纹层型储层则需利用层理面剪切位移诱导分支裂缝扩展^[9];天然裂缝型储层改造核心在于缝网复杂化,通过激活构造缝、层理缝等天然裂缝系统形成以多分支缝为基础的复杂缝网结构^[10]。常规单因素评价页岩储层可压性不能准确描述在压裂作业过程中储层的综合特征^[7],因此开展了全岩矿物测试、真三轴岩石力学实验并进行了压后裂缝计算机断层扫描(computed tomography,CT),最终结合测井数据,通过多数学准则优选地质-工程双甜点可压性评价指标,建立双甜点可压性评价体系,量化储集性能与改造潜力。利用多数学准则优选方法,构建针对夹层型、纹层型与天然裂缝型三类典型岩相的地质-工程双甜点可压性量化评价体系,并通过实验与测井结合的方法,实现了储层改造潜力从定性描述到定量分级。对同类型储层的经济高效开发具有重要指导意义。

1 区域地质概况

本次研究的页岩油储层地质-工程可压性甜点目标区位于延长油田志丹采油厂小庄科区块。研究区北起正540井,南至正212井,东至永163井,西至永757井,面积约194 km²。区内长7地层厚度一般为85~110 m,地层倾角约为1°。岩性主要包括油页岩、暗色泥岩、砂质泥岩夹黑灰色粉细砂岩。目标区内砂体呈北西-南东向展布,区内砂体发育,连片性较好,砂体厚度较稳定,一般9~15 m。河道中心砂体发育最好,局部砂体厚度大于15 m。油层发育与砂体匹配关系较好,一般在河道中心砂体厚度大、物性好的地方,油层也较发育,油层厚度一般3~9 m,局部达9 m以上。

综合研究区内长7页岩储层的X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、薄片观察及扫描电镜分析结果(图1)表明:岩石以石英(平均含量25.68%)和斜长石(平均含量30.11%)为主,其中细粒石英次生加大一般到中等,中粒石英次生加大比较发育,常见石英颗粒间嵌合。黏土矿物平均含量为17.9%,脆性矿物总量平均为81.4%,脆性指数介于0.45~0.68,表明岩石力学脆性较高,具备形成复杂裂缝网络的潜力。

储层主要发育的孔隙类型有次生溶蚀孔隙(包括粒间溶孔、粒内溶孔)、晶间孔隙和晶内孔隙。主要的孔隙类型为次生溶蚀孔隙的粒间溶孔,其构成该区储层有效孔隙的主体部分。该区总面孔率为5.28%,其中晶内微孔粒间孔占总面孔率的2.65%,晶间微孔占总面孔率的4.55%,粒间溶孔占总面孔率的74.8%,粒内溶孔占8.7%,铸模孔占总面孔率的14.01%。

2 长7页岩沉积韵律及层系划分

长7地层表现为顶部和底部各发育一套油页岩或黑色泥岩,中部发育两套砂体,砂体之间为一套砂泥岩互层,长7地层具体分层情况如表1所示。砂层整体以由细到粗的反韵律为主,局部可见正韵律。砂岩中主要发育平行层理和板状斜层理,局部见沙纹层理、透镜状层理、块状构造及斜层理。

在层系结构上,长7段位于长6浅灰色粉细砂岩与长8浅灰色中厚层粉细砂岩之间,构成一个完整的泥砂泥沉积序列。长6以浅灰色粉细砂岩为主,夹暗色泥岩及凝灰岩,向上逐渐过渡为长7段的富有机质泥页岩主体,反映湖盆逐渐加深的过程;长7顶部向长8的中厚层粉细砂岩转变,则代表湖盆开始变浅、砂质输入增加的进积过程。

3 地质甜点可压性模型

3.1 主成分分析法

延长油田长7段储层地质可压性评价面临参数冗杂与多重共线性挑战。基于目标井的测井及岩心实验数据,采用主成分分析方法进行参数降维与特征提取。该方法通过计算协方差矩阵特征值与特征向量,消除参数重叠部分,揭示控制储层地质可压性的本质因素^[11]。具体主成分分析计算步骤如下。

