頁巖儲(chǔ)層特征與儲(chǔ)層破裂特征研究

秦文凱 (中石油大慶油田有限責(zé)任公司大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司,黑龍江大慶 163411)

頁巖儲(chǔ)層特征與儲(chǔ)層破裂特征研究

秦文凱 (中石油大慶油田有限責(zé)任公司大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司,黑龍江大慶 163411)

分析了頁巖氣儲(chǔ)層差異,與致密氣、煤層氣對(duì)比,頁巖氣在儲(chǔ)層特性、滲流機(jī)理、賦存形態(tài)、儲(chǔ)量方面存在差異;在此基礎(chǔ)上從頁巖儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)、頁巖氣賦存形態(tài)、滲流機(jī)理及天然裂縫等方面進(jìn)一步闡述了頁巖儲(chǔ)層特征。針對(duì)頁巖儲(chǔ)層的特點(diǎn),需改變傳統(tǒng)造長(zhǎng)縫的壓裂理念轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬煽p網(wǎng)的壓裂理念;探討了頁巖儲(chǔ)層中巖石破裂特征,對(duì)產(chǎn)能優(yōu)化方面總結(jié)了與不同脆性程度相適應(yīng)的壓裂液體系及支撐劑濃度;針對(duì)國內(nèi)頁巖開發(fā)現(xiàn)狀提出展望,對(duì)我國頁巖氣研究與開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

頁巖氣;儲(chǔ)層差異;儲(chǔ)層特征;巖石破裂特征;壓裂液;支撐劑

據(jù)中國國土資源部發(fā)布的《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選》,中國頁巖氣地質(zhì)資源儲(chǔ)量為134×1012m3,可采資源潛力為25.08×1012m3,顯示出中國頁巖氣資源開發(fā)潛力巨大。目前,在我國頁巖氣勘探開發(fā)處于起步階段和理論探索階段,需要加強(qiáng)對(duì)我國頁巖儲(chǔ)層特征的研究。為此,筆者通過文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)了頁巖儲(chǔ)層特征,并分析了頁巖儲(chǔ)層的破裂特征,研究了頁巖儲(chǔ)層破裂與儲(chǔ)層壓裂之間的關(guān)系,通過這些研究針對(duì)我國頁巖氣藏儲(chǔ)層改造技術(shù)提出了幾點(diǎn)建議。

1 頁巖氣儲(chǔ)層差異

非常規(guī)油氣資源包括致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣。這3類非常規(guī)油氣藏的物性參數(shù)、地質(zhì)特征、天然氣賦存機(jī)理、油氣藏成藏機(jī)理、儲(chǔ)量等方面都存在較大差異,這些因素都將影響壓裂工藝、壓裂液體系及支撐劑的選擇。3種非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層特性[1-7]對(duì)比表如表1所示,從表1中可看出頁巖儲(chǔ)層的特殊性,在頁巖氣藏的開發(fā)中不可照搬現(xiàn)有的機(jī)理研究模式和壓裂理念。

表1 非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層特性對(duì)比表

2 頁巖儲(chǔ)層特征

2.1 頁巖微觀結(jié)構(gòu)

頁巖儲(chǔ)層中存在2種孔隙介質(zhì):微孔隙和納米孔隙,這2種孔隙介質(zhì)包括粒內(nèi)孔和粒間孔。微孔隙存在于富含二氧化硅的泥質(zhì)及黃鐵礦物中(見圖1),納米孔隙分布于有機(jī)物和富含粘土的泥巖中(見圖2)。粒間納米孔隙較少發(fā)現(xiàn),粒內(nèi)納米孔隙大量分布于礦物顆粒中,具有橢圓狀和氣泡狀,橢圓狀納米孔隙通過吼道相連。研究人員對(duì)Barnett地區(qū)頁巖地層中孔隙直徑統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),納米孔隙直徑在5～600nm范圍內(nèi),其中大部分分布在100nm附近[8]。

圖1 硅化礦物中的微孔隙

圖2 有機(jī)物中的納米孔隙

2.2 頁巖氣的賦存形態(tài)

頁巖氣分為游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)。游離氣存在于巖石顆?？紫逗土芽p中;吸附氣通過范德瓦耳斯力賦存在有機(jī)質(zhì)顆粒、粘土礦物、干酪根顆粒以及孔隙表面;溶解氣是指頁巖氣溶解于干酪根、瀝青質(zhì)、殘留水以及液態(tài)原油中[9]。其中,游離氣和吸附氣占主要位置,而溶解氣僅少量存在。吸附氣量與干酪根類型,有機(jī)質(zhì)成熟度、豐度、地層壓力、溫度、頁巖中礦物組分有關(guān)。泥質(zhì)含量越高,吸附能力越強(qiáng);當(dāng)含有碳酸鹽、白云石礦物時(shí),吸附能力顯著降低。美國Barnett頁巖儲(chǔ)層中在石英含量為45%地層中獲得最高的產(chǎn)量,表明頁巖儲(chǔ)層中吸附氣含量與礦物組分有關(guān)。

