頁巖氣藏改造技術及四川頁巖氣藏壓裂先導性試驗

王素兵 羅熾臻

(中國石油川慶鉆探工程有限公司井下作業公司)

0 引言

頁巖氣是指賦存于頁巖系統中的天然氣，與煤層氣、致密砂巖氣構成當今世界三大非常規天然氣，是一種新類型的能源資源。頁巖氣資源既是一種廣分布、低豐度、易發現、難開采的非常規能源，又是一種潛力巨大的現實能源。勘探開發頁巖氣將對我國油氣資源格局產生重要影響。頁巖氣具有獨特的形成、富集與分布規律，其儲層特征及成藏條件、儲層評價、儲層改造工藝等都與常規油氣資源有很大不同。近年來，隨著認識的提高和技術的進步，頁巖氣成為全球油氣資源勘探開發亮點。美國對頁巖氣的勘探開發走在世界的前列，是目前頁巖氣大規模商業開發取得成功的唯一國家。我國頁巖分布廣泛，具有很大的開發潛力。在四川盆地寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組頁巖地層中存在豐富的頁巖氣資源[1]。因此，對頁巖氣藏成藏機理與開發配套技術的研究，對開發我國豐富的頁巖氣資源有著非常重要的意義。

1 頁巖氣藏基本特征

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集[2]。頁巖氣藏基本特征為：

(1)頁巖本身既是烴源巖又是儲層，即頁巖氣藏為自生自儲型天然氣藏(self-sourced reservoirs)，頁巖氣主要以吸附和自由氣的形式存在于頁巖之中；

(2) 頁巖巖石組成一般為30%～50%的粘土礦物、15%～25%的粉砂質(石英顆粒)和1%～20%的有機質，多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層[3]；

(3)頁巖儲層的基質孔隙度和滲透率總體上非常低，孔隙度最高僅為4% ～5%，滲透率小于1mD，比致密砂巖儲層的滲透率低2～3 個數量級。只有存在天然裂縫網絡才能增加頁巖極低的基質滲透率[4,5]；

(4)在頁巖中，氣源巖裂縫引起的滲透性在一定程度上可以補償基質的低滲透率。因此，裂縫的發育程度是頁巖氣運移聚集、經濟開采的主要控制因素之一[4]；

(5)頁巖氣的滲流阻力比常規天然氣大，所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來；

(6) 低產(一般無自然產能)、投資大、生產周期長，投資回收期長。

2 頁巖氣藏壓裂增產主要機理與技術關鍵

頁巖儲層的基質孔隙度和滲透率總體上非常低，除少數裂縫發育帶可能具有較高的自然產能外，一般頁巖氣藏均需經過壓裂改造之后才具有工業產能。由于頁巖氣藏的特殊性，因此其壓裂增產機理與增產技術關鍵與砂巖與很大的不同。

2.1 頁巖氣藏壓裂增產主要機理

頁巖氣藏不以常規圈閉的形式存在，但頁巖中裂縫發育有助于游離相天然氣的富集和自然產能的提高[5]。由于頁巖的滲透率很低，只有存在天然裂縫網絡才能增加頁巖極低的基質滲透率。頁巖氣產量高低與巖石內部微裂縫發育程度有關，裂縫既是儲集空間，也是滲流通道，是頁巖氣從基質孔隙流入井底的必要途徑，頁巖氣可采儲量最終是取決于儲層內裂縫產狀、密度、組合特征和張開程度。由于頁巖儲層一般都發育有良好的天然裂縫及層理，同時巖石脆性系數高，在壓裂過程中產生剪切破壞，溝通天然裂縫系統而形成復雜的網狀縫。因此，頁巖氣藏壓裂主要增產機理是在水力壓力作用下盡可能多地在地層中溝通或產生有效的裂縫網絡從而增加改造體積，提高頁巖氣產能。

另外，由于頁巖氣藏的特殊性，頁巖壓裂不是形成單一對稱裂縫，而裂縫在平面和縱向上呈復雜網狀擴展，這一點國外通過微地震裂縫測試已予以證明。

2.2 頁巖氣藏壓裂技術關鍵

從頁巖氣藏的地質特征、開發特點、增產主要機理等綜合分析可以得出，頁巖氣藏增產改造必須把握以下技術關鍵：

(1) 盡可能低的傷害

頁巖儲層孔隙度極低、基質滲透率極差，外來液體引起的潛在傷害主要是對天然裂縫及壓裂裂縫導流能力傷害為主。再次，粘土礦物本身對儲層具有潛在的水敏性傷害。因此，壓裂改造應優選殘渣含量低且具一定防膨能力的工作液體系。滑溜水(也稱活性水)是頁巖氣藏壓裂的最佳工作液體系。