(1)根据中心化处理后的数据集计算协方差矩阵R,R可表示为

(1)R=(r_ij)_n_×_n=$\left[\begin{array}{llll}{r}_{11}& {r}_{12}& \dots & {r}_{1n}\\ {r}_{21}& {r}_{22}& \dots & {r}_{2n}\\ \mathrm{︙}& \mathrm{︙}& \mathrm{ }& \mathrm{︙}\\ {r}_{n1}& {r}_{n2}& \dots & {r}_{nn}\end{array}\right]$

(2)计算矩阵R的特征值λ₁≥λ₂≥…≥λ_n≥0及对应的特征向量u₁, u₂,…, u_n,其中u_j=(u₁_j, u₂_j,…, u_nj),u_nj为第j个特征向量的第n个分量;由特征向量组成n个新的指标变量,可表示为

(2)$\left\{\begin{array}{l}{y}_{1}={u}_{11}{\stackrel{-}{x}}_{1}+{u}_{21}{\stackrel{-}{x}}_{2}+\dots +{u}_{n1}{\stackrel{-}{x}}_{n}\\ {y}_{2}={u}_{12}{\stackrel{-}{x}}_{1}+{u}_{22}{\stackrel{-}{x}}_{2}+\dots +{u}_{n2}{\stackrel{-}{x}}_{n}\\ \mathrm{　}\mathrm{　}\mathrm{︙}\\ {y}_{n}={u}_{1n}{\stackrel{-}{x}}_{1}+{u}_{2n}{\stackrel{-}{x}}_{2}+\dots +{u}_{nn}{\stackrel{-}{x}}_{n}\end{array}\right.$

式(2)中:y₁为第1主成分;y₂为第2主成分;y_n为第n主成分;${\stackrel{-}{x}}_{1}$,${\stackrel{-}{x}}_{2}$,…,${\stackrel{-}{x}}_{n}$为中心化处理后的原始指标变量。

(3)计算各主成分y_j的贡献率b_j(j=1,2,…,n)及y₁,y₂,…,y_n(p≤n)的累计贡献率α_p,计算公式分别为

(3)${b}_{j}=\frac{{\lambda }_{j}}{\sum _{k=1}^{n}{\lambda }_{k}},\mathrm{　}j=\mathrm{1,2},\dots,n$

(4)${\alpha }_{p}=\frac{\sum _{k=1}^{p}{\lambda }_{k}}{\sum _{k=1}^{n}{\lambda }_{k}},\mathrm{　}p\le n$

式中:λ_k、λ_j(j=1,2,…,n)为矩阵R的特征值;b_j为第j主成分贡献率;α_p为第p主成分的累计贡献率。

3.2 地质甜点参数优选

本次地质甜点评价参数的选择基于储层“储集性-含油性-可压性”一体化评价思路,孔隙度和渗透率作为衡量储集空间和渗流能力的直接指标,决定页岩油的赋存空间和可动用性;含油饱和度直接反映储层油气丰度,自然伽马和声波时差测井数据分别用于识别富含有机质的泥质层段和评估岩石力学特性;通过识别井径数据判断井壁崩落和扩径现象,间接指示天然裂缝发育带。

在分析并确定延长油田志丹采油厂小庄科区块长7页岩油各矿物组分权重、基础地质参数及主成分分析法原理后,开展岩心孔渗物性实验并结合测井参数分析其孔渗特征,为后续根据测井数据进行地质甜点优选,提供室内实验校正。该区块岩心孔隙度主要分布在3%~7%,如图2所示。渗透率介于0.2~0.8 mD,含油饱和度呈现15%~27%的非均质分布,分别如图3、图4所示。

