頁(yè)巖氣儲(chǔ)層體積壓裂改造體積影響因素分析

李颯爽 李士斌

摘 要：體積壓裂技術(shù)的發(fā)展是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層成功開(kāi)發(fā)的巨大推動(dòng)力。在北美的頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)中體積壓裂技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的成果。其本質(zhì)上屬于水里壓裂期間，增大自然形成的縫隙以及使硬度較小的巖石出現(xiàn)剪切滑移，得到自然與人力兩種環(huán)境下縱橫密布的裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此擴(kuò)大處理體積，獲得更多的原始產(chǎn)量與采收成果。在不同縫網(wǎng)參數(shù)角度，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層體積壓裂改造體積的影響因素進(jìn)行分析。

關(guān) 鍵 詞：頁(yè)巖氣；改造體積；導(dǎo)流能力；裂縫形態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）04-0749-03

Abstract： The successful exploitation of shale gas reservoir is greatly driven by development of volume fracturing technology， which has received remarkable effect in the shale gas development in North America. It is essentially by broadening cracks created by natural force and causing shear displacement of the low-hardness rocks during hydro-fracturing， to create a crisscrossing fracture network structure combining both nature and manpower， expanding processing volume to gain more original yield and harvest results. In this paper， influencing factors of stimulated reservoir volume during volume fracturing reconstruction of shale gas reservoir were analyzed.

Key words： Shale gas； Reconstruction volume；Conductivity； Fracture morphology

我國(guó)的頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量約為 ，具有廣闊開(kāi)采前景。但由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層屬于低孔—超低滲透儲(chǔ)層，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)采必須進(jìn)行壓裂作業(yè)[1]。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度一般為4%～6%[2]，未經(jīng)壓裂的頁(yè)巖基質(zhì)滲透率一般為10-4～10-9 [3，4] 。而處于低孔、低滲、低壓等環(huán)境時(shí)，因?yàn)閮?chǔ)集層基質(zhì)無(wú)法為裂縫進(jìn)行合理輸液，普通的壓裂模式通過(guò)獨(dú)立壓裂主縫無(wú)法實(shí)現(xiàn)初期設(shè)定的產(chǎn)量提升標(biāo)準(zhǔn)，所以需要推出更加合理的壓裂改造手段，因而“體積壓裂技術(shù)”的出現(xiàn)至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明，它在頁(yè)巖氣、致密砂巖氣等領(lǐng)域發(fā)揮了極佳的作用，我國(guó)目前同樣針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入的探討，利用這項(xiàng)技術(shù)有效的完成了超低滲透區(qū)塊內(nèi)部?jī)?chǔ)集層的優(yōu)化工作。在致密油藏經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，這一技術(shù)一定會(huì)具備更大的發(fā)展前景。

1 體積壓裂的概念

正這一技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了幾個(gè)重要的時(shí)期，從最開(kāi)始的技術(shù)研究、啟蒙、深入探討直至目前的全面使用，一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)它的認(rèn)知。其本質(zhì)上屬于水里壓裂期間，讓主裂縫中產(chǎn)生大量裂縫以及擴(kuò)大自然形成的縫隙，得到與普通裂縫存在差異的裂縫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高井筒、儲(chǔ)集層覆蓋面積，調(diào)整其滲流效果，獲得更多的原始產(chǎn)量與采收成果。

這種技術(shù)的形成，是基于體積改造這一全新的現(xiàn)代理論而提出。體積重置概念的產(chǎn)生，與過(guò)去壓裂概念存在較大的差異，作為現(xiàn)代壓裂概念進(jìn)步的關(guān)鍵。普通壓裂技術(shù)主要利用線彈性斷裂力學(xué)這一概念得到的一項(xiàng)操作方式。這一技術(shù)操作使其需要假定壓裂人工裂縫起裂是張開(kāi)型，同時(shí)順著井筒射孔層段得到雙翼對(duì)稱(chēng)裂縫。通過(guò)獨(dú)立的主裂縫有效提升儲(chǔ)層滲流效果，主裂縫上方始終未基質(zhì)朝著裂縫出現(xiàn)“長(zhǎng)距離”滲流，不足之處在于垂向主裂縫其滲流效果并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)提升，主流渠道并沒(méi)有幫助所有點(diǎn)的滲透效果得到加強(qiáng)。接下來(lái)的分析雖然針對(duì)裂縫類(lèi)型進(jìn)行了調(diào)整，然而設(shè)計(jì)的復(fù)雜型裂縫并不多，相關(guān)概念沒(méi)有實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展。那么結(jié)合“體積改造”確定的含義，最終得到相對(duì)繁瑣的網(wǎng)形裂縫體系，裂縫后期的改變并非單一的張性力影響，同時(shí)表現(xiàn)出剪切、位移等力學(xué)活動(dòng)。

