頁巖氣開發地質與工程一體化技術分析

■吳強吳章利

（1中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院貴州貴陽550081；2貴州省煤田地質局地質勘察研究院貴州貴陽550081）

頁巖氣開發地質與工程一體化技術分析

■吳強1吳章利2

（1中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院貴州貴陽550081；2貴州省煤田地質局地質勘察研究院貴州貴陽550081）

頁巖氣在全球范圍內分布廣泛，且開發潛力巨大。我國頁巖油氣勘探開發仍處于起步階段，鉆完井周期長、壓裂改造效果不理想、開發成本高等問題普遍存在。必須采取地質與工程一體化技術，以實現頁巖氣的經濟有效開采，推動我國頁巖氣勘探開發進程及發展目標的實現。

地質工程一體化技術路線頁巖氣

1　頁巖氣工程地質環境描述技術

頁巖氣工程地質環境描述技術有效指導了重點地區頁巖油氣井鉆井優化設計、可壓性評價、完井方式選擇及壓裂方案設計等。

1.1巖石力學特征評價技術

針對頁巖地層非均質性強、各向異性突出的特點，以測井資料處理和巖心測試為重點，研究形成了包括巖石力學特征宏細觀分析評價技術、頁巖地層力學各向異性評價技術和考慮地層層理裂隙、工作液、地層壓力等因素影響的頁巖地層井壁穩定性分析預測技術等的巖石力學特征評價技術，為頁巖氣水平井鉆完井與壓裂設計提供依據與指導。

1.2建立了頁巖可壓性評價方法

考慮巖石脆性、巖石力學參數、有機碳含量、總含氣量等因素，將地質上的甜點與影響壓裂裂縫起裂及延伸難易程度的巖石脆性有機結合起來，建立了頁巖可壓性評價方法。

應用頁巖可壓性評價方法，對中國石化不同區塊的頁巖進行了初步計算評價，得到涪陵、泌陽、元壩、新場、彭水區塊的頁巖地層可壓性指數分別為 0.42、0.56、0.51、0.45、0.57，均低于國外的Barnett頁巖的可壓性指數（0.64）。

1.3開展了頁巖裂縫擴展規律物模試驗研究

以露頭頁巖巖心為試驗對象，在模擬不同井下工況下進行了系列物模試驗研究，在巖石脆性與剪切破壞形式、壓裂液類型與水力裂縫復雜程度的關系等方面得到了初步認識。

1.4初步建立了頁巖儲層綜合評價標準

通過與國外大學合作，結合中國石化頁巖儲層特殊性及壓裂效果等因素，初步得出考慮頁巖品質、完井品質與壓裂品質的頁巖儲層綜合評價標準。

2　地質與工程一體化關鍵技術

鑒于頁巖的強非均質性，在評價地質“甜點”的基礎上，水平井井眼軌道設計及井眼軌跡控制至關重要。鉆完井除了要考慮地質“甜點”因素外，更要考慮到后期壓裂改造時裂縫延伸方向的問題，換言之，要實現地質與工程的一體化，須從整體上考慮鉆完井及儲層改造技術一體化，才能最大限度地挖掘頁巖儲層的潛力，達到經濟有效開發的目的。

2.1鉆完井設計

目前，國內外主要利用水平井技術來開采頁巖氣，雖然該技術并不是一項新技術，但是頁巖氣水平井設計有其特殊的要求。

2.1.1井位與方位的設計

頁巖氣水平井井位與方位的選擇既要考慮有機質與硅質富集、裂縫發育程度高的頁巖地質“甜點”區，同時也要考慮地應力、脆性和可壓性等完井“甜點”區。理論上講，方位應與最大水平主應力或裂縫的方向垂直，可以使井眼穿過盡可能多的地層而與更多的裂縫接觸，同時有利于體積壓裂，形成網絡縫，提高頁巖氣采收率。

