體積改造技術(shù)在中國的應(yīng)用與發(fā)展

2009年美國的天然氣產(chǎn)量為5934108m3，超過俄羅斯，成為世界上最大的天然氣生產(chǎn)國。其中，異常天然氣產(chǎn)量為3095108m3，占總排放量的52%。美國頁巖氣年產(chǎn)量上升速度迅猛,2000年僅為122×108m3,而2009年則達到878×108m3,占當(dāng)年天然氣產(chǎn)量的15%。美國非常規(guī)天然氣的快速增長改變了世界能源的格局,影響巨大。分析美國非常規(guī)天然氣,特別是頁巖氣產(chǎn)量快速增長的原因,主要得益于3個方面的突破:①微地震裂縫診斷技術(shù)的逐漸應(yīng)用,促使人們認(rèn)識到改造體積與增產(chǎn)效果具有顯著正相關(guān)的關(guān)系,推動了理念創(chuàng)新,形成了以提高最大地層接觸面積為目標(biāo)的壓裂技術(shù)新理念,提出了如何提高儲層改造體積(stimulatedreservoirvolume,簡稱SRV)的技術(shù)思路;②水平井分段改造技術(shù)的進步,使得通過相應(yīng)的技術(shù)手段和配套工具來實現(xiàn)提高儲層改造體積成為可能;③采用叢式水平井鉆井、同步壓裂或者交叉式壓裂的“工廠化”作業(yè)模式,實現(xiàn)了頁巖氣的低成本開發(fā)。在系統(tǒng)總結(jié)分析美國非常規(guī)天然氣成功開發(fā)經(jīng)驗的同時,借鑒其提出的提高儲層改造體積新理念,筆者提出了“體積改造技術(shù)”的新概念。鑒于國內(nèi)同仁對“體積改造技術(shù)”的認(rèn)識還處于初級階段,因此,本文對“體積改造技術(shù)”的定義和內(nèi)涵、支撐該技術(shù)的理論模型及相應(yīng)的技術(shù)特色等進行系統(tǒng)闡述,期望通過大力倡導(dǎo)體積改造理念,推動國內(nèi)儲層改造技術(shù)的快速進步。1應(yīng)用barnett頁巖數(shù)字政Maxwell、Fisher等人分別于2002年發(fā)布了微地震裂縫測試研究成果:裂縫平面和縱向上呈復(fù)雜網(wǎng)狀擴展形態(tài),不是單一對稱裂縫。施工注入的液體規(guī)模越大,在平面上的微地震事件波及的面積就越大,裂縫網(wǎng)絡(luò)“長度”越長,增產(chǎn)及穩(wěn)產(chǎn)效果越好(圖1)。Fisher等人2004年的地震監(jiān)測研究成果系統(tǒng)總結(jié)了Barnett頁巖直井壓裂時的裂縫形態(tài)及擴展特征,給出了直井網(wǎng)絡(luò)裂縫典型圖,并用“通道長度”和“通道寬度”來表征裂縫擴展的長度和寬度,數(shù)據(jù)表明這些通道長度可達1600m,寬度可達366m。Mayerhofer等人2006年在研究Barnett頁巖的微地震技術(shù)與壓裂裂縫變化時,第1次用到“改造的油藏體積”這個概念,研究了不同SRV與累積產(chǎn)量的關(guān)系,提出了增加改造體積的技術(shù)思路。2008年Mayerhofer等人第1次在論文標(biāo)題中提出了“什么是油藏改造體積”的問題,并通過對Barnett頁巖某累積產(chǎn)量的對比分析,進一步驗證了改造體積越大,增產(chǎn)效果越好的觀點。但該文并未給出完整的體積改造理念定義與內(nèi)涵。2“體積重建技術(shù)”的基本內(nèi)涵和滲透特征2.1體積改造技術(shù)體積改造技術(shù)具有廣義與狹義的定義區(qū)別。目前筆者將提高縱向剖面動用程度的分層壓裂技術(shù)、提高儲層滲流能力及增大儲層泄油面積的水平井分段改造技術(shù)都認(rèn)為是廣義上的“體積改造技術(shù)”。其目的就是進一步強化體積改造理念,加速推動技術(shù)進步。狹義的體積改造技術(shù)則是針對通過壓裂手段產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)裂縫為目的的改造技術(shù)而言的,其相應(yīng)的定義與作用為:通過壓裂的方式對儲層實施改造,在形成一條或者多條主裂縫的同時,通過分段多簇射孔,高排量、大液量、低黏液體,以及轉(zhuǎn)向材料與技術(shù)等的應(yīng)用,實現(xiàn)對天然裂縫、巖石層理的溝通,以及在主裂縫的側(cè)向強制形成次生裂縫,并在次生裂縫上繼續(xù)分枝形成二級次生裂縫,以此類推。