(2)工藝技術經濟有效

由于頁巖氣井產能低、生產周期長、投資回收期長，因此，壓裂增產工藝技術必須考慮經濟性與有效性。

(3) 工藝技術有利于溝通地層中的裂縫，在地層中產生有效的裂縫網絡系統

為了達到此目的，除了采用水平井技術開發外，必須采用壓裂增產技術來溝通或張開更多的裂縫系統。因此，頁巖氣藏加砂壓裂一般采用大液量、大排量、低砂比的“體積法”壓裂工藝技術。

3 頁巖氣藏壓裂改造發展歷史與技術現狀

3.1 頁巖氣藏壓裂改造發展歷史

上世紀70年代，美國公司在美國東部泥盆紀頁巖氣開發中曾采用裸眼完井、硝化甘油爆炸增產技術來提高天然氣的采收率；到了上世紀80年代，高能氣體壓裂以及氮氣泡沫壓裂技術的應用，使得頁巖氣產量提高了3～4倍；進入21世紀后，隨著水力壓裂、重復壓裂及平行壓裂等新技術的運用和推廣，工作液體系也從交聯凝膠、泡沫發展到應用傷害較低的滑溜水；壓裂工藝從直井小型壓裂、直井大型壓裂發展到水平井多段壓裂，極大地改善了頁巖氣井的生產動態與增產作業效果[6]。

3.2 頁巖氣藏壓裂技術現狀

目前，世界范圍內頁巖氣藏壓裂技術以美國最為先進。國內只在四川氣田進行了一口井先導性試驗。頁巖氣藏主要壓裂技術有：

(1) 水力壓裂技術

水力壓裂技術以滑溜水(水+降阻劑+粘土穩定劑)為工作液壓裂為主，攜帶少量支撐劑，采用大液量、大排量工藝技術。采用這種工藝技術較之凝膠壓裂技術可以節約成本50%～60%，并能提高最終估計采收率，目前已成為美國頁巖氣井最主要的增產措施[5,6]。

(2)水平井分段壓裂技術

由于水平井能夠最大限度地暴露產層，特別對頁巖氣藏來說水平井段能夠溝通更多的縫網系統，因此水平井技術已成為頁巖氣藏開發的主要技術。水平井分段壓裂，能有效產生裂縫網絡，盡可能提高最終采收率。最初水平井的壓裂階段一般壓1段或2段，目前已壓裂7段甚至更多。水平井水力多段壓裂技術的廣泛運用，使原本低產或無氣流的頁巖氣井獲得工業價值成為可能，極大地延伸了頁巖氣在橫向與縱向的開采范圍，是目前美國頁巖氣快速發展最關鍵的技術。目前，水平井分段壓裂采用的工作液大多數為滑溜水，分段方法以機械方法分段為主，此次采用水力噴射分段壓裂[6-8]。

(3)重復壓裂技術

當頁巖氣井初始壓裂并經過長時間生產后，由于應力等變化，原來的裂縫已無效或現有的支撐劑損壞導致質量下降，使氣井產量大幅降低時，重復壓裂能恢復或增加生產產能，可使估計最終采收率提高8%～10%，可采儲量增加60% ，是一種低成本增產方法，在頁巖氣井生產中起著積極作用，壓裂后產量接近甚至超過初次壓裂的產量[6-8]。

(4) 頁巖氣藏壓裂配套技術—裂縫綜合監測技術頁巖氣井實施壓裂改造措施后，需要有效的方法來確定壓裂作業效果，獲取壓裂誘導裂縫導流能力、幾何形態、復雜性及其方位等諸多信息，以改進及優化頁巖氣藏后續壓裂增產作業程序與評價其效果，從而更好地提高天然氣采收率。

目前利用地面、井下測斜儀與微地震監測技術結合的裂縫綜合診斷技術，可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表征所產生的裂縫網絡，確定裂縫的高度、長度、傾角及方位，評價壓裂作業效果，實現頁巖氣藏管理的最佳化[6～8]。

4 四川氣田頁巖氣藏壓裂改造先導性試驗

國內，中國石油西南油氣田公司在四川盆地W201井首次進行了頁巖氣藏加砂壓裂先導性試驗。

4.1 W201井基本情況

(1)井型

直井

(2) 巖性特征

施工段為一套淺海相碎屑巖，主要為灰黑色粉砂質頁巖、炭質頁巖、硅質頁巖夾泥質粉砂巖；厚度分布不均，由上至下顏色加深、砂質減少、有機質含量增高。巖性致密，性脆，層段部分裂縫發育。巖性組份主要以石英礦物、粘土礦物及含少量碳酸鹽巖為主，其中石英礦物占到41.2%，粘土礦物占到37.3%，碳酸鹽巖礦物占到26.1%。

另一施工層段為一套淺海相碎屑巖沉積，主要為深灰、灰黑色粉砂質頁巖、炭質頁巖和泥質粉砂巖；巖性由上至下顏色加深、砂質減少、生物含量增加、有機質含量增高。該段巖性致密，性脆硬，水平層理發育，部分段裂縫發育；巖性礦物石英含量高，達到了66.9%，粘土礦物為22.1%，碳酸鹽巖礦物11%。

