頁巖氣藏壓裂改造難點與技術(shù)關(guān)鍵

趙金洲 王松 李勇明

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

頁巖氣藏壓裂改造難點與技術(shù)關(guān)鍵

趙金洲 王松 李勇明

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

我國的頁巖氣資源儲量非?？捎^，國外成功開發(fā)的經(jīng)驗表明，壓裂改造是實現(xiàn)頁巖氣高效、經(jīng)濟開發(fā)的重要技術(shù)步驟。為此，在詳細調(diào)研和總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，從壓裂改造的角度分析了頁巖氣儲層基本特征，闡述了頁巖氣藏壓裂理論、材料和工藝3個方面所面臨的難題和挑戰(zhàn)，進而提出了頁巖氣藏改造技術(shù)關(guān)鍵。結(jié)論認為：剪切作用有利于形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)；頁巖中的氣體以吸附、游離和溶解狀態(tài)存在，在非達西流動狀態(tài)下，氣體滲流機理更為復(fù)雜；以微地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型描述縫網(wǎng)是目前計算頁巖氣產(chǎn)能的主流方法；滑溜水壓裂應(yīng)根據(jù)儲層條件研制和篩選支撐劑和添加劑，開發(fā)井下工具，并優(yōu)化泵注程序和壓裂工藝，以形成高導(dǎo)流能力的大型復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)為改造作業(yè)目標(biāo)。

頁巖氣 水力壓裂 復(fù)雜縫網(wǎng) 滲流機理 滑溜水壓裂 難點 技術(shù)關(guān)鍵

我國頁巖氣資源潛力十分巨大，可采資源量約為26×1012m3，與美國大致相當(dāng)。僅四川盆地寒武系和志留系兩套頁巖，其資源量就相當(dāng)于該盆地常規(guī)天然氣資源量的1.5～2.5倍［1］。國內(nèi)第一口頁巖氣井——威201井經(jīng)壓裂獲得工業(yè)氣流，標(biāo)志著頁巖氣的開發(fā)已經(jīng)起步，但對頁巖氣藏壓裂改造增產(chǎn)機理還缺乏認識，并缺少現(xiàn)場施工經(jīng)驗，難以對頁巖氣的開發(fā)提供必要的技術(shù)支撐，筆者就此進行了全面總結(jié)。

1 頁巖氣藏儲層基本特征

屬于非常規(guī)油氣資源的頁巖氣藏具有一系列特殊的儲層特征，導(dǎo)致開發(fā)過程中氣體滲流機理、壓裂增產(chǎn)原理和相應(yīng)的改造技術(shù)明顯不同于常規(guī)氣藏。頁巖氣藏壓裂改造涉及眾多儲層特征因素，最關(guān)鍵的包括：①黏土含量較高（Barnett頁巖中含量達到30%以上），硅酸鹽、碳酸鹽含量高的儲層巖石脆性較強，使得天然裂縫更易起裂和延伸，易于形成復(fù)雜縫網(wǎng)；②孔隙度低、滲透性極低（Barnett頁巖中孔隙度在2%～6%，滲透率在50～600 nD），需要通過有效壓裂改造形成復(fù)雜縫網(wǎng)，提高頁巖氣的可流動性；③有機質(zhì)含量越高，吸附氣含量越大，增產(chǎn)有效期越長，且有機質(zhì)中存在孔隙網(wǎng)絡(luò)（圖1），在氣體擴散作用下具有良好滲流能力；④高楊氏模量、中低泊松比的頁巖脆性較強，利于實現(xiàn)頁巖儲層的大規(guī)模復(fù)雜縫網(wǎng)改造，塑性較強的頁巖則需要首先確保長、窄、導(dǎo)流能力好的支撐主裂縫；⑤大量天然裂縫是壓裂過程中的薄弱位置，既是形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素之一，也是氣體流動的重要通道；⑥儲層物性參數(shù)在空間分布的差異對裂縫的起裂、延伸、材料優(yōu)選、施工設(shè)計、壓裂效果等方面有重要影響。

