中石油頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的幾個(gè)巖石力學(xué)問(wèn)題

石林，史璨，田中蘭，張礦生

0 序言

頁(yè)巖氣資源是目前全球非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)展最快的天然氣資源，也是潛力較大、較重要的天然氣開(kāi)發(fā)目標(biāo)。中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量約為12.85萬(wàn)億m3。頁(yè)巖氣資源潛力豐富，可能是改變中國(guó)天然氣發(fā)展乃至整個(gè)能源發(fā)展格局的重要能源構(gòu)成。四川盆地的頁(yè)巖氣預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量6.45萬(wàn)億m3，約占全國(guó)總儲(chǔ)量的30%[1]。截止2017年，中石油在四川盆地的頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量為3192億m3，鉆井299口，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量30.2億m3。整體區(qū)域頁(yè)巖氣資源潛力豐富，開(kāi)發(fā)前景廣闊。

中石油在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期實(shí)踐過(guò)程中，逐漸形成了一套基于頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)。主要包括頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)和頁(yè)巖氣選層技術(shù)兩部分內(nèi)容。頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)從壓力系數(shù)、距剝蝕線(xiàn)距離和距斷層距離3個(gè)方面對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行篩選。頁(yè)巖氣選層技術(shù)包括小層劃分技術(shù)以及儲(chǔ)層分類(lèi)評(píng)價(jià)技術(shù)?；趦?chǔ)層分類(lèi)評(píng)價(jià)技術(shù)，明確了長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層主要分布在龍—11和龍—12小層。頁(yè)巖儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造技術(shù)在長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，逐漸形成了“橋塞分段、分簇射孔、大液量低黏滑溜水、大排量泵注、小粒徑大砂量石英砂”為核心的淺頁(yè)巖氣(埋深3500 m以?xún)?nèi))主體壓裂技術(shù)，使得單井產(chǎn)量大幅提高。根據(jù)現(xiàn)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀以及技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r為基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)未來(lái)十幾年中石油頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)將會(huì)以每年產(chǎn)量增加20億m3左右、每年鉆井增加300口井左右的速度發(fā)展。目前，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)步顯著，開(kāi)發(fā)前景廣闊。

為了實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖油氣，許多基礎(chǔ)的理論知識(shí)和科學(xué)問(wèn)題都需要進(jìn)一步研究。其中，巖石力學(xué)問(wèn)題是保證安全、高效鉆井的關(guān)鍵性研究?jī)?nèi)容，可以解決鉆井過(guò)程中井壁穩(wěn)定、水力壓裂裂縫擴(kuò)展等問(wèn)題。在井壁穩(wěn)定方面，Chen等人通過(guò)建立泥頁(yè)巖物理力學(xué)參數(shù)與含水量之間的非線(xiàn)性關(guān)系式，得到了井周巖石的水化應(yīng)力[2]。Zhou等人針對(duì)膨脹性頁(yè)巖, 建立了力-化-熱耦合的線(xiàn)性與非線(xiàn)性井壁穩(wěn)定有限元模型[3]。金衍等人利用力學(xué)—化學(xué)耦合的方法，提出了泥頁(yè)巖井壁坍塌周期的計(jì)算方法[4]。在水力壓裂物理模擬方面，從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，陳勉等人利用真三軸物理模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)水力壓裂相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)了相關(guān)研究[5]。侯冰等人通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合聲發(fā)射研究了壓裂不同階段過(guò)程中的聲學(xué)響特征[6]。Liu等人研究了水力裂縫在具有不同天然裂縫產(chǎn)狀的人造試樣中的起裂及擴(kuò)展規(guī)律[7]。Hou和Tan等人采用頁(yè)巖露頭開(kāi)展了壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究了地質(zhì)及施工參數(shù)對(duì)裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響。真三軸試驗(yàn)研究表明頁(yè)巖壓裂裂縫不總垂直于最小地應(yīng)力，而是呈現(xiàn)多方向共同擴(kuò)展的組合體[8-9]。但是目前頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)中許多關(guān)鍵的基礎(chǔ)理論和力學(xué)問(wèn)題都尚未解決。陳勉，莊茁以及柳占立等人分別針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵巖石力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，提出了高效開(kāi)發(fā)頁(yè)巖油氣所必須的關(guān)鍵力學(xué)和科學(xué)技術(shù)問(wèn)題[10-12]。李明耀等人提出了水力壓裂過(guò)程中的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，并歸納總結(jié)了水力壓裂數(shù)值模擬方法，分析了各個(gè)方法的優(yōu)劣性[13]。此外，在中石油的生產(chǎn)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了一些亟待創(chuàng)新解決的巖石力學(xué)問(wèn)題。

