頁巖氣水平井壓裂影響因素分析

李華彥 杜建芬 汪周華 李立健 畢研鵬 管奕婷

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

1 頁巖氣概述

頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣，在頁巖氣藏中，頁巖地層既是氣源巖也是儲層及蓋層［1］，它是產(chǎn)自極低滲透率、富有機質(zhì)的頁巖地層中的天然氣。頁巖氣藏是以富有機質(zhì)頁巖為氣源巖、儲層或蓋層，在頁巖地層中不間斷供氣、連續(xù)聚集而形成的一種非常規(guī)天然氣藏。

頁巖氣是指在富有機質(zhì)頁巖地層中，主要以吸附、游離狀態(tài)為主要方式存在并富集的天然氣。它是天然氣生成以后直接儲存在富有機質(zhì)的烴源巖層內(nèi)，具有“原地”成藏的特點。頁巖氣主體上以游離相態(tài)(大約50%)存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間中［2］，吸附狀態(tài)(大約50%)存在于干酪根、黏土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)存儲于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，其特殊的賦存方式使之不受構(gòu)造因素控制，因此，有人把它歸屬為“連續(xù)性氣藏”［3］。

2 低滲透地層水平井多級壓裂

水平井多級壓裂［4］已成為頁巖氣商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)水平，它的主要目的是在超低滲地層條件系，通過水平井多條橫向裂縫增加與地層的接觸面積(圖1)，選擇合適的裂縫導(dǎo)流能力，從而提高頁巖氣的采收率。

從圖1可以看出，多級橫向裂縫與儲層接觸面積最大，幾乎貫穿整個油氣藏，而且在經(jīng)濟開采條件下，多級橫向裂縫所需的地層滲透率最低，因此，水平井多級壓裂技術(shù)用于低滲透率頁巖氣藏開發(fā)效果更好。

圖1 裂縫與儲層接觸面積、地層滲透率關(guān)系圖

3 頁巖氣水平井壓裂動態(tài)研究

3.1 水平井井筒周圍地應(yīng)力分布研究

原始地層應(yīng)力系統(tǒng)主要由3個相互垂直的地應(yīng)力構(gòu)成，即上覆地層產(chǎn)生的垂向上的應(yīng)力σv、水平方向的最大水平地應(yīng)力σH和最小水平地應(yīng)力σh。原始應(yīng)力場和誘導(dǎo)應(yīng)力場如圖2所示。

圖2 在誘導(dǎo)應(yīng)力下初始裂縫的地應(yīng)力分布

通過對誘導(dǎo)應(yīng)力場和原始應(yīng)力場進行疊加，可以獲得初始裂縫狀態(tài)下的復(fù)合應(yīng)力場。依據(jù)疊加的原理，水平井井壁處的復(fù)合應(yīng)力場數(shù)學(xué)模型應(yīng)為:

在井筒的剖面上可以建立垂直于井筒截面的柱坐標系，以此分析井壁處應(yīng)力分布狀態(tài)。

在水力壓裂過程中［5］，巖石起裂的方式主要是拉伸斷裂。依據(jù)巖石的拉伸破裂準則，如果巖石受到的有效拉應(yīng)力達到巖石的抗拉強度，巖石將會發(fā)生斷裂。換句話說，巖石在水壓力的驅(qū)動下將產(chǎn)生微裂縫的萌生、擴展、貫通，最后直到宏觀裂縫的產(chǎn)生。垂直地應(yīng)力σy、最大水平地應(yīng)力σH1、最小水平地應(yīng)力σH2三者的相對大小關(guān)系是裂縫起裂的位置和其方位的影響因素之一，同時井眼軸線位置和巖石的力學(xué)性質(zhì)也對其有影響。根據(jù)油氣藏埋深范圍，地應(yīng)力分量大小的一般順序為σv＞σH1＞σH2，σH1＞σv＞σH2，σH1＞σH2＞σv。

