淺析頁巖氣儲層主要特征及其對儲層改造的影響

何智斌 陸松梅

（云南省煤炭產品質量檢驗站，云南曲靖 655000）

0.引言

雖然其他國家的頁巖氣已逐漸形成產業化開發，然而因我國的頁巖氣地質特性較為特殊，在開發過程中必須要選擇契合我國儲層特點的非常規天然氣開采路徑。頁巖層納米孔隙是頁巖氣的主要集中地，由于微裂隙不會持續發育，因而需在頁巖氣井完工后進行儲層改造，如此方可提升開采產量。為此，需要明確頁巖氣儲層特征對儲層改造所產生的影響，從而制定出可行性的儲層改造及頁巖氣開采方案。

1.頁巖氣儲層的主要特征分析

1.1 空間分布與非均質性特征

從區域分布來看，頁巖有海相、陸相、海陸過渡相3種發育形態，主要分布于4個區域，為中東部、南部、西北部以及青藏區域，沉積環境、構造背景不同，含有機質泥頁巖的分布也不一致。并且由于受到頁巖的組成結構特性影響，頁巖氣儲層具有強非均質性特征，可劃為橫向非均質性與縱向非均質性2個類別。有機質、組成礦物、儲層結構是頁巖氣儲層非均質性體現的主要位置，這一特性是在長期的原始沉積過程中，在沉積、成巖以及構造等多個作用共同影響下逐漸誕生的，存在這一特性的頁巖氣儲層孔隙空間易出現流體聚體或滲流現象。

1.2 巖石組成特征

頁巖氣儲層的巖石組由多種物質組成，有機質含量介于0.5%～2%，有機質含量的高低與巖石組的生烴潛力大小、吸附能力強弱有直接關聯，其也是頁巖裂隙發育程度的決定因素。通過分析我國頁巖氣儲層巖石組成發現，有機值的含量變化范圍差異較為明顯，并且沉積相不同的頁巖，其巖石組成、有機質含量、礦物多少也并不一致。我國頁巖儲層中碳酸鹽礦物的含量較低，但富含硅質物及黏土礦物，頁巖氣儲層中的有機質常會分布于無機礦物之間，因而會對無機礦物的組合及含量產生影響[1]。

1.3 巖石物性特征

頁巖氣儲層的物性特征主要為2個，一是低孔隙率，二是低滲透率。美國的產氣頁巖巖芯分析結果顯示，頁巖氣儲層的孔隙度最低為2%，最高為14%，平均孔隙率約為4%～6%，頁巖的滲透率不高于0.10mD，平均孔道半徑不足0.005μm。與之相比，我國四川盆地南部區域分布的頁巖氣儲層，這兩個數值更低，頁巖孔隙率最低值約為0.7%，最高值僅有3.1%，均值為1.6%。而滲透率在0.001×10-3μm與0.110×10-3μm。雖然頁巖氣儲層的孔隙率及滲透率相對較低，然而頁巖仍能夠儲氣，這是由于頁巖氣儲層中存在天然裂隙及微納米級孔隙，因而頁巖氣體可以游離態存儲于裂隙及大孔隙之中，或是以吸附態存在微孔隙表面。頁巖氣流在介質中的滲流需要經過一系列過程，首先，氣體會在基層表面產生解吸，而后受定濃度差的影響，解吸后的氣體會逐步擴散至基質微孔隙或微裂隙之中，在部分滲透性較強的微裂隙之中，氣體會出現滲流，而后氣體會經由宏觀裂隙逐步滲流至井筒之中。