1 鉆井設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

水平井井眼方向是重要的鉆井設(shè)計(jì)內(nèi)容，通常水平井眼的方向決定了鉆井時(shí)泥漿密度窗口的大小，地層中壓裂施工后裂縫的形態(tài)以及鉆井過(guò)程中的井壁穩(wěn)定問(wèn)題。常規(guī)儲(chǔ)層水平井井眼方向的確定應(yīng)該主要考慮兩個(gè)因素：(1)保證鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定；(2)水平井井眼方向盡量有利于油氣井獲得高產(chǎn)。對(duì)于各向同性的巖石，從井壁穩(wěn)定性考慮，最不利的鉆井方向是平行于中間主應(yīng)力的方向[14]。表1為地層中三種地應(yīng)力模式下水平井井眼方向?qū)诜€(wěn)定性的影響。最利于井眼穩(wěn)定性的鉆井方向取決于S1-S2和S2-S3的大小，即當(dāng)平行于井眼橫截面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)力的差值越小，越有利于井眼穩(wěn)定性。

水平井井眼方向的布置應(yīng)該在保證鉆進(jìn)過(guò)程中井壁穩(wěn)定性的前提上，盡可能考慮水力壓裂后的裂縫形態(tài)，努力增大儲(chǔ)層的裸露面積，進(jìn)而增加油氣井的產(chǎn)量。Hubbert 和Willis在1957年利用沙箱實(shí)驗(yàn)研究了地層中的水力裂縫擴(kuò)展方向[14]。實(shí)驗(yàn)證明，水力裂縫總是垂直于最小主應(yīng)力方向S3方向擴(kuò)展。Fjaer等人指出，裂縫的類(lèi)型主要取決于水平井井眼方向，當(dāng)水平井井眼方向垂直于最大水平地應(yīng)力方向時(shí)產(chǎn)生橫向裂縫；當(dāng)垂直于最小水平地應(yīng)力方向時(shí)產(chǎn)生縱向裂縫，其中橫向裂縫與儲(chǔ)層的裸露面積較大[15]。孫煥泉等人也指出，當(dāng)水平井井眼垂直于水平最大地應(yīng)力方向時(shí)，水平井產(chǎn)量最高[16]。中石油勘探與生產(chǎn)公司通過(guò)研究表明，在低滲透地層中，橫向裂縫可以最大限度的減小節(jié)流表皮，從而更有利于油氣的開(kāi)采[17]。此外，周德勝等人指出，當(dāng)水平段較長(zhǎng)時(shí)，多采用分段壓裂技術(shù)來(lái)增加對(duì)于儲(chǔ)層的改造效果，而此時(shí)橫向裂縫則可以最大限度的動(dòng)用儲(chǔ)層的儲(chǔ)量，并且可以有效的防止裂縫間的干擾[18]。因此在保證水平井井壁穩(wěn)定的前提下，水平井井眼方向一般垂直于最大主應(yīng)力方向。

表1 不同地應(yīng)力模式下水平井井眼方位對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響Table 1 Influence of horizontal wellbore direction on borehole stability under different stress states