结合主成分矩阵(表2),第一主成分(F₁)在孔隙度和渗透率上表现出较强正载荷,协同反映储集空间规模与渗流能力,定义为孔隙因子,表征基质储集性能的强弱;第二主成分(F₂)在声波时差与自然伽马上载荷显著,表征油水性质差异对声波传播造成的影响,定义为含油气因子,指示有机质富集层段;第三主成分(F₃)则突出井径与含油饱和度的正相关性,定义为裂缝因子,其机理在于井径扩径现象对应天然微裂缝发育带,而裂缝作为优势渗流通道又影响含油饱和度分布。

由此可推导出三因子的计算公式分别为

(5)F₁=-0.74GR+0.94POR+0.87H+0.95PERM-0.33DT-0.95S_O+0.46CAL

(6)F₂=0.54GR+0.01POR+0.28H+0.22PERM+0.90DT-0.15S_O+0.30CAL

(7)F₃=-0.12GR-0.19POR-0.10H-0.11PERM-0.12DT+0.15S_O+0.83CAL

根据上述三因子再次进行主成分分析,由此构建综合地质甜点评价模型为

(8)F_d=0.66F₁+0.22F₂+0.12F₃

4 工程甜点可压性模型

4.1 基于层次分析的多准则妥协解排序法

层次分析-多准则妥协解排序法(analytic hierarchy process-vlsekriterijumska optimizacija i kompromisno resenje,AHP-VIKOR)是一种融合主观权重与客观判断的决策框架,能够一定程度上解决复杂类型页岩储层可压性参数指标优选中多层冲突问题。通过AHP量化主观经验,利用VIKOR在工程约束条件下权衡实际解与理想解距离。

AHP利用“目标层-准则层-指标层-方案层”四阶决策,通过1~9标度法构造判断矩阵,求解特征方程,获得特征向量;并最终进行一致性效验,从而消除主观判断的逻辑冲突^[12]。

(9)A=$\left(\begin{array}{llll}{a}_{11}& {a}_{12}& \dots & {a}_{1n}\\ {a}_{21}& {a}_{22}& \dots & {a}_{2n}\\ \mathrm{︙}& \mathrm{︙}& \mathrm{ }& \mathrm{︙}\\ {a}_{m1}& {a}_{m2}& \dots & {a}_{mn}\end{array}\right)$

式(9)中:a_mn=1/重要程度比值,m<n;a_mn=1,m=n;a_mn=重要程度比值,m>n。

(10)A_w=λ_maxW

式(10)中:A_w为判断矩阵;λ_max为矩阵A的最大特征值;W为特征方程的权重向量,W=[W₁,W₂,…, W_n]^T,其中W_i为第i个评价指标的主观权重值(i=1,2,…,n)。

(11)CI=$\frac{{\lambda }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-n}{n-1}$

(12)CR=$\frac{\mathrm{C}\mathrm{I}}{\mathrm{R}\mathrm{I}}$

式中:CI为一致性指标;要求CR<0.1,否则需重构判断矩阵;RI为随机指数。

VIKOR基于Lp-metric聚合函数确定正理想解和负理想解,进而判断各实际情况与理想方案之间的差异,并通过决策鲁棒性条件验证解的稳定性,防止敏感参数扰动。最后在优势和决策过程稳定的条件下排列方案之间的优先顺序^[13]。

(13)r_ij=$\frac{{f}_{ij}-{f}_{i}^{-}}{{f}_{i}^{\mathrm{*}}-{f}_{i}^{-}}$

(14)${f}_{i}^{\mathrm{*}}$=max_jf_ij

(15)${f}_{i}^{-}$=min_jf_ij

式中:r_ij为归一化决策矩阵第i行第j列元素;f_ij为第j个方案在第i个评价准则上的原始评价值;max_j为第j个准则在所有方案中的最大值;min_j为第j个准则在所有方案中的最小值;${f}_{i}^{\mathrm{*}}$为归一化决策矩阵正理想解;${f}_{i}^{-}$为归一化决策矩阵负理想解。

