陸相頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)研究

陸相頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)研究

國外黃巖的勘探和開發(fā)已有30多年的歷史，尤其是美國的黃巖氣裂技術(shù)現(xiàn)在處于世界領(lǐng)先地位。巖氣年產(chǎn)量接近1000.109m3，超過中國的傳統(tǒng)天然氣年產(chǎn)量。但即便是在美國的五大典型頁巖氣盆地中,頁巖氣的特性也各不相同,所應(yīng)用的頁巖氣壓裂技術(shù)更是千差萬別。雖然都基本為海相頁巖氣,但其他頁巖氣盆地在借鑒最早開發(fā)的Barnett頁巖氣壓裂經(jīng)驗(yàn)時(shí),也注重自身的特殊性,有針對性地進(jìn)行了技術(shù)開拓。換言之,后續(xù)開發(fā)的頁巖氣盆地,由于有豐富的經(jīng)驗(yàn)借鑒,其開發(fā)的進(jìn)度大大加快。這也給國內(nèi)的頁巖氣開發(fā)以啟示,那就是雖然國內(nèi)的頁巖氣以陸相居多,但國外的海相經(jīng)驗(yàn)同樣可以借鑒。由于國內(nèi)的陸相頁巖氣太復(fù)雜,雖然追求網(wǎng)絡(luò)裂縫的目標(biāo)與海相頁巖氣相比都是一致的,但如何形成網(wǎng)絡(luò)裂縫,具體實(shí)現(xiàn)方法可能并無相似性。因此,國內(nèi)陸相頁巖氣的網(wǎng)絡(luò)壓裂研究與試驗(yàn),還有大量艱苦細(xì)致的工作要做。為此,筆者對此進(jìn)行了初步探索研究。1巖相儲(chǔ)層采后含氣性及產(chǎn)氣動(dòng)物古地理研究的意義巖性及可壓性頁巖中的黏土、碎屑巖和碳酸鹽巖各占一定的比例或其中的兩種組分占優(yōu)。頁巖中石英及鈣質(zhì)等脆性礦物的比例,稱之為脆性指數(shù)。脆性指數(shù)越高,頁巖的可壓性越好。對于頁巖氣儲(chǔ)層,其脆性指數(shù)達(dá)40%以上,才有可能形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。物性及開采特征頁巖氣儲(chǔ)層物性差,孔隙度約為4%～6%,基質(zhì)滲透率小于0.001×10-3μm2。氣流的阻力比常規(guī)天然氣大,所有的井都需要實(shí)施壓裂改造才能投產(chǎn)。由于基質(zhì)滲透率極低,頁巖基質(zhì)向裂縫供氣的能力較差,同時(shí)由于吸附氣的存在,頁巖氣井壓裂初期產(chǎn)量可能相對高些,這主要是天然裂縫內(nèi)的游離氣在起作用,而穩(wěn)產(chǎn)期的產(chǎn)量一般不會(huì)太高,但穩(wěn)產(chǎn)期會(huì)非常長,如國外的Barnett頁巖氣據(jù)預(yù)測可生產(chǎn)80～100a。天然裂縫發(fā)育程度文獻(xiàn)詳細(xì)論述了Barnett頁巖天然裂縫發(fā)育情況對頁巖氣生產(chǎn)的影響。Barnett頁巖肉眼可識(shí)別的裂縫數(shù)量有限,大裂縫均被方解石和石英等礦物充填,且大裂縫越發(fā)育產(chǎn)氣量越低。說明大裂縫不利于頁巖氣的保存,真正對儲(chǔ)層起改善作用的是微裂縫。由于Barnett頁巖石英含量很高,巖層脆性大,微裂縫極為發(fā)育,它們是天然氣聚集和運(yùn)移的主要空間。一旦采取水力壓裂措施很容易張開該類地層中因膠結(jié)而封閉的天然裂縫,并構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)裂縫形成的要素。所以,某種程度上講,網(wǎng)絡(luò)裂縫的形成與天然裂縫的發(fā)育程度相關(guān)。其他就熱演化程度而言,國外成熟頁巖氣的鏡體反射率一般為1.3%～1.7%,如低于1.3%可能含頁巖油,如高于1.7%可能過演化。超過此范圍,壓后產(chǎn)氣效果可能不佳。此外,評價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層的指標(biāo)還有含氣性及吸附氣等。含氣性和吸附氣主要用來評估壓后的氣源及生產(chǎn)規(guī)律:如吸附氣少,可能產(chǎn)量高,但生產(chǎn)期會(huì)很短;反之,則初期產(chǎn)氣量可能低些,但生產(chǎn)期會(huì)很長。2單因素壓裂應(yīng)用于巖石氣田網(wǎng)絡(luò)的壓裂設(shè)計(jì)2.1尾追支撐劑及砂堤的確定1)射孔方案必須考慮裂縫的延伸規(guī)律,上下裂縫段串通在某種條件下可形成誘導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)裂縫。