王曉蕾
(呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系,煤礦機械裝備維護與檢測試驗呂梁市重點實驗室,呂梁 033000)
北美對頁巖氣成功實施了勘探開發(fā)在全世界范圍內(nèi)掀起了頁巖氣開發(fā)的浪潮。中國是繼北美后較早對頁巖氣資源實施勘探開發(fā)的國家之一。四川盆地在晚奧陶世—早志留世期間,由于華夏板塊與揚子板塊的匯聚作用,受到江南-雪峰隆起、川中古水下隆起、黔中隆起等三者的夾持,形成較大范圍的深水坳陷,即所謂的“三隆夾一坳”沉積格局[1],于淺水陸棚-深水陸棚的缺氧環(huán)境中沉積了一套海相黑色的富有機質(zhì)頁巖[2]。該套頁巖具備有機質(zhì)豐度高[3]、熱演化程度適中[4]、脆性礦物含量高[5-6]、有機質(zhì)孔-縫發(fā)育[7-8]等良好的地質(zhì)條件,生烴潛力大、良好的儲集空間以及較好的可壓性均顯示出良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力,成為近幾年中國石化和中國石油頁巖氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)之一[9-10]。
目前,中國著眼于老井資料復(fù)查、地震資料重新解釋和處理、巖心和剖面考察以及相關(guān)實驗測試分析等方面的工作,憑借著北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗和中國頁巖氣勘探開發(fā)實踐與壓裂技術(shù)水平,總結(jié)了大量有利目標區(qū)評價指標,基本圈定川東涪陵—武隆—彭水、丁山—松坎、五指山—昭通—長寧、威遠—富順—永川等有利區(qū)帶[11],通過“十二五”頁巖氣攻關(guān)試驗,中國已經(jīng)基本建立起埋深在3 500 m以內(nèi)的淺埋藏頁巖氣的勘探開發(fā)工業(yè)體系,具備了較好的商業(yè)開發(fā)能力[12-13]。截至2017年底,中國鉆探頁巖氣井多達770口,總?cè)债a(chǎn)氣量可達100×108m3,頁巖氣探明儲量目前達7 643×108m3[14]。然而,四川盆地頁巖氣的勘探開發(fā)現(xiàn)狀表明,頁巖氣資源主要集中在埋深大于3 500 m的深層構(gòu)造范圍內(nèi),其資源量為11.2×1012m3,占比達50%~69%[14-15],若能在現(xiàn)今地質(zhì)理論下攻克水平井壓裂技術(shù)與相關(guān)裝備等關(guān)口,將會極大地拓展頁巖氣有利勘探開發(fā)區(qū)域的范圍,屆時可大幅度增加頁巖氣開采量。從目前一些深層頁巖氣探井的壓裂試氣效果的評估來看,試采的產(chǎn)量、泵壓都出現(xiàn)了迅速下降,難以維持后期的穩(wěn)產(chǎn)[12-16],在鉆井和完井過程中不同程度地遭遇了比淺層頁巖層系更多的技術(shù)困難與挑戰(zhàn),如儲層地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件差[17]、深層高水平地應(yīng)力差下靶向精準技術(shù)尚未成熟且水平井段的導(dǎo)管發(fā)生嚴重變形[14]、壓裂后不能產(chǎn)生復(fù)雜裂縫且裂縫迅速發(fā)生閉合[18]等問題都在深層頁巖層系的開采過程中逐漸凸顯。
為此,筆者以深層頁巖氣藏為研究對象,通過深入剖析深層頁巖氣藏地質(zhì)特征,厘清在實施深層頁巖氣勘探與開發(fā)過程中出現(xiàn)的地質(zhì)理論和技術(shù)水平等相關(guān)問題,提出未來發(fā)展的建議與展望,以期對深層頁巖氣藏的勘探開發(fā)提供借鑒與參考。
隨著油氣藏相關(guān)地質(zhì)認識的不斷深化,中國含油氣盆地的勘探開發(fā)步伐不斷由淺層向深層邁入,然而關(guān)于深層油氣藏的定義和劃分標準,不同學(xué)者和機構(gòu)的認識有所差異。賈承造等[19]、龐雄奇等[20]、Sun等[21]、何登發(fā)等[22]均把埋深≥4 500 m作為常規(guī)的深層油氣藏下限,而頁巖氣藏與常規(guī)油氣藏無論在油氣賦存機理還是地質(zhì)與空間的分布特征等方面均有所不同[23-24]。中國學(xué)者借鑒和吸收國外非常規(guī)油氣藏先進地質(zhì)經(jīng)驗與認識,提出埋深≥3 500 m為深層頁巖氣藏下限[12],根據(jù)《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)[25]中對頁巖氣藏的分類,明確了埋深介于≥3 500 m~<4 500 m者為深層頁巖氣藏,當埋深≥4 500 m時則為超深層頁巖氣藏(表1)。
五峰-龍馬溪組頁巖有機質(zhì)豐度較高且有效厚度較大的區(qū)域主要集中于川東南、川南以及川北等地[3,26]。川東南地區(qū)包括焦石壩、南川、丁山、林灘場-懷仁、南天湖等5個有利區(qū)塊,埋深大于3 500 m的深層頁巖氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越、保存條件好、壓力系數(shù)高、含氣性好,埋深在3 500~4 500 m的有利區(qū)面積達1 132 km2,資源量達0.6×1012m3[22];川南地區(qū)包括威遠、長寧和昭通3個區(qū)塊,埋藏深度介于3 500~4 500 m的五峰-龍馬溪組頁巖主要分布于內(nèi)江、自貢、瀘州、渝西、宜賓等地,有利面積達1.7×104km2,累計資源量為8.5×1012m3[27];川北地區(qū)處于川北凹陷帶和大巴山前緣推覆構(gòu)造帶,五峰-龍馬溪組頁巖層系埋深過大,其中河壩1井鉆至志留系頂部時,井深達7 001 m[28],屬于超深層頁巖氣藏,目前技術(shù)水平難以達到商業(yè)開采的標準。因此,在現(xiàn)今頁巖氣開發(fā)成本與水平井壓裂技術(shù)條件下,深層頁巖氣藏(埋深為3 500~4 500 m)最為有利的區(qū)域?qū)俅|南和川南地區(qū)(圖1[12,16])。
深層頁巖氣藏埋深大,以高溫、高壓以及較大的水平應(yīng)力差等為主要特征,它們深刻影響著深層頁巖層系的物性[29-30]、巖石力學(xué)性質(zhì)[31-32]、水力壓裂后裂縫發(fā)育模式[33]。

