趙金洲 任 嵐 沈 騁 李勇明

“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)

1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

從全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量領(lǐng)先國(guó)家的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀可見(jiàn)（表1），受開(kāi)發(fā)成本、開(kāi)發(fā)技術(shù)和環(huán)境問(wèn)題的制約，目前僅美國(guó)、加拿大、中國(guó)和阿根廷率先實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣的商業(yè)開(kāi)發(fā)。我國(guó)頁(yè)巖氣的技術(shù)可采資源量為最大，但是，直至2016年底，頁(yè)巖氣年產(chǎn)量?jī)H78.82×108m3，與美國(guó)具有明顯的差距。同時(shí)，國(guó)內(nèi)威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通和焦石壩頁(yè)巖氣田或示范區(qū)頁(yè)巖氣生產(chǎn)井產(chǎn)量差異也很大[1]，近半數(shù)射孔簇不具備增產(chǎn)效果，這與頁(yè)巖壓裂工藝技術(shù)實(shí)施狀況存在著密切的關(guān)系。因此，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂理論技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新成為我國(guó)頁(yè)巖氣改造的核心戰(zhàn)略。為破解頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)瓶頸，借鑒北美地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)取得的成果與經(jīng)驗(yàn)[2-19]以及我國(guó)自2005年來(lái)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的探索與實(shí)踐認(rèn)識(shí)[20-39]，結(jié)合筆者的最新研究成果[40-61]，綜合分析頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)的可壓性、縫網(wǎng)擴(kuò)展理論與模擬、壓裂改造體積理論評(píng)價(jià)及應(yīng)用、新型壓裂工藝和壓裂液的研發(fā)等理論與技術(shù)方面的進(jìn)展，構(gòu)建并完善了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂理論與技術(shù)體系，以期為我國(guó)后續(xù)頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂關(guān)鍵技術(shù)

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層需通過(guò)水力壓裂改變井間、段間、簇間應(yīng)力擾動(dòng)程度，使縫網(wǎng)充分發(fā)育，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能[48]。水平井分段多簇壓裂、同步壓裂、拉鏈?zhǔn)綁毫押椭貜?fù)壓裂技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣成功商業(yè)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 水平井分段多簇壓裂技術(shù)

水平井分段多簇壓裂技術(shù)是目前頁(yè)巖氣壓裂改造的主體技術(shù)，通過(guò)分段多簇射孔實(shí)現(xiàn)多簇裂縫的應(yīng)力擾動(dòng)疊加，改善水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)，擴(kuò)大裂縫延伸區(qū)域，增大改造體積，實(shí)現(xiàn)35%單井采出率增量[6]?？紤]地質(zhì)特征的差異性，現(xiàn)場(chǎng)提出“一井一策，一段一策”的工藝優(yōu)化調(diào)整策略，對(duì)前置液階段、加砂階段以及中深層頁(yè)巖氣井技術(shù)難題提出對(duì)策，形成適應(yīng)國(guó)內(nèi)的分段多簇壓裂技術(shù)，大幅降低作業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 同步壓裂技術(shù)

基于水平井分段分簇單井壓裂的局限性，提出了同步壓裂技術(shù)，通過(guò)對(duì)2口或多口井同時(shí)進(jìn)行分段壓裂，提升井間縫網(wǎng)發(fā)育復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)最大化的改造體積，降低施工成本，縮短施工周期。該技術(shù)（包括拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)等）是平臺(tái)井組“工廠(chǎng)化”作業(yè)模式的實(shí)現(xiàn)手段之一（圖1），使得淺埋層單井（埋深小于3 500 m）的生產(chǎn)成本最大降低33%，施工時(shí)間最長(zhǎng)縮短196 d[1]。運(yùn)用該技術(shù)，北美Barnett頁(yè)巖、中石化涪陵焦石壩頁(yè)巖氣田分別實(shí)現(xiàn)了1.62和2.36倍產(chǎn)量的提升（圖2）。

2.3 拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)

拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)與同步壓裂技術(shù)以及“德州兩步跳”壓裂技術(shù)類(lèi)似，施工周期短，應(yīng)力擾動(dòng)疊加范圍大，差異在于對(duì)鄰井或多井之間分段壓裂的順序呈拉鏈?zhǔn)竭M(jìn)行[31]（圖1）。中石油長(zhǎng)寧H3平臺(tái)H3-1、H3-2井，中石化涪陵JY30平臺(tái)、JY33平臺(tái)運(yùn)用拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)，相比單井壓裂模式已實(shí)現(xiàn)30%～40%施工周期的縮減和高于50%的儲(chǔ)層改造體積（SRV）增量（圖3），說(shuō)明提升2～3倍成本進(jìn)行水平井壓裂施工能夠得到比直井壓裂高出數(shù)十倍的產(chǎn)量。

