葉 靜 胡永全 葉生林 王 丹

(1. “油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)”工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2. 中國(guó)石油吐哈油田公司勘探公司)

頁(yè)巖氣是一種潛在資源量巨大的非常規(guī)天然氣資源。頁(yè)巖氣以吸附或游離態(tài)存儲(chǔ)于低孔低滲、富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥巖、高碳泥巖、頁(yè)巖及粉砂質(zhì)巖類(lèi)夾層中，生成于有機(jī)成因的各種階段，它主要以游離態(tài)(約50%)存在于裂縫、孔隙及其他儲(chǔ)集空間中，以吸附態(tài)(約50%)存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解態(tài)儲(chǔ)存[1]。與常規(guī)氣藏不同，頁(yè)巖氣藏具有獨(dú)立的油氣系統(tǒng)，烴源巖、儲(chǔ)集層和蓋層都是其本身，生成后的運(yùn)移也發(fā)生在其內(nèi)部。頁(yè)巖氣的地質(zhì)特征既不同于常規(guī)氣藏，也不同于煤層氣。頁(yè)巖氣井雖然產(chǎn)能低，但具有生產(chǎn)周期和開(kāi)采壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)采壽命一般為30年～50年，有的甚至能達(dá)80年[2]。近年來(lái)，能源的嚴(yán)峻形勢(shì)和價(jià)格的快速增長(zhǎng)使頁(yè)巖氣在全世界受到廣泛的重視。美國(guó)是世界上頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)最成熟的國(guó)家，而我國(guó)頁(yè)巖氣的勘探和開(kāi)發(fā)起步較晚，需進(jìn)一步的發(fā)展和完善，力爭(zhēng)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

1 頁(yè)巖氣藏壓裂設(shè)計(jì)模型

頁(yè)巖地層壓裂后，不像砂巖呈180°向兩翼方向展布的單個(gè)雙翼裂縫，而是不規(guī)則展布，并與其他裂縫連在一起形成由各種不同長(zhǎng)、寬、高裂縫組合而成的復(fù)雜縫網(wǎng)。復(fù)雜縫網(wǎng)分支的縫寬明顯小于單裂縫，因此常規(guī)支撐劑無(wú)法被運(yùn)送到縫網(wǎng)尖端[3]。施工壓力和縫網(wǎng)的復(fù)雜變化是建模的巨大挑戰(zhàn)[4]。頁(yè)巖地層形成的復(fù)雜縫網(wǎng)最大化了頁(yè)巖規(guī)模、裂縫密度和裂縫面的接觸面積，因此，以增大壓裂波及體積的體積壓裂成為頁(yè)巖氣藏壓裂的主流技術(shù)。

體積壓裂技術(shù)的本質(zhì)是利用地層水平主應(yīng)力差與裂縫延伸凈壓力的關(guān)系。天然裂縫性地層和裂縫不發(fā)育地層中，在主裂縫上形成分支縫的條件分別是裂縫延伸凈壓力超過(guò)地層水平最大、最小主應(yīng)力差和裂縫延伸凈壓力超過(guò)地層水平最大、最小主應(yīng)力差與抗張強(qiáng)度之和[5]。該技術(shù)形成以主裂縫為主干的縱橫交錯(cuò)的不規(guī)則縫網(wǎng)系統(tǒng)(圖1)，改善了地層滲流特征和改造效果[3]。

圖1 縫網(wǎng)系統(tǒng)形成示意圖

目前，模擬頁(yè)巖氣藏縫網(wǎng)系統(tǒng)的模型大致有：

(1) 金屬絲網(wǎng)水力壓裂模型

該模型(圖2)常被用于預(yù)測(cè)頁(yè)巖水平井縫網(wǎng)的延伸，它的支撐劑傳輸模塊可以計(jì)算縫網(wǎng)中支撐劑的鋪置[6]。施工中每級(jí)縫網(wǎng)都用伴生微地震波分布、施工數(shù)據(jù)和地層幾何性質(zhì)來(lái)表征。該模型描述了所有級(jí)的系統(tǒng)性分析，如早期施工對(duì)后期施工的潛在影響、縫網(wǎng)各性質(zhì)間的關(guān)系和裂縫表面積與施工參數(shù)的關(guān)系等。該模型常被用來(lái)檢查每個(gè)縫網(wǎng)中支撐劑的充填以及后期施工方法的改進(jìn)和優(yōu)化。

