工程技術角度分析頁巖氣開采

1、 工程技術角度分析頁巖氣開采 頁巖氣已成為全世界非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的重點領域。由于頁巖氣具有區(qū)別于常規(guī)氣藏的顯著特性，導致頁巖氣資源勘探開發(fā)成為一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及復雜的技術體系，最主要的不同之處在于將工程技術前移至頁巖氣資源評價和開發(fā)過程。水平鉆井、滑溜水多段壓裂、裂縫檢測等一系列關鍵技術的突破是美國頁巖氣近年來飛速發(fā)展的重要原因。中國非常規(guī)油氣藏潛力很大，不同機構的評價結果表明，中國陸域頁巖氣可采資源量很大，是常規(guī)天然氣資源量的1.12.4倍。目前，中國頁巖氣第二輪招投標已順利結束，距離實現(xiàn)65億立方米/a產(chǎn)量目標只有不到3年的時間，多個區(qū)塊頁巖氣的勘探及評價即將陸續(xù)展開。目前，頁

2、巖氣水平井分段壓裂已占單井建設投資的40%50%,進一步體現(xiàn)了工程技術的重要性。為此，在勘探開發(fā)過程中提出了工程技術的早期介入、合理應用和深入理解，以有助于頁巖氣的資源評價。1 頁巖氣儲層壓裂機理及實現(xiàn)策略1.1壓裂改造原理 頁巖氣之所以能在頁巖氣中存留，緣于頁巖極為致密的孔隙結構和極低的滲透率。頁巖氣儲層中天然氣基本無法運移到井筒，其主要原因在于2個方面：1.天然氣分子直徑在頁巖氣納米級孔隙中運移難度大。甲烷的分子直徑大小是：0.40nm，乙烷的分子直徑大小是0.44nm，而頁巖的孔隙大小是0.5100nm，遠遠小于砂巖的孔隙（大于1m）。對于孔隙直徑較小的頁巖，天然氣基本是無法運移的。即使

3、孔隙直徑在100nm的頁巖，天然氣的運移難度也較大。2.天然氣在致密孔隙結構中運移時間較長。理論研究表明，基質(zhì)滲透率在0.000001mD時，流體穿透100m基質(zhì)流入井筒需要的時間將超過1Ma。因此，頁巖氣得以開采利用，必須通過水力壓裂在頁巖儲層里形成具有相當大體積、形態(tài)分布復雜、具有一定滲透能力的裂縫網(wǎng)絡體系，使頁巖氣通過這個裂縫網(wǎng)絡體系流入到井筒。 頁巖氣壓裂與常規(guī)壓裂形成的雙翼對稱的平面張開縫不同，頁巖氣壓裂（或稱之為“體積改造”）旨在形成相互交錯的復雜的“網(wǎng)絡”裂縫體（含張開縫和剪切縫），增加平面與縱向上的儲層改造體積SRV（stimulated reservoir volume），達

4、到與頁巖最大裂縫接觸面積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。因此，頁巖氣開采工程技術實質(zhì)是通過水力壓裂把儲層“壓碎”。1.2 壓裂改造及其分類 人們將儲層分為常規(guī)和非常規(guī)。壓裂的目的不同，常規(guī)儲層和頁巖氣儲層的水力壓裂實現(xiàn)時采用的策略是不同的。頁巖氣的勘探開發(fā)需求引起了水力壓裂技術與理論的發(fā)展，從而拓展了水力壓裂技術的分類。因此，按儲層的滲透性和增產(chǎn)機理，水力壓裂技術可以分為3種類型：（1）以解除污染并提高近井地帶滲流能力的解堵型壓裂。主要應用于滲透率比較高的儲層，其水力壓裂的實施策略是追求較高的人工裂縫導流能力。施工中采用較大排量、高砂比、有時配合端部脫砂等工藝，以消除鉆完井過程中的污染，增加近井地