(3) 物性特征

鄰井巖心孔滲測定結果，其基質平均滲透率18×10-4mD，含有微裂縫(滲透率平均0.175mD)，其氣測孔隙度平均只有1.15%。根據核磁測井分析數據，施工段總孔隙度為3%～5%，有效孔隙度為2%～3%。

綜合分析認為：頁巖儲層的孔隙度較低，儲層儲集空間主要是吸附氣為主，游離氣以裂縫性游離氣為主，孔隙性游離氣次之。

4.2 設計思路及措施

壓裂設計以最大限度地溝通或張開頁巖儲層中的天然裂縫為主要目的。因此，施工工藝采用大液量、大排量、低砂比的“體積法”壓裂工藝，采用低粘度工作液技術，以增加溝通更多裂縫的幾率。

W201井頁巖儲層天然裂縫發育，壓裂時易產生多裂縫，縫寬窄，加砂難度大，為了降低濾失，保持縫內凈壓力和便于攜砂采用大排量施工及小粒徑、低密度、低砂比、段塞式加砂模式。

頁巖儲層孔隙度極低、基質滲透率極差(<10-4mD)，天然裂縫發育，外來液體引起的潛在傷害主要是殘渣對天然裂縫及壓裂裂縫導流能力傷害為主。因此選擇殘渣含量低的滑溜水工作液體系。

頁巖氣藏產能低，充分考慮投入產出比，應用滑溜水，降低改造成本。

綜上，該井采用滑溜水壓裂工藝，即采用含有降阻劑、粘土穩定劑和必要的表面活性劑的水為工作液，不僅可以大幅度降低作業成本，而且可以降低殘渣對裂縫的傷害。應用大液量、大排量注入技術，以其溝通或張開儲層中更多的裂縫系統。

4.3 現場實施情況

(1) 入井材料

工作液：清水+降阻劑+粘土穩定劑+助排劑

支撐劑：20目～40目、40目～70目陶粒(石英砂)

(2) 主要施工參數

見表1。

表1 W201井兩次壓裂主要施工參數

4.4 實施效果

W201井壓裂工藝成功，下段壓裂后獲井口測試產能1.08×104m3/d的工業性氣流。該先導性試驗為頁巖氣藏的壓裂和開發積累了寶貴的經驗。

5 結論

(1)頁巖氣藏儲層物性差、孔隙度和滲透率低,其氣產量高低與巖石內部微裂縫發育程度有關。頁巖氣藏壓裂增產主要機理是水力裂縫盡可能多地在地層中產生或溝通有效的裂縫網絡。

(2)頁巖儲層孔隙度極低、基質滲透率極差(<10-4mD)，天然裂縫發育，外來液體引起的潛在傷害主要是工作液殘渣對天然裂縫及壓裂裂縫導流能力傷害為主。其次，粘土礦物本身對儲層會帶來一定的水敏性傷害。增產改造工作液優選殘渣含量低且具防膨特性的液體。

(3)為了最大限度地溝通或張開儲層中的裂縫系統，頁巖氣藏加砂壓裂一般采用大液量、大排量、低砂比的“體積法”壓裂施工。

(4)目前應用最多、效果較好的工藝為滑溜水壓裂工藝，即采用含有降阻劑、粘土穩定劑和必要的表面活性劑的水為工作液，不僅可以大幅度降低作業成本，而且可以降低殘渣對裂縫的傷害。

(5)國內第一口頁巖氣井先導性試驗雖然在工藝上取得了成功，但是，頁巖氣藏改造技術尚未真正起步，增產改造技術有待發展和引進。建議開展與國外公司技術合作與交流，開展頁巖氣水平井多段壓裂工藝與配套技術研究。

1 董大中,程克明，王世謙，等.頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應用[J].天然氣工業，2009，29(5)：33-39.

2 張利萍，潘仁芳.頁巖氣的主要成藏要素與氣儲改造[J].中國石油勘探，2009(3)：20-23.

3 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業，2004，24(7)：15-18.

4 江懷友，宋新民，安曉旋，等.世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述與經濟[J].天然氣技術，2008，2(6)：26-30.

5 趙群，王紅巖,劉人和，等.世界頁巖氣發展現狀及我國勘探前景[J].天然氣技術，2008，2(3)：11-14.

6 黃玉珍，黃金亮，葛春梅，等.技術進步是推動美國頁巖氣快速發展的關鍵[J].天然氣工業，2009，29(5)：7-10.

7 閆存章，黃玉珍，葛春梅，等，頁巖氣是潛力巨大的非常規天然氣資源[J].天然氣工業，2009，29(5)：1-6.

8 Barnett著，劉春麗譯.頁巖對致密地層天然氣開發的啟示[J].國外油田工程，2009，25(1)：14-16.