讓主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將可以進行滲流的有效儲集體“打碎”,使裂縫壁面與儲層基質(zhì)的接觸面積最大,使得油氣從任意方向的基質(zhì)向裂縫的滲流距離最短,極大地提高儲層整體滲透率,實現(xiàn)對儲層在長、寬、高三維方向的全面改造。該技術(shù)不僅可以大幅度提高單井產(chǎn)量,還能夠降低儲層有效動用下限,最大限度提高儲層動用率和采收率。2.2裂縫擴展及變形模擬經(jīng)典理論下的壓裂技術(shù)以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ),假設(shè)壓裂人工裂縫起裂為張開型,且沿井筒射孔層段形成雙翼對稱裂縫,后期的研究中盡管考慮了裂縫非平面擴展,但也僅限于多裂縫、彎曲裂縫、T型縫等復(fù)雜裂縫的分析,理論上未有突破,裂縫起裂依舊以應(yīng)力強度因子方程為基礎(chǔ)進行表征。由格里菲斯理論準(zhǔn)則可知,只要裂縫尖端處的應(yīng)力強度因子Ki達到或超過其臨界斷裂韌性(KC)時,裂縫就會破裂并延伸擴展,即Ki≥KC。由應(yīng)力強度因子模型,可以得到裂縫擴展的臨界壓力方程。穿層前:p(x,t)=1√πΗ(x,t)/2Κi+σh(1)p(x,t)=1πH(x,t)/2√Ki+σh(1)穿層后:p(x,t)=1√πΗ(x,t)/2Κi+2π(σΗ-σh)cos-1(h/Η)+σh(2)p(x,t)=1πH(x,t)/2√Ki+2π(σH?σh)cos?1(h/H)+σh(2)從上兩式知,臨界壓力的物力意義是裂縫中裂縫截面處液體壓力必須達到或超過它,裂縫才能繼續(xù)延伸擴展。同時亦表明遮擋層與產(chǎn)層間應(yīng)力差越大,裂縫越不易穿層。然后再根據(jù)相關(guān)模型建立裂縫寬度剖面方程、縫內(nèi)流場壓力方程、裂縫高度擴展方程等,通過數(shù)值求解表征裂縫的三維擴展形態(tài)。體積改造理念的提出,顛覆了經(jīng)典壓裂理論。體積改造形成的已經(jīng)不再是雙翼對稱裂縫,而是復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng),裂縫的起裂與擴展不簡單是裂縫的張性破壞,而且還存在剪切、滑移、錯斷等復(fù)雜的力學(xué)行為。Hossain等人采用分形理論反演模擬天然裂縫網(wǎng)絡(luò),考慮了線彈性和彈性裂縫變形和就地應(yīng)力場,建立了節(jié)理、斷層條件下裂縫剪切擴展模型。其用于判斷裂縫是否產(chǎn)生剪切滑移的模型為:τn≥σefftan(φbasic+φeffdileffdil)(3)如果剪切膨脹作用產(chǎn)生的裂縫寬度的增加量為as,其計算模型為:as=Ustan(φeffdileffdil)(4)當(dāng)σeff>0時,總的裂縫寬度可以表示為:a=a01+9σeff/σnref+as+ares(5)a=a01+9σeff/σnref+as+ares(5)殘留裂縫寬度ares通常在高有效應(yīng)力下存在,這里假設(shè)為0,則縫寬a最終數(shù)學(xué)表達式為:a=a0+Ustan(φdil)1+9σeff/σnref(6)a=a0+Ustan(φdil)1+9σeff/σnref(6)以該模型為基礎(chǔ),可以用來計算剪切滑移形成的縫寬,為頁巖氣裂縫導(dǎo)流能力的形成及保持提供了計算方法。國內(nèi)研究者研究了裂縫張性起裂及剪切起裂的條件,建立了相應(yīng)的計算模型,現(xiàn)場探索試驗了縫網(wǎng)壓裂技術(shù),為頁巖氣體積改造研究進行了有益探索。