頁巖氣藏水力壓裂技術進展

葉 靜 胡永全 葉生林 王 丹

(1. “油氣藏地質及開發”工程國家重點實驗室·西南石油大學 2. 中國石油吐哈油田公司勘探公司)

頁巖氣是一種潛在資源量巨大的非常規天然氣資源。頁巖氣以吸附或游離態存儲于低孔低滲、富含有機質的暗色泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中，生成于有機成因的各種階段，它主要以游離態(約50%)存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間中，以吸附態(約50%)存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解態儲存[1]。與常規氣藏不同，頁巖氣藏具有獨立的油氣系統，烴源巖、儲集層和蓋層都是其本身，生成后的運移也發生在其內部。頁巖氣的地質特征既不同于常規氣藏，也不同于煤層氣。頁巖氣井雖然產能低，但具有生產周期和開采壽命長的優點，開采壽命一般為30年～50年，有的甚至能達80年[2]。近年來，能源的嚴峻形勢和價格的快速增長使頁巖氣在全世界受到廣泛的重視。美國是世界上頁巖氣勘探開發技術最成熟的國家，而我國頁巖氣的勘探和開發起步較晚，需進一步的發展和完善，力爭進入新的發展階段。

1 頁巖氣藏壓裂設計模型

頁巖地層壓裂后，不像砂巖呈180°向兩翼方向展布的單個雙翼裂縫，而是不規則展布，并與其他裂縫連在一起形成由各種不同長、寬、高裂縫組合而成的復雜縫網。復雜縫網分支的縫寬明顯小于單裂縫，因此常規支撐劑無法被運送到縫網尖端[3]。施工壓力和縫網的復雜變化是建模的巨大挑戰[4]。頁巖地層形成的復雜縫網最大化了頁巖規模、裂縫密度和裂縫面的接觸面積，因此，以增大壓裂波及體積的體積壓裂成為頁巖氣藏壓裂的主流技術。

體積壓裂技術的本質是利用地層水平主應力差與裂縫延伸凈壓力的關系。天然裂縫性地層和裂縫不發育地層中，在主裂縫上形成分支縫的條件分別是裂縫延伸凈壓力超過地層水平最大、最小主應力差和裂縫延伸凈壓力超過地層水平最大、最小主應力差與抗張強度之和[5]。該技術形成以主裂縫為主干的縱橫交錯的不規則縫網系統(圖1)，改善了地層滲流特征和改造效果[3]。

圖1 縫網系統形成示意圖

目前，模擬頁巖氣藏縫網系統的模型大致有：

(1) 金屬絲網水力壓裂模型

該模型(圖2)常被用于預測頁巖水平井縫網的延伸，它的支撐劑傳輸模塊可以計算縫網中支撐劑的鋪置[6]。施工中每級縫網都用伴生微地震波分布、施工數據和地層幾何性質來表征。該模型描述了所有級的系統性分析，如早期施工對后期施工的潛在影響、縫網各性質間的關系和裂縫表面積與施工參數的關系等。該模型常被用來檢查每個縫網中支撐劑的充填以及后期施工方法的改進和優化。

圖2 復雜縫網的金屬絲網模型

(2) 三維離散縫網(DFN)模型

該三維模型的建立利用了與巖石性質、地質力學和其他地震相關的參數，并利用成像和密度測井來分析裂縫。通過斷層距離、巖體性質、不連續特征和各種伴生特征等參數可獲得裂縫強度的三維分布。當給定裂縫傾角和方位角時，便可獲得二維或三維性質、DFN和具體的裂縫幾何尺寸[7]。