2 改造體積對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)能的影響

在常規(guī)油氣藏和致密砂巖氣藏中，常用單層裂縫的半長(zhǎng)和導(dǎo)流能力作為增產(chǎn)壓裂的主要描述參數(shù)。但是在頁(yè)巖氣藏中這些參數(shù)并不足以較好的表述增產(chǎn)特征。這便是提出改造體積（SRV）這個(gè)相關(guān)參數(shù)的原因。改造體積可以通過(guò)微地震圖測(cè)得，其與泵入流體體積和井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)有關(guān)。

微地震圖顯示出縫網(wǎng)的大小和改造體積相關(guān)。M.J. Mayerhofer等[5]通過(guò)對(duì)5口Barnett頁(yè)巖氣井的縫網(wǎng)長(zhǎng)度和泵入工作液量的統(tǒng)計(jì)分析，證明了改造體積與縫網(wǎng)大小緊密相關(guān)。這里用總縫網(wǎng)長(zhǎng)度表征裂縫的復(fù)雜程度，用注入液量表征SRV的大小。顯然，隨著裂縫縫網(wǎng)尺寸和復(fù)雜程度的增加，改造體積也顯著增大。Fisher等[6]詳細(xì)分析了Barnett頁(yè)巖中水平井的微地震測(cè)試結(jié)果，表明氣井產(chǎn)量直接與改造體積的大小關(guān)聯(lián)。Mayerhofer等也通過(guò)一系列的數(shù)值模擬顯示出井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)受諸如改造體積這樣的縫網(wǎng)性質(zhì)的影響。

選擇SRV作為量化增產(chǎn)的參數(shù)另一個(gè)的原因是，通過(guò)對(duì)于氣井長(zhǎng)期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn)，氣井的泄氣范圍受SRV體積限制。這顯示出氣井的產(chǎn)能和改造體積間的緊密聯(lián)系，改造體積直接控制著氣井的最終累積產(chǎn)量。

圖1是通過(guò)數(shù)值模擬器繪制出的儲(chǔ)層改造體積與頁(yè)巖產(chǎn)能的關(guān)系曲線。顯然，改造體積越大，累積產(chǎn)量就越高。從圖中還可以看出，隨著時(shí)間的推移，較大的改造體積對(duì)于氣井的累積產(chǎn)量的影響程度也會(huì)增大。即改造體積對(duì)頁(yè)巖井的長(zhǎng)期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響大于短期。這主要是由于隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，泄氣面積逐漸擴(kuò)大。較大的SRV顯然能夠提供較大的最終泄氣面積，從而能夠大幅度地提高氣井產(chǎn)能。

3 縫網(wǎng)參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層改造體積的影響

3.1 裂縫間距

在裂縫間距低于（20 m），偏大的儲(chǔ)層改造體積方可達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)。原因在于同等體積之中，間距偏低時(shí)，也就代表此裂縫比較緊湊，改造所涉及的區(qū)間中油藏流體在經(jīng)基質(zhì)抵達(dá)裂縫時(shí)，所用的時(shí)間越少，那么滲流阻力隨之變小，從而提升產(chǎn)油量。

3.2 主次裂縫的導(dǎo)流能力

處理普通壓裂情況時(shí)，往往將獨(dú)立裂縫導(dǎo)流效果確定成裂縫品質(zhì)鑒定的關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn)，可以使油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)情況發(fā)生明顯的改變。因而，體積壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)流水平會(huì)使后期的開(kāi)發(fā)情況發(fā)生改變[7]。體積壓裂改造階段，在支撐劑合理置于裂縫網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部后，次裂縫存在相應(yīng)導(dǎo)流效果； 但是在支撐劑過(guò)多的出現(xiàn)于主裂縫內(nèi)部時(shí)，則會(huì)使其本身?yè)碛嘘P(guān)鍵性導(dǎo)流效果，而實(shí)際的導(dǎo)流水平則與支撐劑具體參數(shù)有關(guān)，次裂縫導(dǎo)流作用并不明顯，大概是主裂縫 1 /30[8，9]。

同等體積中，當(dāng)主裂縫導(dǎo)流作用明顯時(shí)，累積產(chǎn)量也隨之上升； 如果其長(zhǎng)度和導(dǎo)流效果達(dá)到某一標(biāo)準(zhǔn)，提升改造體積時(shí)產(chǎn)量將不再變化。累積產(chǎn)量也同樣會(huì)隨著次裂縫導(dǎo)流能力的增大而增加，同時(shí)改造體積上升期間，累積產(chǎn)量隨之上升。而裂縫網(wǎng)絡(luò)改造區(qū)間一定后，即便次裂縫導(dǎo)流效果進(jìn)一步提升，也不會(huì)使累積產(chǎn)量出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性波動(dòng)。不僅如此，次裂縫會(huì)在改造體積擴(kuò)大后，相應(yīng)的提升產(chǎn)能，如果次裂縫導(dǎo)流水平超過(guò) 4 μm2·cm ，累積產(chǎn)油情況在改造體積擴(kuò)大時(shí)同樣會(huì)得到相應(yīng)的提升[10，11]。

