頁巖氣井壓裂縫室內(nèi)實驗評價技術研究

頁巖氣井壓裂縫室內(nèi)實驗評價技術研究

1巖石力學特征與頁巖脆性實驗結(jié)果表明，巖石的脆脹是巖縫網(wǎng)壓裂中考慮的重要巖石力學特征之一。頁巖在壓裂過程中只有不斷產(chǎn)生各種形式的裂縫,形成裂縫網(wǎng)絡,氣井才能獲得較高產(chǎn)氣量,這有別于常規(guī)氣藏壓裂設計。裂縫網(wǎng)絡形成的必要條件除與地應力分布有關,巖石的脆性特征是內(nèi)在的重要影響因素。脆性特征同時也決定了頁巖壓裂設計中液體體系與支撐劑用量選擇。根據(jù)北美頁巖壓裂實踐經(jīng)驗,國外學者給出了巖石脆性與壓裂裂縫形態(tài)的關系(圖1),同時建議壓裂設計中根據(jù)巖石脆性,優(yōu)選液體體系和支撐劑(表1)。筆者對四川盆地頁巖氣儲層的巖心開展了研究,并將巖石力學性質(zhì)與四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組致密砂巖儲層物性進行對比。表2是致密砂巖巖石力學物性與頁巖力學物性的對比結(jié)果。雖然從該表能夠找出的是頁巖實驗結(jié)果與其他常規(guī)氣藏巖心實驗結(jié)果數(shù)值之間的差異,但這種差異顯然無法解釋頁巖的特殊性。將頁巖巖心與致密砂巖巖心實驗過程中的應力—應變關系曲線進行對比時,能夠初步揭示出頁巖的特殊性(圖2)。從圖2中可以看出:從初始加載到巖心破裂,頁巖巖心的應變曲線斜率變化很小,巖心應力—應變關系曲線近似為一條直線,曲線中的孔隙裂隙壓實階段、彈性變形階段、體積應變不變階段以及巖石產(chǎn)生失穩(wěn)破壞體積應變明顯增加階段等沒有明顯的界線,表現(xiàn)出了較強的脆性特征。實驗計算得到了2個頁巖儲層的巖石脆性參數(shù),并投影在北美地區(qū)巖石力學參數(shù)與脆性特征關系圖版上(如圖3所示,大圓形符號表示層組A,三角形符號表示層組B)。圖版中越往左下區(qū)域延伸,代表巖石脆性越好,越往右上區(qū)域延伸,代表巖石脆性越差。從圖中可明顯看出:該井層組A平均脆性比層組B要好,在水力壓裂過程中,層組A形成網(wǎng)狀裂縫的幾率以及網(wǎng)狀裂縫發(fā)育程度應優(yōu)于層組B。根據(jù)頁巖脆性的實驗結(jié)果,計算了四川盆地Wx井的巖石脆性參數(shù)剖面(圖4)。從圖4可以看出:頁巖的脆性特征在縱向上存在較大的差異,而這種脆性特征的差異決定了縱向上各小層段形成網(wǎng)狀裂縫的完善程度,脆性越大,越容易形成網(wǎng)狀裂縫,而脆性越小,意味著更好的塑性特征,形成網(wǎng)狀裂縫的可能性越小,且一定程度上阻礙了網(wǎng)狀裂縫的擴展。圖4中壓裂示蹤劑縫高測試結(jié)果表明,近井附件裂縫網(wǎng)絡的高度受控在高塑性巖層中。從圖5監(jiān)測結(jié)果分析,破裂點分布主要集中在上射孔段,該段對應的脆性指數(shù)較大;遠井處裂縫網(wǎng)絡縫高延伸主要存在于脆性弱的塑性遮擋層之間,這與近井裂縫縫高示蹤劑測試解釋結(jié)果的認識特級參數(shù)一致。通過對比該井不同頁巖層位的脆性,計算出該井層組A儲層脆性指數(shù)明顯比層組B高(圖6)。