(3) 雙孔隙地層模型

該模型能有效模擬頁巖氣藏，它的建立結合了物理性質和工程參數，包括壓裂液質量守恒，HFT主裂縫和縫網強度的空間非均質性[8]。它利用HFT和質譜數據通過建立離散縫網和雙孔隙模型來模擬頁巖氣藏縫網系統。頁巖氣藏數值模擬可以通過直接計算雙重介質的地層物性和先建立DFN再將其擴展為雙孔模型兩種方式來實現。此模型在給定裂縫強度的條件下可以求出平均縫寬、裂縫滲透率、縫網孔隙度、地層滲透率和σ因子。該模型模擬頁巖氣藏有4個優點：①處理時間少；②能模擬地層的非均質性，考慮吸附和擴散作用[9]；③考慮基質的劃分，它使用微震波、天然裂縫強度及壓裂施工數據，消除了頁巖地層地質和復雜物理特征對生產的影響；④適用于單井及大規模氣田的研究。

(4) 解析/半解析模型

該模型完全受裂縫附近井筒壓力和微震波分布觀測數據所反映的注入液與裂縫壁之間的關系所制約，它的建立取決于擬穩態近似法的建立。該模型建立的思路是首先研究地層及施工的詳細數據資料，并將其應用到頁巖地層，再用反演來模擬縫網的延伸[10]。該方法可獲得流壓、縫寬、裂縫滲透率、裂縫條數和裂縫壁表面積的詳細資料。該方法簡單，適合現場應用，但它的精度較低。

2 頁巖氣藏水平井壓裂工藝技術

2.1 頁巖壓裂工藝特點

由于頁巖與常規砂巖不同，它具有基質滲透率極低和裂縫十分發育的特點，因此，頁巖氣井的壓裂一般具有大規模、大排量和低砂比的特點(表1)。

表1 美國頁巖的壓裂施工平均參數

頁巖地層整個裂縫網絡系統一直隨著注入液量的增加而增加(圖3)[11]，因此，頁巖氣井需要使用大型壓裂工藝技術來提高產量。

圖3 Barnett頁巖裂縫網絡長度與注入液量的關系圖

2.2 頁巖氣藏水平井壓裂技術

隨著頁巖氣開發的深入，水平井和水平井分段壓裂技術已成為頁巖氣藏有效開發的主體技術。

(1) 水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術

該技術特點是套管壓裂、多段分簇射孔和可鉆式橋塞封隔。它是射孔和坐封橋塞聯作，壓裂結束后可短時間鉆掉所有橋塞，節省了作業時間和成本，從而減小液體在地層的滯留時間和對地層的傷害。

(2) 水平井多級滑套封隔器分段壓裂技術

該技術與投球壓差式封隔器原理相同，通過井口落球系統操控滑套，具有作業時間短和成本低的優點。它采用工具或壓力坐封的機械式封隔器，因此具有工藝復雜、風險大和多次下入工具串的缺點。

(3) 水平井膨脹式封隔器分段壓裂技術

該技術原理是遇油/水膨脹封隔器被下入井底預定位置后，遇油氣或水后快速膨脹至井壁后繼續膨脹而產生接觸應力，緊貼井壁密封，從而實現分層分段。該技術優點有可靠性高、成本和作業風險低、壓裂后能很快轉入試油投產，目前已廣泛應用于國外頁巖氣壓裂開發中。

(4) 水平井水力噴射分段壓裂技術

該技術是綜合射孔、壓裂、封隔為一體的新型增產改造技術。它利用水力噴射工具來分段壓裂，無需封隔器和橋塞等封隔工具，自動封堵且準確。它可實現多級壓裂，優點有施工時間少、成本低、射孔定位準、壓裂針對性強和對改造層段控制性高。

(5) 水平井多井同步壓裂技術

該技術是在兩口或更多相鄰井之間同時用多套車組進行分段多簇壓裂，或在相鄰井之間進行拉鏈式交替壓裂，讓頁巖地層承受更高的壓力，增強鄰井間的應力干擾，從而產生更復雜的縫網，進而改變近井地帶的應力場[12]。這種復雜縫網依靠增加裂縫密度和裂縫壁面表面積來增加SRV和提高產量。