圖2 復(fù)雜縫網(wǎng)的金屬絲網(wǎng)模型

(2) 三維離散縫網(wǎng)(DFN)模型

該三維模型的建立利用了與巖石性質(zhì)、地質(zhì)力學(xué)和其他地震相關(guān)的參數(shù)，并利用成像和密度測(cè)井來(lái)分析裂縫。通過(guò)斷層距離、巖體性質(zhì)、不連續(xù)特征和各種伴生特征等參數(shù)可獲得裂縫強(qiáng)度的三維分布。當(dāng)給定裂縫傾角和方位角時(shí)，便可獲得二維或三維性質(zhì)、DFN和具體的裂縫幾何尺寸[7]。

(3) 雙孔隙地層模型

該模型能有效模擬頁(yè)巖氣藏，它的建立結(jié)合了物理性質(zhì)和工程參數(shù)，包括壓裂液質(zhì)量守恒，HFT主裂縫和縫網(wǎng)強(qiáng)度的空間非均質(zhì)性[8]。它利用HFT和質(zhì)譜數(shù)據(jù)通過(guò)建立離散縫網(wǎng)和雙孔隙模型來(lái)模擬頁(yè)巖氣藏縫網(wǎng)系統(tǒng)。頁(yè)巖氣藏?cái)?shù)值模擬可以通過(guò)直接計(jì)算雙重介質(zhì)的地層物性和先建立DFN再將其擴(kuò)展為雙孔模型兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。此模型在給定裂縫強(qiáng)度的條件下可以求出平均縫寬、裂縫滲透率、縫網(wǎng)孔隙度、地層滲透率和σ因子。該模型模擬頁(yè)巖氣藏有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①處理時(shí)間少；②能模擬地層的非均質(zhì)性，考慮吸附和擴(kuò)散作用[9]；③考慮基質(zhì)的劃分，它使用微震波、天然裂縫強(qiáng)度及壓裂施工數(shù)據(jù)，消除了頁(yè)巖地層地質(zhì)和復(fù)雜物理特征對(duì)生產(chǎn)的影響；④適用于單井及大規(guī)模氣田的研究。

(4) 解析/半解析模型

該模型完全受裂縫附近井筒壓力和微震波分布觀測(cè)數(shù)據(jù)所反映的注入液與裂縫壁之間的關(guān)系所制約，它的建立取決于擬穩(wěn)態(tài)近似法的建立。該模型建立的思路是首先研究地層及施工的詳細(xì)數(shù)據(jù)資料，并將其應(yīng)用到頁(yè)巖地層，再用反演來(lái)模擬縫網(wǎng)的延伸[10]。該方法可獲得流壓、縫寬、裂縫滲透率、裂縫條數(shù)和裂縫壁表面積的詳細(xì)資料。該方法簡(jiǎn)單，適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，但它的精度較低。

2 頁(yè)巖氣藏水平井壓裂工藝技術(shù)

2.1 頁(yè)巖壓裂工藝特點(diǎn)

由于頁(yè)巖與常規(guī)砂巖不同，它具有基質(zhì)滲透率極低和裂縫十分發(fā)育的特點(diǎn)，因此，頁(yè)巖氣井的壓裂一般具有大規(guī)模、大排量和低砂比的特點(diǎn)(表1)。

表1 美國(guó)頁(yè)巖的壓裂施工平均參數(shù)

頁(yè)巖地層整個(gè)裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一直隨著注入液量的增加而增加(圖3)[11]，因此，頁(yè)巖氣井需要使用大型壓裂工藝技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)量。

圖3 Barnett頁(yè)巖裂縫網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度與注入液量的關(guān)系圖

2.2 頁(yè)巖氣藏水平井壓裂技術(shù)

隨著頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的深入，水平井和水平井分段壓裂技術(shù)已成為頁(yè)巖氣藏有效開(kāi)發(fā)的主體技術(shù)。

(1) 水平井多級(jí)可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)特點(diǎn)是套管壓裂、多段分簇射孔和可鉆式橋塞封隔。它是射孔和坐封橋塞聯(lián)作，壓裂結(jié)束后可短時(shí)間鉆掉所有橋塞，節(jié)省了作業(yè)時(shí)間和成本，從而減小液體在地層的滯留時(shí)間和對(duì)地層的傷害。