3.3 裂縫形態(tài)

Gu等[12]發(fā)現(xiàn)水利裂縫與天然裂縫相互作用只會(huì)產(chǎn)生兩種情況：水力裂縫沒(méi)有穿透天然裂縫，水力裂縫會(huì)沿著天然裂縫延伸；或者相反水力裂縫穿透天然裂縫向前延伸，當(dāng)壓裂液進(jìn)入天然裂縫且縫內(nèi)壓力超過(guò)壁面正應(yīng)力時(shí)，天然裂縫會(huì)開(kāi)啟成為水力裂縫的分支，反之天然裂縫閉合。顯然在第二種情況下，水力壓裂波及范圍更大，能夠形成更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)獲得足夠大的改造體積。

水力裂縫能否穿透天然裂縫、天然裂縫能否重新開(kāi)啟主要由：空間三向主應(yīng)力大小分布、天然裂縫處產(chǎn)狀、摩擦系數(shù)、內(nèi)聚力、地層巖石的抗張強(qiáng)度等性質(zhì)決定。天然裂縫能否開(kāi)啟具體判別方法如下：

確定4類(lèi)具有代表性的體積壓裂裂縫表現(xiàn)，采取數(shù)值模擬分析模式，確定它們?cè)谥旅苡筒靥幚黼A段的作用。模型結(jié)合EQ-LGR調(diào)整縫網(wǎng)，流體PVT、相對(duì)滲透率曲線所需要的數(shù)據(jù)全部設(shè)定成實(shí)踐操作階段得到的真實(shí)值。壓裂直井主裂縫導(dǎo)流水平是20 μm2·cm，次裂縫導(dǎo)流水平是0.7 μm2·cm，通過(guò)定井底流壓衰竭技術(shù)進(jìn)行處理，對(duì)10年內(nèi)的情況實(shí)施模擬（圖2）。

由圖2可以看出，常規(guī)壓裂產(chǎn)生單一裂縫初期日產(chǎn)量較低，而體積壓裂改造單井完成階段產(chǎn)能便得到有效的提升，相當(dāng)于獨(dú)立裂縫直井14倍，而在10 年后，前者相較于后者其產(chǎn)油量整體增加7 505 m3（圖3）。原因在于，普通壓裂形成雙翼對(duì)稱(chēng)裂縫并不能提升儲(chǔ)集層滲流效果，而體積壓裂改造所得復(fù)雜型裂縫網(wǎng)絡(luò)可以讓油氣通過(guò)不同渠道由裂縫網(wǎng)絡(luò)抵達(dá)井筒，節(jié)省時(shí)間，無(wú)須運(yùn)用過(guò)多驅(qū)動(dòng)壓力，完善儲(chǔ)集層實(shí)際動(dòng)用率，完善儲(chǔ)集層橫向動(dòng)用效果。無(wú)論哪種裂縫發(fā)展，均擴(kuò)大了和地層之間的接觸，所以作用更加明顯。

4 結(jié) 論

（1）采取體積壓裂形式重建儲(chǔ)層，得到大量主裂縫后，讓自然形成的裂縫繼續(xù)增大，脆性巖石則進(jìn)行剪切滑移處理，確保自然裂縫與巖石層理進(jìn)行對(duì)接，同時(shí)于主裂縫附近引起次生裂縫，然后以此為基礎(chǔ)使裂縫不斷延續(xù)，得到自然、人工兩種裂縫縱橫交錯(cuò)架構(gòu)。合理提升頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲流條件，完善儲(chǔ)層動(dòng)用表現(xiàn)，是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)的有效手段。

（2）裂縫間距偏低，偏大的儲(chǔ)層改造體積方可達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)； 同等體積中，主、次裂縫導(dǎo)流作用加強(qiáng)，產(chǎn)油量得到提升； 當(dāng)主裂縫長(zhǎng)度與導(dǎo)流水平達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，體積擴(kuò)大也不會(huì)讓累積產(chǎn)油量得到任何改變，不僅如此，次裂縫會(huì)在改造體積擴(kuò)大后，相應(yīng)的提升產(chǎn)能，如果次裂縫導(dǎo)流水平超過(guò) 4 μm2·cm ，累積產(chǎn)油情況在改造體積擴(kuò)大時(shí)同樣會(huì)得到相應(yīng)的提升。

（3）水力裂縫和自然存在的裂縫彼此影響時(shí)，若前者能夠貫穿后者，并使天然弱面開(kāi)啟，說(shuō)明水力能夠有效溝通天然裂縫。在這種情況下，水力裂縫能夠波及較大的面積，能夠形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)又能獲得足夠的儲(chǔ)層改造體積。

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