表1 油氣藏埋深及類別劃分方案Table 1 Buried depth and classification scheme of oil and gas reservoirs

圖1 四川盆地下志留統(tǒng)底界不同埋深分布圖[12,16]Fig.1 Distribution map of different buried depths in the bottom boundary of Lower Silurian in Sichuan Basin[12,16]
頁巖普遍具備特低孔(2%~8%)、特低滲(10~100 nD)等特征[34-35],頁巖中納米孔隙具備較低縱橫比,且黏土礦物和有機質(zhì)異常豐富,與砂巖和碳酸鹽巖相比,在較高的有效應(yīng)力下,頁巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)被壓縮改造的程度更大[36-37]。根據(jù)川東南、川南五峰-龍馬溪組頁巖在不同應(yīng)力環(huán)境下滲透率和孔隙度的變化趨勢發(fā)現(xiàn),當應(yīng)力從0 MPa增加至25 MPa或者40 MPa時,頁巖樣品的孔隙度下降幅度較小,約15%~52%,而滲透率下降幅度則超過一個數(shù)量級(圖2[36,40])。綜合前人的研究成果發(fā)現(xiàn),頁巖物性對應(yīng)力的變化較為敏感,其應(yīng)力敏感系數(shù)較高者,對應(yīng)在測試的有效應(yīng)力下滲透率和孔隙度發(fā)生急劇下降[37,39]。隨著埋深的增加,頁巖滲透率和孔隙度均下降,深層頁巖孔隙內(nèi)部的游離氣受束縛能力增強,其運移或者擴散能力要低于淺層頁巖[40],因此,在深層頁巖氣藏的開發(fā)過程中,裂縫對于促進頁巖層系中流體的運移和擴散更加凸顯其重要性。

