页岩储层特征与储层破裂特征研究

秦文凯 (中石油大庆油田有限责任公司大庆钻探工程公司地质录井一公司,黑龙江大庆 163411)

页岩储层特征与储层破裂特征研究

秦文凯 (中石油大庆油田有限责任公司大庆钻探工程公司地质录井一公司,黑龙江大庆 163411)

分析了页岩气储层差异,与致密气、煤层气对比,页岩气在储层特性、渗流机理、赋存形态、储量方面存在差异;在此基础上从页岩储层微观结构、页岩气赋存形态、渗流机理及天然裂缝等方面进一步阐述了页岩储层特征。针对页岩储层的特点,需改变传统造长缝的压裂理念转变为形成缝网的压裂理念;探讨了页岩储层中岩石破裂特征,对产能优化方面总结了与不同脆性程度相适应的压裂液体系及支撑剂浓度;针对国内页岩开发现状提出展望,对我国页岩气研究与开发具有一定的指导意义。

页岩气;储层差异;储层特征;岩石破裂特征;压裂液;支撑剂

据中国国土资源部发布的《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》,中国页岩气地质资源储量为134×1012m3,可采资源潜力为25.08×1012m3,显示出中国页岩气资源开发潜力巨大。目前,在我国页岩气勘探开发处于起步阶段和理论探索阶段,需要加强对我国页岩储层特征的研究。为此,笔者通过文献调研总结了页岩储层特征,并分析了页岩储层的破裂特征,研究了页岩储层破裂与储层压裂之间的关系,通过这些研究针对我国页岩气藏储层改造技术提出了几点建议。

1 页岩气储层差异

非常规油气资源包括致密砂岩气、煤层气、页岩气。这3类非常规油气藏的物性参数、地质特征、天然气赋存机理、油气藏成藏机理、储量等方面都存在较大差异,这些因素都将影响压裂工艺、压裂液体系及支撑剂的选择。3种非常规油气藏储层特性[1-7]对比表如表1所示,从表1中可看出页岩储层的特殊性,在页岩气藏的开发中不可照搬现有的机理研究模式和压裂理念。

表1 非常规油气藏储层特性对比表

2 页岩储层特征

2.1 页岩微观结构

页岩储层中存在2种孔隙介质:微孔隙和纳米孔隙,这2种孔隙介质包括粒内孔和粒间孔。微孔隙存在于富含二氧化硅的泥质及黄铁矿物中(见图1),纳米孔隙分布于有机物和富含粘土的泥岩中(见图2)。粒间纳米孔隙较少发现,粒内纳米孔隙大量分布于矿物颗粒中,具有椭圆状和气泡状,椭圆状纳米孔隙通过吼道相连。研究人员对Barnett地区页岩地层中孔隙直径统计发现,纳米孔隙直径在5～600nm范围内,其中大部分分布在100nm附近[8]。

图1 硅化矿物中的微孔隙

图2 有机物中的纳米孔隙

2.2 页岩气的赋存形态

页岩气分为游离态、吸附态和溶解态。游离气存在于岩石颗粒孔隙和裂缝中;吸附气通过范德瓦耳斯力赋存在有机质颗粒、粘土矿物、干酪根颗粒以及孔隙表面;溶解气是指页岩气溶解于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中[9]。其中,游离气和吸附气占主要位置,而溶解气仅少量存在。吸附气量与干酪根类型,有机质成熟度、丰度、地层压力、温度、页岩中矿物组分有关。泥质含量越高,吸附能力越强;当含有碳酸盐、白云石矿物时,吸附能力显著降低。美国Barnett页岩储层中在石英含量为45%地层中获得最高的产量,表明页岩储层中吸附气含量与矿物组分有关。

2.3 页岩气渗流机理

页岩气在地层中渗流分为游离气阶段(在压后初期,人工裂缝和天然裂缝与井筒沟通,形成一定范围的压降漏斗,游离气在压降作用下流向井筒)和解吸阶段(随着游离气的开采,压降度增大,吸附于有机物表面及孔隙表面上的页岩气发生解吸,导致浓度差的产生,游离气在浓度差作用下以扩散方式运移[10])。

1)吸附模型 Langmuir单分子层吸附模型常用来表征压力与吸附量的关系,但吸附量还与温度有关,Bi-Langmuir模型考虑了温度和压力对吸附的影响。Langmuir模型的假设条件是吸附剂表面均匀,吸附分子间无相互作用力及单分子层定位吸附,BET多分子层吸附理论也可解释吸附现象,但忽略分子间侧向内聚力[11]。这些平衡吸附模型都过于简化,不能准确表征游离态及吸附态之间的动力学,同时由于孔隙结构非均值性,导致解吸速度比吸附速度更慢,即出现解吸滞后现象[12],所以应考虑孔隙分形特性,多层吸附等特点,建立更为合适的吸附解吸模型。

图3 天然裂缝中矿物充填层

2)扩散方程 开采页岩气时,储层压力降低,基质壁面吸附气发生解吸,导致基质表面与基质内部存在浓度差,使得基质内部页岩气以扩散方式运移至壁面。根据努森扩散kn=d/λ(d为孔隙的直径,λ为分子的平均自由程),可将扩散分为3种类型:菲克扩散(kn≥10)、诺森扩散(kn≤0.1)和过渡型扩散(0.1＜kn＜10)[13]。页岩基质中存在大量纳米孔隙,孔隙直径范围5～1000nm,甲烷气体平均自由行程为53nm,所以页岩中存在诺森扩散[14-15]。

