淺析致密油滲流機理與體積壓裂技術(shù)

張雨良

摘要：致密油氣是世界上近20年來勘探、開發(fā)和研究的熱點，致密油是非常規(guī)油氣資源的一種，現(xiàn)在是比較火的一個概念，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，石油和天然氣的需求量越來越大，開發(fā)和供應(yīng)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。常規(guī)石油儲量的增長有一定的限度，新增儲量品位下降，已開發(fā)油田都已進入開發(fā)中后期，油田遞減嚴重，矛盾突出；對非常規(guī)油氣資源需求迫切，本文重點介紹致密油，致密油是指以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中，或與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移的石油聚集，致密儲層孔隙度φ<10%、基質(zhì)覆壓滲透率K<0.1mD、孔吼直徑d<1um，致密油與常規(guī)油氣資源滲流機理不同，所以致密油滲流機理的研究與針對性的開發(fā)技術(shù)顯得尤為重要，體積壓裂的概念也應(yīng)運而生。

關(guān)鍵詞：致密油；非常規(guī)油氣資源；基質(zhì)覆壓滲透率；滲流機理；體積壓裂

引言

由于致密油儲層孔隙度和滲透率極低的地質(zhì)特征，加上油藏壓力系數(shù)低，致密油一般無自然產(chǎn)能，必須采用壓裂技術(shù)進行儲層改造。傳統(tǒng)油氣藏的水力壓裂目的是造長縫，努力溝通遠井地帶的儲層，增加泄流面積，從而將徑向流改變?yōu)閺牡貙拥饺斯ち芽p和從人工裂縫到井筒的近似雙線性流，最終實現(xiàn)增產(chǎn)的目的。然而張應(yīng)力主導(dǎo)形成雙翼對稱裂縫，壓裂后仍然是基質(zhì)向裂縫“長距離”的滲流模式，導(dǎo)致傳統(tǒng)壓裂無法有效開采致密油。在這個背景下，產(chǎn)生了體積壓裂的理念，體積壓裂理念的提出，顛覆了經(jīng)典壓裂理論，形成了現(xiàn)代壓裂理論：除了張應(yīng)力外，還有剪切、滑移、錯斷等復(fù)雜的力學(xué)行為，形成復(fù)雜的人工裂縫與天然裂縫的縫網(wǎng)系統(tǒng)以有效開采致密油。

1致密油滲流機理研究

致密油藏滲流環(huán)境復(fù)雜、孔喉狹小，使得儲層滲透率很低，油水賴以流動的通道很細微，滲流阻力很大，液一固界面的相互作用力顯著。同時，低滲透多孔介質(zhì)的物性參數(shù)受上覆有效應(yīng)力的影響較大，導(dǎo)致滲流規(guī)律產(chǎn)生某種程度的變化而偏離達西定律，呈現(xiàn)低速非線性滲流現(xiàn)象，而常規(guī)油氣滲流機理為達西滲流。

1.1滲流主要通道為微納米級孔隙

致密儲層滲流的主要通道為微納米級孔隙。在微納尺度下多孔介質(zhì)的比表面大，孔隙壁面與其附近流體的相互作用強，基質(zhì)與流體之間的微觀作用力必然會對流體的滲流規(guī)律產(chǎn)生影響。國內(nèi)外多位研究者的試驗結(jié)果也證實經(jīng)典的達西定律難以適用。

1.2微納通道固液作用機理

在常規(guī)孔隙流動中，液體的黏性起因于分子間的吸引力，分子間吸引力越大，黏性越大，所以黏性與分子間吸引力成正比，在溫度壓力一定的條件下，黏度一般為常數(shù)；而在微納通道中，黏性由兩部分組成，一部分是液體的常規(guī)黏度，另一部分是由固壁和液體分子相互作用所導(dǎo)致的附加黏度，進一步增加了滲流阻力。

