淺析頁巖氣儲層主要特征及其對儲層改造的影響

何智斌 陸松梅

（云南省煤炭產(chǎn)品質(zhì)量檢驗站，云南曲靖 655000）

0.引言

雖然其他國家的頁巖氣已逐漸形成產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，然而因我國的頁巖氣地質(zhì)特性較為特殊，在開發(fā)過程中必須要選擇契合我國儲層特點的非常規(guī)天然氣開采路徑。頁巖層納米孔隙是頁巖氣的主要集中地，由于微裂隙不會持續(xù)發(fā)育，因而需在頁巖氣井完工后進(jìn)行儲層改造，如此方可提升開采產(chǎn)量。為此，需要明確頁巖氣儲層特征對儲層改造所產(chǎn)生的影響，從而制定出可行性的儲層改造及頁巖氣開采方案。

1.頁巖氣儲層的主要特征分析

1.1 空間分布與非均質(zhì)性特征

從區(qū)域分布來看，頁巖有海相、陸相、海陸過渡相3種發(fā)育形態(tài)，主要分布于4個區(qū)域，為中東部、南部、西北部以及青藏區(qū)域，沉積環(huán)境、構(gòu)造背景不同，含有機(jī)質(zhì)泥頁巖的分布也不一致。并且由于受到頁巖的組成結(jié)構(gòu)特性影響，頁巖氣儲層具有強(qiáng)非均質(zhì)性特征，可劃為橫向非均質(zhì)性與縱向非均質(zhì)性2個類別。有機(jī)質(zhì)、組成礦物、儲層結(jié)構(gòu)是頁巖氣儲層非均質(zhì)性體現(xiàn)的主要位置，這一特性是在長期的原始沉積過程中，在沉積、成巖以及構(gòu)造等多個作用共同影響下逐漸誕生的，存在這一特性的頁巖氣儲層孔隙空間易出現(xiàn)流體聚體或滲流現(xiàn)象。

1.2 巖石組成特征

頁巖氣儲層的巖石組由多種物質(zhì)組成，有機(jī)質(zhì)含量介于0.5%～2%，有機(jī)質(zhì)含量的高低與巖石組的生烴潛力大小、吸附能力強(qiáng)弱有直接關(guān)聯(lián)，其也是頁巖裂隙發(fā)育程度的決定因素。通過分析我國頁巖氣儲層巖石組成發(fā)現(xiàn)，有機(jī)值的含量變化范圍差異較為明顯，并且沉積相不同的頁巖，其巖石組成、有機(jī)質(zhì)含量、礦物多少也并不一致。我國頁巖儲層中碳酸鹽礦物的含量較低，但富含硅質(zhì)物及黏土礦物，頁巖氣儲層中的有機(jī)質(zhì)常會分布于無機(jī)礦物之間，因而會對無機(jī)礦物的組合及含量產(chǎn)生影響[1]。

1.3 巖石物性特征

頁巖氣儲層的物性特征主要為2個，一是低孔隙率，二是低滲透率。美國的產(chǎn)氣頁巖巖芯分析結(jié)果顯示，頁巖氣儲層的孔隙度最低為2%，最高為14%，平均孔隙率約為4%～6%，頁巖的滲透率不高于0.10mD，平均孔道半徑不足0.005μm。與之相比，我國四川盆地南部區(qū)域分布的頁巖氣儲層，這兩個數(shù)值更低，頁巖孔隙率最低值約為0.7%，最高值僅有3.1%，均值為1.6%。而滲透率在0.001×10-3μm與0.110×10-3μm。雖然頁巖氣儲層的孔隙率及滲透率相對較低，然而頁巖仍能夠儲氣，這是由于頁巖氣儲層中存在天然裂隙及微納米級孔隙，因而頁巖氣體可以游離態(tài)存儲于裂隙及大孔隙之中，或是以吸附態(tài)存在微孔隙表面。頁巖氣流在介質(zhì)中的滲流需要經(jīng)過一系列過程，首先，氣體會在基層表面產(chǎn)生解吸，而后受定濃度差的影響，解吸后的氣體會逐步擴(kuò)散至基質(zhì)微孔隙或微裂隙之中，在部分滲透性較強(qiáng)的微裂隙之中，氣體會出現(xiàn)滲流，而后氣體會經(jīng)由宏觀裂隙逐步滲流至井筒之中。