5、帶的滲透能力。這類水力壓裂可以提高單井產(chǎn)量，但是因為人工裂縫尺度不大，對井網(wǎng)部署、注水開發(fā)、采收率等開發(fā)指標幾乎沒有影響。（2）以增大油氣泄油面積的改造型壓裂。主要應用于低滲透和特低滲透儲層，其水力壓裂的實施策略是追求較長的人工裂縫長度。這類壓裂施工采用高黏度壓裂液，大液量、大砂量注入，在儲層形成幾十米或上百米并具有一定導流能力的長裂縫，擴大了單井泄油面積。由于人工裂縫尺度較大并具有一定的方向性，這類壓裂可以提高單井產(chǎn)量和開采速度，有益于采收率等開發(fā)指標的改善。（3）以形成最大SRV的縫網(wǎng)型壓裂。當水力壓裂技術應用于頁巖氣儲層時，其儲層改造機理與前面兩種類型完全不同。頁巖氣壓裂是通過盡可能“壓

6、碎”儲層，在頁巖儲層中人工形成復雜密集裂縫網(wǎng)絡，使游離和吸附在頁巖空隙中的頁巖氣可以流動并匯集到井筒。這類壓裂提高單井產(chǎn)量并決定了單井的可采資源量和采收率。 描述頁巖氣壓裂的關鍵參數(shù)是壓裂形成的有效裂縫體積ESRV（effective stimulated reservoir volume）、裂縫密度、支撐和未支撐裂縫導流能力，而不僅僅是人工裂縫的長度和導流能力。其水力壓裂的實施策略是追求較高的有效裂縫體積。Cipolla定義裂縫復雜指數(shù)FCI（fracture complex index）來描述網(wǎng)絡裂縫有效性，即網(wǎng)縫寬度與長度之比。這類水力壓裂形成的裂縫網(wǎng)絡使儲層流體的流態(tài)復雜，壓裂決定了井

7、的初始產(chǎn)量和單井可采資源量（EUR）、開采的合理井距、以及采收率等開發(fā)技術指標。 Barnett某頁巖氣井壓后微地震監(jiān)測表明，網(wǎng)絡裂縫的SRV達到14.5億ft3（約4106萬立方米），是單一裂縫改造體積的3.37倍。國內(nèi)外頁巖氣壓裂的SRV達到上千萬立方米。根據(jù)儲層滲透率的大小情況，可將水力壓裂分為3類：解堵型壓裂，通俗稱為“壓痛”；改造型壓裂，通俗稱為“壓開”；裂縫型壓裂（或“體積改造技術”），通俗稱為“壓碎”。1.3 實現(xiàn)最大化SRV必須考慮的基本策略 國內(nèi)外學者研究了實現(xiàn)“網(wǎng)縫壓裂”和增大裂縫復雜性的設計方法，實現(xiàn)最大化SRV與頁巖儲層特性是緊密相關的，同時還涉及到水平井走向及射孔等完

8、井策略。因此，頁巖氣壓裂必須考慮如下頁巖儲層特性，才有可能最大限度地實現(xiàn)復雜的裂縫網(wǎng)絡體系。（1）充分利用頁巖氣儲層天然裂縫和水平層理發(fā)育、沉積顆粒細小、石英及碳酸鹽礦物組分含量高形成的脆性、水平主應力差值小的地質(zhì)特性。（2）頁巖氣儲層水平井壓裂要求水平井段方位走向與最小主應力方向平行或保持較小角度（不超過30°），這樣使沿射孔眼形成的裂縫走向與井筒軸向垂直，通過多段、多簇壓裂造成足夠大的裂縫體積。（3）按照泵入排量和裂縫凈壓力推算射孔數(shù)量，再考慮儲層厚度、裂縫發(fā)育程度確定簇間距和段間距，并在整個水平段上均有分布。（4）滿足主裂縫上形成分支縫的條件，有效利用裂縫形成的應力陰影，使裂縫

9、復雜化。當裂縫中壓力及裂縫生成擴展，會在裂縫附近局部范圍形成有限的次生附加應力場（應力陰影），改變了原來的地應力狀態(tài)和分布，使裂縫更為復雜化。（5）采用摩阻低的滑溜水，大排量高速度注入。使遠離井筒的裂縫末端仍保持一定的靜壓力，在溝通擴展天然裂縫和層理的同時，形成以剪切裂縫為主的新的水力裂縫。由于液體的進入和裂縫生成引起的應變，使儲層中局部應力場發(fā)生變化，造成裂縫在多個方向發(fā)生并復雜化。（6）注入液量越大，裂縫體積越大，改造效果越好。由于頁巖儲層滲透率低。盡管壓裂液黏度不大，但壓裂液濾失量極小，大部分壓裂液起到造縫作用。雖然有相當多細小剪切微裂縫并沒有被支撐劑充填，但這些細微裂縫形成的導流能力仍