2.4 天然裂缝

页岩地层中天然裂缝发育,其部分被方解石,石英等矿物充填(见图3)。由于天然裂缝中的方解石胶结物覆盖于非碳酸盐矿物颗粒表面,不会在胶结物和裂缝壁面之间形成晶体键,导致天然裂缝强度较低,因此天然裂缝在压裂时会重新开启。国外文献表明人工裂缝与天然裂缝相遇时会出现3种情形:人工裂缝穿过天然裂缝;人工裂缝沿天然裂缝延伸并在其尖端穿出;人工裂缝沿天然裂缝延伸一段距离后在其中部穿出。F.W.Gale指出大面积沟通天然裂缝将会获得更高采收率,因此对页岩储层进行压裂改造前应通过成像测井资料掌握储层的裂缝和孔隙发育、分布情况,采取适当的射孔方式和压裂方式尽可能多地沟通有机物基质及天然裂缝,提高页岩气产量[16]。

3 页岩地层破裂特征

常规储层或致密砂岩的压裂理念是在平面上改善储层渗流能力和纵向上提高储层剖面动用程度及有效性,其主要目的是形成长缝,而页岩储层的压裂理念主要基于能形成大范围的解吸区域,其压裂出发点主要有2点:在纵向和横向上形成复杂的裂缝网络,扩大页岩气解吸区域体积;大排量的方式向地层泵入大量压裂液,促进其在天然裂缝中的滤失,使天然裂缝重启。

页岩地层中压裂会出现3种裂缝:张性裂缝、剪切裂缝和混合张剪裂缝。张性裂缝在支撑剂有效支撑的情况下具有一定的导流能力,剪切裂缝是由于裂缝壁面发生错动产生的,在无支撑剂充填的情况下也能提供气体渗流通道,但在井筒周围形成的支撑裂缝或天然裂缝的闭合应力较远处更大,因此在无支撑剂充填的情况下不能形成游离气渗流通道。

所以,页岩储层中不再是简单的张性破坏,而存在剪切、滑移等复杂的力学行为。常规储层中裂缝扩张模型都是基于线弹性断裂力学,而页岩中在考虑线弹性和弹性裂缝变形及就地应力场的基础上,使用分形理论反演天然裂缝网络,建立裂缝剪切扩展模型[17-19]。

研究表明,在脆性程度越高(即脆性指数越大)的页岩储层进行压裂形成的是复杂裂缝网络,脆性程度越高,形成的裂缝网络越密集,裂缝净压力越小,裂缝宽度越小,这会限制加砂量,大规模加砂或造成砂堵,因此针对该类储层建议使用缝网压裂方式。脆性页岩是最理想页岩地层,但部分泥质含量较高的页岩地层中脆性因素降低,塑性程度增加,使裂缝形态由裂缝网络逐渐向T型裂缝、多裂缝、对称双翼缝转变。在该裂缝形态前提下,在横向上形成一定解吸带。同时在高闭合应力下塑性页岩地层中易发生支撑剂嵌入现象,对该类储层压裂可适当提高砂比,形成较高铺砂浓度,降低因嵌入引起导流能力下降。一般而言,根据页岩储层的脆性程度,改造时选择压裂液体系和支撑剂浓度可参考表2。

4 中国页岩气储层改造技术的几点建议

1)借助国外超低渗透率测试理念和技术,制定适合我国页岩储层渗透率测试方法及相关的标准,形成具有自主知识产权的测试技术。

2)研究页岩储层岩石的破裂特征,基于该破裂特征提出适合页岩岩石的本构方程,并提出适合页岩的强度准则,将促进页岩储层的压裂改造技术的革新。

3)加大对脆性页岩地层中形成复杂裂缝网络的研究,开展大量基础实验工作,深化页岩储层基础研究,提出页岩储层形成复杂裂缝网络的关键因素或主要因素。

4)页岩储层压裂中支撑剂的嵌入导致支撑剂与裂缝壁面存在裂缝面表皮系数,将降低基质中气体向支撑裂缝渗流,应研究页岩中支撑剂沉降及铺置方式,提高基质向裂缝供气的能力及裂缝导流能力。

5)国外学者提出页岩储层可实施高能气体压裂,在井眼周围形成大量微裂缝,该技术可用于脆性页岩储层改造。基于高能气体压裂优点,可研究和其他压裂技术(如清水压裂)相结合,使形成复杂的裂缝网络,提高裂缝网络的区域。

6)加大跟踪调研国内外水平井钻完井及压裂改造技术发展动向,紧跟国外压裂技术发展趋势,根据我国页岩储层实际的地质特征,在此基础上结合国外先进压裂技术,提出适合我国页岩储层的压裂技术及压裂施工工艺,以便加快我国页岩气藏的开发。

7)页岩压裂成本较高,应大力开展返排液回收及再利用技术,降低成本,保护环境。

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[编辑] 洪云飞

TE122.1

A

1673-1409(2014)32-0019-04

2014-07-19

秦文凯(1982-),男,工程师,现主要从事录井油气水层解释评价方面的研究工作。