(2) 水平井多級(jí)滑套封隔器分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)與投球壓差式封隔器原理相同，通過(guò)井口落球系統(tǒng)操控滑套，具有作業(yè)時(shí)間短和成本低的優(yōu)點(diǎn)。它采用工具或壓力坐封的機(jī)械式封隔器，因此具有工藝復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)大和多次下入工具串的缺點(diǎn)。

(3) 水平井膨脹式封隔器分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)原理是遇油/水膨脹封隔器被下入井底預(yù)定位置后，遇油氣或水后快速膨脹至井壁后繼續(xù)膨脹而產(chǎn)生接觸應(yīng)力，緊貼井壁密封，從而實(shí)現(xiàn)分層分段。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有可靠性高、成本和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低、壓裂后能很快轉(zhuǎn)入試油投產(chǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)外頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)發(fā)中。

(4) 水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)是綜合射孔、壓裂、封隔為一體的新型增產(chǎn)改造技術(shù)。它利用水力噴射工具來(lái)分段壓裂，無(wú)需封隔器和橋塞等封隔工具，自動(dòng)封堵且準(zhǔn)確。它可實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓裂，優(yōu)點(diǎn)有施工時(shí)間少、成本低、射孔定位準(zhǔn)、壓裂針對(duì)性強(qiáng)和對(duì)改造層段控制性高。

(5) 水平井多井同步壓裂技術(shù)

該技術(shù)是在兩口或更多相鄰井之間同時(shí)用多套車(chē)組進(jìn)行分段多簇壓裂，或在相鄰井之間進(jìn)行拉鏈?zhǔn)浇惶鎵毫?，讓?yè)巖地層承受更高的壓力，增強(qiáng)鄰井間的應(yīng)力干擾，從而產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，進(jìn)而改變近井地帶的應(yīng)力場(chǎng)[12]。這種復(fù)雜縫網(wǎng)依靠增加裂縫密度和裂縫壁面表面積來(lái)增加SRV和提高產(chǎn)量。

(6) 超高導(dǎo)流能力壓裂新技術(shù)

該技術(shù)是在頁(yè)巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它在設(shè)計(jì)思路、應(yīng)用材料和泵注工藝上與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)都有很大區(qū)別。該技術(shù)中，真正提供導(dǎo)流能力的不是支撐劑本身而是各個(gè)支撐劑堆間無(wú)支撐劑充填的超高導(dǎo)流通道。它使用高黏壓裂液及可溶性纖維把支撐劑緊裹起來(lái)，并采用多段注入低黏隔離液來(lái)形成超高導(dǎo)流通道，其優(yōu)點(diǎn)還包括低凈壓力、高施工可操作性及高安全性等。

3 頁(yè)巖氣藏壓裂材料

3.1 壓裂液

頁(yè)巖地層和常規(guī)地層類(lèi)似，需要與儲(chǔ)層相配伍的成本和效益兼顧的液體。目前頁(yè)巖最常見(jiàn)的流體體系是中性低濃度線性凝膠減阻水[13]。減阻水是一種水基壓裂液，它具有低傷害、低摩阻、低成本、易形成復(fù)雜縫網(wǎng)、易返排、易回收及環(huán)境污染小等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是由于粘度極低而導(dǎo)致的支撐劑運(yùn)輸性能較差和泵入寬度較窄。近來(lái)活性流體的使用促進(jìn)了水基壓裂的使用。壓裂液要根據(jù)儲(chǔ)層條件和性質(zhì)來(lái)選擇，巖石從高滲塑性變化到低滲脆性時(shí)壓裂液選擇要發(fā)生變化(圖4)[14]。

3.2 支撐劑

支撐劑也是頁(yè)巖壓裂的重要組成部分。支撐劑通常是顆粒材料，它與壓裂液混合來(lái)?yè)伍_(kāi)或保持所創(chuàng)建的裂縫，使氣體流向井筒。頁(yè)巖壓裂施工中所使用的支撐劑大致分為以下兩種：

圖4 壓裂液隨巖性的變化規(guī)律

(1) 常規(guī)支撐劑

由于減阻水?dāng)y帶支撐劑的能力很低，使用30/50目和20/40目砂時(shí)，只有部分裂縫具有較高的導(dǎo)流能力，因此開(kāi)始采用40/80目輕質(zhì)陶瓷和100目砂，這樣可以增加運(yùn)輸距離和橋接裂縫，從而增加縫網(wǎng)密度。在一些壓力較高的井中也經(jīng)常使用40/70目、30/50目和100目的中型密度陶粒。