2.1.2井眼軌道設計

利用三維地震資料能夠更好地設計水平井井眼軌道，使水平段盡可能穿越有機質、硅質和裂縫富集區等“甜點”區，但要避開斷層和大漏失層位。一般來說，水平段越長，控制儲量和初始開采速度也就越高，但設計時要綜合考慮工程成本和施工能力，原則上要求水平段一只鉆頭一趟鉆完鉆。

2.2網絡壓裂設計

總的來說，壓裂設計要結合地震資料、測井資料、巖心資料進行全方位的數據處理及分析，建立綜合的地質模型。通過巖石力學及地應力的分析研究建立三維力學模型，預測裂縫網絡，利用微地震監測技術記錄實際的裂縫形態，然后循環利用這些信息建立動態油藏模型，以最終實現整個油藏不斷優化開發的目的。

2.2.1射孔位置的確定

射孔位置的確定主要依據是富含頁巖氣的地質“甜點”與頁巖可壓性剖面有機結合，首選地質“甜點”與可壓性好的地層。目前的頁巖氣水平井分段壓裂動輒壓裂十幾段甚至二十幾段，但國外頁巖氣井壓后產氣剖面測試結果表明，一般遵循“三七”或“二八”原則，即30%的段數貢獻70%的產量或20%的段數貢獻80%的產量。因此，如何把產氣能力高的少數地質“甜點”精準地尋找出來，顯得尤為重要。換言之，確定好射孔位置，再集中力量優選地質“甜點”段形成充分延伸的三維網絡裂縫，既能最大限度地提高頁巖氣井產量，也能最大限度地降低成本。

2.2.2施工參數的設計

如形成不了網絡裂縫，常規的對稱雙翼的水力裂縫參數優化問題比較簡單，在此不贅述。針對網絡裂縫而言，如何優化裂縫參數，確保最佳的產量、有效期及采收率，是工程設計的目標。網絡裂縫參數優化不但要考慮滲流干擾，更要考慮應力干擾，最好是考慮滲流干擾與應力干擾的耦合效應。根據已經優化的網絡裂縫參數，可對施工參數進行相應的優化，如排量、液量、支撐劑量及泵注程序等。尤其是支撐劑段塞技術的合理應用，可減輕近井筒扭曲效應及避免多裂縫的早期形成。后期的支撐劑段塞式加砂模式，要根據頁巖的巖石力學參數，合理優化段塞體積、砂比等，在最大限度節約壓裂材料的同時，確保足夠大的裂縫導流能力，類似于高通道壓裂技術的變形應用。

2.2.3網絡裂縫控制技術

三維網絡裂縫如何最大限度地擴展和高效支撐，既取決于地質條件，又取決于工程參數。即使應力差異系數很小，容易形成網絡裂縫，但網絡裂縫的延伸范圍可能非常有限。理想的網絡裂縫，必須是較長高導主縫與復雜分支縫的有效溝通。采取滑溜水與膠液交替注入的方式可實現預期的網絡裂縫。

3　結束語

頁巖氣儲層地質與工程一體化，即地質特征與鉆完井及壓裂設計有機融合的一體化技術，是實現頁巖氣經濟有效開發的保證。完善技術本身及技術配套，形成完整的技術鏈，實現技術的規范化、有形化、標準化，逐步形成頁巖油氣勘探開發一體化的工作流程及配套技術標準，是降低勘探開發成本、提高壓裂效果、實現頁巖油氣科學開發有效措施。

［1］陳海力，王琳，周峰，趙昊，張華.四川盆地威遠地區頁巖氣水平井優快鉆井技術 ［J］.天然氣工業.2014（12）.

［2］曾義金.頁巖氣開發的地質與工程一體化技術 ［J］.石油鉆探技術.2014（01）.

F407.1文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-143-1

吳強（1984～），男，中國地質大學（武漢） 工學碩士，工程師，研究方向為地質、工程地質方面。