(16)${S}_{j}=\sum _{i=1}^{n}{w}_{i}(1-{r}_{ij})$

式(16)中:w_i为第i个准则在所有方案中的最小值;S_j为方案j与正理想解的加权曼哈顿距离。

(17)R_j=$\underset{i}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$[w_i(1-r_ij)]

式(17)中:R_j为方案j在最劣准则上的切比雪夫距离。

(18)Q_j=v$\frac{{S}_{j}-{S}^{\mathrm{*}}}{{S}^{-}-{S}^{\mathrm{*}}}$+(1+v)$\frac{{R}_{j}-{R}^{\mathrm{*}}}{{R}^{-}-{R}^{\mathrm{*}}}$

式(18)中:Q_j为方案j的VIKOR综合排序指标,Q值越小方案越优;v为决策机制系数,取值范围[0,1],通常取v=0.5以实现群体效用与个体缺陷的均衡;S^*=min_jS_j; S^-=max_jS_j; R^*=min_jR_j; R^-=max_jR_j。

二者耦合体现在主观经验与客观数据双向驱动,AHP输出的权重向量作为S_j和R_j的加权系数,使主观经验嵌入客观优化过程;VIKOR的理想解基于AHP的指标阈值设定,当VIKOR输出的最优解不满足决策鲁棒性条件时,触发AHP权重调整,实现最终解的优化。

4.2 工程可压性参数优选

在工程可压性参数指标优选方面,针对夹层型、纹层型及天然裂缝型储层地质条件与改造机理差异,开展岩石三轴力学实验及压后裂缝CT扫描,校正并结合所需测井参数,获取三类储层不同工程参数并建立工程甜点可压性模型。

根据不同实验围压下的岩心破坏特征,总结出三类典型应力应变曲线模式(图5):①压后迅速破坏且不具备承压能力;②压后迅速破坏但具有一定承载能力;③压后缓慢破坏并具有一定承载能力。进而通过压后CT扫描实验,根据不同应力应变曲线模式结合压后裂缝形态,判断破坏方式,破裂效果如图6所示。应力应变曲线模式①、②、③所对应的岩心压后破坏模式分别为:①单一剪切破坏,主要形成贯穿性的、相对平整且倾斜劈裂面;②共轭剪切破坏,主要形成两条明显交叉的“V”形破裂面;③多重剪切破坏,破裂形态复杂,整体破坏区域弥散,伴有一定程度拉张破裂和多条次级裂纹。

进而针对三类页岩储层特征及压后裂缝形态,明确了三类储层的改造核心,最终依据改造核心目标判断其工程可压性参数。

夹层型储层改造核心在于破解夹层型页岩形成的应力屏障,其本质是突破高强度夹层,有效实现裂缝的垂向延伸。据此优选三项关键工程参数,具体如下。

(1)垂向地应力差控制裂缝垂向扩展,其意义体现在地应力场的不平衡性。随垂向地应力差减小,地应力对裂缝的控制作用减弱,簇间干扰对裂缝扩展方向的影响增强,裂缝易沿着天然弱面转向^[14]。垂向应力差的计算可分为计算垂向地应力、计算水平地应力和计算考虑孔隙压力的有效应力和计算垂向地应力差。