1.4 地質環境特征

與煤層氣富集相比，頁巖氣與之特征較為相似，均是在原地聚集，并且會短距離運移。雖然頁巖氣的氣體來源、賦存層位均與煤層氣存在差別，但二者的富集特征、運移過程相一致，所應用的開發技術也較為相似。也就是說，從地質環境來看，頁巖氣儲層易受到溫度、地應力、流體3個方面影響是最為顯著的特征。有機質的熱成熟度越高，頁巖的有機質分子結構會隨之變化，孔隙結構也會轉變，因而頁巖成熟度越高時其孔隙含量越大。頁巖氣儲層具備一定的地應力，這一特征的存在會導致頁巖氣的聚集及運移受到影響，同時也是影響網絡裂隙形成的關鍵所在。

2.儲層特征對儲層改造的影響

2.1 儲層改造中巖石組成所產生的影響

利用壓裂技術使天然裂隙擴展成為裂隙網絡，進而增大儲層體積，確保天然氣成功開采便是頁巖氣儲層改造的基本原理。通常頁巖氣儲層改造中采用的是水力壓裂技術，由于頁巖氣儲層的非均質性特征較強，需要明確影響儲層改造效果的各種因素，進而確保儲層改造作業的成功[2]。

2.1.1 巖石力學性質的影響

巖石的力學性質有2個參數指標，一是楊氏模量，二是泊松比。巖石所受應力及應力變化的比值就是楊氏模量，此參數指標主要用于描述巖石的形變抵抗能力，與巖石剛性大小密切相關，楊氏模量越大，說明頁巖脆性更強，在鉆井或壓裂時，出現裂隙的概率越大，對頁巖氣的開采越為有利。泊松比指的是巖石橫向正向應變與軸向正應變絕對值之間的比值，泊松比與頁巖的脆性成反比，即泊松比越大，頁巖的脆性越低，因而壓裂時出現裂隙的概率越小。巖石力學性質的是決定天然裂隙發育程度的關鍵因素，若頁巖的天然裂隙發育良好，說明其儲層中含有大量的脆性礦物，因而具備更強的巖石脆性。

2.1.2 巖石敏感性的影響

巖的敏感性有4種，一為水敏，水敏會導致微粒運移，從而降低頁巖儲層的滲透率。二為速敏，水介質環境改變時，黏土礦物水化分解也會導致微粒運動，會使地層受損。三為酸敏，酸化時若溶蝕不完全易導致活動性殘屑或微粒產生，會嚴重破壞地層結構。四為鹽敏，鹽性環境下也會使地層受到影響，使之滲透率發生變化。因而，巖石敏感性會對頁巖氣儲層的壓裂改造效果產生直接影響。改造儲層之前，應詳細評價分析頁巖的敏感性，黏土微粒儲層改造時，紊流、高剪切速率、壓力波動或是淡水注入均會導致黏土顆粒分散，進而會使碎屑顆粒從黏土微粒中分離出來，在流體注入的過程中，這些碎屑會隨之移動進而堵塞孔隙喉道，這會嚴重損傷儲層，進而會降低其儲層改造效果[3]。

2.2 儲層改造中地質環境所產生的影響

盆－山耦合作用會對沉積環境存在差異的物源供給產生影響，在板塊運動、地殼升降以及斷裂的過程中，頁巖的沉積相均會發生變化，會因此使頁巖的氣儲層出現新的特征，或是對儲層改造效果產生干擾。因此，頁巖氣儲層的外在地質環境，是頁巖氣儲層改造效果的重要影響因素，這一因素主要包含2個方面：（1）天然裂隙；（2）地應力。

2.2.1 天然裂隙的影響

在壓裂作業時，需將重點放在天然裂隙壓裂方面，通過擴散作用影響使低滲透率的基質能夠釋放出更多的氣體，以促進裂隙流動能力的提升。在此基礎上，使整個改造層位產生能夠溝通頁巖氣藏與井底復雜縫網系統，如此便可使頁巖氣儲層的改造體積進一步增大。也就是說，頁巖氣儲層壓裂設計的過程中，應重點關注儲層有效裂隙網絡的形成。儲層改造過程中，由于天然裂隙所導致的影響主要集中于3個方面：（1）作為破裂面的天然裂隙，其可對壓裂裂隙的傳播產生一定的控制效果。（2）壓裂時所產生的壓力較大，會使天然裂隙出現滑移，因此會使裂隙順著天然裂隙的網絡延伸，不僅能使裂隙導流能力增強，同時也可有效連通天然裂隙網絡及井筒。（3）改造之前，天然裂隙的導流能力高低既會決定開采井的泄油體積形狀，也會影響其泄油程度[4]。

