何智斌 陸松梅

（云南省煤炭產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站，云南曲靖 655000）

0.引言

雖然其他國(guó)家的頁(yè)巖氣已逐漸形成產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，然而因我國(guó)的頁(yè)巖氣地質(zhì)特性較為特殊，在開發(fā)過程中必須要選擇契合我國(guó)儲(chǔ)層特點(diǎn)的非常規(guī)天然氣開采路徑。頁(yè)巖層納米孔隙是頁(yè)巖氣的主要集中地，由于微裂隙不會(huì)持續(xù)發(fā)育，因而需在頁(yè)巖氣井完工后進(jìn)行儲(chǔ)層改造，如此方可提升開采產(chǎn)量。為此，需要明確頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征對(duì)儲(chǔ)層改造所產(chǎn)生的影響，從而制定出可行性的儲(chǔ)層改造及頁(yè)巖氣開采方案。

1.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的主要特征分析

1.1 空間分布與非均質(zhì)性特征

從區(qū)域分布來看，頁(yè)巖有海相、陸相、海陸過渡相3種發(fā)育形態(tài)，主要分布于4個(gè)區(qū)域，為中東部、南部、西北部以及青藏區(qū)域，沉積環(huán)境、構(gòu)造背景不同，含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的分布也不一致。并且由于受到頁(yè)巖的組成結(jié)構(gòu)特性影響，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有強(qiáng)非均質(zhì)性特征，可劃為橫向非均質(zhì)性與縱向非均質(zhì)性2個(gè)類別。有機(jī)質(zhì)、組成礦物、儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性體現(xiàn)的主要位置，這一特性是在長(zhǎng)期的原始沉積過程中，在沉積、成巖以及構(gòu)造等多個(gè)作用共同影響下逐漸誕生的，存在這一特性的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙空間易出現(xiàn)流體聚體或滲流現(xiàn)象。

1.2 巖石組成特征

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖石組由多種物質(zhì)組成，有機(jī)質(zhì)含量介于0.5%～2%，有機(jī)質(zhì)含量的高低與巖石組的生烴潛力大小、吸附能力強(qiáng)弱有直接關(guān)聯(lián)，其也是頁(yè)巖裂隙發(fā)育程度的決定因素。通過分析我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石組成發(fā)現(xiàn)，有機(jī)值的含量變化范圍差異較為明顯，并且沉積相不同的頁(yè)巖，其巖石組成、有機(jī)質(zhì)含量、礦物多少也并不一致。我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層中碳酸鹽礦物的含量較低，但富含硅質(zhì)物及黏土礦物，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的有機(jī)質(zhì)常會(huì)分布于無機(jī)礦物之間，因而會(huì)對(duì)無機(jī)礦物的組合及含量產(chǎn)生影響[1]。

1.3 巖石物性特征

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的物性特征主要為2個(gè)，一是低孔隙率，二是低滲透率。美國(guó)的產(chǎn)氣頁(yè)巖巖芯分析結(jié)果顯示，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙度最低為2%，最高為14%，平均孔隙率約為4%～6%，頁(yè)巖的滲透率不高于0.10mD，平均孔道半徑不足0.005μm。與之相比，我國(guó)四川盆地南部區(qū)域分布的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，這兩個(gè)數(shù)值更低，頁(yè)巖孔隙率最低值約為0.7%，最高值僅有3.1%，均值為1.6%。而滲透率在0.001×10-3μm與0.110×10-3μm。雖然頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙率及滲透率相對(duì)較低，然而頁(yè)巖仍能夠儲(chǔ)氣，這是由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中存在天然裂隙及微納米級(jí)孔隙，因而頁(yè)巖氣體可以游離態(tài)存儲(chǔ)于裂隙及大孔隙之中，或是以吸附態(tài)存在微孔隙表面。頁(yè)巖氣流在介質(zhì)中的滲流需要經(jīng)過一系列過程，首先，氣體會(huì)在基層表面產(chǎn)生解吸，而后受定濃度差的影響，解吸后的氣體會(huì)逐步擴(kuò)散至基質(zhì)微孔隙或微裂隙之中，在部分滲透性較強(qiáng)的微裂隙之中，氣體會(huì)出現(xiàn)滲流，而后氣體會(huì)經(jīng)由宏觀裂隙逐步滲流至井筒之中。

1.4 地質(zhì)環(huán)境特征

與煤層氣富集相比，頁(yè)巖氣與之特征較為相似，均是在原地聚集，并且會(huì)短距離運(yùn)移。雖然頁(yè)巖氣的氣體來源、賦存層位均與煤層氣存在差別，但二者的富集特征、運(yùn)移過程相一致，所應(yīng)用的開發(fā)技術(shù)也較為相似。也就是說，從地質(zhì)環(huán)境來看，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層易受到溫度、地應(yīng)力、流體3個(gè)方面影響是最為顯著的特征。有機(jī)質(zhì)的熱成熟度越高，頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)會(huì)隨之變化，孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)轉(zhuǎn)變，因而頁(yè)巖成熟度越高時(shí)其孔隙含量越大。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具備一定的地應(yīng)力，這一特征的存在會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖氣的聚集及運(yùn)移受到影響，同時(shí)也是影響網(wǎng)絡(luò)裂隙形成的關(guān)鍵所在。

