頁巖儲(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)研究與試驗(yàn)

賈長(zhǎng)貴，李雙明，王海濤，蔣廷學(xué)

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

頁巖儲(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)研究與試驗(yàn)

賈長(zhǎng)貴，李雙明，王海濤，蔣廷學(xué)

(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

頁巖儲(chǔ)層壓裂技術(shù)是頁巖油氣高效勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)。與常規(guī)低滲油氣儲(chǔ)層壓裂單一長(zhǎng)縫改善壓裂效果不同，低孔極低滲的頁巖壓裂主要目標(biāo)是形成具有有效導(dǎo)流能力的網(wǎng)絡(luò)裂縫，確保壓裂改造體積足夠大，且經(jīng)濟(jì)有效。提出了頁巖網(wǎng)絡(luò)壓裂有效改造體積(ESRV)的概念。在借鑒北美頁巖氣壓裂的經(jīng)驗(yàn)和前期國內(nèi)頁巖氣壓裂實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國頁巖儲(chǔ)層的具體特點(diǎn)，在壓前進(jìn)行評(píng)價(jià)方法、射孔參數(shù)優(yōu)化、誘導(dǎo)復(fù)合測(cè)試壓裂、網(wǎng)絡(luò)壓裂對(duì)策和排采技術(shù)等方面進(jìn)行了探索性的研究，初步形成了頁巖網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果明顯，解決了裂縫性脆性頁巖壓裂易砂堵、成功率低的難題。

頁巖;儲(chǔ)層;網(wǎng)絡(luò)壓裂

1 前言

頁巖油氣開發(fā)技術(shù)是近十年來全球最重大的能源技術(shù)革命。以水平井多級(jí)壓裂和“井工廠模式”為核心的頁巖勘探開發(fā)技術(shù)促使了北美頁巖油氣的成功開發(fā)，其快速生產(chǎn)使美國天然氣產(chǎn)量獲得大幅度增長(zhǎng)，2011年頁巖氣產(chǎn)量高達(dá)1800×108m3。我國頁巖氣資源量據(jù)預(yù)測(cè)為31×1012m3，與美國頁巖氣資源量基本相當(dāng)。我國“十二五”期間計(jì)劃建產(chǎn)65×108m3，頁巖氣開發(fā)前景廣闊，但由于還未完全掌握頁巖氣壓裂配套工具等關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，要實(shí)現(xiàn)頁巖氣高效勘探開發(fā)和跨越式發(fā)展仍然有相當(dāng)大的難度。

前期由于對(duì)我國頁巖儲(chǔ)層的特性和差異性認(rèn)識(shí)不足，國內(nèi)頁巖氣壓裂多是仿照北美頁巖氣壓裂模式，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果并不理想，主要表現(xiàn)為:一是砂堵井多，施工成功率低;二是部分井儲(chǔ)層品質(zhì)和鉆井氣顯示很好，壓裂工藝成功，但壓裂后效果很差，或大量見水、產(chǎn)氣量極低甚至無氣產(chǎn)出。究其原因，主要是沒有重視中美頁巖儲(chǔ)層的差異性，沒有充分考慮我國頁巖儲(chǔ)層的強(qiáng)非均質(zhì)性特點(diǎn)，壓裂設(shè)計(jì)的針對(duì)性不強(qiáng)，同時(shí)在頁巖儲(chǔ)層壓前評(píng)價(jià)和壓后排采方面的工作也比較粗放。

文章在借鑒北美頁巖氣壓裂的經(jīng)驗(yàn)和前期國內(nèi)頁巖氣壓裂實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了頁巖網(wǎng)絡(luò)壓裂(effective simulated reservoir volume，ESRV)的概念，針對(duì)我國頁巖儲(chǔ)層的具體特點(diǎn)，在壓前評(píng)價(jià)方法、射孔參數(shù)優(yōu)化、誘導(dǎo)復(fù)合測(cè)試壓裂、加砂程序優(yōu)化和排采技術(shù)等方面進(jìn)行了探索性的研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果明顯。