當(dāng)天然裂縫發(fā)生張性斷裂時p>σn(7)產(chǎn)生張性裂縫所需凈壓力方程為:pnet(x,t)＞σΗ-σh2(1-cos2θ)(8)作用于天然裂縫的剪應(yīng)力過大,則天然裂縫容易發(fā)生剪切滑移,此時|τ|>τ0+Kf(σn-p)(9)由此建立相應(yīng)的發(fā)生剪切斷裂所需裂縫凈壓力方程為:pnet(x,t)＞1Κf[τ0+σΗ-σh2(Κf-sin2θ-Κfcos2θ)](10)在體積改造過程中形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)可以利用分形維數(shù)(FractalDimension,簡稱df)來進行表征,一般采用盒維數(shù)方法來確定裂縫軌跡的分形維數(shù)。假設(shè)體積改造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)在平面上如圖2所示,設(shè)在一個平面區(qū)域內(nèi)的邊長為L0,將L0等分為N個l,并按照L20/l2進行網(wǎng)格劃分,N(l)就是含有裂縫的網(wǎng)格數(shù),且各網(wǎng)格的裂縫系統(tǒng)都是相似的,那么N(l)可以表示成:N(l)=C/ldf(11)分形維數(shù)df可以通過N(l)和1/l的雙對數(shù)曲線的斜率求得。模擬計算得到的天然裂縫系統(tǒng)的分形維數(shù)一般在如下范圍內(nèi):二維模擬為1.0<df<2.0,三維模擬為2.0<df<3.0。同樣,在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上建立天然裂縫寬度方程、裂縫網(wǎng)絡(luò)中心壓力分布方程、液體流動方程等,通過模糊數(shù)學(xué)處理、有限差分求解等來最后得到裂縫網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)表征。2.3儲層滲透率與裂縫網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系傳統(tǒng)理論模型下的壓裂裂縫為雙翼對稱裂縫,以一條主縫為主導(dǎo)實現(xiàn)改善儲層滲流能力的目的,主裂縫的垂向上仍然是基質(zhì)向裂縫的“長距離”滲流,主流通道無法改善儲層的整體滲流能力,在儲層基巖向單一裂縫的垂向滲流中,如果儲層基質(zhì)滲透率極低,則能夠?qū)崿F(xiàn)有效滲流的距離(L)將非常短,“長距離”的滲流需要的驅(qū)動壓力則非常大,因此,該裂縫模式極大地限制了儲層有效動用率(圖3)。而在體積改造中,由于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),其滲流特征是基巖向各方向的裂縫實施“最短距離(L)”的滲流(圖4),滲流到裂縫后再沿著裂縫網(wǎng)絡(luò)流到井筒,因此需要的驅(qū)動壓力大大降低,這樣就可以極大地提高儲層有限動用率,并降低儲層有效動用下限。通常計算最短流動距離或所需驅(qū)動壓力的公式可由下式表征:L=√1.2×10-4ΚΔptφμ(12)圖5所示為筆者設(shè)定的參數(shù)模擬計算結(jié)果。從中可以看出,滲透率越低,能夠?qū)崿F(xiàn)有效滲流的距離越短。因此,也只有體積改造形成裂縫網(wǎng)絡(luò)才能滿足在這樣短距離條件下使基質(zhì)中的流體向裂縫滲流。儲層滲透率大小對裂縫網(wǎng)絡(luò)的需求程度的研究結(jié)果也驗證了裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲流特征。在頁巖氣儲層,一般K≤0.0001mD,裂縫網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)能極限的貢獻在80%左右。這說明,儲層滲透率越低,次生裂縫網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)能貢獻中的作用越明顯,體積改造效果越好。由此可見,借鑒體積改造技術(shù)理念,不僅可以有效開發(fā)頁巖氣,同樣對于致密氣和超低滲透乃至致密油藏的改造都有重要的指導(dǎo)意義。