目前在長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)地區(qū)，水平井井眼軌跡的設(shè)計(jì)一方面要使得井眼方向垂直于最大水平地應(yīng)力方向；另一方面要盡可能提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率，從而提高產(chǎn)量。但是該地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造給鉆井施工帶來(lái)了一系列工程問(wèn)題。以太陽(yáng)大寨區(qū)塊為例，該地區(qū)地層構(gòu)造起伏較大，起伏的微構(gòu)造發(fā)育斷層發(fā)育并且地層內(nèi)部最大主應(yīng)力方向最大差異可達(dá)90°。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致該地區(qū)鉆井時(shí)會(huì)遇到長(zhǎng)度較大的上行井段，給鉆井施工帶來(lái)了一系列問(wèn)題：如難以提供足夠的鉆壓，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度慢；由于重力的作用水力攜砂會(huì)很困難，容易造成砂的堆積；套管下入困難，套管的變形幾率增大等一系列問(wèn)題。此外，西南油氣田分公司對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)下一步實(shí)施建產(chǎn)井的寧216、寧209區(qū)塊地質(zhì)狀況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。表2為長(zhǎng)寧地區(qū)地質(zhì)模式與復(fù)雜井統(tǒng)計(jì)情況。從中可以看出，該地區(qū)復(fù)雜井占到建產(chǎn)井總數(shù)的28.7%。這些復(fù)雜井同樣給鉆井施工以及后期完井帶來(lái)諸多施工問(wèn)題。

實(shí)際微地震裂縫監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，垂直于水平最大主應(yīng)力方向布置的水平井，壓裂后其裂縫形態(tài)多為沿水平方向展布的水平縫。圖3為威202H3-5井，威204H2-4井，威204H2-5井以及威204H2-6井的水力壓裂過(guò)程中的微地震檢測(cè)圖像。從微地震圖像中可以看出，裂縫在水平方向上的展布范圍明顯大于垂向上的延伸范圍，裂縫呈現(xiàn)水平擴(kuò)展的趨勢(shì)。上述現(xiàn)象說(shuō)明，實(shí)際的裂縫形態(tài)與設(shè)計(jì)的裂縫形態(tài)出現(xiàn)了矛盾。此外，微地震裂縫監(jiān)測(cè)還發(fā)現(xiàn)分段壓裂后各段形成的裂縫走向也不統(tǒng)一，走向無(wú)規(guī)律。圖4為威204H4-4井和威204H6-4井的微地震檢測(cè)圖像很明顯的展示出了這一問(wèn)題。造成這種現(xiàn)象的原因可能是在分段壓裂過(guò)程中，對(duì)一段進(jìn)行壓裂后，由于壓裂液的注入以及裂縫的產(chǎn)生使得周?chē)貙拥木植繎?yīng)力場(chǎng)分布產(chǎn)生了變化，導(dǎo)致裂縫并沒(méi)有按照垂直于水平井井筒的方向擴(kuò)展。

圖1 水平井不同裂縫方向示意圖[15]Fig. 1 Schematic diagram of different fracture directions in horizontal wells[15]

圖2 太陽(yáng)大寨區(qū)塊水平井井眼軌跡圖Fig. 2 Horizontal wellbore trajectory map of the Dazhai block

此外，常規(guī)儲(chǔ)層的水力壓裂是通過(guò)在儲(chǔ)層中創(chuàng)造一條高導(dǎo)流能力的裂縫來(lái)增加儲(chǔ)層泄油面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的改造，進(jìn)而提高油氣井的產(chǎn)量。但是由于頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率低，通過(guò)體積壓裂技術(shù)在儲(chǔ)層中形成復(fù)雜裂縫，有效地通過(guò)密切割和破碎巖石形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層長(zhǎng)、寬、高方向的三維改造，才能最大限度的增加儲(chǔ)層動(dòng)用率，促使更多的油氣流向井筒[18]。因此，垂直于最大主應(yīng)力方向的水平井井眼方向與形成復(fù)雜縫網(wǎng)是有矛盾的。

