頁巖氣開發(fā)地質(zhì)與工程一體化技術(shù)分析

■吳強(qiáng)吳章利

（1中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院貴州貴陽550081；2貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院貴州貴陽550081）

頁巖氣開發(fā)地質(zhì)與工程一體化技術(shù)分析

■吳強(qiáng)1吳章利2

（1中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院貴州貴陽550081；2貴州省煤田地質(zhì)局地質(zhì)勘察研究院貴州貴陽550081）

頁巖氣在全球范圍內(nèi)分布廣泛，且開發(fā)潛力巨大。我國頁巖油氣勘探開發(fā)仍處于起步階段，鉆完井周期長、壓裂改造效果不理想、開發(fā)成本高等問題普遍存在。必須采取地質(zhì)與工程一體化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)頁巖氣的經(jīng)濟(jì)有效開采，推動我國頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程及發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

地質(zhì)工程一體化技術(shù)路線頁巖氣

1　頁巖氣工程地質(zhì)環(huán)境描述技術(shù)

頁巖氣工程地質(zhì)環(huán)境描述技術(shù)有效指導(dǎo)了重點(diǎn)地區(qū)頁巖油氣井鉆井優(yōu)化設(shè)計(jì)、可壓性評價、完井方式選擇及壓裂方案設(shè)計(jì)等。

1.1巖石力學(xué)特征評價技術(shù)

針對頁巖地層非均質(zhì)性強(qiáng)、各向異性突出的特點(diǎn)，以測井資料處理和巖心測試為重點(diǎn)，研究形成了包括巖石力學(xué)特征宏細(xì)觀分析評價技術(shù)、頁巖地層力學(xué)各向異性評價技術(shù)和考慮地層層理裂隙、工作液、地層壓力等因素影響的頁巖地層井壁穩(wěn)定性分析預(yù)測技術(shù)等的巖石力學(xué)特征評價技術(shù)，為頁巖氣水平井鉆完井與壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1.2建立了頁巖可壓性評價方法

考慮巖石脆性、巖石力學(xué)參數(shù)、有機(jī)碳含量、總含氣量等因素，將地質(zhì)上的甜點(diǎn)與影響壓裂裂縫起裂及延伸難易程度的巖石脆性有機(jī)結(jié)合起來，建立了頁巖可壓性評價方法。

應(yīng)用頁巖可壓性評價方法，對中國石化不同區(qū)塊的頁巖進(jìn)行了初步計(jì)算評價，得到涪陵、泌陽、元壩、新場、彭水區(qū)塊的頁巖地層可壓性指數(shù)分別為 0.42、0.56、0.51、0.45、0.57，均低于國外的Barnett頁巖的可壓性指數(shù)（0.64）。

1.3開展了頁巖裂縫擴(kuò)展規(guī)律物模試驗(yàn)研究

以露頭頁巖巖心為試驗(yàn)對象，在模擬不同井下工況下進(jìn)行了系列物模試驗(yàn)研究，在巖石脆性與剪切破壞形式、壓裂液類型與水力裂縫復(fù)雜程度的關(guān)系等方面得到了初步認(rèn)識。

1.4初步建立了頁巖儲層綜合評價標(biāo)準(zhǔn)

通過與國外大學(xué)合作，結(jié)合中國石化頁巖儲層特殊性及壓裂效果等因素，初步得出考慮頁巖品質(zhì)、完井品質(zhì)與壓裂品質(zhì)的頁巖儲層綜合評價標(biāo)準(zhǔn)。

2　地質(zhì)與工程一體化關(guān)鍵技術(shù)

鑒于頁巖的強(qiáng)非均質(zhì)性，在評價地質(zhì)“甜點(diǎn)”的基礎(chǔ)上，水平井井眼軌道設(shè)計(jì)及井眼軌跡控制至關(guān)重要。鉆完井除了要考慮地質(zhì)“甜點(diǎn)”因素外，更要考慮到后期壓裂改造時裂縫延伸方向的問題，換言之，要實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與工程的一體化，須從整體上考慮鉆完井及儲層改造技術(shù)一體化，才能最大限度地挖掘頁巖儲層的潛力，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的目的。

2.1鉆完井設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)外主要利用水平井技術(shù)來開采頁巖氣，雖然該技術(shù)并不是一項(xiàng)新技術(shù)，但是頁巖氣水平井設(shè)計(jì)有其特殊的要求。

2.1.1井位與方位的設(shè)計(jì)

頁巖氣水平井井位與方位的選擇既要考慮有機(jī)質(zhì)與硅質(zhì)富集、裂縫發(fā)育程度高的頁巖地質(zhì)“甜點(diǎn)”區(qū)，同時也要考慮地應(yīng)力、脆性和可壓性等完井“甜點(diǎn)”區(qū)。理論上講，方位應(yīng)與最大水平主應(yīng)力或裂縫的方向垂直，可以使井眼穿過盡可能多的地層而與更多的裂縫接觸，同時有利于體積壓裂，形成網(wǎng)絡(luò)縫，提高頁巖氣采收率。

2.1.2井眼軌道設(shè)計(jì)