圖1 同步壓裂與拉鏈?zhǔn)綁毫咽┕ろ樞驁D

圖2 焦石壩頁(yè)巖氣田JY42平臺(tái)各井同步壓裂與常規(guī)壓裂井效果對(duì)比圖

圖3 拉鏈?zhǔn)綁毫雅c常規(guī)壓裂增產(chǎn)效果對(duì)比圖

2.4 重復(fù)壓裂技術(shù)

重復(fù)壓裂技術(shù)在北美地區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展，包括機(jī)械封隔、化學(xué)與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向?yàn)橹黧w的技術(shù)體系，即在同1口井進(jìn)行2次及以上的壓裂，使裂縫重新壓開(kāi)和轉(zhuǎn)向，恢復(fù)或增大產(chǎn)能（表2）。對(duì)初次壓后產(chǎn)量較低或初次壓后產(chǎn)量遞減較快的井，實(shí)施重復(fù)壓裂有利于提升儲(chǔ)層的資源采出程度。北美地區(qū) Barnett、Haynesville、Woodford和 Fayetteville頁(yè)巖重復(fù)壓裂技術(shù)應(yīng)用表明[19]，采用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)30%單井采出率的增幅，5年內(nèi)單井最高增產(chǎn)量可達(dá)6 512×104m3。中國(guó)石油西南油氣田公司于2017年10月對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田的H3-6井成功實(shí)施重復(fù)壓裂，為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣重復(fù)壓裂實(shí)施積累了重要工程經(jīng)驗(yàn)。

2.5 液化石油氣（LPG）無(wú)水壓裂液技術(shù)

LPG（Liquef i ed Petroleum Gas）無(wú)水壓裂液作為輔助型的關(guān)鍵技術(shù)，以無(wú)水耗為主要特征，同時(shí)解決了水資源匱乏與頁(yè)巖黏土引起的水敏、水鎖等問(wèn)題。因此，無(wú)水壓裂液具備了儲(chǔ)層傷害低，返排速度快、返排效率高，壓后有效裂縫面積大、具有長(zhǎng)期良好的導(dǎo)流能力等優(yōu)勢(shì)（圖4）。目前已有近50家公司在北美地區(qū)推廣應(yīng)用，單井節(jié)省水資源可達(dá)4.54×104m3，并成功用于3 700 m深井，壓裂效果優(yōu)于常規(guī)壓裂液體系。

表2 北美各地區(qū)頁(yè)巖重復(fù)壓裂實(shí)施狀況對(duì)比表

圖4 LPG無(wú)水壓裂液與常規(guī)水力壓裂液體系返排效果對(duì)比圖

我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主集中在四川盆地及其周緣地帶的古生界寒武系至志留系、三疊系至侏羅系，其中志留系龍馬溪組已成功獲得商業(yè)開(kāi)發(fā)[1]。不同于北美平原地區(qū)穩(wěn)定的構(gòu)造條件，我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層分布在山地、丘陵或水資源匱乏區(qū)，且受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地層連續(xù)性差且分割強(qiáng)烈，氣田橫向展布小，物性與力學(xué)性質(zhì)差異大，施工成本高出北美地區(qū)30%，壓裂工藝難度大，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[4,26,36,47]。因此，自然條件決定了國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)不能完全照搬北美地區(qū)采用的多井分段縫網(wǎng)壓裂的模式（圖5-a、b、c），需要尋求形成全井段縫網(wǎng)模式，達(dá)到少井高產(chǎn)，即實(shí)現(xiàn)“全尺度體積壓裂”（圖5-a、b、d、e）是我國(guó)頁(yè)巖氣壓裂的目標(biāo)。

3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂理論與技術(shù)進(jìn)展

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造需形成交錯(cuò)穿插的縫網(wǎng)形態(tài)的觀點(diǎn)已達(dá)成共識(shí)[40]，2002年提出縫網(wǎng)概念以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步研究提出儲(chǔ)層改造體積等概念，認(rèn)為縫網(wǎng)的最大化展布是儲(chǔ)層成功改造的關(guān)鍵。筆者自2008年開(kāi)始系統(tǒng)研究頁(yè)巖縫網(wǎng)壓裂理論，基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、礦場(chǎng)實(shí)踐、數(shù)值模擬、軟件研制和理論分析提煉出5方面的理論核心體系。

圖5 北美地區(qū)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c適合中國(guó)的全井段縫網(wǎng)壓裂模式圖

3.1 縫網(wǎng)可壓性評(píng)價(jià)方法的建立

儲(chǔ)層縫網(wǎng)的可壓性評(píng)價(jià)以壓裂過(guò)程能否形成縫網(wǎng)為目標(biāo)，評(píng)價(jià)方法與儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)相似，受沉積構(gòu)造、地層屬性、礦物、巖石力學(xué)和天然裂縫特征等因素決定[5,40,42,44]。現(xiàn)有研究主要通過(guò)脆性礦物組分、巖石彈性力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力條件和天然裂縫發(fā)育特征等對(duì)縫網(wǎng)延擴(kuò)展的影響進(jìn)行單因素分析[42]。