(2) 非常規(guī)支撐劑

非常規(guī)支撐劑是由樹(shù)脂涂層的多孔陶瓷、核桃殼、熱塑性塑料、納米復(fù)合材料、聚合物和其它樹(shù)脂或塑料組成。其密度大多低于常規(guī)支撐劑，有多種尺寸并可利用部分單層優(yōu)勢(shì)，但它在高閉合壓力下易產(chǎn)生變形[13]。超輕型支撐劑(ULWP)具有粒度高、比重低、密度小和可利用部分單層優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于頁(yè)巖壓裂。ULWP密度較小，沉降速度緩慢，因此被壓裂液向縱向和橫向輸送的距離更遠(yuǎn)。ULWP受壓易變形，從而導(dǎo)致溫度和閉合壓力過(guò)高，這一點(diǎn)限制了其在中深井中的應(yīng)用[15]。頁(yè)巖壓裂常用的另一種非常規(guī)支撐劑是覆膜砂支撐劑，它包括樹(shù)脂、中強(qiáng)度陶瓷和高強(qiáng)度支撐劑如燒結(jié)陶粒鋯氧化物等，常用于頁(yè)巖壓裂的最后階段，以阻止支撐劑回流和維持近井滲透[16]。在壓裂過(guò)程中，要根據(jù)支撐劑的運(yùn)輸性能和裂縫復(fù)雜性來(lái)正確選擇適當(dāng)?shù)闹蝿┗蛑蝿┙M合。

4 頁(yè)巖氣藏壓裂實(shí)施與評(píng)價(jià)

壓裂評(píng)價(jià)對(duì)于壓裂的實(shí)施是一項(xiàng)重要的工作。壓裂分析包括：小型壓裂分析、壓裂模擬、壓后分析以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等。壓裂效果可用儲(chǔ)層改造體積SRV來(lái)表征，用微地震和油藏?cái)?shù)值模擬方法來(lái)評(píng)價(jià)[17]。SRV、縫間距、導(dǎo)流系數(shù)和凈壓力對(duì)于壓裂井評(píng)價(jià)都非常重要。微裂縫測(cè)繪結(jié)果表明，SRV與縫網(wǎng)規(guī)模、復(fù)雜性和裂縫比例正相關(guān)，凈壓力與有效改造體積成正比。增加SRV和橫向縫間距的措施包括增加側(cè)向長(zhǎng)度和方向、施工規(guī)模、級(jí)數(shù)、射孔群集、技術(shù)轉(zhuǎn)移和裸眼完井系統(tǒng)等的優(yōu)化[18，19]。

4.1 裂縫的監(jiān)測(cè)

頁(yè)巖開(kāi)發(fā)是通過(guò)建立一個(gè)長(zhǎng)而寬的裂縫通道來(lái)連通大量非常復(fù)雜的裂縫網(wǎng)，從而增大泄油面積。綜合裂縫診斷技術(shù)(微地震和地面與井下裂縫測(cè)斜技術(shù)相結(jié)合)是評(píng)價(jià)微地震數(shù)據(jù)和分析人工縫網(wǎng)特征的新方法。它監(jiān)測(cè)的裂縫參數(shù)包括裂縫的幾何形狀、長(zhǎng)、高、方位角、SRV和裂縫組合(表2)。

表2 不同技術(shù)可測(cè)量的裂縫幾何尺寸

注：×為不能監(jiān)測(cè)的，√為可以監(jiān)測(cè)的

微震監(jiān)測(cè)分為同井監(jiān)測(cè)和鄰井監(jiān)測(cè)，其原理是通過(guò)在鄰井放置多個(gè)檢波器來(lái)記錄在裂縫起裂和閉合過(guò)程中所發(fā)生的微地震響應(yīng)，以確定水力裂縫分布，由此計(jì)算SRV和預(yù)測(cè)壓裂后產(chǎn)量。

4.2 壓裂液、支撐劑和裂縫導(dǎo)流能力的監(jiān)測(cè)

壓裂液需定期監(jiān)測(cè)以確保流體所需的性質(zhì)。流體監(jiān)測(cè)參數(shù)包括粘度、結(jié)晶度、硼含量和pH值[20]。