利用三維地震資料能夠更好地設(shè)計(jì)水平井井眼軌道，使水平段盡可能穿越有機(jī)質(zhì)、硅質(zhì)和裂縫富集區(qū)等“甜點(diǎn)”區(qū)，但要避開斷層和大漏失層位。一般來說，水平段越長，控制儲量和初始開采速度也就越高，但設(shè)計(jì)時要綜合考慮工程成本和施工能力，原則上要求水平段一只鉆頭一趟鉆完鉆。

2.2網(wǎng)絡(luò)壓裂設(shè)計(jì)

總的來說，壓裂設(shè)計(jì)要結(jié)合地震資料、測井資料、巖心資料進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)處理及分析，建立綜合的地質(zhì)模型。通過巖石力學(xué)及地應(yīng)力的分析研究建立三維力學(xué)模型，預(yù)測裂縫網(wǎng)絡(luò)，利用微地震監(jiān)測技術(shù)記錄實(shí)際的裂縫形態(tài)，然后循環(huán)利用這些信息建立動態(tài)油藏模型，以最終實(shí)現(xiàn)整個油藏不斷優(yōu)化開發(fā)的目的。

2.2.1射孔位置的確定

射孔位置的確定主要依據(jù)是富含頁巖氣的地質(zhì)“甜點(diǎn)”與頁巖可壓性剖面有機(jī)結(jié)合，首選地質(zhì)“甜點(diǎn)”與可壓性好的地層。目前的頁巖氣水平井分段壓裂動輒壓裂十幾段甚至二十幾段，但國外頁巖氣井壓后產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果表明，一般遵循“三七”或“二八”原則，即30%的段數(shù)貢獻(xiàn)70%的產(chǎn)量或20%的段數(shù)貢獻(xiàn)80%的產(chǎn)量。因此，如何把產(chǎn)氣能力高的少數(shù)地質(zhì)“甜點(diǎn)”精準(zhǔn)地尋找出來，顯得尤為重要。換言之，確定好射孔位置，再集中力量優(yōu)選地質(zhì)“甜點(diǎn)”段形成充分延伸的三維網(wǎng)絡(luò)裂縫，既能最大限度地提高頁巖氣井產(chǎn)量，也能最大限度地降低成本。

2.2.2施工參數(shù)的設(shè)計(jì)

如形成不了網(wǎng)絡(luò)裂縫，常規(guī)的對稱雙翼的水力裂縫參數(shù)優(yōu)化問題比較簡單，在此不贅述。針對網(wǎng)絡(luò)裂縫而言，如何優(yōu)化裂縫參數(shù)，確保最佳的產(chǎn)量、有效期及采收率，是工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)裂縫參數(shù)優(yōu)化不但要考慮滲流干擾，更要考慮應(yīng)力干擾，最好是考慮滲流干擾與應(yīng)力干擾的耦合效應(yīng)。根據(jù)已經(jīng)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)裂縫參數(shù)，可對施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，如排量、液量、支撐劑量及泵注程序等。尤其是支撐劑段塞技術(shù)的合理應(yīng)用，可減輕近井筒扭曲效應(yīng)及避免多裂縫的早期形成。后期的支撐劑段塞式加砂模式，要根據(jù)頁巖的巖石力學(xué)參數(shù)，合理優(yōu)化段塞體積、砂比等，在最大限度節(jié)約壓裂材料的同時，確保足夠大的裂縫導(dǎo)流能力，類似于高通道壓裂技術(shù)的變形應(yīng)用。

2.2.3網(wǎng)絡(luò)裂縫控制技術(shù)

三維網(wǎng)絡(luò)裂縫如何最大限度地?cái)U(kuò)展和高效支撐，既取決于地質(zhì)條件，又取決于工程參數(shù)。即使應(yīng)力差異系數(shù)很小，容易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，但網(wǎng)絡(luò)裂縫的延伸范圍可能非常有限。理想的網(wǎng)絡(luò)裂縫，必須是較長高導(dǎo)主縫與復(fù)雜分支縫的有效溝通。采取滑溜水與膠液交替注入的方式可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)裂縫。

3　結(jié)束語

頁巖氣儲層地質(zhì)與工程一體化，即地質(zhì)特征與鉆完井及壓裂設(shè)計(jì)有機(jī)融合的一體化技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)頁巖氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的保證。完善技術(shù)本身及技術(shù)配套，形成完整的技術(shù)鏈，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的規(guī)范化、有形化、標(biāo)準(zhǔn)化，逐步形成頁巖油氣勘探開發(fā)一體化的工作流程及配套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是降低勘探開發(fā)成本、提高壓裂效果、實(shí)現(xiàn)頁巖油氣科學(xué)開發(fā)有效措施。

［1］陳海力，王琳，周峰，趙昊，張華.四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣水平井優(yōu)快鉆井技術(shù) ［J］.天然氣工業(yè).2014（12）.

［2］曾義金.頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)與工程一體化技術(shù) ［J］.石油鉆探技術(shù).2014（01）.

F407.1文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-143-1

吳強(qiáng)（1984～），男，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 工學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)、工程地質(zhì)方面。