頁巖氣儲層體積壓裂改造體積影響因素分析

李颯爽 李士斌

摘 要：體積壓裂技術的發展是頁巖氣儲層成功開發的巨大推動力。在北美的頁巖氣藏的開發中體積壓裂技術已經取得了顯著的成果。其本質上屬于水里壓裂期間，增大自然形成的縫隙以及使硬度較小的巖石出現剪切滑移，得到自然與人力兩種環境下縱橫密布的裂縫網絡結構，以此擴大處理體積，獲得更多的原始產量與采收成果。在不同縫網參數角度，對頁巖氣儲層體積壓裂改造體積的影響因素進行分析。

關 鍵 詞：頁巖氣；改造體積；導流能力；裂縫形態

中圖分類號：TE 357 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0749-03

Abstract： The successful exploitation of shale gas reservoir is greatly driven by development of volume fracturing technology， which has received remarkable effect in the shale gas development in North America. It is essentially by broadening cracks created by natural force and causing shear displacement of the low-hardness rocks during hydro-fracturing， to create a crisscrossing fracture network structure combining both nature and manpower， expanding processing volume to gain more original yield and harvest results. In this paper， influencing factors of stimulated reservoir volume during volume fracturing reconstruction of shale gas reservoir were analyzed.

Key words： Shale gas； Reconstruction volume；Conductivity； Fracture morphology

我國的頁巖氣可采儲量約為 ，具有廣闊開采前景。但由于頁巖氣儲層屬于低孔—超低滲透儲層，為了實現經濟開采必須進行壓裂作業[1]。頁巖儲層孔隙度一般為4%～6%[2]，未經壓裂的頁巖基質滲透率一般為10-4～10-9 [3，4] 。而處于低孔、低滲、低壓等環境時，因為儲集層基質無法為裂縫進行合理輸液，普通的壓裂模式通過獨立壓裂主縫無法實現初期設定的產量提升標準，所以需要推出更加合理的壓裂改造手段，因而“體積壓裂技術”的出現至關重要。經過實踐表明，它在頁巖氣、致密砂巖氣等領域發揮了極佳的作用，我國目前同樣針對這項技術進行了深入的探討，利用這項技術有效的完成了超低滲透區塊內部儲集層的優化工作。在致密油藏經濟領域，這一技術一定會具備更大的發展前景。

1 體積壓裂的概念

正這一技術的發展歷經了幾個重要的時期，從最開始的技術研究、啟蒙、深入探討直至目前的全面使用，一步一步實現了對它的認知。其本質上屬于水里壓裂期間，讓主裂縫中產生大量裂縫以及擴大自然形成的縫隙，得到與普通裂縫存在差異的裂縫網絡結構，提高井筒、儲集層覆蓋面積，調整其滲流效果，獲得更多的原始產量與采收成果。

這種技術的形成，是基于體積改造這一全新的現代理論而提出。體積重置概念的產生，與過去壓裂概念存在較大的差異，作為現代壓裂概念進步的關鍵。普通壓裂技術主要利用線彈性斷裂力學這一概念得到的一項操作方式。這一技術操作使其需要假定壓裂人工裂縫起裂是張開型，同時順著井筒射孔層段得到雙翼對稱裂縫。通過獨立的主裂縫有效提升儲層滲流效果，主裂縫上方始終未基質朝著裂縫出現“長距離”滲流，不足之處在于垂向主裂縫其滲流效果并沒有實現提升，主流渠道并沒有幫助所有點的滲透效果得到加強。接下來的分析雖然針對裂縫類型進行了調整，然而設計的復雜型裂縫并不多，相關概念沒有實現進一步發展。那么結合“體積改造”確定的含義，最終得到相對繁瑣的網形裂縫體系，裂縫后期的改變并非單一的張性力影響，同時表現出剪切、位移等力學活動。

2 改造體積對頁巖氣產能的影響

在常規油氣藏和致密砂巖氣藏中，常用單層裂縫的半長和導流能力作為增產壓裂的主要描述參數。但是在頁巖氣藏中這些參數并不足以較好的表述增產特征。這便是提出改造體積（SRV）這個相關參數的原因。改造體積可以通過微地震圖測得，其與泵入流體體積和井的生產動態有關。

微地震圖顯示出縫網的大小和改造體積相關。M.J. Mayerhofer等[5]通過對5口Barnett頁巖氣井的縫網長度和泵入工作液量的統計分析，證明了改造體積與縫網大小緊密相關。這里用總縫網長度表征裂縫的復雜程度，用注入液量表征SRV的大小。顯然，隨著裂縫縫網尺寸和復雜程度的增加，改造體積也顯著增大。Fisher等[6]詳細分析了Barnett頁巖中水平井的微地震測試結果，表明氣井產量直接與改造體積的大小關聯。Mayerhofer等也通過一系列的數值模擬顯示出井的生產動態受諸如改造體積這樣的縫網性質的影響。

選擇SRV作為量化增產的參數另一個的原因是，通過對于氣井長期生產動態的觀察發現，氣井的泄氣范圍受SRV體積限制。這顯示出氣井的產能和改造體積間的緊密聯系，改造體積直接控制著氣井的最終累積產量。