2.2.2 地應力的影響

處于地下的每一個巖石單元體，均會受到來自3個方向且相互垂直的應力影響，這3個應力中，一個是垂直應力，另外2個是水平軸向應力。由于我國的地質構造極為復雜，具備不同的結構形態，并且各板塊之間、板內各塊段間的構造應力具有明顯差異。這些應力場會影響含油氣盆地的建造與改造，同時也會對油氣運移、聚集產生影響，還會干擾裂隙的分布規律，且也會對鉆采工藝選用等環節產生重要的影響。頁巖能否形成復雜裂隙網絡，取決于其中所含有天然裂隙數量的多少，同時也與水平應力之間的差異大小存在直接關聯。由于頁巖氣儲層中天然裂隙組合存在差異，并且天然裂隙組合及最大主應力之間的相對方位也不盡相同，因而壓裂裂隙的方位會受到影響，裂隙寬度也并不一致。

3.頁巖氣開發中儲層改造的價值探討及未來研究方向分析

3.1 儲層改造的價值

頁巖氣商業化開展過程中，經濟水平、技術能力是決定地質儲量的關鍵因素。因而開采單位通常會采用油氣井增產工藝、完井工程設計技術，通過目的層段合理篩選、鉆井速度提升、單井產能增加、開采期限延長等方式保障開采效益，這一目標的實現，必然要在開采之前針對頁巖氣儲層實施改造。現階段，頁巖儲層改造中通常應用水力壓裂技術，改造后的儲層可開采性更強。由于頁巖氣儲層會受到地質條件的影響，改造過程中，壓裂層位、施工工藝均與改造效果有直接關聯。改造淺埋層、低地層壓力的頁巖氣儲層時，可應用N2泡沫壓裂法，也可應用清水壓裂法，但需在壓裂液中添加一定含量抑制劑，同時要求儲層中不能含有大量高膨脹性的黏土物質，以免在較高的水敏性影響下導致黏土顆粒膨脹、轉移或分散，會因頁巖滲透率下降而影響天然氣開采效果[5]。

3.2 儲層改造研究方向

現階段，我國在儲層改造中主要應用水力壓裂技術，但除此之外還有其他方法，未來在儲層改造的過程中，應在綜合考慮我國頁巖氣儲層具有較強非均質性、構造變形復雜性2方面特征的基礎上，加大對其他新型頁巖氣天然技術的研究。如超臨界CO2開發技術，液態丙烷壓裂技術等，這些開采技術均是針對頁巖氣儲層納米孔隙、不發育裂隙所實施的儲層改造方法，利用這些先進的技術工藝改造后的頁巖氣儲層，可有效構建頁巖孔裂隙系統，并且能夠貫通含氣納米孔隙，使頁巖的滲流條件得到有效改善。

4.結論

儲層改造是提高頁巖氣開采量的重要環節，頁巖氣儲層在頁巖空間分布特征、非均質性特征、巖石組成特征、地質環境特征、巖石物性特征幾個方面均有顯著特征，文章總結出頁巖氣儲層特征的非均質性會影響儲層孔隙空間中流體的分布情況及流動規律。同時，巖石組成當中，巖石中所含有的有機質、黏土礦物、脆性礦物以及碳酸鹽礦物的含量決定著巖石的力學性質，而這一力學性質其與巖石敏感性均會影響儲層改造。同時，頁巖的天然裂隙越多，地應力中的水平應力越小，儲層改造效果越佳。