2)小型測試壓裂方案要與主壓裂的規(guī)模相匹配,并要考慮其對誘導(dǎo)應(yīng)力場的影響,必要時(shí)加入一定比例的小粒徑支撐劑(如40～70目石英砂)以控制縫高。3)壓裂液要考慮選用低黏壓裂液,以提高其通過網(wǎng)絡(luò)裂縫的能力,并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裂縫的延伸。4)支撐劑的選擇要考慮其縱向懸浮能力,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裂縫的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)體積壓裂的目的。5)注入?yún)?shù)的選擇,要考慮到能有效溝通與延伸天然裂縫,并在必要時(shí)對天然裂縫進(jìn)行封堵,以實(shí)現(xiàn)更長的主裂縫并溝通更多的天然裂縫,達(dá)到深穿透網(wǎng)絡(luò)裂縫的效果;如果熱演化程度低,為防止出現(xiàn)頁巖油而需要尾追大粒徑支撐劑時(shí),必須對低黏度液體中支撐劑的沉降砂堤進(jìn)行研究,防止尾追支撐劑運(yùn)移到裂縫前端而不是近井筒處。6)加砂的主要目的不是實(shí)現(xiàn)裂縫的支撐,而是要增加裂縫內(nèi)的流動(dòng)阻力以達(dá)到增加縫內(nèi)凈壓力并實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向的目的。7)壓后返排參數(shù)主要基于網(wǎng)絡(luò)裂縫的實(shí)現(xiàn)程度及頁巖氣基質(zhì)中吸附氣的含量進(jìn)行優(yōu)化。2.2裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)裂縫是頁巖氣井壓裂設(shè)計(jì)的主要目標(biāo),其內(nèi)在因素是通過壓裂在單一裂縫脆弱面上產(chǎn)生誘導(dǎo)應(yīng)力以改變最大與最小主應(yīng)力的分布,使裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向,與天然裂縫溝通形成網(wǎng)狀裂縫結(jié)構(gòu)。為簡便起見,假設(shè)形成如圖1所示的二維垂直裂縫,則二維垂直裂縫所誘導(dǎo)的應(yīng)力場為:σx誘導(dǎo)=prc(c2r1r2)32sinθsin32(θ1+θ2)+p[r(r1r2)12cos(θ-12θ1-12θ2)-1](1)σz誘導(dǎo)=-prc(c2r1r2)32sinθsin32(θ1+θ2)+p[r(r1r2)12cos(θ-12θ1-12θ2)-1](2)τxz誘導(dǎo)=prc(c2r1r2)32sinθcos32(θ1+θ2)(3)σx誘導(dǎo)=prc(c2r1r2)32sinθsin32(θ1+θ2)+p[r(r1r2)12cos(θ?12θ1?12θ2)?1](1)σz誘導(dǎo)=?prc(c2r1r2)32sinθsin32(θ1+θ2)+p[r(r1r2)12cos(θ?12θ1?12θ2)?1](2)τxz誘導(dǎo)=prc(c2r1r2)32sinθcos32(θ1+θ2)(3)由虎克定律得:σy誘導(dǎo)=ν(σx誘導(dǎo)+σz誘導(dǎo))(4)σy誘導(dǎo)=ν(σx誘導(dǎo)+σz誘導(dǎo))(4)同時(shí),各幾何參數(shù)間存在以下關(guān)系:{r=√x2+y2r1=√x2+(y+c)2r2=√x2+(y-c)2(5){θ=arctanxyθ1=arctanx-y-cθ2=arctanxc-y(6)式中:p為裂縫面上的壓力,Pa;σx誘導(dǎo),σy誘導(dǎo),σz誘導(dǎo)分別為x,y,z方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力,Pa;τxz誘導(dǎo)為xz平面上的誘導(dǎo)剪切應(yīng)力,Pa;r為裂縫面任意一點(diǎn)距井眼的距離,m;θ為裂縫方位角,(°);H為裂縫高度,m。如果θ,θ1和θ2為負(fù)值,那么應(yīng)分別用θ+180°,θ1+180°和θ2+180°來代替。利用式(1)—式(6)可以計(jì)算裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力的大小。圖2為某頁巖氣井的誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。