(6) 超高導流能力壓裂新技術

該技術是在頁巖氣網絡壓裂技術的基礎上發展而來的。它在設計思路、應用材料和泵注工藝上與常規網絡壓裂技術都有很大區別。該技術中，真正提供導流能力的不是支撐劑本身而是各個支撐劑堆間無支撐劑充填的超高導流通道。它使用高黏壓裂液及可溶性纖維把支撐劑緊裹起來，并采用多段注入低黏隔離液來形成超高導流通道，其優點還包括低凈壓力、高施工可操作性及高安全性等。

3 頁巖氣藏壓裂材料

3.1 壓裂液

頁巖地層和常規地層類似，需要與儲層相配伍的成本和效益兼顧的液體。目前頁巖最常見的流體體系是中性低濃度線性凝膠減阻水[13]。減阻水是一種水基壓裂液，它具有低傷害、低摩阻、低成本、易形成復雜縫網、易返排、易回收及環境污染小等特點。它的缺點是由于粘度極低而導致的支撐劑運輸性能較差和泵入寬度較窄。近來活性流體的使用促進了水基壓裂的使用。壓裂液要根據儲層條件和性質來選擇，巖石從高滲塑性變化到低滲脆性時壓裂液選擇要發生變化(圖4)[14]。

3.2 支撐劑

支撐劑也是頁巖壓裂的重要組成部分。支撐劑通常是顆粒材料，它與壓裂液混合來撐開或保持所創建的裂縫，使氣體流向井筒。頁巖壓裂施工中所使用的支撐劑大致分為以下兩種：

圖4 壓裂液隨巖性的變化規律

(1) 常規支撐劑

由于減阻水攜帶支撐劑的能力很低，使用30/50目和20/40目砂時，只有部分裂縫具有較高的導流能力，因此開始采用40/80目輕質陶瓷和100目砂，這樣可以增加運輸距離和橋接裂縫，從而增加縫網密度。在一些壓力較高的井中也經常使用40/70目、30/50目和100目的中型密度陶粒。

(2) 非常規支撐劑

非常規支撐劑是由樹脂涂層的多孔陶瓷、核桃殼、熱塑性塑料、納米復合材料、聚合物和其它樹脂或塑料組成。其密度大多低于常規支撐劑，有多種尺寸并可利用部分單層優勢，但它在高閉合壓力下易產生變形[13]。超輕型支撐劑(ULWP)具有粒度高、比重低、密度小和可利用部分單層優勢等特點，現已廣泛用于頁巖壓裂。ULWP密度較小，沉降速度緩慢，因此被壓裂液向縱向和橫向輸送的距離更遠。ULWP受壓易變形，從而導致溫度和閉合壓力過高，這一點限制了其在中深井中的應用[15]。頁巖壓裂常用的另一種非常規支撐劑是覆膜砂支撐劑，它包括樹脂、中強度陶瓷和高強度支撐劑如燒結陶粒鋯氧化物等，常用于頁巖壓裂的最后階段，以阻止支撐劑回流和維持近井滲透[16]。在壓裂過程中，要根據支撐劑的運輸性能和裂縫復雜性來正確選擇適當的支撐劑或支撐劑組合。

4 頁巖氣藏壓裂實施與評價

壓裂評價對于壓裂的實施是一項重要的工作。壓裂分析包括：小型壓裂分析、壓裂模擬、壓后分析以及生產數據分析等。壓裂效果可用儲層改造體積SRV來表征，用微地震和油藏數值模擬方法來評價[17]。SRV、縫間距、導流系數和凈壓力對于壓裂井評價都非常重要。微裂縫測繪結果表明，SRV與縫網規模、復雜性和裂縫比例正相關，凈壓力與有效改造體積成正比。增加SRV和橫向縫間距的措施包括增加側向長度和方向、施工規模、級數、射孔群集、技術轉移和裸眼完井系統等的優化[18，19]。

4.1 裂縫的監測

頁巖開發是通過建立一個長而寬的裂縫通道來連通大量非常復雜的裂縫網，從而增大泄油面積。綜合裂縫診斷技術(微地震和地面與井下裂縫測斜技術相結合)是評價微地震數據和分析人工縫網特征的新方法。它監測的裂縫參數包括裂縫的幾何形狀、長、高、方位角、SRV和裂縫組合(表2)。

