頁(yè)巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用建議

摘 要

摘要：頁(yè)巖氣因其儲(chǔ)層滲透率超低、氣體賦存狀態(tài)多樣等特點(diǎn)，決定了采用常規(guī)的壓裂形成單一裂縫的增產(chǎn)改造技術(shù)已不能適應(yīng)頁(yè)巖氣藏的改造，必須探索研究新型的壓裂改造技術(shù)，方能使其
摘要：頁(yè)巖氣因其儲(chǔ)層滲透率超低、氣體賦存狀態(tài)多樣等特點(diǎn)，決定了采用常規(guī)的壓裂形成單一裂縫的增產(chǎn)改造技術(shù)已不能適應(yīng)頁(yè)巖氣藏的改造，必須探索研究新型的壓裂改造技術(shù)，方能使其獲得經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)。為此，在總結(jié)分析美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖性、物性、天然裂縫與力學(xué)性質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，依據(jù)復(fù)雜裂縫形成機(jī)理，提出了壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)、增大改造體積的基本地層條件的觀點(diǎn)，歸納了直井和水平井體積壓裂改造工藝技術(shù)方法等。實(shí)踐表明：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層獲得體積壓裂后不僅初期產(chǎn)量高，而且更有利于長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)；在我國(guó)壓裂增產(chǎn)改造將是開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣最重要的技術(shù)手段。建議分海相、陸相兩大類(lèi)型開(kāi)展體積壓裂適應(yīng)性、體積壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)施工藝技術(shù)、壓后監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)等攻關(guān)研究。
關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；體積壓裂；縫網(wǎng)；剪切裂縫；水壓裂；監(jiān)測(cè)；建議
1 頁(yè)巖氣基本特征
    美國(guó)Fort Worth、Illinois盆地等5大盆地生產(chǎn)頁(yè)巖氣，占美國(guó)產(chǎn)氣量的95%以上，頁(yè)巖氣開(kāi)采深度普遍小于3000m，其儲(chǔ)層典型特征為：①石英含量大于28%，一般為40%～50%，遭受破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的縫網(wǎng)；②頁(yè)巖氣儲(chǔ)層致密，孔隙度為4.22%～6.51%，基質(zhì)滲透率在1.0mD以下；③頁(yè)巖微裂縫發(fā)育，頁(yè)巖氣在裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不發(fā)育情況下，很難成為有效儲(chǔ)層；④頁(yè)巖氣有機(jī)質(zhì)豐度高，厚度大，有機(jī)碳含量一般大于2%，成熟度為1.4%～3.0%，干酪根以腐泥～混合型為主，有效厚度一般在15～91m；⑤頁(yè)巖脆性系數(shù)高，容易形成剪切裂縫，如Barnett頁(yè)巖楊氏模量為34000～44000MPa，泊松比為0.2～0.3；⑥頁(yè)巖氣主要有吸附態(tài)、溶解態(tài)和游離態(tài)3種賦存狀態(tài)，其賦存狀態(tài)要求有大的改造體積，這樣才會(huì)獲得高產(chǎn)[1～2]。
2 頁(yè)巖氣井體積壓裂技術(shù)
    體積壓裂是指在水力壓裂過(guò)程中，使天然裂縫不斷擴(kuò)張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率。
    頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透率超低，厚度大，天然裂縫發(fā)育，氣體主要以吸附態(tài)吸附在有機(jī)質(zhì)表面，常規(guī)改造形成單一裂縫很難獲得好的增產(chǎn)效果。數(shù)值模擬研究表明[3]，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造的體積(SRV，106ft3；1ft3=0.028317m3，下同)越大，壓后增產(chǎn)效果越好(圖1)。但要實(shí)現(xiàn)體積改造，除地層要具備體積壓裂的基本條件外，壓裂改造工藝方法也十分關(guān)鍵。
 

2.1 頁(yè)巖氣體積改造的地層條件
    1) 天然裂縫發(fā)育，且天然裂縫方位與最小主地應(yīng)力方位一致。在此情況下，壓裂裂縫方位與天然裂縫方位垂直，容易形成相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)裂縫。
    2) 巖石硅質(zhì)含量高(大于35%)，脆性系數(shù)高。巖石硅質(zhì)(石英和長(zhǎng)石)含量高，使得巖石在壓裂過(guò)程中產(chǎn)生剪切破壞，不是形成單一裂縫，而是有利于形成復(fù)雜的網(wǎng)狀縫，從而大幅度提高了裂縫體積。
    3) 敏感性不強(qiáng)，適合大型滑溜水壓裂。弱水敏地層，有利于提高壓裂液用液規(guī)模，同時(shí)使用滑溜水壓裂，滑溜水黏度低，可以進(jìn)入天然裂縫中，迫使天然裂縫擴(kuò)展到更大范圍，大大擴(kuò)大改造體積。圖2為滑溜水壓裂和交聯(lián)凍膠壓裂改造范圍的比較曲線。
 