圖1 Barnett頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)圖（掃描電鏡）

2 頁巖氣藏壓裂改造難點

2.1 頁巖氣藏壓裂理論

目前認為實現(xiàn)頁巖氣藏高效開發(fā)的重要前提就是在目的層形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)（圖2）［2］。在施工過程中盡可能多的溝通天然裂縫，使得滲透率極低的基質(zhì)在擴散作用下釋放的氣體通過裂縫的溝通提高流動能力。最終整個改造層位形成溝通頁巖氣藏和井底的大型復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)，盡可能地增大頁巖儲層改造體積。

圖2 裂縫復(fù)雜性示意圖

頁巖儲層中大量存在的天然裂縫和水平應(yīng)力間的較小差異是形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的重要地質(zhì)條件［3］。當(dāng)壓裂液進入地層，超過巖石抗張強度后形成張性縫，這與常規(guī)壓裂一致；但由于充填脆性巖石礦物的天然裂縫在有效應(yīng)力超過抗剪強度時，天然裂縫也會繼續(xù)延伸，形成不同于常規(guī)雙翼平面縫的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。目前還沒有成熟的理論對裂縫網(wǎng)絡(luò)起裂和延伸進行準(zhǔn)確的數(shù)值分析，主要依據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果從直觀上定性地判斷裂縫網(wǎng)絡(luò)的大致方位、間距和尺寸等參數(shù)（圖3）。

圖3 微地震數(shù)據(jù)生成的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)圖

由于對頁巖氣藏天然裂縫的描述和對復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)認識的欠缺，使得在數(shù)值計算中難以對縫網(wǎng)等相關(guān)參數(shù)進行理論上合理的假設(shè)，直接影響壓后產(chǎn)能、經(jīng)濟評價的準(zhǔn)確性及施工優(yōu)化設(shè)計的合理性。

2.2 頁巖氣藏壓裂材料

與常規(guī)氣藏壓裂最顯著的差異就是頁巖氣藏多使用滑溜水作為施工液體。由于液體中不含有殘渣或不溶物，不易對儲層造成傷害。在頁巖氣水平井多級壓裂時，單級使用的滑溜水最大用量達到18 900 m3，因此滑溜水的低成本能實現(xiàn)頁巖氣的經(jīng)濟開發(fā)。

在天然裂縫發(fā)育的頁巖儲層中，滑溜水濾失量增大，易造成砂堵，加砂濃度和總體規(guī)模受到限制?；锼酿ざ容^低（在4 mPa·s左右），支撐劑顆粒沉降較快，難以輸送至裂縫深部或分支裂縫網(wǎng)絡(luò)處，且容易在裂縫底部沉積，形成砂堤。最終使得支撐劑濃度分布不均勻，裂縫上部重新閉合，分支裂縫也難以形成有效的支撐，降低縫網(wǎng)改造程度，增加了施工不確定性。

由于滑溜水?dāng)y砂能力的局限，如通過降低支撐劑顆粒大小和密度的方式控制支撐劑沉降速度，又會使得支撐劑承壓能力下降或裂縫壁面塑性較強時易于嵌入，降低裂縫導(dǎo)流能力。

另外，儲層泥質(zhì)含量大，滲透率極低。除了常用的降阻劑外，滑溜水壓裂還需要針對頁巖氣藏具體情況，研制和篩選合理的添加劑。如氣水同產(chǎn)時，毛細管力作用較強，發(fā)生水鎖現(xiàn)象，降低氣相滲透率。常規(guī)表面活性劑雖能促進液體返排，但吸附性較強，有效作用距離短。頁巖氣藏壓裂改造所需液量大，黏土穩(wěn)定劑如果按照常規(guī)的比例配制，加入量非常大，又難以滿足低成本、高效益的開發(fā)需要。

