秦文凱 (中石油大慶油田有限責任公司大慶鉆探工程公司地質錄井一公司,黑龍江大慶 163411)

頁巖儲層特征與儲層破裂特征研究

秦文凱 (中石油大慶油田有限責任公司大慶鉆探工程公司地質錄井一公司,黑龍江大慶 163411)

分析了頁巖氣儲層差異,與致密氣、煤層氣對比,頁巖氣在儲層特性、滲流機理、賦存形態(tài)、儲量方面存在差異;在此基礎上從頁巖儲層微觀結構、頁巖氣賦存形態(tài)、滲流機理及天然裂縫等方面進一步闡述了頁巖儲層特征。針對頁巖儲層的特點,需改變傳統(tǒng)造長縫的壓裂理念轉變?yōu)樾纬煽p網的壓裂理念;探討了頁巖儲層中巖石破裂特征,對產能優(yōu)化方面總結了與不同脆性程度相適應的壓裂液體系及支撐劑濃度;針對國內頁巖開發(fā)現狀提出展望,對我國頁巖氣研究與開發(fā)具有一定的指導意義。

頁巖氣;儲層差異;儲層特征;巖石破裂特征;壓裂液;支撐劑

據中國國土資源部發(fā)布的《全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區(qū)優(yōu)選》,中國頁巖氣地質資源儲量為134×1012m3,可采資源潛力為25.08×1012m3,顯示出中國頁巖氣資源開發(fā)潛力巨大。目前,在我國頁巖氣勘探開發(fā)處于起步階段和理論探索階段,需要加強對我國頁巖儲層特征的研究。為此,筆者通過文獻調研總結了頁巖儲層特征,并分析了頁巖儲層的破裂特征,研究了頁巖儲層破裂與儲層壓裂之間的關系,通過這些研究針對我國頁巖氣藏儲層改造技術提出了幾點建議。

1 頁巖氣儲層差異

非常規(guī)油氣資源包括致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣。這3類非常規(guī)油氣藏的物性參數、地質特征、天然氣賦存機理、油氣藏成藏機理、儲量等方面都存在較大差異,這些因素都將影響壓裂工藝、壓裂液體系及支撐劑的選擇。3種非常規(guī)油氣藏儲層特性[1-7]對比表如表1所示,從表1中可看出頁巖儲層的特殊性,在頁巖氣藏的開發(fā)中不可照搬現有的機理研究模式和壓裂理念。

表1 非常規(guī)油氣藏儲層特性對比表

2 頁巖儲層特征

2.1 頁巖微觀結構

頁巖儲層中存在2種孔隙介質:微孔隙和納米孔隙,這2種孔隙介質包括粒內孔和粒間孔。微孔隙存在于富含二氧化硅的泥質及黃鐵礦物中(見圖1),納米孔隙分布于有機物和富含粘土的泥巖中(見圖2)。粒間納米孔隙較少發(fā)現,粒內納米孔隙大量分布于礦物顆粒中,具有橢圓狀和氣泡狀,橢圓狀納米孔隙通過吼道相連。研究人員對Barnett地區(qū)頁巖地層中孔隙直徑統(tǒng)計發(fā)現,納米孔隙直徑在5～600nm范圍內,其中大部分分布在100nm附近[8]。

圖1 硅化礦物中的微孔隙

圖2 有機物中的納米孔隙

2.2 頁巖氣的賦存形態(tài)

頁巖氣分為游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)。游離氣存在于巖石顆粒孔隙和裂縫中;吸附氣通過范德瓦耳斯力賦存在有機質顆粒、粘土礦物、干酪根顆粒以及孔隙表面;溶解氣是指頁巖氣溶解于干酪根、瀝青質、殘留水以及液態(tài)原油中[9]。其中,游離氣和吸附氣占主要位置,而溶解氣僅少量存在。吸附氣量與干酪根類型,有機質成熟度、豐度、地層壓力、溫度、頁巖中礦物組分有關。泥質含量越高,吸附能力越強;當含有碳酸鹽、白云石礦物時,吸附能力顯著降低。美國Barnett頁巖儲層中在石英含量為45%地層中獲得最高的產量,表明頁巖儲層中吸附氣含量與礦物組分有關。