2.儲(chǔ)層特征對(duì)儲(chǔ)層改造的影響

2.1 儲(chǔ)層改造中巖石組成所產(chǎn)生的影響

利用壓裂技術(shù)使天然裂隙擴(kuò)展成為裂隙網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而增大儲(chǔ)層體積，確保天然氣成功開采便是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的基本原理。通常頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造中采用的是水力壓裂技術(shù)，由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的非均質(zhì)性特征較強(qiáng)，需要明確影響儲(chǔ)層改造效果的各種因素，進(jìn)而確保儲(chǔ)層改造作業(yè)的成功[2]。

2.1.1 巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

巖石的力學(xué)性質(zhì)有2個(gè)參數(shù)指標(biāo)，一是楊氏模量，二是泊松比。巖石所受應(yīng)力及應(yīng)力變化的比值就是楊氏模量，此參數(shù)指標(biāo)主要用于描述巖石的形變抵抗能力，與巖石剛性大小密切相關(guān)，楊氏模量越大，說明頁(yè)巖脆性更強(qiáng)，在鉆井或壓裂時(shí)，出現(xiàn)裂隙的概率越大，對(duì)頁(yè)巖氣的開采越為有利。泊松比指的是巖石橫向正向應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對(duì)值之間的比值，泊松比與頁(yè)巖的脆性成反比，即泊松比越大，頁(yè)巖的脆性越低，因而壓裂時(shí)出現(xiàn)裂隙的概率越小。巖石力學(xué)性質(zhì)的是決定天然裂隙發(fā)育程度的關(guān)鍵因素，若頁(yè)巖的天然裂隙發(fā)育良好，說明其儲(chǔ)層中含有大量的脆性礦物，因而具備更強(qiáng)的巖石脆性。

2.1.2 巖石敏感性的影響

巖的敏感性有4種，一為水敏，水敏會(huì)導(dǎo)致微粒運(yùn)移，從而降低頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透率。二為速敏，水介質(zhì)環(huán)境改變時(shí)，黏土礦物水化分解也會(huì)導(dǎo)致微粒運(yùn)動(dòng)，會(huì)使地層受損。三為酸敏，酸化時(shí)若溶蝕不完全易導(dǎo)致活動(dòng)性殘屑或微粒產(chǎn)生，會(huì)嚴(yán)重破壞地層結(jié)構(gòu)。四為鹽敏，鹽性環(huán)境下也會(huì)使地層受到影響，使之滲透率發(fā)生變化。因而，巖石敏感性會(huì)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造效果產(chǎn)生直接影響。改造儲(chǔ)層之前，應(yīng)詳細(xì)評(píng)價(jià)分析頁(yè)巖的敏感性，黏土微粒儲(chǔ)層改造時(shí)，紊流、高剪切速率、壓力波動(dòng)或是淡水注入均會(huì)導(dǎo)致黏土顆粒分散，進(jìn)而會(huì)使碎屑顆粒從黏土微粒中分離出來，在流體注入的過程中，這些碎屑會(huì)隨之移動(dòng)進(jìn)而堵塞孔隙喉道，這會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷儲(chǔ)層，進(jìn)而會(huì)降低其儲(chǔ)層改造效果[3]。

2.2 儲(chǔ)層改造中地質(zhì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響

盆－山耦合作用會(huì)對(duì)沉積環(huán)境存在差異的物源供給產(chǎn)生影響，在板塊運(yùn)動(dòng)、地殼升降以及斷裂的過程中，頁(yè)巖的沉積相均會(huì)發(fā)生變化，會(huì)因此使頁(yè)巖的氣儲(chǔ)層出現(xiàn)新的特征，或是對(duì)儲(chǔ)層改造效果產(chǎn)生干擾。因此，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的外在地質(zhì)環(huán)境，是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造效果的重要影響因素，這一因素主要包含2個(gè)方面：（1）天然裂隙；（2）地應(yīng)力。

2.2.1 天然裂隙的影響

在壓裂作業(yè)時(shí)，需將重點(diǎn)放在天然裂隙壓裂方面，通過擴(kuò)散作用影響使低滲透率的基質(zhì)能夠釋放出更多的氣體，以促進(jìn)裂隙流動(dòng)能力的提升。在此基礎(chǔ)上，使整個(gè)改造層位產(chǎn)生能夠溝通頁(yè)巖氣藏與井底復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)，如此便可使頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的改造體積進(jìn)一步增大。也就是說，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注儲(chǔ)層有效裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成。儲(chǔ)層改造過程中，由于天然裂隙所導(dǎo)致的影響主要集中于3個(gè)方面：（1）作為破裂面的天然裂隙，其可對(duì)壓裂裂隙的傳播產(chǎn)生一定的控制效果。（2）壓裂時(shí)所產(chǎn)生的壓力較大，會(huì)使天然裂隙出現(xiàn)滑移，因此會(huì)使裂隙順著天然裂隙的網(wǎng)絡(luò)延伸，不僅能使裂隙導(dǎo)流能力增強(qiáng)，同時(shí)也可有效連通天然裂隙網(wǎng)絡(luò)及井筒。（3）改造之前，天然裂隙的導(dǎo)流能力高低既會(huì)決定開采井的泄油體積形狀，也會(huì)影響其泄油程度[4]。