1.4 地質(zhì)環(huán)境特征

與煤層氣富集相比，頁巖氣與之特征較為相似，均是在原地聚集，并且會短距離運(yùn)移。雖然頁巖氣的氣體來源、賦存層位均與煤層氣存在差別，但二者的富集特征、運(yùn)移過程相一致，所應(yīng)用的開發(fā)技術(shù)也較為相似。也就是說，從地質(zhì)環(huán)境來看，頁巖氣儲層易受到溫度、地應(yīng)力、流體3個方面影響是最為顯著的特征。有機(jī)質(zhì)的熱成熟度越高，頁巖的有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)會隨之變化，孔隙結(jié)構(gòu)也會轉(zhuǎn)變，因而頁巖成熟度越高時其孔隙含量越大。頁巖氣儲層具備一定的地應(yīng)力，這一特征的存在會導(dǎo)致頁巖氣的聚集及運(yùn)移受到影響，同時也是影響網(wǎng)絡(luò)裂隙形成的關(guān)鍵所在。

2.儲層特征對儲層改造的影響

2.1 儲層改造中巖石組成所產(chǎn)生的影響

利用壓裂技術(shù)使天然裂隙擴(kuò)展成為裂隙網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而增大儲層體積，確保天然氣成功開采便是頁巖氣儲層改造的基本原理。通常頁巖氣儲層改造中采用的是水力壓裂技術(shù)，由于頁巖氣儲層的非均質(zhì)性特征較強(qiáng)，需要明確影響儲層改造效果的各種因素，進(jìn)而確保儲層改造作業(yè)的成功[2]。

2.1.1 巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

巖石的力學(xué)性質(zhì)有2個參數(shù)指標(biāo)，一是楊氏模量，二是泊松比。巖石所受應(yīng)力及應(yīng)力變化的比值就是楊氏模量，此參數(shù)指標(biāo)主要用于描述巖石的形變抵抗能力，與巖石剛性大小密切相關(guān)，楊氏模量越大，說明頁巖脆性更強(qiáng)，在鉆井或壓裂時，出現(xiàn)裂隙的概率越大，對頁巖氣的開采越為有利。泊松比指的是巖石橫向正向應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對值之間的比值，泊松比與頁巖的脆性成反比，即泊松比越大，頁巖的脆性越低，因而壓裂時出現(xiàn)裂隙的概率越小。巖石力學(xué)性質(zhì)的是決定天然裂隙發(fā)育程度的關(guān)鍵因素，若頁巖的天然裂隙發(fā)育良好，說明其儲層中含有大量的脆性礦物，因而具備更強(qiáng)的巖石脆性。

2.1.2 巖石敏感性的影響

巖的敏感性有4種，一為水敏，水敏會導(dǎo)致微粒運(yùn)移，從而降低頁巖儲層的滲透率。二為速敏，水介質(zhì)環(huán)境改變時，黏土礦物水化分解也會導(dǎo)致微粒運(yùn)動，會使地層受損。三為酸敏，酸化時若溶蝕不完全易導(dǎo)致活動性殘屑或微粒產(chǎn)生，會嚴(yán)重破壞地層結(jié)構(gòu)。四為鹽敏，鹽性環(huán)境下也會使地層受到影響，使之滲透率發(fā)生變化。因而，巖石敏感性會對頁巖氣儲層的壓裂改造效果產(chǎn)生直接影響。改造儲層之前，應(yīng)詳細(xì)評價分析頁巖的敏感性，黏土微粒儲層改造時，紊流、高剪切速率、壓力波動或是淡水注入均會導(dǎo)致黏土顆粒分散，進(jìn)而會使碎屑顆粒從黏土微粒中分離出來，在流體注入的過程中，這些碎屑會隨之移動進(jìn)而堵塞孔隙喉道，這會嚴(yán)重?fù)p傷儲層，進(jìn)而會降低其儲層改造效果[3]。

2.2 儲層改造中地質(zhì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響

盆－山耦合作用會對沉積環(huán)境存在差異的物源供給產(chǎn)生影響，在板塊運(yùn)動、地殼升降以及斷裂的過程中，頁巖的沉積相均會發(fā)生變化，會因此使頁巖的氣儲層出現(xiàn)新的特征，或是對儲層改造效果產(chǎn)生干擾。因此，頁巖氣儲層的外在地質(zhì)環(huán)境，是頁巖氣儲層改造效果的重要影響因素，這一因素主要包含2個方面：（1）天然裂隙；（2）地應(yīng)力。

2.2.1 天然裂隙的影響

在壓裂作業(yè)時，需將重點放在天然裂隙壓裂方面，通過擴(kuò)散作用影響使低滲透率的基質(zhì)能夠釋放出更多的氣體，以促進(jìn)裂隙流動能力的提升。在此基礎(chǔ)上，使整個改造層位產(chǎn)生能夠溝通頁巖氣藏與井底復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)，如此便可使頁巖氣儲層的改造體積進(jìn)一步增大。也就是說，頁巖氣儲層壓裂設(shè)計的過程中，應(yīng)重點關(guān)注儲層有效裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成。儲層改造過程中，由于天然裂隙所導(dǎo)致的影響主要集中于3個方面：（1）作為破裂面的天然裂隙，其可對壓裂裂隙的傳播產(chǎn)生一定的控制效果。（2）壓裂時所產(chǎn)生的壓力較大，會使天然裂隙出現(xiàn)滑移，因此會使裂隙順著天然裂隙的網(wǎng)絡(luò)延伸，不僅能使裂隙導(dǎo)流能力增強(qiáng)，同時也可有效連通天然裂隙網(wǎng)絡(luò)及井筒。（3）改造之前，天然裂隙的導(dǎo)流能力高低既會決定開采井的泄油體積形狀，也會影響其泄油程度[4]。