脆性礦物是儲(chǔ)層能否形成縫網(wǎng)的內(nèi)在因素。礦物脆性已從最初的“硅質(zhì)礦物含量越高，壓裂縫網(wǎng)越發(fā)育”基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)上，發(fā)展為將硅質(zhì)（石英、長(zhǎng)石）、碳酸鹽礦物（方解石、白云石）、黃鐵礦等多種礦物等價(jià)視為脆性礦物[11]，北美地區(qū)Haynesville頁(yè)巖、焦石壩頁(yè)巖氣田平橋區(qū)具有多種高脆性礦物含量的單井均獲高產(chǎn)（圖6），證實(shí)礦物脆性是多礦物共同作用的結(jié)果?；赗ickman等[5]設(shè)定40%為影響儲(chǔ)層縫網(wǎng)可壓門(mén)限值的研究成果，進(jìn)一步研究提出考慮不同類(lèi)型礦物脆性的權(quán)重同樣重要，建立等效脆性指標(biāo)[32]，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的礦物脆性評(píng)價(jià)方法。所以，區(qū)別于單脆性礦物含量評(píng)價(jià)的儲(chǔ)層可壓性，儲(chǔ)層縫網(wǎng)可壓性需從不同礦物組分進(jìn)行分析。

泊松比、彈性模量分別是巖石在應(yīng)力作用下的破裂能力和在破裂后的支撐能力的反映。泊松比越小，彈性模量越大，頁(yè)巖儲(chǔ)層形成縫網(wǎng)的可能性越大（圖7）。理論研究最初將泊松比、彈性模量分別無(wú)量綱化并加權(quán)平均建立脆性特征參數(shù)，設(shè)定50%門(mén)限值評(píng)價(jià)縫網(wǎng)擴(kuò)展的力學(xué)條件，到建立兩者無(wú)量綱化等價(jià)相加法、熵值法，目前發(fā)展到引入可壓裂性評(píng)價(jià)因子（或新型脆性評(píng)價(jià)因子），將礦物脆性和力學(xué)脆性關(guān)聯(lián)，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行小尺度類(lèi)型劃分來(lái)綜合評(píng)價(jià)儲(chǔ)層縫網(wǎng)可壓性。但已有研究表明，礦物脆性和巖石力學(xué)脆性正相關(guān)性的耦合結(jié)果并非完全一致，可能與巖石層理、礦物分布等因素有關(guān)。

縫網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)育程度也受地應(yīng)力條件和天然裂縫發(fā)育特征控制[20,22]。即：①最大、最小水平主應(yīng)力差較小時(shí)，可增大裂縫轉(zhuǎn)向延伸可能性，維持天然裂縫穩(wěn)定性，增加剪切破壞區(qū)域[45]，實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂，北美地區(qū)頁(yè)巖微地震監(jiān)測(cè)表明，應(yīng)力差從10 MPa向5 MPa變化，微地震事件點(diǎn)分布形態(tài)由雙翼直縫向多裂縫、縫網(wǎng)轉(zhuǎn)變[2,21]；②最大水平主應(yīng)力方向與天然弱面夾角較小時(shí)（30°～60°），壓裂縫易沿天然弱面延伸或穿過(guò)；③天然（微）裂縫發(fā)育程度高、縫長(zhǎng)和間隔合理均有利于縫網(wǎng)形成[45]，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性溝通，但過(guò)高易引起近井地帶壓裂液濾失，消耗誘導(dǎo)縫擴(kuò)展能量并抑制其延伸，減小改造區(qū)域；④實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層天然裂縫中碳酸鹽礦物充填率高，易形成差異性抗張強(qiáng)度，壓裂時(shí)充填縫會(huì)被優(yōu)先激活，所以碳酸鹽礦物含量不僅作為脆性評(píng)價(jià)因素[3,11,22-23]，也可能成為判斷裂縫發(fā)育程度，評(píng)價(jià)縫網(wǎng)可壓性的關(guān)鍵指標(biāo)（圖8），并帶來(lái)評(píng)價(jià)新思路。因此，優(yōu)選低應(yīng)力差、天然裂縫適度發(fā)育的工區(qū)壓裂施工，可形成充分發(fā)育的縫網(wǎng)。

圖6 焦石壩頁(yè)巖氣田不同區(qū)塊高產(chǎn)井礦物組成與應(yīng)力特征圖

圖7 JY48-1井各壓裂段微地震儲(chǔ)層改造體積與彈性參數(shù)關(guān)系圖[56]

圖8 JY48-1HF、JY48-2HF井各壓裂段微地震監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層改造體積與碳酸鹽礦物含量關(guān)系圖