2 頁巖網(wǎng)絡(luò)裂縫的概念

頁巖氣是國務(wù)院最近批準(zhǔn)的第172個(gè)獨(dú)立礦種。它賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，是以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料。顆粒粒徑小于0.0039 mm的沉積巖均可稱為頁巖，大量脆性礦物會(huì)影響頁巖儲(chǔ)層質(zhì)量，尤其是石英。頁巖粒度不同會(huì)影響頁巖充填物的滲透率，有時(shí)會(huì)使?jié)B透率很低。粉砂質(zhì)或砂質(zhì)夾層可改善其滲透性，開啟或半開啟的天然裂縫也會(huì)增加儲(chǔ)層的滲透性。因此，也可以說頁巖氣是指來自“頁巖段”內(nèi)所有巖性(包括頁巖、砂質(zhì)巖)產(chǎn)出的天然氣［1］。

頁巖具有極低滲透率、極小孔喉和低孔隙度的特點(diǎn)。絕大多數(shù)頁巖氣井均需壓裂改造，產(chǎn)量低，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，關(guān)鍵在于是否能形成足夠大的有效改造體積。頁巖儲(chǔ)層壓裂后可能形成不同的裂縫形態(tài)，主要包括單條裂縫、復(fù)雜裂縫和網(wǎng)絡(luò)裂縫。Barnett某頁巖氣井壓后微地震監(jiān)測(cè)表明，圖1(b)中網(wǎng)絡(luò)裂縫增產(chǎn)儲(chǔ)層體積達(dá)到1.45×109ft3(1 ft3=0.02832 m3)，是圖1(a)中單一裂縫改造體積的3.37 倍［2］。

圖1 單縫和網(wǎng)絡(luò)裂縫改造體積對(duì)比圖Fig.1 Comparsion of stimulation volume between single fracture and network fracture

人們通過大量實(shí)踐，特別通過分析施工壓力的特征和返排以及產(chǎn)量變化規(guī)律，認(rèn)為頁巖地層經(jīng)過改造后普遍存在網(wǎng)絡(luò)裂縫［3，4］，這與常規(guī)油藏改造后形成的單一或多條裂縫不同。Craig，F(xiàn)isher，Warpinski［4，5］等人認(rèn)為壓裂后形成的網(wǎng)絡(luò)裂縫可以通過微震信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。雖然目前還沒有直接觀察到頁巖氣儲(chǔ)層中由于壓裂形成的網(wǎng)絡(luò)裂縫，但根據(jù)對(duì)巖心觀察和煤層、火山巖壓裂后開挖的觀察結(jié)果來看［4］，人們推斷頁巖壓裂后也形成了類似的網(wǎng)絡(luò)裂縫。Mayerhofer等人通過對(duì)比壓后產(chǎn)量與微震信號(hào)分析得到了網(wǎng)絡(luò)裂縫的特點(diǎn)，提出了體積壓裂的概念［6，7］。Cipolla通過分析給出了有利的網(wǎng)絡(luò)裂縫形態(tài)［2］，即增產(chǎn)改造體積(stimulation reservoir volume，SRV)越大產(chǎn)量越高，通過技術(shù)手段提高SRV就成為頁巖壓裂增產(chǎn)的關(guān)鍵。Cipolla還通過定義裂縫復(fù)雜性指數(shù)(fracture complex index，F(xiàn)CI)來描述網(wǎng)絡(luò)裂縫有效性，即網(wǎng)縫寬度與長(zhǎng)度之比［3］。

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)壓裂是指能夠產(chǎn)生復(fù)雜裂縫“網(wǎng)絡(luò)”(張性縫+剪切縫)的壓裂技術(shù)統(tǒng)稱。但前期試驗(yàn)表明，有的井頁巖儲(chǔ)層品質(zhì)很好，微地震監(jiān)測(cè)的壓裂改造體積也很大，但產(chǎn)氣效果卻不理想。原因之一就是壓裂改造體積并不完全對(duì)頁巖氣的產(chǎn)出有貢獻(xiàn)，一方面是砂比過低，部分張性裂縫在壓后閉合，沒有得到有效支撐;另一方面，頁巖剪切裂縫粗糙不整合面形成的裂縫導(dǎo)流能力可能過小。針對(duì)這種現(xiàn)象，提出了頁巖儲(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)壓裂ESRV的概念，即無論是張性縫還是剪切縫，都要有足夠的導(dǎo)流能力和改造體積。