圖2 川東南與川南地區(qū)龍馬溪組頁巖滲透率和 孔隙度分別與有效壓力關(guān)系曲線[36,40]Fig.2 The relation curves of shale permeability and porosity with effective pressure in Longmaxi Formation in Southeast and South Sichuan Basin[36,40]
巖石的脆性常被非常規(guī)油氣藏用來評價工程“甜點”的關(guān)鍵參數(shù)之一,是評價頁巖氣藏能否成功改造的重要依據(jù)[41]。然而,頁巖的脆性深受溫度和圍壓的控制,隨著埋深的增加,相應(yīng)的溫度和圍壓升高,頁巖的脆性降低并向延性發(fā)生過渡[42-44](圖3[45])。

圖3 川東南丁山地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖 不同埋深條件下脆性變化趨勢[45]Fig.3 Brittleness variation trend of Wufeng-Longmaxi Formation shale under different buried depth in Dingshan area, Southeast Sichuan Basin[45]
脆性是控制巖石裂縫形成的一項重要的綜合力學(xué)性質(zhì)[42,46],據(jù)室內(nèi)三軸壓縮力學(xué)實驗測試顯示,常壓或者低圍壓(0、20 MPa)狀態(tài)下的巖石,抗壓強度低,巖石呈現(xiàn)劈裂式破壞,破碎程度較大,而當施加到一定的圍壓時(55、60 MPa),則巖石能夠抵抗較大的壓力且承載一定的變形后才發(fā)生破壞,而且破壞程度較弱,表現(xiàn)為雙剪切或者單剪切式破壞模式(圖4[45,47-48])。
總之,頁巖在高圍壓條件下比在低圍壓或者無圍壓條件下更難發(fā)生脆性響應(yīng)[49-50],這是由于埋深增加,巖石的橫向應(yīng)力增強,對巖石內(nèi)部微裂縫(微裂紋)進行了不同程度的抑制作用,埋深越大,這種抑制作用愈加強烈[51-52]。因此,深層頁巖氣藏埋深較大,就目前技術(shù)水平而言,水力壓裂的實施較為困難,成本大且難以形成良好的商業(yè)產(chǎn)能。

圖4 四川盆地重點地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖 在不同圍壓下的破裂模式[45,47-48]Fig.4 Fracture modes of shale in Wufeng-Longmaxi Formation under different confining pressures in key areas of Sichuan Basin[45,47-48]
人工裂縫的形成與傳播高度依賴于地應(yīng)力狀態(tài),充分了解深層頁巖氣藏地應(yīng)力特征,有助于優(yōu)化水平井鉆井方向以及施工參數(shù)的調(diào)整[53]。隨著埋深的增加,地應(yīng)力也隨之增大,一般情況下呈現(xiàn)良好的線性遞增關(guān)系[54],然而不同方向的地應(yīng)力增加幅度有所不同,水平地應(yīng)力差則隨深度的增加而發(fā)生變化。頁巖氣勘探開發(fā)實踐表明,水平應(yīng)力差系數(shù)與頁巖氣井產(chǎn)量具有良好的相關(guān)性,即水平應(yīng)力差系數(shù)越高,產(chǎn)量越差(圖5[55])。

