頁巖氣井縫網壓裂技術研究

摘要：巖氣作為一種重要的非常規能源，具有低孔、低滲特征。通過與美國頁巖氣成藏地質條件的對比研究后發現，我國頁巖氣資源豐富，前景廣闊，但尚處于起步階段。因此，應借鑒北美地區頁巖氣儲層特點和開發技術，加快技術研發和應用力度，盡快形成和配套適應我國頁巖氣壓裂技術應用的基礎理論與技術系列。

針對低孔隙度、低滲透-特低滲透儲層的縫網壓裂技術，完善了縫網壓裂的概念。分析了不同類型的儲層形成縫網的力學條件，研究了各種縫網壓裂施工方式，提出了目前可應用的縫網壓裂施工方法，確立了頁巖氣縫網壓裂設計原則及相關理論基礎，闡述了縫網壓裂設計的基本思路及優化方法，并指出縫網壓裂的發展方向，對理論和現場施工有重要的參考價值。實驗結果表明，壓裂后效果顯著，分析顯示有多縫形成。

關鍵詞：頁巖氣；開發現狀；地質特征；縫網壓裂；實驗驗證

頁巖氣是指賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源。近幾年，美國頁巖氣勘探開發技術突破，產量快速增長，對國際天然氣市場及世界能源格局產生重大影響，世界主要資源國都加大了對頁巖氣的勘探開發力度。

1 頁巖儲層特征

頁巖是黏土巖的一種，由黏土物質經壓實、脫水、重結晶作用后形成，具有頁狀或薄片狀層理，頁巖氣藏既是氣源巖又是儲集層，普遍富含有機質。頁巖氣藏中的天然氣既有自由氣，又有吸附氣，其開采機理相對復雜。頁巖氣藏由于滲透率極低（（0.000 1～0.000 001）×10-3，），釋放天然氣的速度很慢，單井產量較低。但是多數頁巖層分布相對平緩，厚度大，可預見性強，地層規模大，天然裂縫較為發育，因此頁巖氣井初期產量不高，但穩定生產后持續時間較長。頁巖是一種滲透率極其低的沉積巖。天然氣蘊藏在頁巖孔隙空間及裂縫內，或吸附在頁巖有機物的活性表面。間隙氣與吸附氣一起構成頁巖天然氣。巖心分析表明，成熟、熱成因的頁巖主要被間隙氣所飽和，吸附氣所占比例在 50% 到 10%。相反，未發育成熟、生物成因的頁巖主要被吸附氣所飽和，間隙氣所占比例很小。同時頁巖孔隙空間中還被不同比例的水、氣及可動油所飽和。儲層性質最佳的頁巖通常含油和含水飽和度低、間隙氣飽和度高，因而氣相相對滲透率也較高。該類頁巖中有機物含量在中等以上，有機物發育程度較高，其組織結構反映出孔隙度和滲透率在埋藏過程中保存較好。成像測井和取心表明，頁巖儲層天然裂縫和層理發育，巖石中硅、鈣含量高，機械性能差，容易壓開壓碎。含氣頁巖與普通頁巖相比，含氣頁巖具有自然伽馬強度高、電阻率大、地層體積密度和光電效應低等特征。孔隙度、流體飽和度、滲透率和有機質含量等是衡量頁巖儲層是否具有開發價值的關鍵參數。根據國外大量數據統計，頁巖儲層水力壓裂選層標準為：孔隙度大于4%，含水飽和度小于45%，含油飽和度小于5%，滲透率大于10～6 mD，有機質含量大于2%，泥質含量30%～40%[1]。

2 頁巖氣井縫網壓裂技術

頁巖氣是主體上以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中的天然氣。頁巖氣主要采用排氣降壓的開發方式。隨著頁巖中游離相天然氣的采出，頁巖氣藏內部壓力降低，吸附相及少量溶解相天然氣的游離比，從而提高天然氣產能并長期穩產。頁巖氣儲層致密，孔隙度一般為4%～6%，滲透率一般在0.0001～0.000001mD之間，頁巖氣采收率比常規天然氣低，僅為5%～60%。因此頁巖氣的最終采收率依賴于有效的壓裂措施，壓裂技術和開采工藝直接影響著頁巖氣井的經濟效益。