2.2.2 地應(yīng)力的影響

處于地下的每一個(gè)巖石單元體，均會(huì)受到來自3個(gè)方向且相互垂直的應(yīng)力影響，這3個(gè)應(yīng)力中，一個(gè)是垂直應(yīng)力，另外2個(gè)是水平軸向應(yīng)力。由于我國(guó)的地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，具備不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，并且各板塊之間、板內(nèi)各塊段間的構(gòu)造應(yīng)力具有明顯差異。這些應(yīng)力場(chǎng)會(huì)影響含油氣盆地的建造與改造，同時(shí)也會(huì)對(duì)油氣運(yùn)移、聚集產(chǎn)生影響，還會(huì)干擾裂隙的分布規(guī)律，且也會(huì)對(duì)鉆采工藝選用等環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要的影響。頁(yè)巖能否形成復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)，取決于其中所含有天然裂隙數(shù)量的多少，同時(shí)也與水平應(yīng)力之間的差異大小存在直接關(guān)聯(lián)。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中天然裂隙組合存在差異，并且天然裂隙組合及最大主應(yīng)力之間的相對(duì)方位也不盡相同，因而壓裂裂隙的方位會(huì)受到影響，裂隙寬度也并不一致。

3.頁(yè)巖氣開發(fā)中儲(chǔ)層改造的價(jià)值探討及未來研究方向分析

3.1 儲(chǔ)層改造的價(jià)值

頁(yè)巖氣商業(yè)化開展過程中，經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)能力是決定地質(zhì)儲(chǔ)量的關(guān)鍵因素。因而開采單位通常會(huì)采用油氣井增產(chǎn)工藝、完井工程設(shè)計(jì)技術(shù)，通過目的層段合理篩選、鉆井速度提升、單井產(chǎn)能增加、開采期限延長(zhǎng)等方式保障開采效益，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，必然要在開采之前針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層實(shí)施改造?，F(xiàn)階段，頁(yè)巖儲(chǔ)層改造中通常應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，改造后的儲(chǔ)層可開采性更強(qiáng)。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層會(huì)受到地質(zhì)條件的影響，改造過程中，壓裂層位、施工工藝均與改造效果有直接關(guān)聯(lián)。改造淺埋層、低地層壓力的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層時(shí)，可應(yīng)用N2泡沫壓裂法，也可應(yīng)用清水壓裂法，但需在壓裂液中添加一定含量抑制劑，同時(shí)要求儲(chǔ)層中不能含有大量高膨脹性的黏土物質(zhì)，以免在較高的水敏性影響下導(dǎo)致黏土顆粒膨脹、轉(zhuǎn)移或分散，會(huì)因頁(yè)巖滲透率下降而影響天然氣開采效果[5]。

3.2 儲(chǔ)層改造研究方向

現(xiàn)階段，我國(guó)在儲(chǔ)層改造中主要應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，但除此之外還有其他方法，未來在儲(chǔ)層改造的過程中，應(yīng)在綜合考慮我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有較強(qiáng)非均質(zhì)性、構(gòu)造變形復(fù)雜性2方面特征的基礎(chǔ)上，加大對(duì)其他新型頁(yè)巖氣天然技術(shù)的研究。如超臨界CO2開發(fā)技術(shù)，液態(tài)丙烷壓裂技術(shù)等，這些開采技術(shù)均是針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米孔隙、不發(fā)育裂隙所實(shí)施的儲(chǔ)層改造方法，利用這些先進(jìn)的技術(shù)工藝改造后的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，可有效構(gòu)建頁(yè)巖孔裂隙系統(tǒng)，并且能夠貫通含氣納米孔隙，使頁(yè)巖的滲流條件得到有效改善。

4.結(jié)論

儲(chǔ)層改造是提高頁(yè)巖氣開采量的重要環(huán)節(jié)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在頁(yè)巖空間分布特征、非均質(zhì)性特征、巖石組成特征、地質(zhì)環(huán)境特征、巖石物性特征幾個(gè)方面均有顯著特征，文章總結(jié)出頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征的非均質(zhì)性會(huì)影響儲(chǔ)層孔隙空間中流體的分布情況及流動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，巖石組成當(dāng)中，巖石中所含有的有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、脆性礦物以及碳酸鹽礦物的含量決定著巖石的力學(xué)性質(zhì)，而這一力學(xué)性質(zhì)其與巖石敏感性均會(huì)影響儲(chǔ)層改造。同時(shí)，頁(yè)巖的天然裂隙越多，地應(yīng)力中的水平應(yīng)力越小，儲(chǔ)層改造效果越佳。