綜合上述因素，鉆井過(guò)程中垂直于水平最大主應(yīng)力方向進(jìn)行鉆進(jìn)，一方面會(huì)導(dǎo)致鉆井過(guò)程中的一系列施工問(wèn)題；另一方面與頁(yè)巖氣形成復(fù)雜裂縫的設(shè)計(jì)相違背。因此如果將水平井的井眼方向調(diào)整一個(gè)角度，使得井眼方向順著較為有利的工程方向布置，就可以大大減少上行井或者井眼方向不斷抬升和扭擺的問(wèn)題。如圖5中，將原本垂直于水平最大主應(yīng)力方向的水平井井眼方向(紅色曲線(xiàn)所示)調(diào)整為水平井井眼方向最為簡(jiǎn)單平直的方向(綠色曲線(xiàn)所示，此時(shí)的井眼方向垂直于水平最小主應(yīng)力方向)，鉆井難度將大大降低。

表2 長(zhǎng)寧地區(qū)地質(zhì)模式與復(fù)雜井統(tǒng)計(jì)情況Table 2 Geological model and complex well statistics in Changning area

圖3 微地震裂縫檢測(cè)圖像Fig. 3 Image of the microseism detection

按照上述設(shè)計(jì)思路，既需要開(kāi)展規(guī)模性的試驗(yàn)來(lái)充分對(duì)比，也需要深入探討一些理論問(wèn)題。對(duì)于水平井井眼方向來(lái)說(shuō)，目前可以概括為以下幾個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：(1)水平方向展布的裂縫以及順著水平層理發(fā)展的裂縫是否受到最大水平主應(yīng)力的影響尚不明確；(2)水平井分段壓裂中已壓裂的井段多長(zhǎng)時(shí)間可以影響到鄰段的水平應(yīng)力；(3)對(duì)于已經(jīng)實(shí)施壓裂的井來(lái)說(shuō)，多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響到鄰井的水平應(yīng)力。

圖4 威204H4-4井和威204H6-4井微地震裂縫監(jiān)測(cè)圖像Fig. 4 Microseism monitoring image of Well 204H4-4 and Wei 204H6-4

圖5 兩種水平井井眼方向布置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the arrangement of two horizontal wells

2 壓裂液液量的問(wèn)題

常規(guī)壓裂施工中壓裂液的作用主要有兩個(gè)：造縫、以及攜砂功能。但是近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐均證明，壓裂液的滲吸、增能、置換功能也是導(dǎo)致非常規(guī)油氣產(chǎn)量增加的重要原因之一。

長(zhǎng)慶油田對(duì)壓裂液的滲吸能力進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在低黏度壓裂液環(huán)境中，砂巖的滲吸能力隨著滲透率降低而增強(qiáng)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究了不同滲透率巖心的滲析置換速率關(guān)系，見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，隨著巖心滲透率的降低滲吸置換出的油量逐漸增多，即砂巖的滲吸能力隨滲透率降低而增強(qiáng)。另一方面，長(zhǎng)慶油田在鄂爾多斯致密油儲(chǔ)層的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中研究了不同物性地層的油水置換能力。得到了隴東油區(qū)不同層位試排見(jiàn)油時(shí)壓裂液的返排率，見(jiàn)圖7。從圖中可以看出，滲透率低、物性更差的長(zhǎng)7層位的油水置換的速度更快，并且見(jiàn)油時(shí)的返排率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他物性較好的儲(chǔ)層。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明低滲透儲(chǔ)層中的滲吸和置換能力更強(qiáng)。

圖6 不同滲透率下的滲吸置換率Fig. 6 Imbibition rate at different permeability

圖7 隴東油區(qū)不同層位試排見(jiàn)油時(shí)壓裂液返排率對(duì)比圖Fig. 7 Comparison of fracturing flow back rate in different layers of Longdong Oil field