為實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂縫網(wǎng)可壓性的全面評(píng)價(jià)，考慮多因素對(duì)縫網(wǎng)可壓性的影響成為趨勢(shì)，通過(guò)建立多評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)指數(shù)（因子）實(shí)現(xiàn)[24]。筆者綜合考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層彈性模量、泊松比、斷裂韌性、地應(yīng)力分布和天然裂縫特征指數(shù)等對(duì)縫網(wǎng)形成的影響，引入發(fā)育縫網(wǎng)概率指數(shù)和改造體積概率指數(shù)，建立縫網(wǎng)可壓性綜合評(píng)價(jià)方法及劃分標(biāo)準(zhǔn)并在川東南頁(yè)巖氣井取得較好現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果[49]。綜合分析認(rèn)為，考慮多因素影響，通過(guò)數(shù)學(xué)、物理方法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)量化、簡(jiǎn)化影響因素，能夠有效進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)可壓性[56]評(píng)價(jià)。

3.2 儲(chǔ)層縫網(wǎng)擴(kuò)展理論與模擬方法的建立

頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)擴(kuò)展實(shí)則為壓裂縫與天然裂縫的相交和延伸行為，受天然裂縫分布、地應(yīng)力、巖石力學(xué)性質(zhì)、逼近角、縫間應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整、壓裂液黏度、施工排量、射孔參數(shù)等影響[9,25]，擴(kuò)展行為對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最終縫網(wǎng)形態(tài)具有重要影響。

最初針對(duì)裂縫相交行為的研究以裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展為基礎(chǔ)，裂縫相交點(diǎn)性質(zhì)（滲透率、方位等）和應(yīng)力差是影響相交行為的重要因素[8]；不同的裂縫相交準(zhǔn)則先后實(shí)現(xiàn)天然裂縫張開(kāi)或剪切的判別，發(fā)現(xiàn)裂縫相交存在穿過(guò)和轉(zhuǎn)向這兩種基本形態(tài)，總結(jié)出主縫多分支和徑向網(wǎng)狀縫兩種擴(kuò)展模式[3,11]，探討了大排量、低黏度流體對(duì)裂縫相交的增益效果[9]。筆者基于理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出縫網(wǎng)相交力學(xué)機(jī)理，總結(jié)出判別壓裂縫網(wǎng)是否能夠充分發(fā)育的4類(lèi)裂縫相交行為[42]，建立位移場(chǎng)、誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)和裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展模型[53]，探討不同影響因素對(duì)裂縫擴(kuò)展的控制程度（圖9）。

圖9 壓裂縫與天然裂縫相交準(zhǔn)則圖

另一方面，學(xué)者們建立不同的方法和模型對(duì)裂縫動(dòng)態(tài)延伸行為進(jìn)行描述：包括改進(jìn)的二維位移不連續(xù)法[14]、全三維模型[15]、基于地震、地質(zhì)模型建立耦合—全耦合地質(zhì)模型[16]、擴(kuò)展有限元方法[17]、離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型[10]、集中橢圓擬三維發(fā)育縫網(wǎng)模型來(lái)研究（多）裂縫擾動(dòng)及擴(kuò)展，并相繼探討了碳酸鹽礦物充填、橢球體形態(tài)、巖石紋層和裂縫頸縮造成砂堵等特征與現(xiàn)象[30,33,35,39,46]對(duì)裂縫延伸的影響。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)擴(kuò)展主要受控于地應(yīng)力、天然裂縫方位與尺度等地質(zhì)因素，實(shí)現(xiàn)裂縫相交行為盡可能高頻次發(fā)生，形成“全井段縫網(wǎng)模式”。所以，施工過(guò)程中壓裂段、簇，井間距和壓裂液黏度等工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞上述影響因素進(jìn)行制定，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整應(yīng)力場(chǎng)，促使裂縫網(wǎng)絡(luò)化延伸的目的。

3.3 儲(chǔ)層縫網(wǎng)發(fā)育工藝方法的研發(fā)