結(jié)合巖石力學(xué)和油氣藏工程技術(shù)對水平井壓裂方案進行優(yōu)化，具有重要的意義。在低滲透地層和滲透率各向異性的地層，水平井壓裂技術(shù)是一種較好的增產(chǎn)措施。

3.2 裂縫形態(tài)研究

一口水平井實際壓裂后產(chǎn)生哪一種形態(tài)的裂縫，主要取決于井筒軸線方位與地應(yīng)力方位的相互關(guān)系，可能形成橫向、縱向或轉(zhuǎn)向縫等多種形態(tài)［6］(圖3)。

圖3 水平井水力裂縫形態(tài)

壓裂施工作業(yè)中，如果需要壓開垂直地層的縱向裂縫，就應(yīng)使水平井的井軸垂直于地層最小的主應(yīng)力方向。如果要壓開平行于地層的橫向裂縫，就應(yīng)使水平井的井軸向著地層最小的主應(yīng)力方向。這樣會使裂縫起裂的時候相對容易，不易產(chǎn)生裂縫的轉(zhuǎn)向和扭曲［7］。

根據(jù)實踐經(jīng)驗，不論近井眼處的裂縫怎樣起裂，隨著裂縫不斷延伸至遠處時都將轉(zhuǎn)向沿著垂直地層的最小的主應(yīng)力方向。由此可見，水平井由壓裂工藝壓開的水力裂縫通常會和水平井段形成一定的夾角，若裂縫的起裂方向和裂縫的延伸的方向不相同時，在延伸的過程中裂縫就會相對復(fù)雜，例如出現(xiàn)的裂縫扭曲和轉(zhuǎn)向，這兩種裂縫應(yīng)盡量避免。

3.3 裂縫參數(shù)優(yōu)化

在水平井壓裂過程中，裂縫的參數(shù)優(yōu)化問題是決定壓裂效果好壞的關(guān)鍵，而裂縫的導(dǎo)流能力［8］是溝通井筒跟地層的重要參數(shù)，因此，選擇合適的裂縫導(dǎo)流能力對于水平井多級壓裂技術(shù)提高低滲氣藏采收率起著至關(guān)重要的作用。

由圖4可以看到，如果水平壓力井的優(yōu)化目標是采出程度的話，對于某一給出的裂縫導(dǎo)流能力就會存在一個最優(yōu)范圍的縫長比。當縫長比超出該范圍時，采出程度就會隨著縫長比的增加反而降低;若縫長比一定時，裂縫導(dǎo)流能力就會存在一個最優(yōu)的范圍，超出這個范圍時，采出程度就會隨著裂縫導(dǎo)流能力的增加而增幅逐漸減小。裂縫導(dǎo)流能力的增加會使壓裂過程中的加砂量也隨之增加，勢必導(dǎo)致施工成本的增加。因此，在水平井壓力工藝的設(shè)計過程中，應(yīng)該選擇合適的裂縫導(dǎo)流能力，這樣不但可以較好地發(fā)揮壓裂井的潛能，還可以取得良好的經(jīng)濟效益［9］。

圖4 縫長比和導(dǎo)流能力優(yōu)化曲線

3.4 垂直裂縫的水平井滲流機理

水平井的壓裂技術(shù)的滲流機理不同于原來普通的水平井，它是將其流體的徑向滲流模式改為了線性滲流的模式，從而實現(xiàn)了水平壓裂井的增產(chǎn)增注的效果。

徑向流的滲流模式特點是流線向井高度集中，并且井底的滲流阻力大，而線性流的滲流模式特點是流線平行于裂縫的壁面，其滲流阻力較徑向流要小得多。在開發(fā)過程中水平井壓裂技術(shù)可以使近井筒地帶流體的滲流方式發(fā)生改變，同時增加了泄油氣面積，提高了掃油氣效率，最終提高了氣井的單井產(chǎn)氣量和采收率。

4個滲流階段分別為:裂縫附近線性流動階段(第一線性流);垂直裂縫井擬徑向流動(第一徑向流);水平井線性流動階段(第二線性流);水平井擬徑向流動(第二徑向流)。各滲流階段如圖5所示。