此外，長(zhǎng)慶油田通過(guò)礦場(chǎng)實(shí)踐的方式對(duì)壓裂液的增能作用進(jìn)行了證實(shí)。實(shí)踐指出，存地壓裂液量可以有效地增加地層壓力。以陽(yáng)平地區(qū)為例，該地區(qū)存地壓裂液量為3005 m3，地層壓力為原始地層壓力的119%，見(jiàn)圖8。另一方面，長(zhǎng)慶油田統(tǒng)計(jì)了西233、莊183和莊230這3個(gè)區(qū)域氣井的壓裂液存地液量和年累計(jì)產(chǎn)油量的關(guān)系，見(jiàn)圖9。從統(tǒng)計(jì)圖中可以明顯的觀察到，水平井一年累計(jì)產(chǎn)油量與壓裂入地液量存在明顯正相關(guān)關(guān)系，隨著壓裂液存地液量的增加，單井年累計(jì)產(chǎn)油量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖8 陽(yáng)平2地區(qū)地層壓力圖Fig. 8 Formation pressure map of Yangping 2 area

圖9 水平井存地液量與年累計(jì)產(chǎn)量關(guān)系圖Fig. 9 Relationship between the amount of fracturing liquid stored and the annual cumulative output

Fakcharoenphol等人在2014年從機(jī)理的角度對(duì)滲吸和置換作用行了研究，提出了滲吸置換作用的概念圖，見(jiàn)圖10。同時(shí)研究還指出，礦化度是滲吸置換的主控因素，低礦化鹽水在滲透壓作用下容易引起黏土膨脹，排驅(qū)微孔原油，從而達(dá)到了油水置換的結(jié)果[19]。上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐啟示在頁(yè)巖開(kāi)發(fā)過(guò)程中，壓裂液也具有造縫、滲吸、置換、增能和攜砂5個(gè)功能。為了提高油氣產(chǎn)量，作用于單位體積的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的液量也應(yīng)該盡可能提高。目前施工中常用的壓裂液液量為6萬(wàn)m3，對(duì)于1000 m水平段、50 m半徑井眼的體積來(lái)說(shuō)，單位體積的液量?jī)H有0.007 64液方/石方；對(duì)于2000 m水平井段、50 m半徑井眼的體積來(lái)說(shuō)，單位體積的液量?jī)H有0.003 82液方/石方。從數(shù)據(jù)中可以看出，目前施工所使用的壓裂液總量很小。因此，未來(lái)頁(yè)巖氣水力壓裂過(guò)程中總液量問(wèn)題仍然是壓裂施工中亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

圖10 滲吸置換作用概念圖[19]Fig. 10 Schematic diagram of imbibition effect[19]

3 儲(chǔ)層保護(hù)的問(wèn)題

儲(chǔ)層保護(hù)是在鉆井、完井、儲(chǔ)層改造、井下作業(yè)和增產(chǎn)及開(kāi)采過(guò)程中，最大限度的降低儲(chǔ)層傷害的方法。儲(chǔ)層傷害是指由于作業(yè)過(guò)程所導(dǎo)致的油氣流動(dòng)阻力增加，油氣層滲透率下降的現(xiàn)象。在壓裂施工中，如果地層的水敏性黏土含量較高，敏感性黏土礦物把水吸附到晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)，造成黏土膨脹。同時(shí)由膨脹引起的不穩(wěn)定性促進(jìn)了分散和運(yùn)移，造成儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)的堵塞和土鎖，導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率的嚴(yán)重下降。常規(guī)油氣儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率較大，油氣在生產(chǎn)壓差的作用下流入井筒中。黏土膨脹和運(yùn)移會(huì)造成儲(chǔ)層孔隙和吼道的堵塞，造成滲透率的大幅度下降[20]。