3 壓前評(píng)價(jià)方法研究

3.1 頁巖氣壓裂的主要影響因素

北美地區(qū)頁巖氣評(píng)價(jià)包含17個(gè)參數(shù)，主要包括有效頁巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度、礦物組成、含氣量、孔隙度、滲透性、構(gòu)造格局、沉積、構(gòu)造演化史、頁巖橫向連續(xù)性、三維地震資料、地層壓力特征、壓裂用水、輸氣管網(wǎng)、井場(chǎng)情況與地貌環(huán)境、污水處理與環(huán)保。早期人們側(cè)重于頁巖本身品質(zhì)的評(píng)價(jià)，后來水資源、環(huán)保和輸氣管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為了重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 頁巖氣壓裂的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

僅從確保頁巖氣壓后獲得高產(chǎn)的角度出發(fā)，提出了壓前評(píng)價(jià)，從頁巖品質(zhì)和壓裂品質(zhì)兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。并不是所有的頁巖都適合壓裂，良好的頁巖品質(zhì)和壓裂品質(zhì)是獲得較好頁巖氣產(chǎn)量的基礎(chǔ)。只有同時(shí)具備，才可能獲得高產(chǎn)。如果一好一壞，壓后不一定能有較好產(chǎn)量。如果二者都差，說明此頁巖不適合壓裂。

表1 頁巖壓前評(píng)價(jià)參數(shù)表Table 1 Parameters of pre-frac evaluation of shale

要形成網(wǎng)絡(luò)裂縫還必須綜合考慮地應(yīng)力狀態(tài)、裂縫方向、地層傾角、井身軌跡和斷層類型。如果地應(yīng)力狀態(tài)是正常應(yīng)力狀態(tài)，即垂向應(yīng)力是最大應(yīng)力，壓裂時(shí)就會(huì)形成垂直裂縫，一般情況下，沿最小水平主應(yīng)力方向鉆頁巖氣水平井，有利于形成多條橫切井筒的網(wǎng)狀裂縫。但如果是異常應(yīng)力狀態(tài)，如地層受逆斷層擠壓的影響，局部應(yīng)力發(fā)生了改變，垂向應(yīng)力不再是最大應(yīng)力，這時(shí)壓裂就可能會(huì)形成水平裂縫。另外，裂縫包括天然裂縫、次生裂縫、頁理或?qū)永淼软搸r中的脆弱面，也是頁巖壓裂形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，獲得足夠的有效改造體積，確保壓裂效果的必要條件之一。斷層類型、井身軌跡和地層傾角的匹配關(guān)系也是能否實(shí)現(xiàn)有效壓裂改造的影響因素。

需要指出的是，此評(píng)價(jià)方法僅是階段性的認(rèn)識(shí)，隨著國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，其中一些評(píng)價(jià)參數(shù)和指標(biāo)還需要不斷完善，尤其是碳酸鹽巖礦物對(duì)海相、陸相不同頁巖脆性指數(shù)的量化影響還需要進(jìn)一步研究。

表1主要借鑒了北美頁巖氣的評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)，并結(jié)合國內(nèi)實(shí)踐和研究成果進(jìn)行了修正和補(bǔ)充。其中，增加了國內(nèi)陸相頁巖氣含水飽和度小于60%和成熟度0.8～1.4的指標(biāo)。在陸相頁巖脆性礦物中增加了鈣質(zhì)含量，而海相脆性指數(shù)計(jì)算僅考慮石英含量。一般情況下，脆性頁巖壓裂液選用低粘度的滑溜水壓裂液，施工參數(shù)選擇高排量、高液量、低砂比;脆性中等的頁巖選用混合壓裂液，即滑溜水復(fù)合線性膠壓裂液;而塑性頁巖選用高粘度的線性膠壓裂液，施工參數(shù)選擇低排量和高砂比。表1中地應(yīng)力差異系數(shù)指兩向水平主應(yīng)力差值與最小水平主應(yīng)力的比值。當(dāng)此值小于0.1時(shí)，有利于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫;當(dāng)此值大于0.25時(shí)，要形成網(wǎng)絡(luò)裂縫就比較困難;介于二者中間時(shí)，要確保足夠的凈壓力才能形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。

4 頁巖網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)