2.2 頁(yè)巖氣井體積壓裂工藝技術(shù)
2.2.1直井滑溜水大型壓裂技術(shù)
2.2.1.1 壓裂工藝
    壓裂工藝體現(xiàn)了“兩大、兩小”特征，其中“兩大”是指：①大排量，施工排量10m3/min以上；②大液量，單井用液量2271～5678m3。“兩小”是指：①小粒徑支撐劑，支撐劑一般采用70/100目和40/70目陶粒，②低砂比，平均砂液比為3%～5%，最高砂液比不超過(guò)10.0%。
2.2.1.2 壓裂液體系
    壓裂液體系以滑溜水為主，滑溜水可以采用陰離子聚合物，也可以用低濃度瓜膠。
2.2.2水平井分簇射孔分段壓裂技術(shù)
2.2.2.1 分簇射孔技術(shù)
    為了壓裂形成網(wǎng)狀裂縫、提高改造體積，采用分簇射孔技術(shù)，每級(jí)分4～6簇射孔，每簇長(zhǎng)度0.46～0.77m，簇間距20～30m，孔密16～20孔/m，孔徑13mm，相位角60°或者180°。
2.2.2.2 分段壓裂技術(shù)施工參數(shù)
    施工排量為12.7～19.0m3/min；壓裂液為滑溜水或低濃度膠液，每段用量2000～5000m3；支撐劑單井用量為60～190m3，100目支撐劑30～360kg/m3斜坡遞增濃度，40/70目支撐劑30～600kg/m3斜坡遞增濃度。
2.2.2.3 分段壓裂技術(shù)施工步驟
    施工步驟為：①第一段采用油管或連續(xù)油管傳輸射孔，提出射孔槍?zhuān)虎趶沫h(huán)空進(jìn)行第一段壓裂；③凝膠沖洗井筒；④用液體泵送電纜+射孔槍+橋塞工具入井；⑤電引爆座封橋塞，射孔槍與橋塞分離，試壓(約過(guò)射孔段25m)；⑥拖動(dòng)電纜帶射孔槍至射孔段，射孔，拖出電纜；⑦壓裂第二層，重復(fù)步驟④～⑦，實(shí)現(xiàn)多層分段壓裂。
2.2.2.4 壓后橋塞處理
    壓后用連續(xù)油管磨銑或Φ73mm+Φ101.6mm的5刃刀鉆掉橋塞，合層排液求產(chǎn)。
2.3 頁(yè)巖氣體積改造效果
    采用上述方法，通過(guò)井下微地震波測(cè)試，證實(shí)頁(yè)巖氣直井滑溜水大規(guī)模壓裂和水平井分簇射孔分段壓裂形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，提高了壓裂改造效果(圖3)。
在Barnett頁(yè)巖19口有井下微地震監(jiān)測(cè)資料的井，改造后的體積與壓后6個(gè)月和3a累計(jì)產(chǎn)量的比較曲線見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：19口井的壓裂改造體積在5.3×106～52.7×106m3，且壓后4個(gè)月的累計(jì)產(chǎn)量隨著改造體積的增加而增加，壓后3a增加的幅度更大，這充分說(shuō)明改造體積對(duì)頁(yè)巖氣壓后產(chǎn)量的重要作用。
 

3 對(duì)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井壓裂改造技術(shù)的建議
    我國(guó)古生界海相和中新生界陸相均發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣[4]，海相頁(yè)巖以南方、華北等3大地區(qū)為主，陸相頁(yè)巖分布于松遼、準(zhǔn)噶爾等5大盆地，主要盆地和地區(qū)的頁(yè)巖氣資源量為15×1012～30×1012m3，因沉積環(huán)境與條件的差異，各盆地與地區(qū)頁(yè)巖氣非均質(zhì)性非常強(qiáng)。因此，各盆地與地區(qū)頁(yè)巖氣對(duì)壓裂改造技術(shù)適應(yīng)性，將是一個(gè)長(zhǎng)期研究與探索的過(guò)程，不可能一蹴而就，建議分海相與陸相兩大頁(yè)巖氣類(lèi)型展開(kāi)體積壓裂技術(shù)攻關(guān)研究與試驗(yàn)。
    1) 復(fù)雜裂縫形成的機(jī)理研究：①巖性、物性、力學(xué)性質(zhì)與天然裂縫條件；②最大與最小主地應(yīng)力差異；③剪切裂縫形成機(jī)制。
    2) 體積壓裂工藝技術(shù)方面：①體積壓裂油藏?cái)?shù)值模擬研究；②水力裂縫間距與導(dǎo)流能力優(yōu)化[5]；③體積壓裂實(shí)施與控制技術(shù)研究，包括同步壓裂技術(shù)等。
    3) 體積壓裂適合材料研究。
    4) 先試驗(yàn)直井，在直井試驗(yàn)成功取得經(jīng)驗(yàn)后再向水平井拓展。
    5) 裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)方面要大力發(fā)展井下微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，以評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展情況，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)壓裂設(shè)計(jì)與評(píng)估效果。
4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
    1) 頁(yè)巖氣在國(guó)外得到了很好的開(kāi)發(fā)利用，而國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)研究則處于起步階段，亟待攻關(guān)研究其增產(chǎn)改造技術(shù)。
    2) 頁(yè)巖氣主要采用壓裂投產(chǎn)方式開(kāi)發(fā)，包括直井滑溜水大型壓裂和水平井分簇射孔分段壓裂，改造思路為形成復(fù)雜縫網(wǎng)的體積改造技術(shù)。
    3) 頁(yè)巖氣水平井主體體積壓裂技術(shù)為可鉆式橋塞封隔分段壓裂，包括分段電纜簇射孔技術(shù)，高排量、滑溜水、大規(guī)模、低砂比壓裂施工技術(shù)，可鉆式橋塞封隔技術(shù)等。
    4) 國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣有豐富的資源量，要得到有效的開(kāi)發(fā)利用，壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)尤為關(guān)鍵，建議首先在直井上開(kāi)展體積壓裂技術(shù)，探索工藝、液體、施工參數(shù)的適應(yīng)性和評(píng)價(jià)壓后效果，取得成功后向水平井發(fā)展。
    5) 為發(fā)展國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣水平井體積壓裂技術(shù)，應(yīng)重點(diǎn)研究泵送可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)，包括研制可鉆式橋塞，研究電纜分級(jí)射孔技術(shù)，電引爆橋塞座封技術(shù)等配套技術(shù)。
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(本文作者：陳作 薛承瑾 蔣廷學(xué) 秦鈺銘 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院)