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)施工證明，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂液造成的黏土膨脹雖然會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖基質(zhì)的滲透率降低，但是會(huì)重啟地層中的微裂縫并且產(chǎn)生新的微裂縫，導(dǎo)致頁(yè)巖儲(chǔ)層的整體滲透率提高。Zhou等人在對(duì)美國(guó)Niobrara頁(yè)巖地層研究后表明，儲(chǔ)層滲吸量與滲透率存在明顯的正相關(guān)性。圖11為該頁(yè)巖儲(chǔ)層滲析量與滲透率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。在滲吸實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，頁(yè)巖樣品的滲透率變化很??；當(dāng)滲吸液體飽和度達(dá)到40%之后，對(duì)應(yīng)頁(yè)巖樣品的滲透率急劇上升。這是因?yàn)閴毫岩鹤饔糜趲r石內(nèi)重啟裂縫需要一定的時(shí)間，當(dāng)頁(yè)巖的滲析量達(dá)到一定量之后，壓力才足以重啟地層中的微裂縫[21]。

圖11 滲吸液體飽和度與滲透率變化關(guān)系曲線(xiàn)[21]Fig. 11 Relationship between fluid saturation and permeability during the imbibition experiments[21]

此外，Zhou等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了滲吸實(shí)驗(yàn)前后泥巖基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率變化結(jié)果見(jiàn)表3和表4。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，滲吸作用會(huì)導(dǎo)致泥巖基質(zhì)的滲透率降低，但是滲透率降低最大為96%；但是微裂縫滲透率增加最大可達(dá)到800 000%，這也極大地提高了儲(chǔ)層的整體滲透率。Zhou等人還指出，泥質(zhì)含量越高，壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層越容易打開(kāi)微裂縫，導(dǎo)致儲(chǔ)層的綜合滲透率增加[21]。

表3 滲吸實(shí)驗(yàn)后巖心基質(zhì)滲透率變化[21]Table 3 Change of core matrix permeability after imbibition test[21]

表4 滲吸實(shí)驗(yàn)后巖心微裂縫滲透率變化[21]Table 4 Change of permeability of core micro-fracture after imbibition test[21]

在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程中，壓裂液滲吸作用和黏土膨脹作用是可以提高儲(chǔ)層滲透率的，并且黏土的膨脹是有利于復(fù)雜縫網(wǎng)的產(chǎn)生的，可以促進(jìn)油氣井的增產(chǎn)。因此，頁(yè)巖氣壓裂中黏土穩(wěn)定劑、黏土防膨劑等添加劑應(yīng)該減少使用，盡量使用低黏度清潔壓裂液，促進(jìn)儲(chǔ)層的滲吸作用。

4 套管變形的問(wèn)題

目前長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)氣井的套管變形嚴(yán)峻趨勢(shì)。西南油氣田公司和田中蘭的研究指出：截止2018年6月18日，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊共壓裂180口井，79口井疑似出現(xiàn)套管變形狀況，占比44%。表5為統(tǒng)計(jì)的長(zhǎng)寧地區(qū)，威202井以及威204井的套管變形情況[22]。從表格中可以看出，威202區(qū)塊的套管變形狀況最為嚴(yán)重，平均套變比例高達(dá)為81.13%。

表5 長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣套管變形統(tǒng)計(jì)Table 5 Changning-Weiyuan area shale gas casing deformation statistics

通過(guò)對(duì)套管變形井的地質(zhì)以及施工狀況分析，總結(jié)了可能造成套管變形的原因：(1)從測(cè)井檢測(cè)來(lái)看，套管變形以剪切變形為主，套變的發(fā)生可能來(lái)自于地層形變；(2)壓裂時(shí)的大壓差、多次作業(yè)導(dǎo)致套管外水泥產(chǎn)生殘余、累積形變；由此產(chǎn)生套管與水泥之間的間隙；壓裂液穿過(guò)環(huán)形間隙，到達(dá)地層裂縫，促成了裂縫的滑移；(3)壓裂液通過(guò)地層縫隙，在地層天然裂縫處聚集，形成潤(rùn)滑作用和應(yīng)力場(chǎng)改變作用，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)張滑移；(4)壓裂液造成地層內(nèi)壓力增加，流體增加導(dǎo)致的巖石總體積增加、頁(yè)巖吸水膨脹，由此類(lèi)因素產(chǎn)生的巖石移動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)。