相同規(guī)模的壓裂對比下,微地震裂縫監(jiān)測證實層組A儲層壓裂更易在井周圍形成縫網(wǎng),主裂縫延伸方向不明顯,裂縫網(wǎng)絡更為復雜;而脆性較差的層組B儲層,較易形成以主縫為特征的縫網(wǎng),主裂縫延伸方向明顯,與區(qū)域最大地應力方向基本一致(圖7)。2巖漿巖層的敏感性和損傷分析2.1巖心傷害和敏感性實驗雖然頁巖基質(zhì)是無法提供氣體流動通道,但天然裂縫和由應力釋放形成的層理縫是流體滲流的主要通道。因此對于頁巖氣壓裂而言,巖心傷害和敏感性實驗應該注重對天然裂縫傷害和評價工作。由于天然裂縫和層理縫的存在,頁巖巖心的滲透率可以提高為0.01~0.001mD的數(shù)量級(圖8),這就為在目前工藝技術水平下工業(yè)開采頁巖氣提供了可能。2.2儲層自吸實驗巖心礦物成分和黏土礦物成分分析是進行敏感性評價和儲層損害評價的基礎工作。通過對頁巖X射線衍射實驗,可以獲得全巖礦物成分及黏土礦物成分(圖9)。按照常規(guī)氣藏敏感性評價模式,如果根據(jù)上述實驗結(jié)果及各種黏土礦物水化膨脹能力的大小推斷,該區(qū)域儲層的水敏特征應是中等偏強,而水鎖特征應非常嚴重。然而,研究表明:常規(guī)氣藏中類似這種黏土礦物分布特征的水鎖傷害可能導致儲層的有效相對滲透率下降到原來的10%以下,但頁巖的自吸實驗卻表現(xiàn)出了不同的結(jié)果。采用2個不同層系的頁巖巖心開展自吸評價實驗。層組A與層組B在礦物組成和巖石力學性質(zhì)上有著明顯差異。自吸評價實驗共使用了7種液體(圖10、11),而2個層組頁巖巖心的實驗卻表現(xiàn)出了非常一致的規(guī)律:初期的吸液量最大,在前3min吸液速率相對較大,而3min后自吸曲線趨于平直,吸液量基本趨于零,總的吸液量較少。7種液體中,未加任何添加劑的蒸餾水自吸量最小,且在最短的時間內(nèi)吸液量即趨于零。按照國外學者推薦自吸實驗(CapillarySuctionTime)評價標準:蒸餾水與2%~3%KCl實驗CST比值小于1儲層沒有敏感性;1~1.5之間儲層中等敏感;大于1.5儲層具有強敏感性。通過對2個層系對比,層組A的吸液量明顯高于層組B。采用蒸餾水與2%~3%KCl自吸實驗(CST)分析來看(圖12、13),層組A的CST比值大于2,屬于強的水敏地層,而層組B的CST比值小于1,屬于敏感性較弱的儲層。這樣通過自吸實驗可以區(qū)分不同層系頁巖的敏感性,為進一步有針對性優(yōu)化壓裂液體系提供了有效評價手段。3頁巖裂縫特性是確定儲層壓裂思頁巖儲層超低滲透性要求在水力壓裂中形成大規(guī)模網(wǎng)狀裂縫,形成一定規(guī)模的可解析滲流區(qū)域,而形成縫網(wǎng)的外因是地應力的分布,內(nèi)因是巖石的脆性。縫網(wǎng)壓裂設計中,頁巖的脆性特征以及脆性剖面的實驗評價認識有助于更好地選擇射孔段,認識裂縫高度的延伸,提高壓裂縫網(wǎng)波及體積,提高單井產(chǎn)量。頁巖與常規(guī)油氣儲集層巖石相比,所具有的極端致密的特征使得常規(guī)的液體傷害和敏感性分析不能完全指導壓裂設計優(yōu)選液體性能。頁巖的天然裂縫和層理傷害與評價,以及頁巖的敏感性評價有助于認識裂縫的滲透性能、篩選液體,為縫網(wǎng)壓裂優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。頁巖氣的勘探開發(fā)在國內(nèi)剛剛起步,許多領域還需要進一步攻關。雖然針對頁巖壓裂的特殊模式以及頁巖的敏感性特征探索了