2.3 頁巖氣滲流機(jī)理

頁巖氣在地層中滲流分為游離氣階段(在壓后初期,人工裂縫和天然裂縫與井筒溝通,形成一定范圍的壓降漏斗,游離氣在壓降作用下流向井筒)和解吸階段(隨著游離氣的開采,壓降度增大,吸附于有機(jī)物表面及孔隙表面上的頁巖氣發(fā)生解吸,導(dǎo)致濃度差的產(chǎn)生,游離氣在濃度差作用下以擴(kuò)散方式運(yùn)移[10])。

1)吸附模型 Langmuir單分子層吸附模型常用來表征壓力與吸附量的關(guān)系,但吸附量還與溫度有關(guān),Bi-Langmuir模型考慮了溫度和壓力對(duì)吸附的影響。Langmuir模型的假設(shè)條件是吸附劑表面均勻,吸附分子間無相互作用力及單分子層定位吸附,BET多分子層吸附理論也可解釋吸附現(xiàn)象,但忽略分子間側(cè)向內(nèi)聚力[11]。這些平衡吸附模型都過于簡(jiǎn)化,不能準(zhǔn)確表征游離態(tài)及吸附態(tài)之間的動(dòng)力學(xué),同時(shí)由于孔隙結(jié)構(gòu)非均值性,導(dǎo)致解吸速度比吸附速度更慢,即出現(xiàn)解吸滯后現(xiàn)象[12],所以應(yīng)考慮孔隙分形特性,多層吸附等特點(diǎn),建立更為合適的吸附解吸模型。

圖3 天然裂縫中礦物充填層

2)擴(kuò)散方程 開采頁巖氣時(shí),儲(chǔ)層壓力降低,基質(zhì)壁面吸附氣發(fā)生解吸,導(dǎo)致基質(zhì)表面與基質(zhì)內(nèi)部存在濃度差,使得基質(zhì)內(nèi)部頁巖氣以擴(kuò)散方式運(yùn)移至壁面。根據(jù)努森擴(kuò)散kn=d/λ(d為孔隙的直徑,λ為分子的平均自由程),可將擴(kuò)散分為3種類型:菲克擴(kuò)散(kn≥10)、諾森擴(kuò)散(kn≤0.1)和過渡型擴(kuò)散(0.1＜kn＜10)[13]。頁巖基質(zhì)中存在大量納米孔隙,孔隙直徑范圍5～1000nm,甲烷氣體平均自由行程為53nm,所以頁巖中存在諾森擴(kuò)散[14-15]。

2.4 天然裂縫

頁巖地層中天然裂縫發(fā)育,其部分被方解石,石英等礦物充填(見圖3)。由于天然裂縫中的方解石膠結(jié)物覆蓋于非碳酸鹽礦物顆粒表面,不會(huì)在膠結(jié)物和裂縫壁面之間形成晶體鍵,導(dǎo)致天然裂縫強(qiáng)度較低,因此天然裂縫在壓裂時(shí)會(huì)重新開啟。國外文獻(xiàn)表明人工裂縫與天然裂縫相遇時(shí)會(huì)出現(xiàn)3種情形:人工裂縫穿過天然裂縫;人工裂縫沿天然裂縫延伸并在其尖端穿出;人工裂縫沿天然裂縫延伸一段距離后在其中部穿出。F.W.Gale指出大面積溝通天然裂縫將會(huì)獲得更高采收率,因此對(duì)頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造前應(yīng)通過成像測(cè)井資料掌握儲(chǔ)層的裂縫和孔隙發(fā)育、分布情況,采取適當(dāng)?shù)纳淇追绞胶蛪毫逊绞奖M可能多地溝通有機(jī)物基質(zhì)及天然裂縫,提高頁巖氣產(chǎn)量[16]。

3 頁巖地層破裂特征

常規(guī)儲(chǔ)層或致密砂巖的壓裂理念是在平面上改善儲(chǔ)層滲流能力和縱向上提高儲(chǔ)層剖面動(dòng)用程度及有效性,其主要目的是形成長(zhǎng)縫,而頁巖儲(chǔ)層的壓裂理念主要基于能形成大范圍的解吸區(qū)域,其壓裂出發(fā)點(diǎn)主要有2點(diǎn):在縱向和橫向上形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),擴(kuò)大頁巖氣解吸區(qū)域體積;大排量的方式向地層泵入大量壓裂液,促進(jìn)其在天然裂縫中的濾失,使天然裂縫重啟。