放射性標(biāo)記的支撐劑通常用來(lái)評(píng)價(jià)支撐劑的鋪置位置，評(píng)估完井性能和水泥質(zhì)量，并分辨化學(xué)示蹤劑井和計(jì)算各階段回流的百分比。微震測(cè)繪圖能描述各種支撐劑的分布，100目砂由于沉降速度小于40/70目和20/40目砂，因此常被傳輸?shù)竭h(yuǎn)離井筒的位置，而40/70目和20/40目砂則分布在井筒較近位置。

裂縫導(dǎo)流能力是壓裂實(shí)施評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，裂縫分為未支撐和部分支撐裂縫。如果裂縫面一致，未支撐裂縫在閉合壓力超過(guò)3kPa時(shí)導(dǎo)流能力很低；如果裂縫面不一致或有剪切偏移，則部分裂縫會(huì)被砂粒支撐，成為部分支撐裂縫，導(dǎo)流能力大大改善[21]。然而如果只是單個(gè)粒子部分支撐，那么砂支撐劑在高應(yīng)力下容易粉碎；如果是高強(qiáng)度支撐劑(如燒結(jié)鋁土礦)支撐，那么裂縫網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)流能力將顯著提高[17]。

4.3 裂縫參數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性

縫網(wǎng)總長(zhǎng)度是施工過(guò)程中形成的裂縫段總長(zhǎng)度之和。測(cè)繪資料表明，縫網(wǎng)總長(zhǎng)度與流體體積正相關(guān)，縫網(wǎng)寬度與井產(chǎn)量正相關(guān)。氣體開(kāi)采指數(shù)隨縫間距的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，最終趨于定值[21]。因此，要提高開(kāi)采指數(shù)不能一味增加縫間距，而是要取一個(gè)最優(yōu)值。裂縫導(dǎo)流能力與累積氣量的關(guān)系類(lèi)似于氣體開(kāi)采指數(shù)與縫間距的關(guān)系。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 頁(yè)巖氣井壓裂一般具有大規(guī)模、大排量、大砂量和低砂比的特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)大型壓裂措施，獲得復(fù)雜縫網(wǎng)，增大改造體積，從而有效地提高產(chǎn)量。

(2) 頁(yè)巖地層的滲流機(jī)理、縫網(wǎng)形成與延伸機(jī)理、支撐劑鋪置與導(dǎo)流能力優(yōu)化、施工監(jiān)測(cè)與解釋等基礎(chǔ)理論還有待完善，超低密度支撐劑和活性水等新型高性能高效壓裂材料也需進(jìn)一步研究。

(3) 縫網(wǎng)壓裂中，氣體開(kāi)采指數(shù)隨縫間距的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，最終趨于定值。因此，要提高開(kāi)采指數(shù)不能一味增加縫間距，而是要取一個(gè)最佳值。

(4) “水平井+多段壓裂”是目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)，因此要對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，包括頁(yè)巖氣水平井分段壓裂地質(zhì)特征評(píng)價(jià)、壓裂選段及射孔參數(shù)優(yōu)化、測(cè)試壓裂設(shè)計(jì)與解釋方法、壓裂施工監(jiān)測(cè)和解釋及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(5) 減阻水壓裂的優(yōu)點(diǎn)是改變了以往通過(guò)交聯(lián)凍膠來(lái)延長(zhǎng)裂縫以達(dá)到增加產(chǎn)量和減小地層傷害的手段。缺點(diǎn)是粘度極低、運(yùn)輸支撐劑性能較差和泵入寬度較窄。同步壓裂的特點(diǎn)是同時(shí)在2口或2口以上的井壓裂，適用于開(kāi)發(fā)中后期井眼密集時(shí)的壓裂作業(yè)。水力噴射壓裂的優(yōu)點(diǎn)是不受完井方式的限制，可在各種完井結(jié)構(gòu)的水平井中實(shí)現(xiàn)壓裂，缺點(diǎn)是受壓裂井井深和加砂規(guī)模的限制。重復(fù)壓裂優(yōu)點(diǎn)是能夠有效改善單井的產(chǎn)量和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特性，它不但可以用來(lái)恢復(fù)低產(chǎn)井的產(chǎn)能，而且適用于提高產(chǎn)量相對(duì)較高井的產(chǎn)量。

(6) 減阻水壓裂作業(yè)成本低、地層傷害小，是目前適用于中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的技術(shù)，我們要結(jié)合縫網(wǎng)壓裂技術(shù)對(duì)其作進(jìn)一步的研究，包括縫網(wǎng)壓裂機(jī)理、裂縫擴(kuò)展模式、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與診斷方法、壓后產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法等的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

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