圖5 龍馬溪組頁巖水平應(yīng)力差系數(shù)與產(chǎn)量關(guān)系[55]Fig.5 The relationship between horizontal stress difference coefficient and shale yield in Longmaxi Formation[55]
水平應(yīng)力差已被公認是控制天然-人工裂縫相互作用的主要地質(zhì)因素[56-57],當水平應(yīng)力差Δσb為0 MPa時,水平井筒射孔段的裂縫主要沿著預(yù)先存在的天然裂縫繼續(xù)拓展延伸,這使得射孔附近產(chǎn)生高度復(fù)雜的人工-天然裂縫系統(tǒng),而當水平應(yīng)力差Δσb增加至15 MPa后,水力壓裂所形成的裂縫容易沿著垂直最小主應(yīng)力方向起裂并傳播,傾向于穿透層理和天然裂縫,在無天然裂縫的干擾下,繼續(xù)延伸而不發(fā)生轉(zhuǎn)向[58-59],并且所注入流體的壓力更高,才能讓裂縫的寬度得以維持(圖6[60])。
根據(jù)目前四川盆地五峰-龍馬溪組頁巖氣的勘探開發(fā)實踐表明(表2[16,45,61]),焦石壩地區(qū)、長寧五峰-龍馬溪組產(chǎn)氣層段埋藏較淺,分別為2 415 m和2 300~3 200 m,屬于中深層頁巖氣藏,其中焦石壩地區(qū)水平地應(yīng)力差較低,為3.0~6.9 MPa,為人工壓裂改造提供了較好的工程條件,實際壓裂中巖石破裂壓力約42 MPa,以大尺度復(fù)雜裂縫為主,裂縫延伸長度主要介于150~250 m,整體壓裂效果較好,長寧地區(qū)雖然兩向壓力差較高,約為焦石壩地區(qū)的3~7倍,但由于埋深較淺,氣藏改造后體積較大,壓裂效果較好[61]。而丁山地區(qū)、威遠地區(qū)頁巖層系埋深過大,屬于深層頁巖氣藏,其中威遠地區(qū)復(fù)雜裂縫較少,裂縫延伸距離主要介于100~150 m[16]。深層頁巖氣藏水力壓裂改造的效果相對較差,常規(guī)的壓裂技術(shù)與模式不利于在深層頁巖層系中形成縫網(wǎng)。

表2 四川盆地重點地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖層系水平方向地應(yīng)力差及壓裂效果Table 2 Horizontal stress difference and fracturing effect of Wufeng-Longmaxi Formation shale in key areas of Sichuan Basin

圖6 不同水平應(yīng)力差下水力壓裂后裂縫分布模式[60]Fig.6 Fracture distribution mode after hydraulic fracturing under different horizontal stress difference[60]
四川盆地前期那些已經(jīng)具備商業(yè)開采條件的頁巖氣層系的埋深一般小于3 500 m,主要吸取了北美地區(qū)3 500 m以淺的頁巖氣成功勘探開發(fā)的經(jīng)驗,而人們逐步意識到,中國南方海相頁巖氣成藏地質(zhì)條件的復(fù)雜性,要開采3 500 m以深的頁巖氣,沒有相關(guān)的理論、技術(shù)和裝備可以借鑒。為此,筆者通過分析前人的研究成果,結(jié)合中國南方海相頁巖層系特殊的地質(zhì)背景,總結(jié)和歸納了關(guān)于深層頁巖氣勘探開發(fā)風險深度范圍、水平井鉆完井和后期水力壓裂相關(guān)技術(shù)等方面的問題,提出以下幾點建議。
當脆性礦物含量高達70%~80%的頁巖置于高溫和高壓條件下,即某個埋深條件下,其巖石力學(xué)性質(zhì)也表現(xiàn)為延性特征[62-63],如果忽略埋深這一重要因素,單純利用脆性礦物來評價頁巖的脆性以確定“甜點”壓裂層段是不嚴謹?shù)腫31]。然而,在何種深度范圍內(nèi)頁巖力學(xué)性質(zhì)由脆性向延性發(fā)生轉(zhuǎn)變,何種深度范圍內(nèi)頁巖呈現(xiàn)脆性、半脆性、延性特征,需要前期理論與實踐的論證。
為保證前期頁巖氣保存條件評價的需要和后期水力壓裂施工增產(chǎn)的要求,有學(xué)者通過實驗與現(xiàn)場生產(chǎn)實踐,對川東—鄂西一帶的五峰-龍馬溪組頁巖層系的埋深進行了重新劃分[16,31,64],認為埋深小于2 000~2 700 m的頁巖表現(xiàn)為脆性,埋深大于4 200~4 400 m的頁巖為延性,而頁巖處于這兩者埋深范圍內(nèi)時則表現(xiàn)為脆性-延性過渡的特征,這種狀態(tài)下的頁巖即使發(fā)育有天然裂縫,既能夠不破壞頁巖氣藏整體的穩(wěn)定性,而且又保證了后期壓裂施工中所要求的脆性這一標準(圖7[16])。