2.3 頁巖氣藏壓裂工藝

水平井分段壓裂是目前經(jīng)過現(xiàn)場驗證的頁巖氣藏最為有效和成功的壓裂技術(shù)，通過多級主裂縫及其延伸出的縫網(wǎng)，盡可能實現(xiàn)與極低滲透率的儲層充分接觸，增大改造體積。但所面臨的問題也較為突出：①水平段較長，在其最遠端部起裂壓力較高；②需要可靠的封隔器或橋塞實現(xiàn)不同改造位置的有效封隔；③近井區(qū)域裂縫扭曲和形態(tài)復(fù)雜，使得泵注壓力大，繼續(xù)延伸困難，并且限制砂濃度提高，壓后導(dǎo)流能力有限。由于壓裂液和支撐劑的特殊性能、裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性以及改造規(guī)模的影響，需要不斷優(yōu)化泵注程序以滿足現(xiàn)場需要。

頁巖氣改造層段多，液體和支撐劑用量大，施工時間長，特別是在同步壓裂、重復(fù)壓裂時，對設(shè)備、人員的水平、協(xié)作等主觀條件要求高。

3 頁巖氣藏壓裂改造技術(shù)關(guān)鍵

3.1 加深對頁巖氣地質(zhì)特征及滲流機理認識

頁巖氣以自生自儲作為其成藏的典型特點，氣態(tài)烷烴主要的儲集形式：以游離的方式在孔隙中存在、以吸附的方式在有機質(zhì)中存在和以溶解方式存在［4］。其中，吸附狀態(tài)天然氣含量介于20%～85%之間，因此在低孔、超低滲的頁巖儲層，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，盡可能的溝通富含有機質(zhì)的區(qū)域，是保證經(jīng)濟開采的重要前提。構(gòu)成壓裂后頁巖儲層的滲流介質(zhì)主要有4類：非有機質(zhì)基質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙、天然裂縫和水力壓裂縫。微觀上的滲流機理則包括：自由氣流動、頁巖氣解析、頁巖氣擴散和壓裂液滲吸。自由氣流動指兩方面：其一，有機質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)和非有機質(zhì)孔隙中的非達西流動；其二，天然裂縫和水力裂縫中的達西流動?？拷⒖紫逗臀⒘芽p的吸附氣可以迅速解吸釋放，而遠離孔縫的頁巖基質(zhì)內(nèi)頁巖氣則只能靠擴散作用經(jīng)過有機質(zhì)表面被釋放。并且天然裂縫的應(yīng)力敏感也是影響氣體滲流的主要因素?；|(zhì)較小的孔隙直徑（僅為10～1 000倍的分子自由行程），滑脫效應(yīng)較為嚴(yán)重。因此，應(yīng)從宏觀、微觀方面加強對頁巖氣滲流機理研究。

3.2 加強頁巖氣藏壓裂基礎(chǔ)理論研究

發(fā)育的天然裂縫和較小的水平主應(yīng)力差，是形成縫網(wǎng)的重要前提。由于國外技術(shù)保密，關(guān)于剪切作用所產(chǎn)生的復(fù)雜分支縫并沒有詳細地描述和分析。目前最為普遍的方法是依據(jù)微地震測試數(shù)據(jù)點的分布和密度，并以地質(zhì)數(shù)據(jù)及個人經(jīng)驗，結(jié)合地質(zhì)建模軟件劃分復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，形成離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（圖4）［5］。該方法雖與實際情況更為接近，但裂縫形態(tài)復(fù)雜，處理難度大，并需要壓裂軟件具有較強圖形處理功能。

圖4 基于微地震測試的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)圖

而在計算頁巖氣藏壓裂產(chǎn)能時，則是將復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)簡化為長軸和短軸方向成一定比例的正交離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（圖5）。

圖5 正交離散裂縫網(wǎng)絡(luò)圖

同步壓裂和重復(fù)壓裂都在于利用水平應(yīng)力差值、人工暫堵措施以及裂縫延伸所造成的應(yīng)力變化，對同時或后繼延伸的裂縫造成影響。由于流體方向的改變，產(chǎn)生足夠壓差，縫內(nèi)形成較高的凈壓力，一定程度上改變其延伸方向使其朝未形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域發(fā)展，擴大壓裂增產(chǎn)體積。可借助于常規(guī)氣藏的研究方法，但針對泥質(zhì)含量高、脆塑性變化較大的頁巖儲層需要通過實驗改進相關(guān)參數(shù)。