4.1 射孔參數(shù)優(yōu)化

頁巖儲(chǔ)層的一個(gè)基本特點(diǎn)是儲(chǔ)層特性的連續(xù)累積效應(yīng)與某點(diǎn)儲(chǔ)層特性參數(shù)存在很大的差異，即頁巖具有連續(xù)累積效應(yīng)，關(guān)鍵儲(chǔ)層參數(shù)在縱向和橫向上變化范圍很大，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。Barnett某井壓后生產(chǎn)剖面測(cè)試表明(見圖2)，在總共14個(gè)射孔簇中，50%的射孔簇對(duì)產(chǎn)量沒有貢獻(xiàn)，這部分射孔簇基本處于儲(chǔ)層高應(yīng)力部位;低應(yīng)力部位的20%射孔簇對(duì)產(chǎn)量卻高達(dá)70%［2］。因此，射孔位置應(yīng)按表1中頁巖品質(zhì)和壓裂品質(zhì)的評(píng)價(jià)參數(shù)和指標(biāo)綜合考慮，選擇“甜點(diǎn)區(qū)”進(jìn)行射孔。如果頁巖品質(zhì)和壓裂品質(zhì)不能同時(shí)具備，則優(yōu)先考慮頁巖品質(zhì)。

圖2 Barnett某水平井壓后生產(chǎn)測(cè)試剖面Fig.2 Production test profile of one horizontal well in Barnett

一般頁巖壓裂射孔遵循如下基本原則:

1)射孔參數(shù)有利于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫;

2)各射孔段破裂壓力基本一致，或通過孔眼摩阻調(diào)節(jié)，達(dá)到同步縫長(zhǎng)效果;

3)射孔位置與長(zhǎng)度有利于裂縫在產(chǎn)層內(nèi)起裂與延伸，減少裂縫壓竄;

4)射孔密度滿足壓裂所需的套管強(qiáng)度要求。

根據(jù)綜合測(cè)井、成像測(cè)井、錄井等資料，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn):

1)氣測(cè)異常值，全烴變化明顯，錄井解釋含氣層段;

2)裂縫相對(duì)發(fā)育層段;

3)富含有機(jī)質(zhì)、粘土含量少、富含石英、較高孔隙度、TOC含量較高、較高氣含量;

4)高伽瑪、高聲波時(shí)差、低中子、低密度層段;

5)地應(yīng)力剖面解釋低閉合應(yīng)力段，兩向水平應(yīng)力差值較小層段。

經(jīng)計(jì)算，高排量下有效射孔孔眼數(shù)量超過80孔時(shí)，摩阻變化不大。如果射孔數(shù)量偏少，尤其是少于30孔時(shí)，會(huì)造成孔眼摩阻較大，壓裂施工時(shí)易砂堵(見圖3)。如果頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，采取簇射孔方式，為確保每簇孔眼正常進(jìn)液和起裂地層，設(shè)計(jì)每簇孔眼流量3～4 m3/min，單孔眼流量按每孔0.4 m3/min計(jì)算，則每簇孔眼數(shù)為8～10個(gè)，每一級(jí)裂縫分4簇射孔，每簇孔眼數(shù)8～10個(gè)，每段32～40孔。如果頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性一般，則采取集中射孔方式，總射孔數(shù)保持在80孔，確保有效孔數(shù)從而明顯降低孔眼摩阻。另外，采取深穿透、大孔徑和60°相位角螺旋射孔也有利于形成有效的網(wǎng)絡(luò)裂縫。

圖3 不同排量下射孔數(shù)與孔眼摩阻的關(guān)系曲線圖Fig.3 Correlation between perforation number and perforation friction with different rates

4.2 誘導(dǎo)復(fù)合測(cè)試技術(shù)

誘導(dǎo)復(fù)合測(cè)試技術(shù)是指微注測(cè)試和誘導(dǎo)注入測(cè)試，其主要特點(diǎn)是增加小型壓裂測(cè)試規(guī)模和測(cè)試排量。其中微注測(cè)試采用低排量小體積泵注，較長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井測(cè)壓降，在小型壓裂測(cè)試前，讀取解釋井口/井下存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)反演地層及裂縫參數(shù)，主要包括滲透率、破裂壓力、閉合壓力、濾失系數(shù)等，施工簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。壓力計(jì)量程0～105 MPa，溫度量程為0～150℃，采樣速率為1 s～18 h，精度為 0.01%，施工裝備僅用一臺(tái)1471 kW壓裂車和罐車，壓后立即撤離。壓力監(jiān)測(cè)時(shí)間與儲(chǔ)層物性和注入量有關(guān)。一般泵注排量為0.5 m3/min，直至地層破裂，泵注體積為20 ～30 m3。如果地層情況不明，可適當(dāng)增加泵注量。如果想進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性，可以在停泵一段時(shí)間后做一次校正注入測(cè)試(見圖4)。