1.3啟動壓力梯度研究

在中高滲透儲層多孔介質(zhì)中，由于孔隙孔道直徑大，吸附滯留層的影響可以忽略，在滲流規(guī)律上表現(xiàn)為線性達西流，而在致密儲層多孔介質(zhì)中，孔隙孔道直徑異常細小，啟動壓力梯度現(xiàn)象是致密油藏滲流區(qū)別于常規(guī)油藏滲流的主要差異，啟動壓力梯度受原油黏度、有效圍壓和巖石潤濕性的影響。在相似孔隙結(jié)構(gòu)的儲層中，滲透率一定的情況下，原油黏度越高，巖心測得的啟動壓力梯度就越大。壓力敏感：巖石受到的上覆壓力增大，會使巖石顆粒間膠結(jié)物受擠壓縮，孔隙體積和喉道半徑減小，巖石顆粒受壓發(fā)生彈性形變。巖石孔隙的減小將增加滲流流體中邊界流體的比重，邊界層流體黏度增大，從而使啟動壓力梯度增大。

從圖2中可以看出，致密油藏在較低的壓力梯度下，水測滲透率也較低，體現(xiàn)了地層中流動的非線性特征.所以當(dāng)驅(qū)替壓力梯度大于啟動壓力梯度時，流體才可以發(fā)生流動。

體積壓裂技術(shù)

體積壓裂是在水力壓裂的過程中，通過在主裂縫上形成多條分支縫或者溝通天然裂縫，最終形成不同于常規(guī)壓裂的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加井筒與儲集層接觸體積，改善儲集層的滲流特征及整體滲流能力，從而提高壓裂增產(chǎn)效果和增產(chǎn)有效期。

2.1體積壓裂的特點

（1）復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫擴展形態(tài)（2）復(fù)雜的滲流機理（3）裂縫發(fā)生錯斷、滑移、剪切破壞

（4）誘導(dǎo)應(yīng)力和多縫應(yīng)力干擾裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向

2.2體積壓裂改造儲層的核心

（1）儲層巖性具有顯著的脆性特征，是實現(xiàn)體積改造的物質(zhì)基礎(chǔ)

儲層巖石具有顯著的脆性特性，是實現(xiàn)體積壓裂的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)國外對致密油儲層可壓裂性的評價經(jīng)驗，脆性指數(shù)可以表示壓裂的難易程度，反映的是儲層壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度。脆性指數(shù)是基于巖石的彈性模量和泊松比定義的，一般彈性模量越大、泊松比越小，脆性指數(shù)越高。

（2）裂縫以復(fù)雜縫網(wǎng)形態(tài)擴展，打碎儲層，實現(xiàn)人造“滲透率”

體積壓裂與傳統(tǒng)壓裂對比：理論基礎(chǔ)由經(jīng)典理論變?yōu)楝F(xiàn)代理論，裂縫形態(tài)由平面對稱雙翼裂縫變?yōu)榉瞧矫鎸ΨQ裂縫（彎曲縫、多裂縫）。

（3）裂縫發(fā)生剪切破壞，錯斷、滑移。

體積壓裂與傳統(tǒng)壓裂對比：由傳統(tǒng)的張開型破壞變?yōu)榧羟械葟?fù)雜的力學(xué)破壞。

內(nèi)涵：剪切縫是巖石在外力作用下破裂并產(chǎn)生滑動位移，巖層表面形成不規(guī)則或凹凸不平的幾何形狀，具有自我支撐特性的裂縫；條件：當(dāng)壓力低于最小水平應(yīng)力，產(chǎn)生剪切斷裂；

地質(zhì)力學(xué)特性：形成剪切縫的巖石具有較高的偏應(yīng)力和強度，是不易發(fā)生塑性形變的脆性巖石（楊式模量高，泊松比低），富含強度較低的巖石結(jié)構(gòu)或天然裂縫；剪切裂縫在徑向上更為發(fā)育。

3 結(jié) 論

（1） 致密油滲流機理與常規(guī)油氣滲流機理不同，在開發(fā)上，需要特殊的手段。

（2）體積壓裂基于現(xiàn)代壓裂理論是致密油開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

（作者單位：中油遼河油田公司）