3.3 壓裂施工材料研制及改進

為適應(yīng)不同儲層條件和改造目標(biāo)，對壓裂液添加劑的研發(fā)、改進、篩選非常必要。本文參考文獻［6］提出的一種聚丙烯酰胺類的降阻劑，其用量僅為0.025%～0.1%，在進入地層后需使其迅速降解。優(yōu)選合適的殺菌劑能控制大規(guī)模、長時間施工時液體和地層有機質(zhì)中細菌生長，還能降解液體中的聚合物，調(diào)整液體的密度和黏度。為控制黏土礦物膨脹、脫落和運移，防止對本已很低的孔隙空間造成堵塞，黏土穩(wěn)定劑必不可少。表面活性劑有助于液體返排和提高氣體相對滲透率，需要滿足用量小、被吸附能力弱的性能要求?；锼屑尤敕拦竸┠茴A(yù)防由于注入較多低溫液體，地層溫度下降導(dǎo)致垢的形成。

國外較為重視對返排液的分析和處理，通過測量返排的體積，既能預(yù)測和分析頁巖儲層壓裂效果，又能為鄰井或同層位施工優(yōu)選添加劑提供參考和依據(jù)。為實現(xiàn)大量返排液體重復(fù)利用，首先采用雙氧水（過氧化氫）和漂白水這類強氧化劑，除去細菌和聚合物，再通過沉淀和過濾的方式，除去懸浮顆粒和垢，最后再加入阻垢劑保證處理后的液體與地層的配伍性，形成施工處理的基液。由于液體的反復(fù)使用，越來越高的礦化度對各類添加劑效果的影響需要進一步評價。

由于壓裂液黏度低，裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜等因素，為提高支撐劑輸送和鋪置效果，低密度、小粒徑、中高強度的支撐劑在現(xiàn)場使用較多。大量使用50～100目陶粒，其價格與石英砂相比更為昂貴，而石英砂在高閉合應(yīng)力下容易破碎。因此樹脂包層石英砂既能避免顆粒破碎損害壓后導(dǎo)流能力，又能降低施工成本［7］。在顆粒表面形成微小氣泡的浮力支撐劑和在儲層就地形成的支撐劑目前在室內(nèi)研究中取得了成功。

3.4 工藝技術(shù)進步和設(shè)計優(yōu)化

水平井段水泥固井后，其端部起裂和延伸壓力較大?，F(xiàn)場對應(yīng)解決措施［8］包括：利用測井?dāng)?shù)據(jù)，預(yù)測地應(yīng)力，優(yōu)選射孔方位；采用180°相位角，與目標(biāo)裂縫面對應(yīng)；采用酸溶性固井水泥能降低破裂壓力15%以上；前置液中加入100目的降濾劑，控制近井復(fù)雜裂縫濾失。

Barnett頁巖中水平井段長度介于450～1 500 m，通過可鉆式復(fù)合橋塞，一般分為5～7段進行壓裂。單段使用的液量在1 892～7 570 m3，使用的砂量在113 t左右，排量7.9～12.7 m3／min。常規(guī)的泵注程序?qū)⑸皾舛认拗圃?～60 kg／m3，前期支撐劑粒徑為100目，中期以40～70目為主，最后尾追注入20～40目的支撐劑，其砂濃度也相應(yīng)提高到120～240 kg／m3。通過泵注程序優(yōu)化，依靠較高排量所產(chǎn)生的紊流和壓裂中形成的砂堤，克服低黏液體攜砂的困難。并且大液量、高排量在保證較厚的頁巖儲層不被壓穿的同時，能形成更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。但在分支裂縫中由砂堤推移形成的支撐劑分布濃度較低，是滑溜水壓裂中存在的缺陷，但也能通過改進壓裂材料的性能提高攜砂和鋪置效果。

