页岩气井缝网压裂技术研究

摘要：岩气作为一种重要的非常规能源，具有低孔、低渗特征。通过与美国页岩气成藏地质条件的对比研究后发现，我国页岩气资源丰富，前景广阔，但尚处于起步阶段。因此，应借鉴北美地区页岩气储层特点和开发技术，加快技术研发和应用力度，尽快形成和配套适应我国页岩气压裂技术应用的基础理论与技术系列。

针对低孔隙度、低渗透-特低渗透储层的缝网压裂技术，完善了缝网压裂的概念。分析了不同类型的储层形成缝网的力学条件，研究了各种缝网压裂施工方式，提出了目前可应用的缝网压裂施工方法，确立了页岩气缝网压裂设计原则及相关理论基础，阐述了缝网压裂设计的基本思路及优化方法，并指出缝网压裂的发展方向，对理论和现场施工有重要的参考价值。实验结果表明，压裂后效果显著，分析显示有多缝形成。

关键词：页岩气；开发现状；地质特征；缝网压裂；实验验证

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。近几年，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。

1 页岩储层特征

页岩是黏土岩的一种，由黏土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成，具有页状或薄片状层理，页岩气藏既是气源岩又是储集层，普遍富含有机质。页岩气藏中的天然气既有自由气，又有吸附气，其开采机理相对复杂。页岩气藏由于渗透率极低（（0.000 1～0.000 001）×10-3，），釋放天然气的速度很慢，单井产量较低。但是多数页岩层分布相对平缓，厚度大，可预见性强，地层规模大，天然裂缝较为发育，因此页岩气井初期产量不高，但稳定生产后持续时间较长。页岩是一种渗透率极其低的沉积岩。天然气蕴藏在页岩孔隙空间及裂缝内，或吸附在页岩有机物的活性表面。间隙气与吸附气一起构成页岩天然气。岩心分析表明，成熟、热成因的页岩主要被间隙气所饱和，吸附气所占比例在 50% 到 10%。相反，未发育成熟、生物成因的页岩主要被吸附气所饱和，间隙气所占比例很小。同时页岩孔隙空间中还被不同比例的水、气及可动油所饱和。储层性质最佳的页岩通常含油和含水饱和度低、间隙气饱和度高，因而气相相对渗透率也较高。该类页岩中有机物含量在中等以上，有机物发育程度较高，其组织结构反映出孔隙度和渗透率在埋藏过程中保存较好。成像测井和取心表明，页岩储层天然裂缝和层理发育，岩石中硅、钙含量高，机械性能差，容易压开压碎。含气页岩与普通页岩相比，含气页岩具有自然伽马强度高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低等特征。孔隙度、流体饱和度、渗透率和有机质含量等是衡量页岩储层是否具有开发价值的关键参数。根据国外大量数据统计，页岩储层水力压裂选层标准为：孔隙度大于4%，含水饱和度小于45%，含油饱和度小于5%，渗透率大于10～6 mD，有机质含量大于2%，泥质含量30%～40%[1]。

2 页岩气井缝网压裂技术

页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气。页岩气主要采用排气降压的开发方式。随着页岩中游离相天然气的采出，页岩气藏内部压力降低，吸附相及少量溶解相天然气的游离比，从而提高天然气产能并长期稳产。页岩气储层致密，孔隙度一般为4%～6%，渗透率一般在0.0001～0.000001mD之间，页岩气采收率比常规天然气低，仅为5%～60%。因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施，压裂技术和开采工艺直接影响着页岩气井的经济效益。

缝网压裂理论是今年来伴随天然裂缝性油藏压裂理论研究而发展起来的一项新型压裂理论和工艺技术。缝网压裂技术是利用储层两个水平主应力差值与裂缝延伸净压力的关系，当裂缝延伸净压力大于储层天然裂缝或胶结弱面张开所需的临界压力时，产生分支缝或经压力达到某一数值能直接在岩石本体形成分支缝，形成初步的“缝网系统”；以主裂缝为“缝网”系统的主干，分支缝可能在距离主缝眼神一定长度后又回复到原来的裂缝方位，或者张开一些与主缝成一定角度的分支缝，最终都可形成以主裂缝为主干的纵横交错的“网状缝”系统，这种实现“网状”效果的压裂技术系统成为“缝网压裂”技术。

3缝网压裂工艺介绍

缝网压裂是通过注入大量的高滤失、高弹性、轻度胶化的液体，来探寻天然裂缝，使用合适的规模和粒径的支撑剂作为筑堤砂的介质，使暴露裂缝面上产生更高的压差，从而使压裂液和砂进入那些随后张开的裂缝，直至井底压力变化表明裂缝已过度扩展。其最终目的是沟通天然缝网络，从而改善地层渗流面积。

缝网压裂现场分两个阶段实现：

（1）近井筒裂缝网络阶段

措施前充分了解主裂缝和天然裂缝的角度关系，根据缝网形成的充分程度，在研究

储层地应力状态的基础上，选择相应的施工参数，压开地层并迫使天然裂缝或孔隙尽可能张开。根据测试压裂解释的天然裂缝开启当量条数和开度，选择与天然裂缝或孔隙匹配的支撑剂粒径和用量，用低黏度、高弹性、抗剪切的低伤害压裂液携带支撑剂进入天然裂缝或孔隙。停泵待裂缝闭合。压裂液要求初期不能形成滤饼，依靠其弹性携砂。

（2）主裂缝 + 远端裂缝网络阶段

根据断裂力学理论，在延伸方向与接近于垂直最小主应力方向的裂缝裂开时所克服

的岩石应力相对较小，容易被支撑剂填充。停泵后等所有的裂缝都闭合后重新起泵时，这些裂缝会在一个较低的压力下首先开启，这样压裂液可更集中地作用于这些裂缝，获得足够宽的裂缝，从而可以允许更高的砂比通过。通过控制主裂缝延伸净压力，迫使其在延伸过程中逐级开启远端天然裂缝。同时在净压力作用下，近井裂缝网络也会有延伸，但延伸速度大大低于主裂缝。

结论

（1国内页岩气有丰富的资源量，要得到有效的开发利用，压裂增产改造技术尤为关键。针对低渗透、特低渗透储层的缝网压裂技术，是在达到预期目标支撑缝长的主裂缝基础上，形成多缝直至形成“缝网”系统。对不同类型的储层，根据弹性力学假设，采用不同的平面模型，分析得出了形成缝网的力学条件：对于天然裂缝性储层和天然裂缝不发育储层，在主裂缝上形成分支缝的条件分别是施工裂缝净压力超过储层水平最大、最小主应力差和储层水平最大、最小主应力差与抗张强度之和，可在原始裂缝的基础上形成新裂缝，实现缝网。

（2通过研究各种缝网压裂施工方式，提出目前可应用的两种缝网压裂施工方式为缝内封堵和端部脱砂压裂。缝网压裂技术是低渗透油田储层改造的发展方向，实验结果表明，压裂后效果显著，分析显示有多缝形成，并得出结论：岩石的类型和成分都会影响水力压裂过程中裂缝网络的延伸。

作者简介：

倪腾，男，1990年1月出生，助理工程师。