頁巖地層中壓裂會(huì)出現(xiàn)3種裂縫:張性裂縫、剪切裂縫和混合張剪裂縫。張性裂縫在支撐劑有效支撐的情況下具有一定的導(dǎo)流能力,剪切裂縫是由于裂縫壁面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的,在無支撐劑充填的情況下也能提供氣體滲流通道,但在井筒周圍形成的支撐裂縫或天然裂縫的閉合應(yīng)力較遠(yuǎn)處更大,因此在無支撐劑充填的情況下不能形成游離氣滲流通道。

所以,頁巖儲(chǔ)層中不再是簡(jiǎn)單的張性破壞,而存在剪切、滑移等復(fù)雜的力學(xué)行為。常規(guī)儲(chǔ)層中裂縫擴(kuò)張模型都是基于線彈性斷裂力學(xué),而頁巖中在考慮線彈性和彈性裂縫變形及就地應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上,使用分形理論反演天然裂縫網(wǎng)絡(luò),建立裂縫剪切擴(kuò)展模型[17-19]。

研究表明,在脆性程度越高(即脆性指數(shù)越大)的頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂形成的是復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò),脆性程度越高,形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)越密集,裂縫凈壓力越小,裂縫寬度越小,這會(huì)限制加砂量,大規(guī)模加砂或造成砂堵,因此針對(duì)該類儲(chǔ)層建議使用縫網(wǎng)壓裂方式。脆性頁巖是最理想頁巖地層,但部分泥質(zhì)含量較高的頁巖地層中脆性因素降低,塑性程度增加,使裂縫形態(tài)由裂縫網(wǎng)絡(luò)逐漸向T型裂縫、多裂縫、對(duì)稱雙翼縫轉(zhuǎn)變。在該裂縫形態(tài)前提下,在橫向上形成一定解吸帶。同時(shí)在高閉合應(yīng)力下塑性頁巖地層中易發(fā)生支撐劑嵌入現(xiàn)象,對(duì)該類儲(chǔ)層壓裂可適當(dāng)提高砂比,形成較高鋪砂濃度,降低因嵌入引起導(dǎo)流能力下降。一般而言,根據(jù)頁巖儲(chǔ)層的脆性程度,改造時(shí)選擇壓裂液體系和支撐劑濃度可參考表2。

4 中國頁巖氣儲(chǔ)層改造技術(shù)的幾點(diǎn)建議

1)借助國外超低滲透率測(cè)試?yán)砟詈图夹g(shù),制定適合我國頁巖儲(chǔ)層滲透率測(cè)試方法及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試技術(shù)。

2)研究頁巖儲(chǔ)層巖石的破裂特征,基于該破裂特征提出適合頁巖巖石的本構(gòu)方程,并提出適合頁巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則,將促進(jìn)頁巖儲(chǔ)層的壓裂改造技術(shù)的革新。

3)加大對(duì)脆性頁巖地層中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的研究,開展大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)工作,深化頁巖儲(chǔ)層基礎(chǔ)研究,提出頁巖儲(chǔ)層形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素或主要因素。

4)頁巖儲(chǔ)層壓裂中支撐劑的嵌入導(dǎo)致支撐劑與裂縫壁面存在裂縫面表皮系數(shù),將降低基質(zhì)中氣體向支撐裂縫滲流,應(yīng)研究頁巖中支撐劑沉降及鋪置方式,提高基質(zhì)向裂縫供氣的能力及裂縫導(dǎo)流能力。

5)國外學(xué)者提出頁巖儲(chǔ)層可實(shí)施高能氣體壓裂,在井眼周圍形成大量微裂縫,該技術(shù)可用于脆性頁巖儲(chǔ)層改造?；诟吣軞怏w壓裂優(yōu)點(diǎn),可研究和其他壓裂技術(shù)(如清水壓裂)相結(jié)合,使形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),提高裂縫網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。

6)加大跟蹤調(diào)研國內(nèi)外水平井鉆完井及壓裂改造技術(shù)發(fā)展動(dòng)向,緊跟國外壓裂技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),根據(jù)我國頁巖儲(chǔ)層實(shí)際的地質(zhì)特征,在此基礎(chǔ)上結(jié)合國外先進(jìn)壓裂技術(shù),提出適合我國頁巖儲(chǔ)層的壓裂技術(shù)及壓裂施工工藝,以便加快我國頁巖氣藏的開發(fā)。

7)頁巖壓裂成本較高,應(yīng)大力開展返排液回收及再利用技術(shù),降低成本,保護(hù)環(huán)境。

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[編輯] 洪云飛

TE122.1

A

1673-1409(2014)32-0019-04

2014-07-19

秦文凱(1982-),男,工程師,現(xiàn)主要從事錄井油氣水層解釋評(píng)價(jià)方面的研究工作。