從圖2可看出,隨著到裂縫距離的增加,誘導(dǎo)應(yīng)力迅速減小,距離裂縫一定距離后,地應(yīng)力場仍為初始狀態(tài)。從圖2還可看出,當(dāng)主裂縫內(nèi)的凈壓力足夠大時(shí),可實(shí)現(xiàn)主縫內(nèi)的裂縫轉(zhuǎn)向。由于頁巖氣井壓裂一般應(yīng)用低黏度的滑溜水,主縫內(nèi)的壓力梯度相對較小,因此,一旦近井筒處實(shí)現(xiàn)了裂縫的轉(zhuǎn)向,遠(yuǎn)井主裂縫范圍內(nèi)也可能實(shí)現(xiàn)多處裂縫轉(zhuǎn)向,從而形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)裂縫。2.3壓裂設(shè)計(jì)方法和思路綜合網(wǎng)絡(luò)壓裂的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)基礎(chǔ),頁巖氣儲(chǔ)層網(wǎng)絡(luò)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)包括射孔、小型測試壓裂、主壓裂、壓后返排4個(gè)方面。2.3.1射孔方案優(yōu)化射孔方案優(yōu)化原則上以簇射孔為宜,每簇射孔厚度在1m之內(nèi),相鄰簇間距離20～30m。水平井采用該原則,可力爭形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。對于直井壓裂,如排除物性及含氣性等因素,也適用該原則。采用簇射孔的目的是盡量在該簇射孔處形成一個(gè)主裂縫,避免射孔井段過長形成過多的主裂縫。如主裂縫過多,每個(gè)主裂縫都不長,難以溝通遠(yuǎn)井的天然裂縫。而相鄰的射孔簇之間距離控制在20～30m,能保證主縫的誘導(dǎo)應(yīng)力場相互疊加和干擾,從而誘發(fā)遠(yuǎn)井主裂縫間的溝通,從而真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)井的網(wǎng)絡(luò)裂縫效果。此外,射孔方案的優(yōu)化還應(yīng)綜合考慮天然裂縫及地應(yīng)力狀況,盡量選擇天然裂縫發(fā)育及地應(yīng)力相對較低的層段射孔。值得指出的是,如裂縫更易向下延伸,射孔段的選擇切忌太偏上,以防止填砂網(wǎng)絡(luò)裂縫與孔眼處無溝通,從而阻礙頁巖氣的產(chǎn)出。2.3.2提高用液量、形成誘導(dǎo)應(yīng)力常規(guī)壓裂前小型測試壓裂的用液量一般小于60m3。但頁巖氣井壓裂不同,如小型測試壓裂規(guī)模過小,則難以反映遠(yuǎn)井的儲(chǔ)層狀況,因此,頁巖氣井網(wǎng)絡(luò)壓裂前的小型測試壓裂的用液量一般應(yīng)在200m3左右。提高用液量的另一個(gè)好處是形成的誘導(dǎo)應(yīng)力相對較大,如兩個(gè)水平主應(yīng)力差值不大,可能更易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。如裂縫更易向下延伸,還可在小型測試壓裂中適當(dāng)加些粉陶或粉砂,利用停泵測壓降沉降在縫底控制縫向下延伸。2.3.3砂液比與壓后效果主壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化包括排量、砂液比、段塞量及總液量的優(yōu)化等。只要頁巖氣儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育,厚度又相對較大(一般>30m),那么縫高的控制在某種情況下就是次要的。頁巖氣井壓裂的排量一般要求大于10m3/min的主要原因是要產(chǎn)生很強(qiáng)的水力沖擊力,疏通天然裂縫。攜砂能力強(qiáng)也是另一個(gè)重要的原因。由于一般采用低黏壓裂液,沉砂剖面上的動(dòng)態(tài)平衡高度較小,上邊的液流速度快,因此,常規(guī)尾追大粒徑支撐劑的方法很難在近井筒處實(shí)現(xiàn)(見圖3),此時(shí),必須采用變排量方法,降低沉砂高度,增大砂堤上的過流端面高度,才能使后續(xù)加入的大粒徑支撐劑按預(yù)期那樣堆積在近井筒處。砂液比的設(shè)計(jì)除了追求與造縫寬度相匹配的支撐縫寬外,更重要是增加裂縫內(nèi)砂漿的流動(dòng)摩阻,以提升主裂縫的凈壓力,從而實(shí)現(xiàn)裂縫的轉(zhuǎn)向或張開天然裂縫的目的。