為實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂，提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層遠(yuǎn)井地帶基質(zhì)向裂縫的流體供應(yīng)能力，理論上表現(xiàn)為：①模擬多簇延伸行為，或“以形成最優(yōu)SRV為目標(biāo)”等方法和思路，利用應(yīng)力擾動(dòng)調(diào)整應(yīng)力場(chǎng)，促使裂縫擴(kuò)展，優(yōu)化段間距、簇間距[29,50,54,59]，擴(kuò)大改造區(qū)域（圖10），研究表明，應(yīng)力差越大，壓裂縫越難捕獲天然裂縫擴(kuò)展轉(zhuǎn)向，傾向沿最大水平主應(yīng)力方向延伸[52]（圖11）；②多井間距優(yōu)化，充分利用井間應(yīng)力擾動(dòng)調(diào)整應(yīng)力差，Eagle Ford頁(yè)巖實(shí)現(xiàn)100 m井距高效開(kāi)采，并進(jìn)行“W”布井方式試驗(yàn)（圖12），取得較好壓裂效果；③低黏度壓裂液作業(yè)，有利于縫網(wǎng)充分發(fā)育，研究表明，壓裂液黏度減小時(shí)，裂縫由徑直延伸過(guò)渡為延伸與轉(zhuǎn)向交織，但壓力降低、弱攜砂能力等缺陷使裂縫寬度較窄[41,46,53]，成為造成砂堵的主要原因[43]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了大量工藝技術(shù)與方法實(shí)現(xiàn)上述理論[1,38,51-52]，如：適合致密或具高應(yīng)力儲(chǔ)層的“大排量、大液量、低砂比、小粒徑”的體積壓裂模式；適合低孔隙低滲透、天然裂縫欠發(fā)育儲(chǔ)層的暫堵技術(shù)；利用縫間擾動(dòng)形成縫網(wǎng)的水平井分段多簇壓裂技術(shù)；適合淺埋頁(yè)巖儲(chǔ)層的“復(fù)雜縫網(wǎng)＋支撐主縫”的分段壓裂技術(shù)；基于改進(jìn)壓裂液的“低黏度液體造縫，高黏度液體攜砂，多尺度支撐劑組合，高排量大規(guī)模注入”的縫網(wǎng)壓裂工藝技術(shù)；適合中深層頁(yè)巖的“預(yù)處理酸＋膠液＋滑溜水＋膠液”的混合壓裂施工方案，基本實(shí)現(xiàn)最佳簇間距、優(yōu)先壓裂次序確定，通過(guò)多項(xiàng)地質(zhì)與工程因素對(duì)簇間距優(yōu)化的影響，提出以實(shí)現(xiàn)最大化SRV為目標(biāo)的簇間距優(yōu)化方法等[57]。

圖10 壓裂縫寬、SRV隨時(shí)間展布變化趨勢(shì)圖

圖11 不同地應(yīng)力差條件下裂縫擴(kuò)展特征對(duì)比圖

為此，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)改造工藝應(yīng)主要圍繞兩方面進(jìn)行：①簇間距優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用簇、縫間應(yīng)力擾動(dòng)疊加效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)射孔簇全面改造；②工作液優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，延伸有效縫長(zhǎng)，增強(qiáng)支撐劑懸浮能力，優(yōu)化縫內(nèi)凈壓力，使主裂縫、分支縫充分?jǐn)U展發(fā)育。最終通過(guò)縫網(wǎng)凈壓力控制技術(shù)和方法，達(dá)到頁(yè)巖氣儲(chǔ)層高效改造的目的。

3.4 壓裂液體系的研發(fā)

壓裂液以在儲(chǔ)層改造中傳遞能量、輸送介質(zhì)形成高導(dǎo)流支撐縫為目的。目前頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂工藝中，滑溜水（減阻水）與線(xiàn)性膠壓裂液是首選的壓裂液體系。其中，滑溜水（減阻水）壓裂液已在頁(yè)巖氣壓裂中廣泛應(yīng)用，具有高效、易返排、地層傷害小、低成本等特點(diǎn)；線(xiàn)性膠壓裂液已在北美地區(qū)Fort Worth和Appalachian等盆地和涪陵焦石壩頁(yè)巖氣田應(yīng)用，具有低摩阻、控縫高、較強(qiáng)攜砂能力、易返排等優(yōu)點(diǎn)。相比之下，使用滑溜水壓裂液體系時(shí)，水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸時(shí)逼近角和水平應(yīng)力差涵蓋范圍更廣，裂縫更易發(fā)生轉(zhuǎn)向延伸形成充分發(fā)育的縫網(wǎng)。

圖12 Eagle Ford頁(yè)巖氣儲(chǔ)層布井密度方案圖

但上述壓裂液體系仍面臨諸多問(wèn)題：①低黏度攜砂能力較弱，易發(fā)生砂堵，支撐裂縫導(dǎo)流能力遠(yuǎn)不及常規(guī)壓裂；②壓裂施工用液量大，水資源問(wèn)題難以解決，重復(fù)使用率低；③水基液易造成水相圈閉損害和黏土水化，削弱礦物顆粒間連接性，降低巖石強(qiáng)度；④返排液量大，高礦化度返排液可能造成環(huán)境問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外研制出各類(lèi)增強(qiáng)攜砂能力、確保流通性和滲透率、耐高溫等特性的改進(jìn)的水基壓裂液體系，同時(shí)為降低水基對(duì)高黏土含量?jī)?chǔ)層的部分負(fù)面影響，研制了頁(yè)巖少水、無(wú)水的壓裂液，包括泡沫壓裂液、超低濃度聚合物和無(wú)水壓裂液體系等，但幾乎未投入礦場(chǎng)試驗(yàn)。綜合目前壓裂液體系優(yōu)選方案認(rèn)為，壓裂液工作應(yīng)圍繞提升儲(chǔ)層壓裂效果、改善儲(chǔ)層壓裂縫導(dǎo)流能力和降低環(huán)境影響等方面進(jìn)行。LPG壓裂液體系既具有低黏度滑溜水張開(kāi)天然裂縫形成充分發(fā)育縫網(wǎng)的特性，又具備高黏度壓裂液懸砂能力（CO2壓裂液不具備），儲(chǔ)層傷害低，應(yīng)用前景廣闊。