圖4 某頁巖氣井微型注入測(cè)試施工曲線Fig.4 Fracture injection curve in one shale gas well

常規(guī)壓裂前的小型測(cè)試壓裂規(guī)模一般在60 m3以下，但頁巖氣大規(guī)?；锼w積壓裂不同，如果小型測(cè)試壓裂規(guī)模過小，則難以反應(yīng)遠(yuǎn)井的儲(chǔ)層狀況。頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂前的誘導(dǎo)小壓測(cè)試用液規(guī)模一般應(yīng)是主壓裂用液規(guī)模的10%，最大排量與主壓裂最大排量相同，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的地層參數(shù)、液體摩阻和濾失系數(shù)等性能參數(shù)，指導(dǎo)主壓裂施工。提高用液規(guī)模的另一個(gè)好處是形成的誘導(dǎo)應(yīng)力相對(duì)較大，有利于增加裂縫轉(zhuǎn)向半徑。如果兩個(gè)水平主應(yīng)力差值不大，可能更易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。如果裂縫易下竄，還可在小型測(cè)試壓裂中適當(dāng)加些粉陶或粉砂，利用停泵測(cè)壓降時(shí)機(jī)沉降縫底控制縫高下竄。

4.3 脆性頁巖儲(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)對(duì)策

從泵注時(shí)間角度來看，網(wǎng)絡(luò)裂縫擴(kuò)展經(jīng)歷兩個(gè)階段:近井帶多裂縫和遠(yuǎn)井帶網(wǎng)絡(luò)裂縫。如果措施不當(dāng)，施工時(shí)近井過多的裂縫張開，會(huì)在近井地帶形成一個(gè)彈性的破碎帶。這個(gè)破碎帶會(huì)消耗很大的施工水馬力，壓力擴(kuò)散困難，容易造成砂堵。通過對(duì)前期砂堵井的分析，提出了脆性頁巖網(wǎng)絡(luò)壓裂“控近擴(kuò)遠(yuǎn)”的技術(shù)對(duì)策，即通過控制近井帶多裂縫，擴(kuò)展遠(yuǎn)井帶網(wǎng)絡(luò)裂縫，提高施工成功率，降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)有效的體積壓裂改造(見圖5)。

圖5 近井和遠(yuǎn)井多裂縫擴(kuò)展示意圖Fig.5 Diagram of multi－ crack expansion in close and faraway wells

4.3.1 近井帶網(wǎng)縫階段

根據(jù)主裂縫與天然裂縫的角度關(guān)系以及通過連續(xù)地應(yīng)力剖面計(jì)算獲得的兩向應(yīng)力差異，判斷主縫開啟的同時(shí)是否能張開天然裂縫。若近井天然裂縫在主裂縫起裂時(shí)張開的條數(shù)過多，可能會(huì)加大前置液的濾失，引起近井彎曲摩阻過高，同時(shí)多縫競(jìng)爭(zhēng)會(huì)引起近井單縫寬變窄，造成施工壓力高和脫砂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在主壓裂施工前結(jié)合小型測(cè)試壓裂來診斷裂縫彎曲和天然裂縫發(fā)育程度。一般情況下，優(yōu)化孔密和孔眼方位能夠降低孔眼摩阻;采取變排量和前置小粒徑段塞等技術(shù)措施控制近井天然裂縫的開啟條數(shù)，降低近井彎曲摩阻，為擴(kuò)展遠(yuǎn)井裂縫提供通道。