2.3 頁巖氣滲流機理

頁巖氣在地層中滲流分為游離氣階段(在壓后初期,人工裂縫和天然裂縫與井筒溝通,形成一定范圍的壓降漏斗,游離氣在壓降作用下流向井筒)和解吸階段(隨著游離氣的開采,壓降度增大,吸附于有機物表面及孔隙表面上的頁巖氣發(fā)生解吸,導致濃度差的產生,游離氣在濃度差作用下以擴散方式運移[10])。

1)吸附模型 Langmuir單分子層吸附模型常用來表征壓力與吸附量的關系,但吸附量還與溫度有關,Bi-Langmuir模型考慮了溫度和壓力對吸附的影響。Langmuir模型的假設條件是吸附劑表面均勻,吸附分子間無相互作用力及單分子層定位吸附,BET多分子層吸附理論也可解釋吸附現象,但忽略分子間側向內聚力[11]。這些平衡吸附模型都過于簡化,不能準確表征游離態(tài)及吸附態(tài)之間的動力學,同時由于孔隙結構非均值性,導致解吸速度比吸附速度更慢,即出現解吸滯后現象[12],所以應考慮孔隙分形特性,多層吸附等特點,建立更為合適的吸附解吸模型。

圖3 天然裂縫中礦物充填層

2)擴散方程 開采頁巖氣時,儲層壓力降低,基質壁面吸附氣發(fā)生解吸,導致基質表面與基質內部存在濃度差,使得基質內部頁巖氣以擴散方式運移至壁面。根據努森擴散kn=d/λ(d為孔隙的直徑,λ為分子的平均自由程),可將擴散分為3種類型:菲克擴散(kn≥10)、諾森擴散(kn≤0.1)和過渡型擴散(0.1＜kn＜10)[13]。頁巖基質中存在大量納米孔隙,孔隙直徑范圍5～1000nm,甲烷氣體平均自由行程為53nm,所以頁巖中存在諾森擴散[14-15]。

2.4 天然裂縫

頁巖地層中天然裂縫發(fā)育,其部分被方解石,石英等礦物充填(見圖3)。由于天然裂縫中的方解石膠結物覆蓋于非碳酸鹽礦物顆粒表面,不會在膠結物和裂縫壁面之間形成晶體鍵,導致天然裂縫強度較低,因此天然裂縫在壓裂時會重新開啟。國外文獻表明人工裂縫與天然裂縫相遇時會出現3種情形:人工裂縫穿過天然裂縫;人工裂縫沿天然裂縫延伸并在其尖端穿出;人工裂縫沿天然裂縫延伸一段距離后在其中部穿出。F.W.Gale指出大面積溝通天然裂縫將會獲得更高采收率,因此對頁巖儲層進行壓裂改造前應通過成像測井資料掌握儲層的裂縫和孔隙發(fā)育、分布情況,采取適當的射孔方式和壓裂方式盡可能多地溝通有機物基質及天然裂縫,提高頁巖氣產量[16]。

3 頁巖地層破裂特征

常規(guī)儲層或致密砂巖的壓裂理念是在平面上改善儲層滲流能力和縱向上提高儲層剖面動用程度及有效性,其主要目的是形成長縫,而頁巖儲層的壓裂理念主要基于能形成大范圍的解吸區(qū)域,其壓裂出發(fā)點主要有2點:在縱向和橫向上形成復雜的裂縫網絡,擴大頁巖氣解吸區(qū)域體積;大排量的方式向地層泵入大量壓裂液,促進其在天然裂縫中的濾失,使天然裂縫重啟。