(19)${\sigma }_{\mathrm{v}}={\int }_{0}^{H}\rho \left(z\right)g\mathrm{d}z$

式(19)中:σ_v为垂向地应力,MPa;H为地层埋深,m;ρ为地层岩石密度,g/cm³;z为深度积分变量,m;g为重力加速度,m/s²。

(20)σ_H=$\frac{v}{1-v}$σ_v

式(20)中:σ_H为水平最大主应力,MPa;v为岩石泊松比,无量纲。

(21)σ'=σ-αP_p

式(21)中:σ'为有效应力,MPa;σ为总应力,MPa;α为有效应力系数,无量纲;P_p为地层孔隙压力,MPa。

(22)Δσ'_v=σ'_v-σ'_H

式(22)中:Δσ'_v为垂向有效应力差,MPa;σ'_v为垂向有效应力;σ'_H为水平有效应力,MPa。

以目标井为例,垂向地应力差值范围在11~14 MPa(图7),平均为12.26 MPa,属于较高垂向地应力区。

(2)抗张强度控制裂缝起裂难易程度,量化夹层及界面抵抗拉伸破坏的能力。抗张强度的主要计算步骤可分为:计算抗压强度和计算抗张强度。

(23)σ_c=0.004 5E_d(1-V_sh)+0.008E_dV_sh

式(23)中:σ_c为单轴抗压强度,MPa;E_d为动态杨氏模量,GPa;V_sh为泥质含量,%。

(24)σ_t=$\frac{{\sigma }_{\mathrm{c}}}{n}$

式(24)中:σ_t为岩石抗张强度,MPa;σ_c为单轴抗压强度,MPa;n为经验系数,无量纲。

在实际工程甜点判断中,需优先选择抗张强度较高的脆性夹层作为改造靶体,并利用夹层间抗张强度差异,实现“以强控缝、以缝联网”的高效改造目标,长7段典型井地层抗张强度分布如图8所示。

(3)断裂韧性非均质性表征岩石抵抗裂缝扩展的能力,反映压裂过程中裂缝穿层延伸所需的能量阈值,低韧性区的人工裂缝易沟通天然裂缝,高韧性区阻挡裂缝扩展,需额外能量突破。断裂韧性非均质性计算步骤主要可分为:计算I型断裂韧性指数、计算Ⅱ型断裂韧性指数及计算断裂韧性非均质性^[15],长7段典型井地层断裂韧性非均质性如图9所示。

(25)K_Ι=0.217 6P_c+0.005 9σ_t+0.517σ_t-0.332 2

式(25)中:K_I为I型断裂韧性,MPa·m^0.5;P_c为围压,MPa;σ_t为岩石抗张强度,MPa。

(26)K_II=0.095 6P_c+0.138 3σ_t-0.082

式(26)中:K_II为II型断裂韧性,MPa·m^0.5。

(27)P_c=σ_h-αP_p

式(27)中:σ_h为水平最小主应力,MPa。

(28)K'=0.5$\left(\frac{{K}_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}-{K}_{\mathrm{I}}}{{K}_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}-{K}_{\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{I}\mathrm{N}}}\right)$+0.5$\left(\frac{{K}_{\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}-{K}_{\mathrm{I}\mathrm{I}}}{{K}_{\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{A}\mathrm{X}}-{K}_{\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{I}\mathrm{N}}}\right)$

式(28)中:K'为断裂韧性非均质性指数,无量纲;K_IMAX为I型断裂韧性最大值,MPa·m^0.5;K_IMIN为I型断裂韧性最小值,MPa·m^0.5;K_IIMAX为II型断裂韧性最大值,MPa·m^0.5;K_IIMIN为II型断裂韧性最小值,MPa·m^0.5。

三者构成“应力屏障-起裂控制-扩展耗能”递阶控制机制,并采用AHP-VIKOR方法建立夹层型页岩工程甜点评价模型为

(29)F_j=0.42Δσ'_vnew+0.24σ_tnew+0.35K'_new

式(29)中:F_j为夹层型页岩工程可压性指标;Δσ'_v为归一化后垂向应力差值;σ_tnew为归一化后抗张强度;K'_new为归一化后断裂韧性指数。

纹层型页岩工程甜点模型融合抗剪强度、杨氏模量、内摩擦角,实现“脆性导裂-弱面供能”,筛选“纹层-脆性”协同区,最大限度开发纹层型页岩,其模型建构流程与夹层型相同,具体工程甜点评价模型为