圖7 不同埋深下頁巖裂縫、含氣量和產(chǎn)量關(guān)系模式圖[16]Fig.7 Relationship between fractures and gas content and production of shale under different buried depths[16]
此頁巖脆性-延性轉(zhuǎn)換帶的深度范圍較好地囊括了深層頁巖氣藏的埋深范圍,其中川東—鄂西一帶五峰-龍馬溪組頁巖層系延性帶頂界深度為4 470 m±230 m[64],與現(xiàn)今深層頁巖氣藏埋深下限4 500 m具有較好的對應(yīng),是目前技術(shù)水平條件下能夠達到商業(yè)開采的勘探風險深度。
20世紀90年代末,隨著定向鉆井技術(shù)的興起,工業(yè)界利用水平井技術(shù)穿透富有機質(zhì)頁巖以及實施分段水力壓裂,從而產(chǎn)生高滲透流動路徑以獲取更大范圍內(nèi)的頁巖氣資源[65]。目前,水平井是開發(fā)頁巖氣的最有效方式。然而,在水平井打鉆過程中,鉆井液與地層接觸出現(xiàn)水化膨脹且發(fā)生滲透性巖層損傷、鉆遇斷層后由于應(yīng)力失穩(wěn)或者鉆井液沿斷層下滲而導(dǎo)致的斷層活化等因素都會使得水平井套管和水泥環(huán)受圍巖滑移而發(fā)生剪切變形和破壞,從而難以確保水泥環(huán)和套管的完整性(圖8[66])。另外,深層地應(yīng)力條件復(fù)雜、上覆地層壓力高且地層的橫向非均質(zhì)性強、水平井軌跡難以把控等問題在深層頁巖氣勘探開發(fā)過程中逐漸凸顯。