縫網壓裂理論是今年來伴隨天然裂縫性油藏壓裂理論研究而發展起來的一項新型壓裂理論和工藝技術。縫網壓裂技術是利用儲層兩個水平主應力差值與裂縫延伸凈壓力的關系，當裂縫延伸凈壓力大于儲層天然裂縫或膠結弱面張開所需的臨界壓力時，產生分支縫或經壓力達到某一數值能直接在巖石本體形成分支縫，形成初步的“縫網系統”；以主裂縫為“縫網”系統的主干，分支縫可能在距離主縫眼神一定長度后又回復到原來的裂縫方位，或者張開一些與主縫成一定角度的分支縫，最終都可形成以主裂縫為主干的縱橫交錯的“網狀縫”系統，這種實現“網狀”效果的壓裂技術系統成為“縫網壓裂”技術。

3縫網壓裂工藝介紹

縫網壓裂是通過注入大量的高濾失、高彈性、輕度膠化的液體，來探尋天然裂縫，使用合適的規模和粒徑的支撐劑作為筑堤砂的介質，使暴露裂縫面上產生更高的壓差，從而使壓裂液和砂進入那些隨后張開的裂縫，直至井底壓力變化表明裂縫已過度擴展。其最終目的是溝通天然縫網絡，從而改善地層滲流面積。

縫網壓裂現場分兩個階段實現：

（1）近井筒裂縫網絡階段

措施前充分了解主裂縫和天然裂縫的角度關系，根據縫網形成的充分程度，在研究

儲層地應力狀態的基礎上，選擇相應的施工參數，壓開地層并迫使天然裂縫或孔隙盡可能張開。根據測試壓裂解釋的天然裂縫開啟當量條數和開度，選擇與天然裂縫或孔隙匹配的支撐劑粒徑和用量，用低黏度、高彈性、抗剪切的低傷害壓裂液攜帶支撐劑進入天然裂縫或孔隙。停泵待裂縫閉合。壓裂液要求初期不能形成濾餅，依靠其彈性攜砂。

（2）主裂縫 + 遠端裂縫網絡階段

根據斷裂力學理論，在延伸方向與接近于垂直最小主應力方向的裂縫裂開時所克服

的巖石應力相對較小，容易被支撐劑填充。停泵后等所有的裂縫都閉合后重新起泵時，這些裂縫會在一個較低的壓力下首先開啟，這樣壓裂液可更集中地作用于這些裂縫，獲得足夠寬的裂縫，從而可以允許更高的砂比通過。通過控制主裂縫延伸凈壓力，迫使其在延伸過程中逐級開啟遠端天然裂縫。同時在凈壓力作用下，近井裂縫網絡也會有延伸，但延伸速度大大低于主裂縫。

結論

（1國內頁巖氣有豐富的資源量，要得到有效的開發利用，壓裂增產改造技術尤為關鍵。針對低滲透、特低滲透儲層的縫網壓裂技術，是在達到預期目標支撐縫長的主裂縫基礎上，形成多縫直至形成“縫網”系統。對不同類型的儲層，根據彈性力學假設，采用不同的平面模型，分析得出了形成縫網的力學條件：對于天然裂縫性儲層和天然裂縫不發育儲層，在主裂縫上形成分支縫的條件分別是施工裂縫凈壓力超過儲層水平最大、最小主應力差和儲層水平最大、最小主應力差與抗張強度之和，可在原始裂縫的基礎上形成新裂縫，實現縫網。

（2通過研究各種縫網壓裂施工方式，提出目前可應用的兩種縫網壓裂施工方式為縫內封堵和端部脫砂壓裂。縫網壓裂技術是低滲透油田儲層改造的發展方向，實驗結果表明，壓裂后效果顯著，分析顯示有多縫形成，并得出結論：巖石的類型和成分都會影響水力壓裂過程中裂縫網絡的延伸。

作者簡介：

倪騰，男，1990年1月出生，助理工程師。