近年來,北美地區(qū)以Bakken、Eagleford為代表的致密油藏利用體積改造技術(shù)得到了快速發(fā)展。3儲層改造技術(shù)的難點大量研究成果表明,儲層是否具備實施體積改造的條件,儲層巖石礦物組分、天然裂縫發(fā)育狀況以及巖石力學(xué)特征是眾多因素中最重要的3個:1)儲層巖性具有顯著的脆性特征,是實現(xiàn)體積改造的物質(zhì)基礎(chǔ)。儲層礦物組分如果以石英和碳酸鹽巖兩類占優(yōu),則有利于產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng);如果以泥巖占優(yōu)則具有顯著塑性特征。不同區(qū)域的頁巖礦物組分差異較大,使用的改造技術(shù)和液體體系各不相同。2)頁巖儲層發(fā)育良好的天然裂縫及層理,是實現(xiàn)體積改造的前提條件。壓裂施工中,通過優(yōu)化排量、液體黏度以及采用相應(yīng)的技術(shù)方法,可以確?？p內(nèi)凈壓力滿足裂縫開啟條件,就能較為容易地形成復(fù)雜縫網(wǎng)。但壓裂形成縫網(wǎng)的難易程度與天然裂縫和水平層理的自然狀態(tài)(是否為潛在縫或張開縫,裂縫內(nèi)是否有充填物等)密切相關(guān)。如Woodford頁巖與Barnett頁巖的礦物組分基本相似,但滑溜水壓裂效果明顯較Barnett頁巖差,主要原因之一就是Woodford頁巖不含碳酸鹽巖,壓裂時天然裂縫起裂難,或不能有效開啟,或者支撐劑嵌入在裂縫黏土層,難以形成有效支撐。3)儲層巖石力學(xué)特性是判斷儲層巖石脆性程度的重要參數(shù)。目前一般通過對楊氏模量及泊松比的計算來確定脆性指數(shù)的高低,脆性指數(shù)高的易形成縫網(wǎng)。此外,目前除用巖石力學(xué)參數(shù)進行計算之外,還有用礦物組分來計算脆性指數(shù)的方式,主要取決于巖石樣品的獲取以及求取的實驗數(shù)據(jù)的多少。4水平井分段多簇裂縫應(yīng)力應(yīng)變模型分析“分段多簇”射孔實施應(yīng)力干擾是實現(xiàn)體積改造的技術(shù)關(guān)鍵。常規(guī)水平井分段壓裂進行段間距優(yōu)化時采用單段射孔、單段壓裂模式,避免縫間干擾;體積改造時優(yōu)化段間距則采用“分段多簇”射孔、多段一起壓裂的模式,利用縫間干擾,促使裂縫轉(zhuǎn)向,產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)。近期中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂酸化技術(shù)服務(wù)中心針對體積改造技術(shù)進行了相應(yīng)研究,建立了計算單簇裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力模型:σz誘導(dǎo)=pnetrc(c2r1r2)32sinθsin32(θ1+θ2)+pnet[r(r1r2)12cos(θ-12θ1-12θ2)-1](13)σy誘導(dǎo)=-pnetrc(c2r1r2)32sinθsin32(θ1+θ2)+pnet[r(r1r2)12cos(θ-12θ1-12θ2)-1](14)τyz誘導(dǎo)=pnetrc(c2r1r2)32sinθcos32(θ1+θ2)(15)由胡克定律得到:σx誘導(dǎo)=v(σz誘導(dǎo)+σy誘導(dǎo))(16)模擬計算結(jié)果表明(圖6):水平井分段多簇壓裂時在縫內(nèi)凈壓力的作用下裂縫周圍地應(yīng)力場會發(fā)生一定的變化,水平主應(yīng)力差值在距裂縫壁面一定范圍內(nèi)會大幅減小,甚至最大、最小水平主應(yīng)力方向也會發(fā)生反轉(zhuǎn),考慮到實際施工中凈壓力一般在10MPa以上,誘導(dǎo)水平主應(yīng)力差值一般在2MPa以上,若原始水平主應(yīng)力差值小于2MPa,則應(yīng)力重定向距離為20～30m。