10、然要高出原有滲透率幾個數(shù)量級，為頁巖氣運移到井筒提供了有效的通道。（7）使用不同黏度的壓裂液配合不同級別粒徑的支撐劑，可以在儲層中形成尺度不同的主、次、細、微等多級分支裂縫。分支裂縫在延伸到其端部后會發(fā)生轉(zhuǎn)向。繼續(xù)沿最大地應力方向延伸，遇到天然裂縫后將形成次級分支裂縫。以此類推，水力裂縫與天然裂縫相互交錯，形成高度密集的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。2 頁巖氣儲層可壓性評價2.1 儲層可壓性評價的重要性 北美和中國頁巖氣儲層的實踐使得人們發(fā)現(xiàn)，即使是頁巖沉積相對穩(wěn)定、平面上連續(xù)分布，且孔隙度和滲透率變化不大，但是頁巖氣壓裂后的產(chǎn)量差異卻很大。資料統(tǒng)計表明，北美水平井分段分簇壓裂后產(chǎn)量測試，有61%壓裂簇產(chǎn)量低

11、于簇平均產(chǎn)量，甚至還有34%壓裂簇可能沒有產(chǎn)量，而所有這些井及各段壓裂施工工藝參數(shù)差異并不大。以上情況說明，頁巖儲層的壓裂甚至決定了頁巖是否能夠達到商業(yè)開采。因此，頁巖氣的甜點選擇主要有兩個條件：天然氣的生成和保存程度，儲層可壓性。 這就涉及到頁巖氣在儲層評價過程中需要完成的一個重要內(nèi)容-儲層可壓性的工程評價?？蓧盒栽u價主要目的是評價頁巖氣儲層是否能夠通過水力壓裂形成足夠大的有效裂縫體積。經(jīng)過地質(zhì)論證具有較好富集規(guī)律的頁巖儲層，如果不具備較好的可壓性，也很難通過工程手段達到有效的商業(yè)開采。2.2 可壓性評價的主要內(nèi)容 可壓性評價的主要內(nèi)容是評價裂縫和層理、頁巖脆性、水平應力差，這三者是決定頁巖

12、能否“壓碎”的3個關鍵因素。 2.2.1 天然裂縫和層理 天然裂縫和層理越發(fā)育，頁巖儲層的可壓性越好。而對于富含有機碳的泥巖，水平層理不發(fā)育，即使是烴源巖并生排烴、含有一定天然氣，卻很難像頁巖氣那樣通過水平井分段壓裂得到開發(fā)動用。天然裂縫和層理為壓裂液高速度注入提供了條件，也演得水平層理在壓裂過程有很大作用。室內(nèi)大型物理模擬試驗表明，在注入壓力遠小于垂向上覆壓力時，水平層理可以張開形成水平縫。諸多的水平狀態(tài)的層理面，為垂向剪切縫的生成提供了條件。2.2.2 頁巖的脆性 頁巖的脆性越高，可壓性越好。頁巖的脆性是物體受力達到一定程度后會發(fā)生破壞，由整體分成若干分離的部分，如果材料破裂不伴有（或少量

13、的）永久變形，稱材料是脆性的。脆性由儲層礦物組分中石英、長石、方解石含量決定的。如果頁巖中黏土含量高及成巖結構不利，儲層彈性強，巖石受力后主要發(fā)生彈性應變并吸收壓力傳導的能量，頁巖很難被“壓碎”。 脆性指數(shù)通常是巖石的抗拉強度和抗壓強度之比。該指數(shù)越高，則說明儲層容易壓裂，越容易形成網(wǎng)狀裂縫；該指數(shù)越低說明儲層塑性較強，則越容易形成雙翼裂縫。泊松比越小，楊氏模量越大，脆性指數(shù)越大。2.2.3 水平主應力差 水平主應力差越小，越有利于形成網(wǎng)狀裂縫，即可壓性越好。頁巖壓裂過程中滑溜水進入說平層理及微裂縫的同時形成新的裂縫，如果水平應力差小，裂縫將在多個方向上延伸。描述水平主應力差異大小的指標是水平