4.3.2 遠(yuǎn)井帶網(wǎng)縫階段

遠(yuǎn)井帶能否形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)是網(wǎng)縫壓裂改造的關(guān)鍵。遠(yuǎn)井帶裂縫的復(fù)雜性除了頁巖自身物性、脆性、敏感性、力學(xué)特性等不可控因素有關(guān)外，還取決于誘導(dǎo)應(yīng)力的大小。根據(jù)射孔段水平應(yīng)力差異、主裂縫內(nèi)凈壓力大小以及能夠產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力大小判斷主裂縫轉(zhuǎn)向半徑及方位。因此，提升主縫內(nèi)凈壓力誘導(dǎo)裂縫轉(zhuǎn)向是遠(yuǎn)井帶網(wǎng)絡(luò)壓裂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要技術(shù)措施包括變排量施工、二次/多次停泵、變壓裂液密度、變壓裂液粘度和超低密度支撐劑使用等。其中砂液比的設(shè)計(jì)除了滿足與造縫寬度相匹配的支撐縫寬外，主要是增加裂縫內(nèi)砂漿的流動(dòng)摩阻，提升主裂縫的凈壓力，以實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向或張開天然裂縫的目的。段塞量及段塞級(jí)數(shù)的優(yōu)化主要是為了防止早期砂堵采取的提前干預(yù)措施，保證裂縫支撐剖面不中斷。

4.4 壓后排采技術(shù)

早期頁巖氣井的排采理念是借鑒北美國家，尤其是Barnett頁巖開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，即壓后敞噴，快速返排。但人們忽視了一個(gè)現(xiàn)實(shí)，Barnett的頁巖儲(chǔ)層超壓，壓力系數(shù)高，地層脆性指數(shù)高，天然裂縫發(fā)育，僅靠地層能量就能返排出足夠多的滑溜水壓裂液，同時(shí)由于地層壓力高，返排率達(dá)到30%左右，產(chǎn)氣量就達(dá)到一定的峰值，并可攜帶出后續(xù)的壓裂液或一定的水量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。但國內(nèi)頁巖儲(chǔ)層壓力多為常壓，壓后連續(xù)自噴能力和帶液生產(chǎn)能力較差。如果盲目采取國外壓后敞噴快速返排，造成生產(chǎn)壓差波動(dòng)太大，裂縫支撐劑承受較大的循環(huán)應(yīng)力載荷影響，導(dǎo)流能力會(huì)急劇下降，影響壓后效果?，F(xiàn)場(chǎng)常用的膜制氮舉等周期性強(qiáng)排措施的適應(yīng)性還有待于進(jìn)一步研究與評(píng)價(jià)。壓后排采是除叢式水平鉆井、水平井大型壓裂之外，頁巖油氣開采的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和核心，目前仍在進(jìn)行探索。但有一個(gè)共識(shí)是頁巖氣排采要控制合理生產(chǎn)壓差，要做到“穩(wěn)定、連續(xù)、適當(dāng)快速”。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1)基本情況。A井是一口頁巖氣兼探井，目的層埋深為1701～1887 m，厚186 m，純泥頁巖厚121 m，儲(chǔ)層平面上分布穩(wěn)定、構(gòu)造應(yīng)力不強(qiáng)，水平主應(yīng)力差異小，水平層理(砂頁巖互層)發(fā)育，天然裂縫和次生縫發(fā)育。地層壓力系數(shù)為 1.1～1.2。1801.3 m頂部具備較好的隔層條件，1857.3 m底部隔層條件一般。頁巖測(cè)井響應(yīng)特征明顯，具有“三高兩低”的特征——高伽馬、高聲波、高中子、低電阻、低密度;巖性組份主要以石英礦物、粘土礦物及碳酸鹽巖為主，以伊/蒙間層和伊利石為主。測(cè)井解釋含水飽和度78.6%，滲透率0.01 mD，孔隙度2.6%，有機(jī)碳含量1.84%，熱演化程度 1.18%，泊松比 0.20，楊氏模量 10800 MPa，石英含量51%，斜長(zhǎng)石含量9.67%，鈣質(zhì)含量13.5%，粘土含量25.7%。

2)壓裂設(shè)計(jì)。該井累積注入滑溜水壓裂液1704 m3，加入低密度陶粒 86.76 t，最高排量達(dá)12 m3/min，最高砂比10.6%，段塞數(shù)11個(gè)。經(jīng)計(jì)算，兩向水平主應(yīng)力差異系數(shù)為0.17，應(yīng)力差異較小。經(jīng)小型測(cè)試壓裂表明，壓裂過程中多裂縫開啟特征明顯(見圖6、圖7)。壓后點(diǎn)火持續(xù)燃燒40 h，最高1.2 m，折算初產(chǎn)1000 m3天然氣。