表2 不同技術可測量的裂縫幾何尺寸

注：×為不能監測的，√為可以監測的

微震監測分為同井監測和鄰井監測，其原理是通過在鄰井放置多個檢波器來記錄在裂縫起裂和閉合過程中所發生的微地震響應，以確定水力裂縫分布，由此計算SRV和預測壓裂后產量。

4.2 壓裂液、支撐劑和裂縫導流能力的監測

壓裂液需定期監測以確保流體所需的性質。流體監測參數包括粘度、結晶度、硼含量和pH值[20]。

放射性標記的支撐劑通常用來評價支撐劑的鋪置位置，評估完井性能和水泥質量，并分辨化學示蹤劑井和計算各階段回流的百分比。微震測繪圖能描述各種支撐劑的分布，100目砂由于沉降速度小于40/70目和20/40目砂，因此常被傳輸到遠離井筒的位置，而40/70目和20/40目砂則分布在井筒較近位置。

裂縫導流能力是壓裂實施評價的關鍵，裂縫分為未支撐和部分支撐裂縫。如果裂縫面一致，未支撐裂縫在閉合壓力超過3kPa時導流能力很低；如果裂縫面不一致或有剪切偏移，則部分裂縫會被砂粒支撐，成為部分支撐裂縫，導流能力大大改善[21]。然而如果只是單個粒子部分支撐，那么砂支撐劑在高應力下容易粉碎；如果是高強度支撐劑(如燒結鋁土礦)支撐，那么裂縫網絡導流能力將顯著提高[17]。

4.3 裂縫參數與產量的相關性

縫網總長度是施工過程中形成的裂縫段總長度之和。測繪資料表明，縫網總長度與流體體積正相關，縫網寬度與井產量正相關。氣體開采指數隨縫間距的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，最終趨于定值[21]。因此，要提高開采指數不能一味增加縫間距，而是要取一個最優值。裂縫導流能力與累積氣量的關系類似于氣體開采指數與縫間距的關系。

5 結論與認識

(1) 頁巖氣井壓裂一般具有大規模、大排量、大砂量和低砂比的特點?？梢酝ㄟ^大型壓裂措施，獲得復雜縫網，增大改造體積，從而有效地提高產量。

(2) 頁巖地層的滲流機理、縫網形成與延伸機理、支撐劑鋪置與導流能力優化、施工監測與解釋等基礎理論還有待完善，超低密度支撐劑和活性水等新型高性能高效壓裂材料也需進一步研究。

(3) 縫網壓裂中，氣體開采指數隨縫間距的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，最終趨于定值。因此，要提高開采指數不能一味增加縫間距，而是要取一個最佳值。

(4) “水平井+多段壓裂”是目前頁巖氣開發的核心技術，因此要對其進行更深入的研究，包括頁巖氣水平井分段壓裂地質特征評價、壓裂選段及射孔參數優化、測試壓裂設計與解釋方法、壓裂施工監測和解釋及優化設計方法等的研究和現場試驗。

(5) 減阻水壓裂的優點是改變了以往通過交聯凍膠來延長裂縫以達到增加產量和減小地層傷害的手段。缺點是粘度極低、運輸支撐劑性能較差和泵入寬度較窄。同步壓裂的特點是同時在2口或2口以上的井壓裂，適用于開發中后期井眼密集時的壓裂作業。水力噴射壓裂的優點是不受完井方式的限制，可在各種完井結構的水平井中實現壓裂，缺點是受壓裂井井深和加砂規模的限制。重復壓裂優點是能夠有效改善單井的產量和生產動態特性，它不但可以用來恢復低產井的產能，而且適用于提高產量相對較高井的產量。

(6) 減阻水壓裂作業成本低、地層傷害小，是目前適用于中國頁巖氣儲層改造的技術，我們要結合縫網壓裂技術對其作進一步的研究，包括縫網壓裂機理、裂縫擴展模式、優化設計方法、現場監測與診斷方法、壓后產能評價方法等的研究和現場試驗。

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