圖8 水平井套管受地層滑移而被剪切 變形和破壞平面示意圖[66]Fig.8 Schematic diagram of shear deformation and failure of casing in horizontal wells due to formation slip[66]
通過對中外文獻的調(diào)研發(fā)現(xiàn):在鉆井液中添加水化抑制劑,或者更換為強抑制性水基鉆井液可有效改善或者避免由于頁巖內(nèi)部黏土等礦物遇水膨脹的問題;通過加強地震資料的解釋,優(yōu)化水平井眼軌跡和方位,避開斷層,合理轉(zhuǎn)向,改變裂縫拓展方向;優(yōu)選旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具,不僅有效縮短鉆井周期,而且對于把控水平井段的長度和軌跡具有良好的應(yīng)用效果(表3[66-70])。
隨著涪陵、長寧—昭通、威遠等地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的突破,人們逐漸意識到并不是只要有頁巖分布的地區(qū)就能實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)開發(fā),其不僅需具備較好的“地質(zhì)甜點”作為前期工作的基礎(chǔ)[71],而且其“工程甜點”是后期實現(xiàn)氣藏能否成功改造的必不可少的條件[72],能否實現(xiàn)頁巖氣的高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn),其壓裂增產(chǎn)改造等相關(guān)技術(shù)是關(guān)鍵[13]。
“高凈壓、大排量”是早期針對深層頁巖氣水平井的壓裂施工整體方案[73],但在高水平地應(yīng)力差情況下,裂縫主要沿著最大主應(yīng)力方向延伸和拓展,體積壓裂效果較差,導(dǎo)致中后期泵壓迅速上升,不得已采用降低排量的方式確保施工的完成,最后導(dǎo)致水平井遠端壓裂效果差[74]。以焦石壩和威遠地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖為例,雖然這兩者脆性礦物含量相當,分別為65.8%和62.4%,但是埋藏深度不同,前期施工發(fā)現(xiàn),水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)存在較明顯的差異(圖9[16]),這兩者不可避免地受到了水平應(yīng)力差的影響。因此,開發(fā)深層且具有較高水平應(yīng)力差的頁巖氣藏,可以考慮大范圍的貫通天然裂縫和層理面等力學(xué)性質(zhì)較為薄弱的結(jié)構(gòu)[75],通過改變射孔方式[76]、采用雙水平井拉鏈式同步壓裂的方法盡可能地增加巖石之間的應(yīng)力干擾[77],盡可能溝通更大范圍的天然裂縫和層理面,提高氣藏改造效果和保持后期的穩(wěn)產(chǎn)。
深層上覆地層壓力大,壓裂后支撐劑進入裂縫很快被壓實而嵌入巖石內(nèi)部,導(dǎo)致裂縫變窄,從而降低裂縫整體的疏導(dǎo)能力,考慮采用多尺度小粒徑支撐劑,實行多級裂縫充填[74]。
另外,筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn),套管變形同樣也發(fā)生在后期壓裂施工的過程中,這是由于水力壓裂施工過程中局部所產(chǎn)生的異常高壓使得地層體積壓縮變形,同時,壓裂后滑溜水與頁巖中的黏土接觸,黏土水化膨脹,以上兩者均會導(dǎo)致套管變形和破壞[78-79]。借鑒中深層頁巖氣射孔方式,量化并合理把控分段壓裂的簇數(shù),如丁山地區(qū)五峰-龍馬溪組1 034.23 m中的水平斷分24簇進行分段壓裂,其中每簇合理的間距為46 m,可獲得107%多裂縫覆蓋率,既保證了體積能夠得到充分改造,又能不破壞巖層的應(yīng)力平衡[74];另外,可考慮采用液氮這種環(huán)保型壓裂介質(zhì),既可以提高深層頁巖層系的脆性[80],也較好地防止黏土遇水發(fā)生水化膨脹[81]。深層頁巖氣藏中的流體是多種機制運移的結(jié)果,包括吸附和解吸、擴散流動、黏性流動以及天然裂縫的應(yīng)力敏感性等,通過建立和優(yōu)化試井數(shù)學(xué)模型,將這些機制同時納入頁巖氣藏中多裂縫水平井(MFHW)的試井模型中是未來軟件系統(tǒng)上多參數(shù)和高精度發(fā)展方向[82-83]。

表3 深層頁巖氣藏水平井鉆完井過程中存在問題和解決措施的建議Table 3 The existing problems and suggestions for solutions in drilling and completion of horizontal wells in deep shale gas reservoirs

圖9 焦石壩和威遠地區(qū)不同地應(yīng)力差下水力壓裂效果[16]Fig.9 Hydraulic fracturing effect under different ground stress difference in Jiaoshiba and Weiyuan area[16]
(1)頁巖氣藏埋深介于≥3 500 m~<4 500 m者為深層頁巖氣藏,四川盆地五峰-龍馬溪組頁巖氣資源量主要分布在大于3 500 m的埋深范圍內(nèi),有機質(zhì)豐度高且有效厚度大的有利勘探開發(fā)目標區(qū)屬川東南和川南地區(qū)。
(2)深層頁巖氣藏較高的有效應(yīng)力,使得頁巖滲透率和孔隙度下降;較高的地壓和地溫下頁巖力學(xué)性質(zhì)由脆性向延性過渡,巖石以雙剪切或者單剪切破壞模式為主;較高的水平應(yīng)力差下,裂縫主要沿最大水平主應(yīng)力方向延伸而不發(fā)生轉(zhuǎn)向,不能形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)。
(3)深層頁巖氣藏勘探開發(fā)風險埋深約為4 500 m,同時也是五峰-龍馬溪組頁巖層系延性帶頂界。深層條件下水平井套管和井筒發(fā)生變形和破壞、水平井方位漂移、壓裂改造效果不明顯、試井模型所考慮的流體運移機制不全等問題凸顯,嚴重阻礙著四川盆地深層頁巖氣勘探開發(fā)事業(yè)的進程,對此應(yīng)積極探索針對關(guān)于水平井鉆井和壓裂方面的先進技術(shù)、設(shè)備和方案。