(30)F_w=0.5τ_new+0.23E_new+0.27ϕ_Δnew

式(30)中:F_w为纹层型页岩工程可压性指标;τ_new为归一化后抗剪强度;E_new为归一化后杨氏模量;ϕ_Δnew为归一化后应力非均质性。

在建立天然裂缝型页岩储层工程可压性指标之前,需先引入定量化天然裂缝评价指标F_I。F_I通过声波时差增幅、井径扩径率差值与电阻率增幅耦合所得,其机理在于多场协同响应裂缝系统的岩体破裂、应力释放及渗流效应^[16-17]。声波时差增幅表征裂缝导致的声阻抗突变;井径扩径率差值代表裂缝的应力释放效应;电阻率反映裂缝作为流体渗流通道形成的导电异常。通过AHP-VIKOR方法进行计算,计算公式为

(31)Δt_i=t_i₊₁-t_i

式(31)中:Δt_i为声波时差增幅,μs/ft(1 ft=0.304 8 m);t_i为第i个深度点的实测声波时差值,μs/ft。

(32)ΔR_i=R_i₊₁-R_i

式(32)中:ΔR_i为电阻率增幅,Ω·m;R_i为第i个深度点的实测电阻率值,Ω·m。

(33)ΔCAL_i=CAL_i₊₁-CAL_i

式(33)中:ΔCAL_i为井径扩径率差值,cm;CAL_i为第i个深度点的实测井径值,cm。

(34)F_I=0.45Δt_i_new+0.45ΔCAL_i_new+0.1ΔR_i_new

式(34)中:F_I为天然裂缝评价指数;Δt_i_new为归一化后声波时差增幅;ΔCAL_i_new为归一化后井径扩径率差值;ΔR_i_new为归一化后电阻率增幅。

图10为长7段天然裂缝评价标准计算结果分布图。

天然裂缝型页岩工程甜点模型综合考虑天然裂缝评价系数、脆性指数、水平应力差,筛选高复杂天然裂缝区域,明确优质工程可压层位,其模型构建流程与夹层型相同,具体工程甜点评价模型为

(35)F_t=0.43F_Inew+0.26I_Enew+0.31Δσ_new

式(35)中:F_t为天然裂缝型页岩工程可压性指标;F_Inew为归一化后天然裂缝评价指标值;I_Enew为归一化后脆性指数值;Δσ_new为归一化后水平应力差异值。

5 模型建立与实际应用

5.1 模型建立

针对延长油田长7段储层夹层型、纹层型、天然裂缝型三类岩相的非均质特征,基于典型井已建立的地质甜点与工程甜点可压性模型,采用AHP-VIKOR多准则优化方法,构建协同三类岩相储集性能与改造潜力的地质-工程双甜点可压性综合评价模型。

(36)F_c_j=0.46F_d+0.54F_j

式(36)中:F_c_j为夹层型双甜点模型;F_d为地质甜点可压性参数指标;F_j为夹层型工程甜点可压性参数指标。

(37)F_cw=0.35F_d+0.65F_w

式(37)中:F_cw为纹层型双甜点模型;F_w为纹层型工程甜点可压性参数指标。

(38)F_ct=0.68F_d+0.32F_t

式(38)中:F_ct为天然裂缝型双甜点模型;F_t为天然裂缝型工程甜点可压性参数指标。

进而采用核密度估计(kernel density estimation,KDE)这一非参数方法,对所求得的地质-工程双甜点进行分级分区处理。核密度估计法以一定的带宽参数,通过对每个数据点附近的核函数进行加权平均来估计数据点的概率密度^[18-20]。

本次估算核函数选择高斯核函数,表达式为

(39)K(x)=${\left(\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\pi }}}\right)}^{-\frac{{x}^{2}}{2}}$

式(39)中:x为输入值;K(x)为高斯核函数。

(40)$\hat{f}\left(x\right)=\frac{1}{nh}\sum _{i=1}^{n}K\left(\frac{x-{x}_{i}}{h}\right)$