當(dāng)儲層天然裂縫不十分發(fā)育，且硅質(zhì)礦物含量較少，泥質(zhì)含量較高時，采用滑溜水壓裂難以形成縫網(wǎng)，支撐劑顆粒易于嵌入裂縫壁面。改造策略應(yīng)考慮形成導(dǎo)流能力較高的主裂縫，因此，針對特殊的地質(zhì)條件采用泡沫壓裂、凍膠壓裂、復(fù)合壓裂在現(xiàn)場取得成功的應(yīng)用。

微地震監(jiān)測技術(shù)是通過間接手段認識和評價縫網(wǎng)最為常用的手段，延伸過程中裂縫剪切破壞引起裂和錯動產(chǎn)生的低頻能量波，在觀測井中收集，再經(jīng)過微地震資料正、反演處理，實現(xiàn)對裂縫方位、密度和大致形態(tài)的描述和評價，能對施工效果進行準(zhǔn)確評估，并為后期作業(yè)提供重要參考。

4 結(jié)論與認識

1）國外頁巖氣成功開發(fā)模式，為我們提供了重要的技術(shù)研究思路和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，有利于我國頁巖氣實現(xiàn)快速、高效、經(jīng)濟的開發(fā)。

2）壓裂改造是美國頁巖氣開發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)，我國頁巖氣開發(fā)也應(yīng)充分重視并加強壓裂相關(guān)理論和配套技術(shù)研究。

3）研究頁巖氣藏滲流機理與壓裂有關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)測試設(shè)備和方法，重視突破水平井多級壓裂、縫網(wǎng)壓裂和同步壓裂改造機理和工藝技術(shù)。

4）頁巖氣藏壓裂應(yīng)立足于“高起點、低成本、高效改造”，并注意安全環(huán)保問題。

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Difficulties and key techniques in the fracturing treatment of shale gas reservoirs

Zhao Jinzhou，Wang Song，Li Yongming
（State Key Laboratory of Oil ＆Gas Reservoir Geology and Exploitation／／Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.46－49，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The successful practices of shale gas development abroad demonstrate that hydraulic fracturing is an important technique for achieving economical and effective development.In view of this，on the basis of a thorough review of the achievements at home and abroad，the basic characteristics of shale gas reservoirs are analyzed from the perspective of hydraulic fracturing，and the difficulties and challenges are also introduced in the aspects of the theory，materials and technology of fracturing treatment in shale gas reservoirs.Based on the above，the key techniques are presented.The following conclusions are drawn.（1）The shearing action is in favor of the formation of complex fracture networks.（2）Gas exists in the adsorption，free and dissolved state and the principle of gas seepage is even more complex under the state of non－Darcy flow.（3）Based on the microseismic data，the discrete fracture network（DFN）model is built to characterize the fracture network，which is the most popular method for the calculation of shale gas well productivity.（4）As for slick water fracturing treatment，according to the reservoir conditions，propping agent and novel addictives should be studied and developed as well as downhole tools，and the pumping schedule and technology should be optimized，so as to make full preparations for the goal of the large scale and complex fracture network with high conductivity.This study provides technical support for the fast，effective and economical development of shale gas in China.

shale gas，hydraulic fracturing，complex fractures，filtration mechanism，slick water fracturing，difficulty，technology

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.011

趙金洲等.頁巖氣藏壓裂改造難點與技術(shù)關(guān)鍵.天然氣工業(yè)，2012，32（4）：46－49.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.011

中國石油科技創(chuàng)新基金“頁巖氣藏壓裂滲流理論與應(yīng)用研究”（編號：2011－5006－0201）。

趙金洲，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，本刊第七屆編委會委員；主要從事油氣藏壓裂酸化理論與應(yīng)用的教學(xué)和科研工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)新都大道8號。電話：（028）83032979。E－mail：zhaojz＠swpu.edu.cn

（修改回稿日期 2012－02－18 編輯 韓曉渝）

Zhao Jinzhou，professor，born in 1962，is mainly engaged in teaching and research of fracturing and acidization.He is vice president of Southwest Petroleum University，and also a member of the 7thNGI Editorial Board.

Add：No.8，Xindu Avenue，Xindu District，Chengdu，Sichuan 610500，P.R.China

Tel：＋86－28－8303 2979 E－mail：zhaojz＠swpu.edu.cn