圖5 4個滲流階段示意圖

4 頁巖氣水平井壓裂產(chǎn)能影響因素分析

(1)裂縫形態(tài)的影響。不同的水力裂縫形態(tài)會直接影響到壓裂后的生產(chǎn)效果。通過考察橫向裂縫和縱向裂縫兩種裂縫形態(tài)對壓后產(chǎn)量的影響，認為當儲層的有效滲透率小于5×10－3μm2時，儲層形成橫向裂縫時的效果要比縱向裂縫的效果好;當儲層的有效滲透率大于5×10－3μm2時，儲層形成縱向裂縫時的效果要比橫向裂縫的效果稍好些。因此，需要根據(jù)儲層的滲透率來確定水平井的井眼軌跡方向，若儲層的物性稍好，則儲層需沿著地層最大主應(yīng)力的方位布井，反之則沿地層最小主應(yīng)力布井。

(2)裂縫長度的影響。隨著裂縫長度的增加，氣井產(chǎn)氣量會隨之增大，但當氣井產(chǎn)氣量增大到一定程度之后增加幅度就會變小。對于油氣藏來說，在現(xiàn)有的經(jīng)濟及技術(shù)條件下，當裂縫的數(shù)量、地層滲透率以及裂縫的導(dǎo)流能力等參數(shù)一定時，存在一個最佳裂縫長度。

(3)裂縫條數(shù)的影響。不同的裂縫條數(shù)對壓裂水平井產(chǎn)量的影響也是不同的。隨著裂縫條數(shù)的不斷增多，壓裂水平井的產(chǎn)量也會不斷增大;在相同的時間里，當裂縫的條數(shù)相對較少時，單井產(chǎn)量的增加幅度就會相對較大;當裂縫的條數(shù)相對較多時，單井產(chǎn)量的增加的幅度就會減小。這是由于隨著裂縫條數(shù)的不斷增加，就會導(dǎo)致地層壓力的下降幅度大，從而使各裂縫間產(chǎn)生的干擾作用就會相對嚴重，這樣就導(dǎo)致各裂縫的產(chǎn)出量減小;所以，隨著裂縫條數(shù)的不斷增多，單井產(chǎn)量增加的數(shù)量也會越來越小。對某一個具體的頁巖氣藏，應(yīng)該存在著一個最優(yōu)的裂縫條數(shù)，在保證頁巖氣藏高效開發(fā)的同時獲得最大的經(jīng)濟效益。

(4)裂縫間距的影響。裂縫的間距對于水平井壓裂產(chǎn)量具有明顯影響。當兩條裂縫離得很近時，其相互的干擾就會隨之加劇，同時在它們之間就會形成一個低壓區(qū)，這個低壓區(qū)的存在導(dǎo)致其中采出的油氣量大幅度減少，當裂縫孔隙中所含的油氣達到束縛油氣飽和度時，就不再有油氣向著裂縫流動。因此選擇適當?shù)牧芽p間距對提高頁巖氣的采收率很重要。

5 結(jié)語

經(jīng)過以上分析認為:

(1)頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，它的開發(fā)主要取決于水平井與壓裂技術(shù)的結(jié)合。

(2)水平井多級壓裂技術(shù)適用于低滲氣藏，并且可以增加與地層的接觸面積。

(3)為了壓開縱向裂縫，水平井井軸應(yīng)向著垂直于最小主應(yīng)力的方向;為了壓開橫向裂縫，水平井井軸應(yīng)向著最小主應(yīng)力的方向。

(4)水平井壓裂設(shè)計時，應(yīng)選擇合適的導(dǎo)流能力，這樣不但能較好地發(fā)揮壓裂井的潛能，而且還能獲得良好的經(jīng)濟效益。

(5)影響水平井壓裂產(chǎn)能因素有很多，應(yīng)結(jié)合地層的物性參數(shù)選擇合適的裂縫形態(tài)、長度、數(shù)量、間距等，以保證氣藏高效的開發(fā)。

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