圖6 A井小型測(cè)試壓裂曲線Fig.6 Minifrac curve of Well A

6 結(jié)語

1)頁巖是由粘土粒級(jí)的顆粒組成的細(xì)粒沉積巖，顆粒粒徑小于0.0039 mm的沉積巖均可稱為頁巖，真正的頁巖易產(chǎn)生裂縫。頁巖氣是指來自“頁巖段”內(nèi)所有巖性(包括頁巖、砂質(zhì)巖)產(chǎn)出的天然氣。

圖7 A井壓裂施工曲線Fig.7 Mainfrac curve of Well A

2)頁巖網(wǎng)絡(luò)裂縫必須同時(shí)確保具有一定的復(fù)雜程度、流動(dòng)的穩(wěn)定性和有效導(dǎo)流能力才能實(shí)現(xiàn)提高儲(chǔ)層有效改造體積的目的。

3)不是所有的頁巖都適合壓裂。頁巖壓前評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮頁巖品質(zhì)和壓裂品質(zhì)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和研究成果進(jìn)一步修正和補(bǔ)充。

4)避免近井帶誘導(dǎo)產(chǎn)生多裂縫是網(wǎng)絡(luò)裂縫起裂和延伸的基礎(chǔ)。

5)利用主裂縫溝通或誘導(dǎo)產(chǎn)生遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)裂縫系統(tǒng)是網(wǎng)縫壓裂設(shè)計(jì)的核心。

6)壓后合理排采是確保網(wǎng)絡(luò)壓裂效果的關(guān)鍵，還需要進(jìn)一步探索。

［1］閻存章，李鷺光，王炳芳，等.北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)新進(jìn)展［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2009.

［2］Cipolla C L，Lolon E P，Dzubin B.Evaluating Stimulation Effectiveness in Unconventional Gas Reserviors［C］//SPE 124843，2009.

［3］Cipolla C L，Warpinski N R ，Mayerhofer M J，et al.The relationship between fracture Complexity，reservoir properties，and fracture-treatment design［R］.SPE 115769，2010.

［4］Cipolla C L ，Warpinski N R ，Mayhofer，M J.Hydraulic fracture complexity:diagnosis，remediation，and exploitation［R］.SPE 115771，2008.

［5］Fisher M K ，Heinze J R，Harris C D，et al.Optimizing horizontal completion techniques in the barnett shale using microseismic fracture mapping［R］.SPE 90051，2004.

［6］Mayerhofer M J，Lolon E P ，Warpinski N R ，et al.What is stimulated reservoir volume?［R］.SPE 119890，2010.

［7］M J Mayerhofer，E P Lolon，N R Warpinski.What is stimulated rock volume［R］.SPE 119890，2008.

Shale reservoir network fracturing technology research and experiment

Jia Changgui，Li Shuangming，Wang Haitao，Jiang Tingxue

(Petroleum Engineering Technology Research Institute of SINOPEC，Beijing 100101，China)

Shale reservoir fracturing is the critical and center technology for shale oil and gas efficient exploration and development.Different from conventional low permeability oil and gas reservoir whose goal is to improve fracturing effectively by single fracture，the main goal of low porosity and low permeability shale is to form effective conductivity network fracture，ensuring fracturing volume large enough and economical and efficient.Proposed the concept of network effective fracturing stimulation volume of shale(ESRV)，in reference to North American shale gas fracturing experience and the domestic shale gas fracturing based on practice，in view of Chinese specific characteristics of shale reservoir，it has been doing exploratory research in some aspects，including pre-frac evaluation method，the optimization of perforating parameters，such as compound test fracturing，network fracturing methods，flow-back technology and other aspects.The initial shale network fracturing technique is obtained，and it has good effect in field experiment，solving the problem of brittle shale sand of easily being screened out and low success rate.

shale;reservoir;network fracturing

TE38

A

1009－1742(2012)06－0106－07

2012－04－06

國家“十二五”重大專項(xiàng)示范工程項(xiàng)目(2011ZX05048－006－002)

賈長(zhǎng)貴(1973—)，男，河南安陽縣人，高級(jí)工程師，博士，主要從事非常規(guī)油氣水力壓裂機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)、滑溜水及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面的研究與應(yīng)用工作;E－mail:cyyjcg@163.com