圖1是通過數值模擬器繪制出的儲層改造體積與頁巖產能的關系曲線。顯然，改造體積越大，累積產量就越高。從圖中還可以看出，隨著時間的推移，較大的改造體積對于氣井的累積產量的影響程度也會增大。即改造體積對頁巖井的長期生產動態的影響大于短期。這主要是由于隨著生產的進行，泄氣面積逐漸擴大。較大的SRV顯然能夠提供較大的最終泄氣面積，從而能夠大幅度地提高氣井產能。

3 縫網參數對儲層改造體積的影響

3.1 裂縫間距

在裂縫間距低于（20 m），偏大的儲層改造體積方可達到理想的標準。原因在于同等體積之中，間距偏低時，也就代表此裂縫比較緊湊，改造所涉及的區間中油藏流體在經基質抵達裂縫時，所用的時間越少，那么滲流阻力隨之變小，從而提升產油量。

3.2 主次裂縫的導流能力

處理普通壓裂情況時，往往將獨立裂縫導流效果確定成裂縫品質鑒定的關鍵性標準，可以使油井生產動態情況發生明顯的改變。因而，體積壓裂裂縫網絡導流水平會使后期的開發情況發生改變[7]。體積壓裂改造階段，在支撐劑合理置于裂縫網絡內部后，次裂縫存在相應導流效果； 但是在支撐劑過多的出現于主裂縫內部時，則會使其本身擁有關鍵性導流效果，而實際的導流水平則與支撐劑具體參數有關，次裂縫導流作用并不明顯，大概是主裂縫 1 /30[8，9]。

同等體積中，當主裂縫導流作用明顯時，累積產量也隨之上升； 如果其長度和導流效果達到某一標準，提升改造體積時產量將不再變化。累積產量也同樣會隨著次裂縫導流能力的增大而增加，同時改造體積上升期間，累積產量隨之上升。而裂縫網絡改造區間一定后，即便次裂縫導流效果進一步提升，也不會使累積產量出現實質性波動。不僅如此，次裂縫會在改造體積擴大后，相應的提升產能，如果次裂縫導流水平超過 4 μm2·cm ，累積產油情況在改造體積擴大時同樣會得到相應的提升[10，11]。

3.3 裂縫形態

Gu等[12]發現水利裂縫與天然裂縫相互作用只會產生兩種情況：水力裂縫沒有穿透天然裂縫，水力裂縫會沿著天然裂縫延伸；或者相反水力裂縫穿透天然裂縫向前延伸，當壓裂液進入天然裂縫且縫內壓力超過壁面正應力時，天然裂縫會開啟成為水力裂縫的分支，反之天然裂縫閉合。顯然在第二種情況下，水力壓裂波及范圍更大，能夠形成更為復雜的裂縫網絡獲得足夠大的改造體積。

水力裂縫能否穿透天然裂縫、天然裂縫能否重新開啟主要由：空間三向主應力大小分布、天然裂縫處產狀、摩擦系數、內聚力、地層巖石的抗張強度等性質決定。天然裂縫能否開啟具體判別方法如下：

確定4類具有代表性的體積壓裂裂縫表現，采取數值模擬分析模式，確定它們在致密油藏處理階段的作用。模型結合EQ-LGR調整縫網，流體PVT、相對滲透率曲線所需要的數據全部設定成實踐操作階段得到的真實值。壓裂直井主裂縫導流水平是20 μm2·cm，次裂縫導流水平是0.7 μm2·cm，通過定井底流壓衰竭技術進行處理，對10年內的情況實施模擬（圖2）。

由圖2可以看出，常規壓裂產生單一裂縫初期日產量較低，而體積壓裂改造單井完成階段產能便得到有效的提升，相當于獨立裂縫直井14倍，而在10 年后，前者相較于后者其產油量整體增加7 505 m3（圖3）。原因在于，普通壓裂形成雙翼對稱裂縫并不能提升儲集層滲流效果，而體積壓裂改造所得復雜型裂縫網絡可以讓油氣通過不同渠道由裂縫網絡抵達井筒，節省時間，無須運用過多驅動壓力，完善儲集層實際動用率，完善儲集層橫向動用效果。無論哪種裂縫發展，均擴大了和地層之間的接觸，所以作用更加明顯。

4 結 論

（1）采取體積壓裂形式重建儲層，得到大量主裂縫后，讓自然形成的裂縫繼續增大，脆性巖石則進行剪切滑移處理，確保自然裂縫與巖石層理進行對接，同時于主裂縫附近引起次生裂縫，然后以此為基礎使裂縫不斷延續，得到自然、人工兩種裂縫縱橫交錯架構。合理提升頁巖氣儲層滲流條件，完善儲層動用表現，是頁巖氣儲層開發的有效手段。

（2）裂縫間距偏低，偏大的儲層改造體積方可達到理想的標準； 同等體積中，主、次裂縫導流作用加強，產油量得到提升； 當主裂縫長度與導流水平達到相應標準，體積擴大也不會讓累積產油量得到任何改變，不僅如此，次裂縫會在改造體積擴大后，相應的提升產能，如果次裂縫導流水平超過 4 μm2·cm ，累積產油情況在改造體積擴大時同樣會得到相應的提升。

（3）水力裂縫和自然存在的裂縫彼此影響時，若前者能夠貫穿后者，并使天然弱面開啟，說明水力能夠有效溝通天然裂縫。在這種情況下，水力裂縫能夠波及較大的面積，能夠形成復雜的裂縫網絡又能獲得足夠的儲層改造體積。

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