因此,將簇間距設(shè)置在20～30m內(nèi),裂縫轉(zhuǎn)向就會發(fā)生,在層理、主裂縫、轉(zhuǎn)向裂縫以及天然裂縫的共同作用下就能形成復(fù)雜縫網(wǎng),使體積改造的效果更好。5現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)針對頁巖氣的體積改造技術(shù)在儲層巖性及力學(xué)特性評價、裂縫復(fù)雜性控制因素評價、液體與支撐劑體系優(yōu)選、壓裂施工參數(shù)優(yōu)化、裂縫改造體積現(xiàn)場監(jiān)測以及壓后數(shù)值模擬反演等各種技術(shù)集合的基礎(chǔ)上,已經(jīng)基本形成現(xiàn)場應(yīng)用的主體技術(shù),即:水平井套管完井、分段多簇射孔、快速可鉆式橋塞、滑溜水多段壓裂等,其中后3項技術(shù)是關(guān)鍵。5.1橋塞+分級爆破技術(shù)分段多簇射孔基本特點為:一次裝彈+電纜傳輸+液體輸送+橋塞脫離+分級引爆,排量通常為16m3/min,單孔流量為0.27m3/min。主要包括:橋塞以及射孔槍定位技術(shù);橋塞與射孔槍分離技術(shù);分級引爆技術(shù)。5.2水力下入方式該工具的關(guān)鍵在于橋塞材料的研發(fā)與優(yōu)選,以及加工工藝。由于該工具的研發(fā)成功才使得多段分簇射孔分段壓裂成為可能。該工具下入方式通常采用(連續(xù))油管、水力爬行器或水力泵入等方式。技術(shù)特點包括節(jié)省鉆時(同時射孔及座封壓裂橋塞);易鉆,易排出(35min以內(nèi)鉆掉,常規(guī)鑄鐵時間大于4h)。適用于套管壓裂,可滿足多種套管尺寸,耐溫177℃,耐壓差70MPa。關(guān)鍵技術(shù)主要包括快速可鉆式橋塞材料、橋塞送入及座封、橋塞與射孔槍分離。5.3壓裂液體系及支撐特點基本特點為:大液量、大排量、大砂量、小粒徑、低砂比、低黏度。主要技術(shù)參數(shù)為:水平段長1000～1500m,分8～15段,每段分4～6簇,每簇長度0.46～0.77m,簇間距20～30m,排量在10m3/min以上,平均砂比介于3%～5%,每段壓裂液量介于1000～1500m3,每段支撐劑量介于100～200t,壓裂液體系采用滑溜水+線性膠組合方式,支撐劑以40或70目的石英砂為主。目前最新文獻報道表明:水平段越來越長(1372～2134m);改造段數(shù)越來越多(10～24段);段間距越來越短(約為90m);規(guī)模越來越大(每段使用2067m3滑溜水、175t支撐劑)。6交叉壓裂井觀測“工廠化”作業(yè)為頁巖氣實現(xiàn)有效開發(fā)提供了高效運行模式。一般現(xiàn)場實施有2種方式:2套車組同時壓裂稱為同步壓裂;2口井,1套車組,配合射孔、下橋塞等作業(yè),交互施工、逐段壓裂稱為交叉壓裂(zipperfracturing,又稱拉鏈?zhǔn)綁毫?,如果條件允許,一般選擇第三口井作為微地震觀測井。這種方法的顯著優(yōu)點是可以促使水力裂縫擴展過程中相互作用,產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng),增加改造體積(SRV),可大幅度提高初始產(chǎn)量和最終采收率;減少作業(yè)時間和設(shè)備動遷次數(shù),降低施工成本;一般平均產(chǎn)量比單獨壓裂可類比井提高21%～55%,成本降低50%以上。7儲層滲透率限筆者盡管對“體積改造技術(shù)”進行了全面的定義和闡釋,提出了縫網(wǎng)形成條件、滲流機理及剪切裂縫判別模式,初步研究了縫間干擾以及實現(xiàn)縫網(wǎng)壓裂的最優(yōu)縫間距等問題,可以指導(dǎo)優(yōu)化段間距及多段分簇射孔,為體積改造技術(shù)發(fā)展、完善及大力推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但這僅僅是一個開始。要想強力推進體積改造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,在借鑒與學(xué)習(xí)國外技術(shù)和研究成果的同時,還需要對該技術(shù)的滲流及增產(chǎn)的機理開展