李華彥 杜建芬 汪周華 李立健 畢研鵬 管奕婷

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

1 頁(yè)巖氣概述

頁(yè)巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣，在頁(yè)巖氣藏中，頁(yè)巖地層既是氣源巖也是儲(chǔ)層及蓋層［1］，它是產(chǎn)自極低滲透率、富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖地層中的天然氣。頁(yè)巖氣藏是以富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為氣源巖、儲(chǔ)層或蓋層，在頁(yè)巖地層中不間斷供氣、連續(xù)聚集而形成的一種非常規(guī)天然氣藏。

頁(yè)巖氣是指在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地層中，主要以吸附、游離狀態(tài)為主要方式存在并富集的天然氣。它是天然氣生成以后直接儲(chǔ)存在富有機(jī)質(zhì)的烴源巖層內(nèi)，具有“原地”成藏的特點(diǎn)。頁(yè)巖氣主體上以游離相態(tài)(大約50%)存在于裂縫、孔隙及其他儲(chǔ)集空間中［2］，吸附狀態(tài)(大約50%)存在于干酪根、黏土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)存儲(chǔ)于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。頁(yè)巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，其特殊的賦存方式使之不受構(gòu)造因素控制，因此，有人把它歸屬為“連續(xù)性氣藏”［3］。

2 低滲透地層水平井多級(jí)壓裂

水平井多級(jí)壓裂［4］已成為頁(yè)巖氣商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)水平，它的主要目的是在超低滲地層條件系，通過(guò)水平井多條橫向裂縫增加與地層的接觸面積(圖1)，選擇合適的裂縫導(dǎo)流能力，從而提高頁(yè)巖氣的采收率。

從圖1可以看出，多級(jí)橫向裂縫與儲(chǔ)層接觸面積最大，幾乎貫穿整個(gè)油氣藏，而且在經(jīng)濟(jì)開采條件下，多級(jí)橫向裂縫所需的地層滲透率最低，因此，水平井多級(jí)壓裂技術(shù)用于低滲透率頁(yè)巖氣藏開發(fā)效果更好。

圖1 裂縫與儲(chǔ)層接觸面積、地層滲透率關(guān)系圖

3 頁(yè)巖氣水平井壓裂動(dòng)態(tài)研究

3.1 水平井井筒周圍地應(yīng)力分布研究

原始地層應(yīng)力系統(tǒng)主要由3個(gè)相互垂直的地應(yīng)力構(gòu)成，即上覆地層產(chǎn)生的垂向上的應(yīng)力σv、水平方向的最大水平地應(yīng)力σH和最小水平地應(yīng)力σh。原始應(yīng)力場(chǎng)和誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)如圖2所示。

圖2 在誘導(dǎo)應(yīng)力下初始裂縫的地應(yīng)力分布

通過(guò)對(duì)誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)和原始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行疊加，可以獲得初始裂縫狀態(tài)下的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)。依據(jù)疊加的原理，水平井井壁處的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)為:

在井筒的剖面上可以建立垂直于井筒截面的柱坐標(biāo)系，以此分析井壁處應(yīng)力分布狀態(tài)。

在水力壓裂過(guò)程中［5］，巖石起裂的方式主要是拉伸斷裂。依據(jù)巖石的拉伸破裂準(zhǔn)則，如果巖石受到的有效拉應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度，巖石將會(huì)發(fā)生斷裂。換句話說(shuō)，巖石在水壓力的驅(qū)動(dòng)下將產(chǎn)生微裂縫的萌生、擴(kuò)展、貫通，最后直到宏觀裂縫的產(chǎn)生。垂直地應(yīng)力σy、最大水平地應(yīng)力σH1、最小水平地應(yīng)力σH2三者的相對(duì)大小關(guān)系是裂縫起裂的位置和其方位的影響因素之一，同時(shí)井眼軸線位置和巖石的力學(xué)性質(zhì)也對(duì)其有影響。根據(jù)油氣藏埋深范圍，地應(yīng)力分量大小的一般順序?yàn)棣襳＞σH1＞σH2，σH1＞σv＞σH2，σH1＞σH2＞σv。

結(jié)合巖石力學(xué)和油氣藏工程技術(shù)對(duì)水平井壓裂方案進(jìn)行優(yōu)化，具有重要的意義。在低滲透地層和滲透率各向異性的地層，水平井壓裂技術(shù)是一種較好的增產(chǎn)措施。