頁巖地層中壓裂會出現3種裂縫:張性裂縫、剪切裂縫和混合張剪裂縫。張性裂縫在支撐劑有效支撐的情況下具有一定的導流能力,剪切裂縫是由于裂縫壁面發(fā)生錯動產生的,在無支撐劑充填的情況下也能提供氣體滲流通道,但在井筒周圍形成的支撐裂縫或天然裂縫的閉合應力較遠處更大,因此在無支撐劑充填的情況下不能形成游離氣滲流通道。

所以,頁巖儲層中不再是簡單的張性破壞,而存在剪切、滑移等復雜的力學行為。常規(guī)儲層中裂縫擴張模型都是基于線彈性斷裂力學,而頁巖中在考慮線彈性和彈性裂縫變形及就地應力場的基礎上,使用分形理論反演天然裂縫網絡,建立裂縫剪切擴展模型[17-19]。

研究表明,在脆性程度越高(即脆性指數越大)的頁巖儲層進行壓裂形成的是復雜裂縫網絡,脆性程度越高,形成的裂縫網絡越密集,裂縫凈壓力越小,裂縫寬度越小,這會限制加砂量,大規(guī)模加砂或造成砂堵,因此針對該類儲層建議使用縫網壓裂方式。脆性頁巖是最理想頁巖地層,但部分泥質含量較高的頁巖地層中脆性因素降低,塑性程度增加,使裂縫形態(tài)由裂縫網絡逐漸向T型裂縫、多裂縫、對稱雙翼縫轉變。在該裂縫形態(tài)前提下,在橫向上形成一定解吸帶。同時在高閉合應力下塑性頁巖地層中易發(fā)生支撐劑嵌入現象,對該類儲層壓裂可適當提高砂比,形成較高鋪砂濃度,降低因嵌入引起導流能力下降。一般而言,根據頁巖儲層的脆性程度,改造時選擇壓裂液體系和支撐劑濃度可參考表2。

4 中國頁巖氣儲層改造技術的幾點建議

1)借助國外超低滲透率測試理念和技術,制定適合我國頁巖儲層滲透率測試方法及相關的標準,形成具有自主知識產權的測試技術。

2)研究頁巖儲層巖石的破裂特征,基于該破裂特征提出適合頁巖巖石的本構方程,并提出適合頁巖的強度準則,將促進頁巖儲層的壓裂改造技術的革新。

3)加大對脆性頁巖地層中形成復雜裂縫網絡的研究,開展大量基礎實驗工作,深化頁巖儲層基礎研究,提出頁巖儲層形成復雜裂縫網絡的關鍵因素或主要因素。

4)頁巖儲層壓裂中支撐劑的嵌入導致支撐劑與裂縫壁面存在裂縫面表皮系數,將降低基質中氣體向支撐裂縫滲流,應研究頁巖中支撐劑沉降及鋪置方式,提高基質向裂縫供氣的能力及裂縫導流能力。

5)國外學者提出頁巖儲層可實施高能氣體壓裂,在井眼周圍形成大量微裂縫,該技術可用于脆性頁巖儲層改造。基于高能氣體壓裂優(yōu)點,可研究和其他壓裂技術(如清水壓裂)相結合,使形成復雜的裂縫網絡,提高裂縫網絡的區(qū)域。

6)加大跟蹤調研國內外水平井鉆完井及壓裂改造技術發(fā)展動向,緊跟國外壓裂技術發(fā)展趨勢,根據我國頁巖儲層實際的地質特征,在此基礎上結合國外先進壓裂技術,提出適合我國頁巖儲層的壓裂技術及壓裂施工工藝,以便加快我國頁巖氣藏的開發(fā)。

7)頁巖壓裂成本較高,應大力開展返排液回收及再利用技術,降低成本,保護環(huán)境。

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[編輯] 洪云飛

TE122.1

A

1673-1409(2014)32-0019-04

2014-07-19

秦文凱(1982-),男,工程師,現主要從事錄井油氣水層解釋評價方面的研究工作。