淺析致密油滲流機理與體積壓裂技術

張雨良

摘要：致密油氣是世界上近20年來勘探、開發和研究的熱點，致密油是非常規油氣資源的一種，現在是比較火的一個概念，隨著國民經濟的高速發展，石油和天然氣的需求量越來越大，開發和供應面臨嚴峻挑戰。常規石油儲量的增長有一定的限度，新增儲量品位下降，已開發油田都已進入開發中后期，油田遞減嚴重，矛盾突出；對非常規油氣資源需求迫切，本文重點介紹致密油，致密油是指以吸附或游離狀態賦存于生油巖中，或與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，未經過大規模長距離運移的石油聚集，致密儲層孔隙度φ<10%、基質覆壓滲透率K<0.1mD、孔吼直徑d<1um，致密油與常規油氣資源滲流機理不同，所以致密油滲流機理的研究與針對性的開發技術顯得尤為重要，體積壓裂的概念也應運而生。

關鍵詞：致密油；非常規油氣資源；基質覆壓滲透率；滲流機理；體積壓裂

引言

由于致密油儲層孔隙度和滲透率極低的地質特征，加上油藏壓力系數低，致密油一般無自然產能，必須采用壓裂技術進行儲層改造。傳統油氣藏的水力壓裂目的是造長縫，努力溝通遠井地帶的儲層，增加泄流面積，從而將徑向流改變為從地層到人工裂縫和從人工裂縫到井筒的近似雙線性流，最終實現增產的目的。然而張應力主導形成雙翼對稱裂縫，壓裂后仍然是基質向裂縫“長距離”的滲流模式，導致傳統壓裂無法有效開采致密油。在這個背景下，產生了體積壓裂的理念，體積壓裂理念的提出，顛覆了經典壓裂理論，形成了現代壓裂理論：除了張應力外，還有剪切、滑移、錯斷等復雜的力學行為，形成復雜的人工裂縫與天然裂縫的縫網系統以有效開采致密油。

1致密油滲流機理研究

致密油藏滲流環境復雜、孔喉狹小，使得儲層滲透率很低，油水賴以流動的通道很細微，滲流阻力很大，液一固界面的相互作用力顯著。同時，低滲透多孔介質的物性參數受上覆有效應力的影響較大，導致滲流規律產生某種程度的變化而偏離達西定律，呈現低速非線性滲流現象，而常規油氣滲流機理為達西滲流。

1.1滲流主要通道為微納米級孔隙

致密儲層滲流的主要通道為微納米級孔隙。在微納尺度下多孔介質的比表面大，孔隙壁面與其附近流體的相互作用強，基質與流體之間的微觀作用力必然會對流體的滲流規律產生影響。國內外多位研究者的試驗結果也證實經典的達西定律難以適用。

1.2微納通道固液作用機理

在常規孔隙流動中，液體的黏性起因于分子間的吸引力，分子間吸引力越大，黏性越大，所以黏性與分子間吸引力成正比，在溫度壓力一定的條件下，黏度一般為常數；而在微納通道中，黏性由兩部分組成，一部分是液體的常規黏度，另一部分是由固壁和液體分子相互作用所導致的附加黏度，進一步增加了滲流阻力。

1.3啟動壓力梯度研究

在中高滲透儲層多孔介質中，由于孔隙孔道直徑大，吸附滯留層的影響可以忽略，在滲流規律上表現為線性達西流，而在致密儲層多孔介質中，孔隙孔道直徑異常細小，啟動壓力梯度現象是致密油藏滲流區別于常規油藏滲流的主要差異，啟動壓力梯度受原油黏度、有效圍壓和巖石潤濕性的影響。在相似孔隙結構的儲層中，滲透率一定的情況下，原油黏度越高，巖心測得的啟動壓力梯度就越大。壓力敏感：巖石受到的上覆壓力增大，會使巖石顆粒間膠結物受擠壓縮，孔隙體積和喉道半徑減小，巖石顆粒受壓發生彈性形變。巖石孔隙的減小將增加滲流流體中邊界流體的比重，邊界層流體黏度增大，從而使啟動壓力梯度增大。

從圖2中可以看出，致密油藏在較低的壓力梯度下，水測滲透率也較低，體現了地層中流動的非線性特征.所以當驅替壓力梯度大于啟動壓力梯度時，流體才可以發生流動。

體積壓裂技術

體積壓裂是在水力壓裂的過程中，通過在主裂縫上形成多條分支縫或者溝通天然裂縫，最終形成不同于常規壓裂的復雜裂縫網絡，增加井筒與儲集層接觸體積，改善儲集層的滲流特征及整體滲流能力，從而提高壓裂增產效果和增產有效期。

2.1體積壓裂的特點

（1）復雜網絡裂縫擴展形態（2）復雜的滲流機理（3）裂縫發生錯斷、滑移、剪切破壞

（4）誘導應力和多縫應力干擾裂縫發生轉向

2.2體積壓裂改造儲層的核心

（1）儲層巖性具有顯著的脆性特征，是實現體積改造的物質基礎

儲層巖石具有顯著的脆性特性，是實現體積壓裂的物質基礎。根據國外對致密油儲層可壓裂性的評價經驗，脆性指數可以表示壓裂的難易程度，反映的是儲層壓裂后所形成裂縫的復雜程度。脆性指數是基于巖石的彈性模量和泊松比定義的，一般彈性模量越大、泊松比越小，脆性指數越高。

（2）裂縫以復雜縫網形態擴展，打碎儲層，實現人造“滲透率”

體積壓裂與傳統壓裂對比：理論基礎由經典理論變為現代理論，裂縫形態由平面對稱雙翼裂縫變為非平面對稱裂縫（彎曲縫、多裂縫）。

（3）裂縫發生剪切破壞，錯斷、滑移。

體積壓裂與傳統壓裂對比：由傳統的張開型破壞變為剪切等復雜的力學破壞。

內涵：剪切縫是巖石在外力作用下破裂并產生滑動位移，巖層表面形成不規則或凹凸不平的幾何形狀，具有自我支撐特性的裂縫；條件：當壓力低于最小水平應力，產生剪切斷裂；

地質力學特性：形成剪切縫的巖石具有較高的偏應力和強度，是不易發生塑性形變的脆性巖石（楊式模量高，泊松比低），富含強度較低的巖石結構或天然裂縫；剪切裂縫在徑向上更為發育。

3 結 論

（1） 致密油滲流機理與常規油氣滲流機理不同，在開發上，需要特殊的手段。

（2）體積壓裂基于現代壓裂理論是致密油開發的關鍵技術。

（作者單位：中油遼河油田公司）