式(40)中:$\hat{f}$(x)为x处估计的概率密度函数;x_i为第i个样本点的地质-工程双甜点可压性评价值;n为样本大小;h为带宽。

根据已构建的三类储层地质工程双甜点可压性综合评价模型分别进行甜点预测与计算,并将所得可压性结果进行平均处理后进行核密度估算,其计算结果如图11所示。

5.2 实际应用

基于上述核密度估算图,在自适应带宽前提下,0.3与0.5对应核密度估计图的曲率极值点,分别表示在地质-工程双甜点可压性众值与开始快速下降的临界阈值。因此将0<F_c_i<0.3划分为低可压性储层,0.3<F_c_i<0.5为中等可压性储层,F_c_i>0.5为高可压性储层。

经过计算与比较(图12~图14),延长油田志丹采油厂小庄科区块分布以夹层型页岩为主,少量发育有纹层型与天然裂缝型页岩。其中,夹层型页岩可压性结果在0.25~0.5,反映出较强的应力屏障与裂缝抑制作用,部分区域发育高甜点区,对应夹层薄弱与力学弱面集中发育位置,可压性结果达0.6;纹层型可压性结果在0.4~1.0,天然裂缝型可压性结果在0.2~1.0,部分区域可达1.2,这两类储层共同点为:集中的弱面或天然裂缝系统为后续裂缝复杂化降低起裂压力、促进人工裂缝起裂、延伸、扩展。因此以中-高可压性为主。

基于上述地质—工程双甜点分类结果,在永929平台创新性地实施了“三级分类、精准施策”的差异化压裂设计。

针对综合可压性评价为高可压性的井(如永929平3、平5、平6),以提高改造体积和泄流面积为目标,采用“大规模+高砂比+暂堵压裂”为核心的设计。设计参数为加砂强度2.8 t/m,进液强度 17 m³/m,砂比约19%;针对综合可压性评价为中-低可压性的井(如永929平17),以造长缝、提高裂缝复杂程度为目标,采用“低砂比+多段少簇”为核心的设计。设计参数为加砂强度2.4 t/m,进液强度19 m³/m,砂比14%~16%。

进一步采用微地震、示踪剂、井口压力等多手段监测,对设计效果进行了全面后评估,验证了方法的有效性并深化了地质认识。微地震监测显示,人工裂缝形态与设计吻合度高。以永929平18井为例,平均裂缝半长155.6 m,与设计缝长(160 m)符合率达97.3%;平均缝高38 m,裂缝在垂向上得到有效控制,证实了基于多准则优化的延长油田长7段页岩油甜点综合评价方法准确性。

6 结论

(1)提出的“地质-工程双甜点”耦合可压性评价范式,能够突破传统单一参数局限,且通过主成分分析与差异化工程指标体系实现多维度协同评价。

(2)所建立的基于AHP-VIKOR权重模型,能够将主观经验与客观优化深度融合,解决参数冲突问题。

(3)地质甜点划分为孔隙因子主导储集能力,含油气因子指示富集程度,裂缝因子决定天然裂缝扩展潜力;工程甜点划分为夹层型、纹层型、天然裂缝型三类,夹层型储层依赖垂向应力差突破屏障,纹层型储层利用抗剪强度激活层理,天然裂缝型储层需水平应力差促进缝网复杂化。

(4)延长油田长7段储层可压性夹层型以中-低可压性为主,纹层型与天然裂缝型以中-高可压性为主。

(5)所建立的综合评价方法,其广泛应用的前提是获取目标区系统性的岩心实验数据与配套的测井资料。该方法成功应用后,不仅能实现储层改造潜力的定量化分级,更能形成一套适用于类似页岩油储层的、可复制的“地质-工程”一体化甜点评价与压裂设计技术流程,为同类型储层的经济高效开发提供关键理论支撑与量化依据。

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