14、應力差異系數(shù)。 天然裂縫和層理、頁巖的脆性、較小的水平應力差這3個因素條件共存，是使?jié)B透性極為緊密頁巖儲層能實現(xiàn)單井日產(chǎn)幾萬立方米產(chǎn)能的內(nèi)在必要地質(zhì)因素，使在頁巖中打造人工裂縫體系成為現(xiàn)實。 3 低成本實現(xiàn)足夠大的有效壓裂裂縫體積3.1 常用的頁巖氣壓裂工藝技術 頁巖氣常用的壓裂工藝是水平井速鉆橋塞分段壓裂工藝和裸眼滑套壓裂工藝技術，其中水平井速鉆橋塞分段壓裂工藝是最主要的壓裂工藝方法。3.2 壓裂工藝技術的低成本設計思路 由于北美頁巖氣市場資本運作，基本都采用由單井開采典型曲線推算出來的單井可采資源量和部署的鉆井數(shù)來評估項目的資本價值。因此，一口頁巖氣井的壓裂施工規(guī)模遠遠大于常規(guī)油藏的壓裂，

15、動輒上萬立方米液、上千立方米砂，壓裂設備功率往往都很大，成本投入是十分巨大的。這就要求在儲層中打造李響的裂縫體系，獲得盡可能大的單井可采資源量的同時，有效地優(yōu)化并降低成本。 頁巖氣壓裂工藝是采用水平井多段多簇壓裂技術，更多的段數(shù)和更長的水平段長往往成了追求的目標。同一壓裂設計（UFD）的概念井場被用來優(yōu)化裂縫形態(tài)，從而得到最大的壓裂井產(chǎn)量。然而，模型沒有考慮在增加水平井段長度、提高壓裂的分段數(shù)量和擴大各段壓裂規(guī)模的同時，施工成本相應增加的情況。因此，在方案設計、規(guī)模和成本之間進行科學的優(yōu)化是頁巖氣開采的技術關鍵。根據(jù)以上方法，為保持裂縫中的凈壓力，每個射孔眼的注入流量一般要保持在0.150.3

16、0m3/min;受井筒沖蝕流量的限制施工排量在1215m3/min，每段射孔數(shù)量一般在4080孔，并分為35簇；再由儲層厚度及物性確定各簇的間距，一般在1020m，從而得出分段的卡距長度和水平井長度及壓裂段數(shù)。 當然，不同的頁巖盆地具有不同的儲層條件。水平段長度、分簇射孔間距及段長、注入速度、總液量的確定不僅要設計計算，更需要通過一定數(shù)量氣井壓后生產(chǎn)動態(tài)與施工參數(shù)的反復擬合分析，優(yōu)化出適應不同區(qū)域施工的方案設計。4 全面理解“工廠化”施工作業(yè)4.1 “工廠化”施工作業(yè)的主要做法 “工廠化”施工作業(yè)廣泛地應用在北美頁巖氣的開采中，而且逐步完善配套。這大幅度地提高了施工效率，降低了作業(yè)成本，減少了

17、土地的占用及資源的消耗。其優(yōu)勢在于建立壓裂中心平臺，向多個鉆井平臺提供服務，平臺上的壓裂水可集中供應、重復利用。壓裂管線預鋪設好，配套的設備進行半永久式安裝，實施工廠化管理，機械的復雜性低，作業(yè)可靠性高，減少作業(yè)時間，一般作業(yè)半徑可達6.5km。 “工廠化”施工作業(yè)的“硬件”條件指可以完成鉆機自動移位、自行式水力循環(huán)、連續(xù)混配及輸砂、水供給及處理系統(tǒng)的機械裝備和機具，以實現(xiàn)鉆井過程中程序批量鉆井、離線作業(yè)、壓裂施工中的連續(xù)交叉施工。 “工廠化”施工作業(yè)的“軟件”條件，是實現(xiàn)“工廠化”施工作業(yè)的鉆井、壓裂、投產(chǎn)主要作業(yè)工序工藝設計的程序化和標準化。 一般來講，頁巖儲層非均值性強，為了獲得好的開采