結(jié)合套管變形規(guī)律以及可能出現(xiàn)的原因，為緩解套管變形及其影響提出了以下幾點(diǎn)建議：(1)加強(qiáng)工程地質(zhì)力學(xué)一體化研究，加強(qiáng)斷層、裂縫等弱面精細(xì)描述，開(kāi)展地質(zhì)力學(xué)建模，模擬分析壓裂前后地應(yīng)力場(chǎng)的變化、裂縫或斷層的滑移；(2)嚴(yán)格控制井眼軌跡，優(yōu)化壓裂位置；(3)提高套管壁厚和強(qiáng)度,緩解地層滑移致套變問(wèn)題；(4)優(yōu)化井筒質(zhì)量，提高應(yīng)對(duì)套管變形能力；(5)優(yōu)化水泥石性能，緩解套變量；(6)試驗(yàn)并推廣套變井壓裂新工藝,減少丟段。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)目前中石油四川頁(yè)巖氣井的水平井多按照垂直于水平最大主應(yīng)力的方向鉆井。一方面會(huì)導(dǎo)致鉆井過(guò)程中上行井等復(fù)雜井比例增多，給施工帶來(lái)一系列工程問(wèn)題；另一方面與頁(yè)巖氣形成復(fù)雜裂縫的設(shè)計(jì)相違背。實(shí)際壓裂施工后發(fā)現(xiàn)，裂縫的形態(tài)多為水平向擴(kuò)展的水平裂縫，與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中產(chǎn)生垂直縫也產(chǎn)生了矛盾。因此如果水平井的井眼方向順著較為有利的工程方向布置，就可以大大降低鉆井難度；

(2)頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率低，壓裂液與地層會(huì)發(fā)生滲吸作用，排驅(qū)孔內(nèi)的油氣從而使得儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)生油水置換。滲吸作用還會(huì)使得儲(chǔ)層的壓力系數(shù)提高，并且壓裂液存地液量與壓力系數(shù)的增加值呈現(xiàn)正相關(guān)特征。因此頁(yè)巖儲(chǔ)層中壓裂液的功能除了造縫和攜砂之外，還有滲吸、置換和增能作用；

(3)頁(yè)巖儲(chǔ)層的黏土礦物含量高，壓裂液與儲(chǔ)層黏土礦物接觸會(huì)造成黏土的水化膨脹，從而造成基質(zhì)滲透率的降低，造成儲(chǔ)層傷害。但是，黏土的水化膨脹還會(huì)重啟地層中的微裂縫并且產(chǎn)生新的微裂縫，使得地層整體滲透率大幅增加，更有利于提高產(chǎn)量。因此要正確看待頁(yè)巖儲(chǔ)層中的儲(chǔ)層傷害問(wèn)題，減少壓裂液中黏土穩(wěn)定劑、黏土防膨劑等添加劑的使用，促進(jìn)儲(chǔ)層的滲吸作用；

(4)壓裂液的造縫、滲吸、置換和增能作用可以有效地提高頁(yè)巖儲(chǔ)層的產(chǎn)量，增大液量可以使得壓裂液的增產(chǎn)作用最大化。未來(lái)頁(yè)巖氣水力壓裂過(guò)程中的總液量問(wèn)題仍然是壓裂施工中亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；

(5)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)氣井的套管變形問(wèn)題形式嚴(yán)峻。套管變形以剪切變形為主，造成套變的主要原因可能是由于裂縫和斷層的滑移等造成的地層形變。