3.2 裂縫形態(tài)研究

一口水平井實(shí)際壓裂后產(chǎn)生哪一種形態(tài)的裂縫，主要取決于井筒軸線方位與地應(yīng)力方位的相互關(guān)系，可能形成橫向、縱向或轉(zhuǎn)向縫等多種形態(tài)［6］(圖3)。

圖3 水平井水力裂縫形態(tài)

壓裂施工作業(yè)中，如果需要壓開垂直地層的縱向裂縫，就應(yīng)使水平井的井軸垂直于地層最小的主應(yīng)力方向。如果要壓開平行于地層的橫向裂縫，就應(yīng)使水平井的井軸向著地層最小的主應(yīng)力方向。這樣會(huì)使裂縫起裂的時(shí)候相對(duì)容易，不易產(chǎn)生裂縫的轉(zhuǎn)向和扭曲［7］。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不論近井眼處的裂縫怎樣起裂，隨著裂縫不斷延伸至遠(yuǎn)處時(shí)都將轉(zhuǎn)向沿著垂直地層的最小的主應(yīng)力方向。由此可見，水平井由壓裂工藝壓開的水力裂縫通常會(huì)和水平井段形成一定的夾角，若裂縫的起裂方向和裂縫的延伸的方向不相同時(shí)，在延伸的過(guò)程中裂縫就會(huì)相對(duì)復(fù)雜，例如出現(xiàn)的裂縫扭曲和轉(zhuǎn)向，這兩種裂縫應(yīng)盡量避免。

3.3 裂縫參數(shù)優(yōu)化

在水平井壓裂過(guò)程中，裂縫的參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題是決定壓裂效果好壞的關(guān)鍵，而裂縫的導(dǎo)流能力［8］是溝通井筒跟地層的重要參數(shù)，因此，選擇合適的裂縫導(dǎo)流能力對(duì)于水平井多級(jí)壓裂技術(shù)提高低滲氣藏采收率起著至關(guān)重要的作用。

由圖4可以看到，如果水平壓力井的優(yōu)化目標(biāo)是采出程度的話，對(duì)于某一給出的裂縫導(dǎo)流能力就會(huì)存在一個(gè)最優(yōu)范圍的縫長(zhǎng)比。當(dāng)縫長(zhǎng)比超出該范圍時(shí)，采出程度就會(huì)隨著縫長(zhǎng)比的增加反而降低;若縫長(zhǎng)比一定時(shí)，裂縫導(dǎo)流能力就會(huì)存在一個(gè)最優(yōu)的范圍，超出這個(gè)范圍時(shí)，采出程度就會(huì)隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加而增幅逐漸減小。裂縫導(dǎo)流能力的增加會(huì)使壓裂過(guò)程中的加砂量也隨之增加，勢(shì)必導(dǎo)致施工成本的增加。因此，在水平井壓力工藝的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該選擇合適的裂縫導(dǎo)流能力，這樣不但可以較好地發(fā)揮壓裂井的潛能，還可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益［9］。

圖4 縫長(zhǎng)比和導(dǎo)流能力優(yōu)化曲線

3.4 垂直裂縫的水平井滲流機(jī)理

水平井的壓裂技術(shù)的滲流機(jī)理不同于原來(lái)普通的水平井，它是將其流體的徑向滲流模式改為了線性滲流的模式，從而實(shí)現(xiàn)了水平壓裂井的增產(chǎn)增注的效果。

徑向流的滲流模式特點(diǎn)是流線向井高度集中，并且井底的滲流阻力大，而線性流的滲流模式特點(diǎn)是流線平行于裂縫的壁面，其滲流阻力較徑向流要小得多。在開發(fā)過(guò)程中水平井壓裂技術(shù)可以使近井筒地帶流體的滲流方式發(fā)生改變，同時(shí)增加了泄油氣面積，提高了掃油氣效率，最終提高了氣井的單井產(chǎn)氣量和采收率。

4個(gè)滲流階段分別為:裂縫附近線性流動(dòng)階段(第一線性流);垂直裂縫井?dāng)M徑向流動(dòng)(第一徑向流);水平井線性流動(dòng)階段(第二線性流);水平井?dāng)M徑向流動(dòng)(第二徑向流)。各滲流階段如圖5所示。