國外Barnett頁巖壓裂經(jīng)驗(yàn)表明,用液量與壓后效果呈近似的正相關(guān)關(guān)系,而砂液比的影響則不明顯,充分說明砂液比的設(shè)計(jì)必須與儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育程度結(jié)合起來,如設(shè)計(jì)的合理,可實(shí)現(xiàn)裂縫的轉(zhuǎn)向,否則就沒有轉(zhuǎn)向。因此,砂液比與壓后效果并無規(guī)律可言。段塞量及段塞級數(shù)的優(yōu)化主要是為防止早期砂堵采取的提前干預(yù)措施。優(yōu)化原則是保證裂縫支撐剖面不中斷。總液量的優(yōu)化,要從地質(zhì)與工程兩個(gè)方面綜合權(quán)衡考慮,既要考慮到地質(zhì)的要求,又要具備現(xiàn)場可操作性。2.3.4支撐劑濃度頁巖氣井壓后的返排與常規(guī)壓裂不同,要考慮裂縫的支撐情況、頁巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)的物性及吸附氣含量等多種因素。返排與否及返排率多少合適,目前國外也在探索之中。如確信網(wǎng)絡(luò)裂縫已經(jīng)形成,且支撐劑鋪置濃度較高,吸附氣的含量也較低,可以返排30%～40%。若支撐劑濃度低,和/或吸附氣含量較高,就應(yīng)盡量少排液或不排液,此時(shí)液體起支撐裂縫的作用,且吸附氣滲析到裂縫后,其流動(dòng)阻力較小,有利于吸附氣的快速產(chǎn)出。值得指出的是,此時(shí)裂縫內(nèi)雖含大量的液體,但由于頁巖基質(zhì)的滲透率極低,裂縫內(nèi)的液體難以侵入基質(zhì)中形成水鎖效應(yīng)。而且裂縫由液體支撐,滲流阻力小,一旦在裂縫內(nèi)有微小的流動(dòng)壓差,基質(zhì)中的頁巖氣就會(huì)流向裂縫,因此,不影響頁巖氣從基質(zhì)向裂縫內(nèi)的有效流動(dòng)。3現(xiàn)場試驗(yàn)按上述設(shè)計(jì)思路,對河南泌陽凹陷某頁巖氣井進(jìn)行了壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì),預(yù)期實(shí)現(xiàn)如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)裂縫。3.1g函數(shù)法雙對數(shù)曲線分析法采取“升/降排量+停泵測壓降”進(jìn)行測試壓裂,最高排量12.328m3/min,入井液體150.8m3,最高井口壓力42.31MPa,升降排量注液時(shí)間16.3min,測壓降時(shí)間80.9min,井口壓力從33.08MPa降至26.54MPa。整個(gè)過程基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該井井底瞬時(shí)停泵壓力為57.81MPa(地面停泵壓力為33.08MPa),通過G函數(shù)和雙對數(shù)曲線分析,求得該井閉合壓力為52.00MPa,閉合壓力梯度0.0209MPa/m,估算凈壓力5.73～5.94MPa。另外,G函數(shù)曲線上顯示有天然裂縫開啟跡象?；谛⌒蜏y試壓裂解釋結(jié)果,確定主壓裂施工排量為10m3/min,支撐劑選用中等強(qiáng)度低密度40～70目陶粒,主壓裂前期采用100目粉陶對近井帶的裂縫進(jìn)行部分封堵,以確保后續(xù)攜砂液進(jìn)入地層深部和促使裂縫轉(zhuǎn)向。3.2粉陶地層井壓裂井該井累積注入滑溜水2280m3、40～70目低密度陶粒65m3、100目粉陶10m3,最高排量達(dá)10.7m3/min、最高砂比11%,段塞數(shù)達(dá)16個(gè)。該井壓裂后出頁巖油,最高日產(chǎn)油5.68m3,穩(wěn)定在3.0m3/d以上。這對河南泌陽凹陷而言是個(gè)重大突破,預(yù)示著該凹陷具有良好的勘探開發(fā)前景。4巖相裂技術(shù)的應(yīng)用1)中國的頁巖氣資源量極為豐富,勘探開發(fā)潛力巨大,但主要以陸相頁巖氣為主,沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。即便是海相頁巖氣,迄今為止,國外也沒有發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相同或相近的頁巖氣藏,因此,開發(fā)頁巖氣的技術(shù)千差萬別,尤其是壓裂技術(shù),而壓裂技術(shù)是目前頁巖氣勘探開發(fā)的主體技術(shù)之一。因此,要想經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)國內(nèi)的頁巖氣,需結(jié)合中國頁巖氣自身的特殊性,對頁巖氣壓裂技術(shù)進(jìn)行有針對性的探索研究與應(yīng)用。2)從巖