3.5 壓裂改造體積理論評(píng)價(jià)方法的建立

準(zhǔn)確的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂SRV預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)方法，有助于分段多簇體積壓裂方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)整與評(píng)估。近年來(lái)，SRV預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)已從定性向半定量發(fā)展，表征改造區(qū)域三維尺度，建立了不同的地球物理方法和數(shù)值解法：①微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前頁(yè)巖SRV預(yù)測(cè)的主要方法之一[28]，具有較高精度，但成本較高不適合推廣應(yīng)用；②基于擴(kuò)散方程推導(dǎo)的適用于均質(zhì)各向同性的SRV半解析計(jì)算方法[7,13,58]，需將擴(kuò)散系數(shù)與微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果校正；③基于地面測(cè)斜儀對(duì)裂縫發(fā)育形態(tài)[12]的研究成果提出SRV監(jiān)測(cè)的方法，預(yù)測(cè)精度較差，多用于裂縫評(píng)價(jià)；④通過(guò)微地震校正的半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)方法[18]，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差小，但計(jì)算參數(shù)對(duì)微地震監(jiān)測(cè)依賴(lài)較大，且無(wú)法降低生產(chǎn)成本；⑤基于裂縫（擬）三維擴(kuò)展數(shù)值模擬的SRV計(jì)算方法[27]，可充分考慮次生裂縫和縫高壓降的影響，但忽視了儲(chǔ)層各質(zhì)點(diǎn)上覆、下伏地層應(yīng)力條件的變化；⑥基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展有限元、邊界元等數(shù)學(xué)方法建立對(duì)縫網(wǎng)擴(kuò)展過(guò)程模擬的SRV方法，可實(shí)現(xiàn)SRV三維形態(tài)的簡(jiǎn)單描述，但局限于單次壓裂施工計(jì)算[55]，未考慮縫間擾動(dòng)，無(wú)法修正SRV。任嵐、Lin等[57,59,61]根據(jù)分簇裂縫延伸模型、應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)模型和天然裂縫失穩(wěn)破裂準(zhǔn)則，應(yīng)對(duì)不同構(gòu)造條件帶來(lái)的應(yīng)力與儲(chǔ)集性的差別，完善理論模型實(shí)現(xiàn)SRV可視化評(píng)價(jià)，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)焦石壩頁(yè)巖氣田93口水平井綜合評(píng)價(jià)，克服對(duì)高成本且工序繁雜的微地震監(jiān)測(cè)的依賴(lài)，并能根據(jù)地質(zhì)、工程因素進(jìn)行壓裂方案優(yōu)化調(diào)整（圖10），提出川東南頁(yè)巖儲(chǔ)層井間距過(guò)大，存在250～300 m未改造區(qū)的問(wèn)題（圖13）。

圖13 SRV理論計(jì)算及可視化分析圖

綜合分析認(rèn)為，國(guó)內(nèi)外縫網(wǎng)改造體積評(píng)價(jià)發(fā)展趨勢(shì)以完善理論方法為主，探索更具技術(shù)與工藝指導(dǎo)作用的方法來(lái)替代高成本、推廣性與復(fù)制性較差的儀器方法。隨著深層復(fù)雜構(gòu)造背景頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)以及重復(fù)壓裂工藝的實(shí)施，不斷完善的理論評(píng)價(jià)技術(shù)將成為后續(xù)研究的重要內(nèi)容。

4 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂理論與技術(shù)展望

隨著對(duì)地質(zhì)與壓裂工藝的匹配性以及壓裂技術(shù)的不斷提升，全球頁(yè)巖氣縫網(wǎng)壓裂表現(xiàn)為“水平段越來(lái)越長(zhǎng)、壓裂段越來(lái)越多、壓裂液（支撐劑）用量越來(lái)越大”的實(shí)踐趨勢(shì)。北美地區(qū)Purple Hayes H1井已率先實(shí)現(xiàn)5 652 m超長(zhǎng)水平段壓裂（124段分段）施工案例；中石油、中石化頁(yè)巖氣水平井也較開(kāi)發(fā)早期有顯著的提升（表3）。理論技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展、完善與創(chuàng)新，已經(jīng)成為頁(yè)巖氣高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