18、效果，每口井、每個井段都進行個性化的施工設計，使工藝技術更有針對性。安相對統(tǒng)一的標準化工學進行“工廠化”施工，簡化一些工藝內(nèi)容，主體工藝批量處理，加快了作業(yè)進度，降低了成本。盡管這些對某個井、某個井段技術的應用未能達到最優(yōu)化，所帶來的開采效果上的損失，遠遠小于“工廠化”施工得到的經(jīng)濟效益，正因為這樣，使“工廠化”施工成為北美頁巖氣開采的重要技術措施。 4.2 中國與北美頁巖氣的工廠化條件實施的差異 中國實施工廠化作業(yè)模式需要考慮與北美地區(qū)頁巖氣的具體客觀條件和技術差異。（1）對于北美頁巖氣盆地海相沉積，連續(xù)分布地層穩(wěn)定、儲層條件好，這位“工廠化”施工提供了較好的地質(zhì)條件，而中國頁巖氣南方海相沉

19、積時代早、頁巖有機質(zhì)演化成熟度偏高、后期改造比較強烈、穩(wěn)定性差，這給研究設計適應“工廠化”施工標準化的工藝及工序提出了更高的要求。（2）頁巖氣單項壓裂技術與北美地區(qū)仍然具有相當?shù)牟煌?。中國在頁巖氣基礎理論壓裂設計軟件、主要壓裂施工工藝、具有自主知識產(chǎn)權的井下作業(yè)工具盒材料方面仍然需要發(fā)展完善。（3）“硬件”條件是中國與北美地區(qū)頁巖氣工廠化作業(yè)的主要差距。北美地區(qū)的工程化壓裂設備配置包括6大系統(tǒng)：連續(xù)泵注系統(tǒng)、連續(xù)供砂系統(tǒng)、連續(xù)配液系統(tǒng)、連續(xù)供水系統(tǒng)、工具下入系統(tǒng)和后勤保障系統(tǒng)。如連續(xù)供砂系統(tǒng)自帶輪具可拖掛，內(nèi)部分不同腔體，實現(xiàn)不同粒徑轉(zhuǎn)換。連續(xù)混配車，混配能力可達19m3/min。還具有橇裝化

20、實時水處理設備。（4）工廠化作業(yè)的壓裂設計流程和地面作業(yè)設計流程尚未形成，這是形成“氣工廠”模式的首要條件，最終形成具有標準化和程序化的設計流程。（5）北美地區(qū)的地面條件較為平坦，而我國頁巖氣資源豐富的西南地區(qū)地形復雜、地面山川丘陵起伏較大，對于“工廠化”作業(yè)的管線敷設、壓裂半徑和供液半徑的設計提出了較大的限制。（6）北美地區(qū)水資源豐富，而中國西北地區(qū)干旱、少雨，也是工廠化作業(yè)的瓶頸所在。4.3 適合中國“工廠化”施工作業(yè)的基本要點 （1）堅持時間摸索，在學習消化中形成中國的技術。頁巖氣在國外的發(fā)展經(jīng)歷了“實踐摸索、工具突破、理論完善”的過程，技術上主要依賴于小公司，形成了“專業(yè)、專家、專注”的模式。中國在頁巖氣的發(fā)展時間遠遠落后于北美地區(qū)，在學習和模仿北美的過程中，走實踐、分析、再實踐、再認識的道路。（2）以工程技術為主線，實行鉆完井及壓裂改造為技術核心，各專業(yè)形成系統(tǒng)配套。工程技術的核心技術要求是開展研究、解決問題、實現(xiàn)壓裂和鉆井的技術目的。加強各專業(yè)溝通，打破專業(yè)壁壘，加強各專業(yè)的配合調(diào)整，因此更利于形成有效的技術。（3）一定工作量的實踐是必須完成的。中國的頁