2.2.2 地應(yīng)力的影響

處于地下的每一個巖石單元體，均會受到來自3個方向且相互垂直的應(yīng)力影響，這3個應(yīng)力中，一個是垂直應(yīng)力，另外2個是水平軸向應(yīng)力。由于我國的地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，具備不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，并且各板塊之間、板內(nèi)各塊段間的構(gòu)造應(yīng)力具有明顯差異。這些應(yīng)力場會影響含油氣盆地的建造與改造，同時也會對油氣運(yùn)移、聚集產(chǎn)生影響，還會干擾裂隙的分布規(guī)律，且也會對鉆采工藝選用等環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要的影響。頁巖能否形成復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)，取決于其中所含有天然裂隙數(shù)量的多少，同時也與水平應(yīng)力之間的差異大小存在直接關(guān)聯(lián)。由于頁巖氣儲層中天然裂隙組合存在差異，并且天然裂隙組合及最大主應(yīng)力之間的相對方位也不盡相同，因而壓裂裂隙的方位會受到影響，裂隙寬度也并不一致。

3.頁巖氣開發(fā)中儲層改造的價值探討及未來研究方向分析

3.1 儲層改造的價值

頁巖氣商業(yè)化開展過程中，經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)能力是決定地質(zhì)儲量的關(guān)鍵因素。因而開采單位通常會采用油氣井增產(chǎn)工藝、完井工程設(shè)計技術(shù)，通過目的層段合理篩選、鉆井速度提升、單井產(chǎn)能增加、開采期限延長等方式保障開采效益，這一目標(biāo)的實現(xiàn)，必然要在開采之前針對頁巖氣儲層實施改造。現(xiàn)階段，頁巖儲層改造中通常應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，改造后的儲層可開采性更強(qiáng)。由于頁巖氣儲層會受到地質(zhì)條件的影響，改造過程中，壓裂層位、施工工藝均與改造效果有直接關(guān)聯(lián)。改造淺埋層、低地層壓力的頁巖氣儲層時，可應(yīng)用N2泡沫壓裂法，也可應(yīng)用清水壓裂法，但需在壓裂液中添加一定含量抑制劑，同時要求儲層中不能含有大量高膨脹性的黏土物質(zhì)，以免在較高的水敏性影響下導(dǎo)致黏土顆粒膨脹、轉(zhuǎn)移或分散，會因頁巖滲透率下降而影響天然氣開采效果[5]。

3.2 儲層改造研究方向

現(xiàn)階段，我國在儲層改造中主要應(yīng)用水力壓裂技術(shù)，但除此之外還有其他方法，未來在儲層改造的過程中，應(yīng)在綜合考慮我國頁巖氣儲層具有較強(qiáng)非均質(zhì)性、構(gòu)造變形復(fù)雜性2方面特征的基礎(chǔ)上，加大對其他新型頁巖氣天然技術(shù)的研究。如超臨界CO2開發(fā)技術(shù)，液態(tài)丙烷壓裂技術(shù)等，這些開采技術(shù)均是針對頁巖氣儲層納米孔隙、不發(fā)育裂隙所實施的儲層改造方法，利用這些先進(jìn)的技術(shù)工藝改造后的頁巖氣儲層，可有效構(gòu)建頁巖孔裂隙系統(tǒng)，并且能夠貫通含氣納米孔隙，使頁巖的滲流條件得到有效改善。

4.結(jié)論

儲層改造是提高頁巖氣開采量的重要環(huán)節(jié)，頁巖氣儲層在頁巖空間分布特征、非均質(zhì)性特征、巖石組成特征、地質(zhì)環(huán)境特征、巖石物性特征幾個方面均有顯著特征，文章總結(jié)出頁巖氣儲層特征的非均質(zhì)性會影響儲層孔隙空間中流體的分布情況及流動規(guī)律。同時，巖石組成當(dāng)中，巖石中所含有的有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、脆性礦物以及碳酸鹽礦物的含量決定著巖石的力學(xué)性質(zhì)，而這一力學(xué)性質(zhì)其與巖石敏感性均會影響儲層改造。同時，頁巖的天然裂隙越多，地應(yīng)力中的水平應(yīng)力越小，儲層改造效果越佳。