表3 中石油和中石化頁(yè)巖水平井壓裂規(guī)模發(fā)展表

4.1 加快深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂的研究

儲(chǔ)層埋深增大引起的變化在于：①原始地應(yīng)力差增大，需要更強(qiáng)應(yīng)力擾動(dòng)疊加效應(yīng)；②儲(chǔ)層所處構(gòu)造樣式（背斜與向斜、斷層發(fā)育）更加難以識(shí)別[23]，應(yīng)力場(chǎng)與巖石力學(xué)特征變化大，加砂困難與高導(dǎo)流能力需求之間矛盾更大；③高溫高壓條件對(duì)壓裂設(shè)備及性能要求高[38]?，F(xiàn)場(chǎng)資料表明，北美地區(qū)Haynesville深埋（大于3 500 m）頁(yè)巖氣井產(chǎn)能遞減迅速，焦石壩氣田淺埋儲(chǔ)層產(chǎn)能是深埋儲(chǔ)層的2～6倍，均證實(shí)了深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂的難度。深層頁(yè)巖水平井由初期高產(chǎn)到快速衰減可能與其縫網(wǎng)系統(tǒng)較快解吸速度和高導(dǎo)流能力失效有關(guān)。故加大力度研究深層頁(yè)巖分段多簇壓裂技術(shù)[36]，引入分步壓裂理論（圖5-a、b、d、e），提高縫網(wǎng)發(fā)育程度，實(shí)現(xiàn)全井段縫網(wǎng)改造。

4.2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層綜合可壓性評(píng)價(jià)的完善

頁(yè)巖氣產(chǎn)能不僅受SRV控制[51]，還包括孔隙度和總有機(jī)碳含量和成層性等地質(zhì)特征[56,60,62-63]。儲(chǔ)層評(píng)價(jià)最終目的是綜合選取具備優(yōu)質(zhì)物性的“地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)”和預(yù)測(cè)改造程度較好的“人造高滲區(qū)”的集合[1,56]。具有較大SRV的水平井（段）是否同時(shí)具備優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集性或較高含氣量，影響著生產(chǎn)井布井、優(yōu)勢(shì)壓裂段選取等縫網(wǎng)改造技術(shù)的制定。研究表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層礦物組分（脆性）、孔隙度與產(chǎn)能之間存在與以往認(rèn)識(shí)不同的規(guī)律（圖14、15），產(chǎn)能控制因素可能存在臨界值，或者是與礦物分布、巖石縱向高頻疊置、巖相的多樣性與非均質(zhì)分布有關(guān)，所以頁(yè)巖氣儲(chǔ)層橫向“蜂窩狀”的甜點(diǎn)溝通模式和縱向儲(chǔ)層層序?qū)Φ貞?yīng)力的控制均影響著頁(yè)巖氣產(chǎn)能，所以真正意義上的頁(yè)巖氣縫網(wǎng)可壓性評(píng)價(jià)應(yīng)包括前述的可壓性評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層含氣性（儲(chǔ)集性）評(píng)價(jià)，由此結(jié)合地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)選擇壓裂簇段對(duì)提高改造效果具有重要意義（圖16）。

圖14 儲(chǔ)層孔隙度與脆性指數(shù)相關(guān)性圖

圖15 脆性指數(shù)與壓后產(chǎn)量相關(guān)性圖

4.3 壓裂施工壓力曲線(xiàn)的診斷分析

壓裂施工壓力曲線(xiàn)是施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)的壓力波動(dòng)變化，通過(guò)反饋信息進(jìn)而決策與評(píng)價(jià)的依據(jù)；施工壓力同時(shí)更是裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為的外在表現(xiàn)，礦場(chǎng)可通過(guò)識(shí)別解釋不同壓力響應(yīng)特征下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律（圖17、18），可實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。然而，實(shí)際的施工壓力曲線(xiàn)并非簡(jiǎn)單的平穩(wěn)或升降，而是不同的升降頻率、幅度均是各類(lèi)地質(zhì)特征和施工現(xiàn)象的表現(xiàn)。為此，通過(guò)診斷分析泵注過(guò)程中的施工壓力（凈壓力），建立可表征多種施工壓力響應(yīng)模型，可實(shí)現(xiàn)掌握不同施工壓力響應(yīng)下裂縫動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律、主控因素與裂縫展布特征，為壓裂優(yōu)化調(diào)整提供理論依據(jù)。

4.4 頁(yè)巖重復(fù)壓裂理論與技術(shù)