圖5 4個(gè)滲流階段示意圖

4 頁(yè)巖氣水平井壓裂產(chǎn)能影響因素分析

(1)裂縫形態(tài)的影響。不同的水力裂縫形態(tài)會(huì)直接影響到壓裂后的生產(chǎn)效果。通過(guò)考察橫向裂縫和縱向裂縫兩種裂縫形態(tài)對(duì)壓后產(chǎn)量的影響，認(rèn)為當(dāng)儲(chǔ)層的有效滲透率小于5×10－3μm2時(shí)，儲(chǔ)層形成橫向裂縫時(shí)的效果要比縱向裂縫的效果好;當(dāng)儲(chǔ)層的有效滲透率大于5×10－3μm2時(shí)，儲(chǔ)層形成縱向裂縫時(shí)的效果要比橫向裂縫的效果稍好些。因此，需要根據(jù)儲(chǔ)層的滲透率來(lái)確定水平井的井眼軌跡方向，若儲(chǔ)層的物性稍好，則儲(chǔ)層需沿著地層最大主應(yīng)力的方位布井，反之則沿地層最小主應(yīng)力布井。

(2)裂縫長(zhǎng)度的影響。隨著裂縫長(zhǎng)度的增加，氣井產(chǎn)氣量會(huì)隨之增大，但當(dāng)氣井產(chǎn)氣量增大到一定程度之后增加幅度就會(huì)變小。對(duì)于油氣藏來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件下，當(dāng)裂縫的數(shù)量、地層滲透率以及裂縫的導(dǎo)流能力等參數(shù)一定時(shí)，存在一個(gè)最佳裂縫長(zhǎng)度。

(3)裂縫條數(shù)的影響。不同的裂縫條數(shù)對(duì)壓裂水平井產(chǎn)量的影響也是不同的。隨著裂縫條數(shù)的不斷增多，壓裂水平井的產(chǎn)量也會(huì)不斷增大;在相同的時(shí)間里，當(dāng)裂縫的條數(shù)相對(duì)較少時(shí)，單井產(chǎn)量的增加幅度就會(huì)相對(duì)較大;當(dāng)裂縫的條數(shù)相對(duì)較多時(shí)，單井產(chǎn)量的增加的幅度就會(huì)減小。這是由于隨著裂縫條數(shù)的不斷增加，就會(huì)導(dǎo)致地層壓力的下降幅度大，從而使各裂縫間產(chǎn)生的干擾作用就會(huì)相對(duì)嚴(yán)重，這樣就導(dǎo)致各裂縫的產(chǎn)出量減小;所以，隨著裂縫條數(shù)的不斷增多，單井產(chǎn)量增加的數(shù)量也會(huì)越來(lái)越小。對(duì)某一個(gè)具體的頁(yè)巖氣藏，應(yīng)該存在著一個(gè)最優(yōu)的裂縫條數(shù)，在保證頁(yè)巖氣藏高效開發(fā)的同時(shí)獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)裂縫間距的影響。裂縫的間距對(duì)于水平井壓裂產(chǎn)量具有明顯影響。當(dāng)兩條裂縫離得很近時(shí)，其相互的干擾就會(huì)隨之加劇，同時(shí)在它們之間就會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)，這個(gè)低壓區(qū)的存在導(dǎo)致其中采出的油氣量大幅度減少，當(dāng)裂縫孔隙中所含的油氣達(dá)到束縛油氣飽和度時(shí)，就不再有油氣向著裂縫流動(dòng)。因此選擇適當(dāng)?shù)牧芽p間距對(duì)提高頁(yè)巖氣的采收率很重要。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上分析認(rèn)為:

(1)頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)天然氣，它的開發(fā)主要取決于水平井與壓裂技術(shù)的結(jié)合。

(2)水平井多級(jí)壓裂技術(shù)適用于低滲氣藏，并且可以增加與地層的接觸面積。

(3)為了壓開縱向裂縫，水平井井軸應(yīng)向著垂直于最小主應(yīng)力的方向;為了壓開橫向裂縫，水平井井軸應(yīng)向著最小主應(yīng)力的方向。

(4)水平井壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的導(dǎo)流能力，這樣不但能較好地發(fā)揮壓裂井的潛能，而且還能獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)影響水平井壓裂產(chǎn)能因素有很多，應(yīng)結(jié)合地層的物性參數(shù)選擇合適的裂縫形態(tài)、長(zhǎng)度、數(shù)量、間距等，以保證氣藏高效的開發(fā)。

［1］李武廣，楊勝來(lái)，殷丹丹，等.頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)與策略綜述［J］.天然氣與石油，2011，29(1):34 －37.

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