重復(fù)壓裂適用于初次壓裂改造不充分、產(chǎn)量低或壓后產(chǎn)量遞減快的生產(chǎn)井。其中的選井選層準(zhǔn)則以及重復(fù)壓裂實(shí)施時(shí)機(jī)選擇成為重復(fù)壓裂實(shí)施前的關(guān)鍵步驟，即保證重復(fù)壓裂區(qū)域具有持續(xù)的地層能量、儲(chǔ)量供應(yīng)和脆性指標(biāo)，同時(shí)需要認(rèn)識(shí)初次改造體積較小或段間、簇間、井間改造程度低等特征。重復(fù)壓裂技術(shù)的投入時(shí)限也同時(shí)影響累積產(chǎn)量，應(yīng)用重復(fù)壓裂技術(shù)越早，單井增產(chǎn)越高（表2）。由于目前的理論研究均把頁(yè)巖視作均質(zhì)儲(chǔ)集層，尚未進(jìn)行頁(yè)巖小尺度層間差異的研究，有效產(chǎn)能接替區(qū)域的優(yōu)選也給重復(fù)壓裂帶來(lái)難題[37,56]。所以，開(kāi)展重復(fù)壓裂井段選擇以及暫堵老裂縫壓新縫、老裂縫延伸轉(zhuǎn)向，或者充分利用井間擾動(dòng)效應(yīng)在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集性段新增壓裂段、加密井網(wǎng)布署來(lái)改造原有井間未改造區(qū)等重復(fù)壓裂技術(shù)會(huì)成為發(fā)展趨勢(shì)。

圖16 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層綜合可壓性評(píng)價(jià)模型圖

圖17 焦石壩頁(yè)巖氣田108-6井第12段施工曲線(xiàn)診斷結(jié)果圖

圖18 焦石壩頁(yè)巖氣田108-4井第2段施工曲線(xiàn)診斷結(jié)果圖

4.5 無(wú)水壓裂液的完善與發(fā)展

水資源不足與環(huán)境保護(hù)力度較弱是我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采面臨的重要問(wèn)題。完善并應(yīng)用無(wú)水壓裂液體系同樣成為未來(lái)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂的趨勢(shì)。充分利用LPG無(wú)水壓裂液體系與地層流體配伍性好的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)其更多的發(fā)展與進(jìn)步，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4.6 頁(yè)巖氣壓裂返排液控制技術(shù)

大部分壓裂液都滯留在頁(yè)巖儲(chǔ)層無(wú)法排出。這部分殘留液體的去向及作用一直未有定論，但一般認(rèn)為殘留液體會(huì)造成較嚴(yán)重的水鎖效應(yīng)，降低頁(yè)巖氣井產(chǎn)能。目前國(guó)內(nèi)通過(guò)壓后燜井、控壓限產(chǎn)的生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)減少壓裂返排、提高縫網(wǎng)充分發(fā)育的效果。針對(duì)頁(yè)巖氣壓后排液控制缺乏依據(jù)的問(wèn)題，需開(kāi)展頁(yè)巖與壓裂液相互作用機(jī)理、壓后關(guān)井期間的壓降規(guī)律、液體返排模擬及返排制度優(yōu)化研究。

5 結(jié)論

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂技術(shù)研究進(jìn)展表明：已經(jīng)形成了常規(guī)水平井分段分簇壓裂技術(shù)、同步壓裂技術(shù)、拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)和無(wú)水壓裂液技術(shù)等關(guān)鍵工藝技術(shù)，對(duì)推動(dòng)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)具有重要作用。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂理論研究表明：已經(jīng)從半定量門(mén)限值測(cè)定脆性發(fā)展到整合特征參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)；從壓裂縫定向延伸的理論基礎(chǔ)發(fā)展到利用綜合手段促使裂縫交織發(fā)育的縫網(wǎng)形成模擬；從水平井分段多簇及其延伸技術(shù)發(fā)展到突破復(fù)雜地質(zhì)難題而建立的縫網(wǎng)發(fā)育新工藝；從水基壓裂液體系的泛用到少水或無(wú)水等新型壓裂液的研制與推廣；從依賴(lài)微地震監(jiān)測(cè)等儀器技術(shù)的SRV預(yù)測(cè)與表征發(fā)展到依托于數(shù)學(xué)物理方法的SRV評(píng)價(jià)及其三維可視化，最終闡述了“全尺度體積壓裂”縫網(wǎng)壓裂技術(shù)對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的重要性。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂研究所面臨的難題包括深埋儲(chǔ)層的技術(shù)深入、考慮更為全面的儲(chǔ)層縫網(wǎng)壓裂綜合評(píng)價(jià)方法的完善、施工曲線(xiàn)的反演及其礦場(chǎng)應(yīng)用的普及和新型壓裂液與返排控制技術(shù)的研制等方面。

經(jīng)過(guò)近十年的探索工作，中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得了重要突破，以涪陵國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)和威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)的成功開(kāi)發(fā)為標(biāo)志，我們可以成為“中國(guó)頁(yè)巖氣1.0”時(shí)代，堅(jiān)信在新技術(shù)和新理論的發(fā)展和支撐下，即將迎來(lái)“中國(guó)頁(yè)巖氣2.0”時(shí)代。

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