页岩气藏压裂改造难点与技术关键_赵金洲
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图 ２ 裂 缝 复 杂 性 示 意 图
页岩储层中大量存在的天然裂缝和水平应力间的 较小差异是形成复杂裂缝网络的重要地质条 件 。 ［３］ 当 压 裂 液 进 入 地 层 ，超 过 岩 石 抗 张 强 度 后 形 成 张 性 缝 ，这 与常规压裂一致；但 由 于 充 填 脆 性 岩 石 矿 物 的 天 然 裂 缝在有效应力超过抗 剪 强 度 时，天 然 裂 缝 也 会 继 续 延 伸 ，形 成 不 同 于 常 规 双 翼 平 面 缝 的 复 杂 裂 缝 网 络 。 目 前 还没有成熟的理论对裂缝网络起裂和延伸进行准确的 数 值 分 析 ，主 要 依 据 微 地 震 监 测 结 果 从 直 观 上 定 性 地 判 断裂缝网络的大致方位、间距和尺寸等参数（图３）。
图 ３ 微 地 震 数 据 生 成 的 复 杂 裂 缝 网 络 图 （１ｆｔ＝０．３０４ ８ ｍ，下 同 ）
由于对页岩气藏天然裂缝的描述和对复杂裂缝网 络认识的欠缺，使得 在 数 值 计 算 中 难 以 对 缝 网 等 相 关 参 数 进 行 理 论 上 合 理 的 假 设 ，直 接 影 响 压 后 产 能 、经 济 评价的准确性及施工优化设计的合理性。 ２．２ 页 岩 气 藏 压 裂 材 料 与常规气藏压裂最显著的差异就是页岩气藏多使 用滑溜水作为施工液体。由于液体中不含有残渣或不 溶物，不易对储层 造 成 伤 害。 在 页 岩 气 水 平 井 多 级 压 裂时，单级使用的 滑 溜 水 最 大 用 量 达 到 １８ ９００ ｍ３，因 此滑溜水的低成本能实现页岩气的经济开发。 在天然裂缝发育 的 页 岩 储 层 中，滑 溜 水 滤 失 量 增 大 ，易 造 成 砂 堵 ，加 砂 浓 度 和 总 体 规 模 受 到 限 制 。 滑 溜 水的黏度较低 （在 ４ ｍＰａ·ｓ左 右 ），支 撑 剂 颗 粒 沉 降 较 快 ，难 以 输 送 至 裂 缝 深 部 或 分 支 裂 缝 网 络 处 ，且 容 易 在裂缝底部沉积，形 成 砂 堤。 最 终 使 得 支 撑 剂 浓 度 分 布 不 均 匀 ，裂 缝 上 部 重 新 闭 合 ，分 支 裂 缝 也 难 以 形 成 有 效 的 支 撑 ，降 低 缝 网 改 造 程 度 ，增 加 了 施 工 不 确 定 性 。 由于滑溜水携砂 能 力 的 局 限，如 通 过 降 低 支 撑 剂 颗粒大小和密度的方 式 控 制 支 撑 剂 沉 降 速 度，又 会 使 得支撑剂承压能力下降或裂缝壁面塑性较强时易于嵌 入 ，降 低 裂 缝 导 流 能 力 。 另 外 ，储 层 泥 质 含 量 大 ，渗 透 率 极 低 。 除 了 常 用 的 降 阻 剂 外 ，滑 溜 水 压 裂 还 需 要 针 对 页 岩 气 藏 具 体 情 况 ， 研制和筛选合理的 添 加 剂。 如 气 水 同 产 时，毛 细 管 力 作 用 较 强 ，发 生 水 锁 现 象 ，降 低 气 相 渗 透 率 。 常 规 表 面 活 性 剂 虽 能 促 进 液 体 返 排 ，但 吸 附 性 较 强 ，有 效 作 用 距 离短。页岩气藏压裂 改 造 所 需 液 量 大，黏 土 稳 定 剂 如 果 按 照 常 规 的 比 例 配 制 ，加 入 量 非 常 大 ，又 难 以 满 足 低 成 本 、高 效 益 的 开 发 需 要 。 ２．３ 页 岩 气 藏 压 裂 工 艺 水平井分段压裂是目前经过现场验证的页岩气藏 最为有效和成功的压 裂 技 术，通 过 多 级 主 裂 缝 及 其 延 伸出的缝网，尽可能 实 现 与 极 低 渗 透 率 的 储 层 充 分 接 触 ，增 大 改 造 体 积 。 但 所 面 临 的 问 题 也 较 为 突 出 ：① 水 平 段 较 长 ，在 其 最 远 端 部 起 裂 压 力 较 高 ；② 需 要 可 靠 的 封隔器或桥塞实现不 同 改 造 位 置 的 有 效 封 隔；③ 近 井 区 域 裂 缝 扭 曲 和 形 态 复 杂 ，使 得 泵 注 压 力 大 ，继 续 延 伸 困 难 ，并 且 限 制 砂 浓 度 提 高 ，压 后 导 流 能 力 有 限 。 由 于 压裂液和支撑剂的特 殊 性 能、裂 缝 网 络 复 杂 性 以 及 改 造 规 模 的 影 响，需 要 不 断 优 化 泵 注 程 序 以 满 足 现 场 需要。 页 岩 气 改 造 层 段 多 ，液 体 和 支 撑 剂 用 量 大 ，施 工 时 间 长 ，特 别 是 在 同 步 压 裂 、重 复 压 裂 时 ，对 设 备 、人 员 的 水 平 、协 作 等 主 观 条 件 要 求 高 。
１ 页岩气藏储层基本特征
属于非常规油气资源的页岩气藏具有一系列特殊 的 储 层 特 征 ，导 致 开 发 过 程 中 气 体 渗 流 机 理 、压 裂 增 产 原理和相应的改造技术明显不同于常规气藏。页岩气 藏压裂改 造 涉 及 众 多 储 层 特 征 因 素，最 关 键 的 包 括： ①黏土含 量 较 高 （Ｂａｒｎｅｔｔ 页 岩 中 含 量 达 到 ３０％ 以 上 ），硅 酸 盐 、碳 酸 盐 含 量 高 的 储 层 岩 石 脆 性 较 强 ，使 得 天 然 裂 缝 更 易 起 裂 和 延 伸 ，易 于 形 成 复 杂 缝 网 ；② 孔 隙 度低、渗透性极低（Ｂａｒｎｅｔｔ页岩中孔隙度 在 ２％ ～６％， 渗 透 率 在 ５０～６００ｎＤ），需 要 通 过 有 效 压 裂 改 造 形 成 复 杂缝网，提高页岩 气 的 可 流 动 性；③ 有 机 质 含 量 越 高，
我国页岩气资源 潜 力 十 分 巨 大，可 采 资 源 量 约 为 ２６×１０１２ ｍ３，与美国 大 致 相 当。 仅 四 川 盆 地 寒 武 系 和 志留系两套页岩，其 资 源 量 就 相 当 于 该 盆 地 常 规 天 然 气资 源 量 的 １．５～２．５ 倍 。 ［１］ 国 内 第 一 口 页 岩 气 井———威２０１井经压 裂 获 得 工 业 气 流，标 志 着 页 岩 气 的开发已经起步，但 对 页 岩 气 藏 压 裂 改 造 增 产 机 理 还 缺 乏 认 识 ，并 缺 少 现 场 施 工 经 验 ，难 以 对 页 岩 气 的 开 发 提 供 必 要 的 技 术 支 撑 ，笔 者 就 此 进 行 了 全 面 总 结 。
图 １ Ｂａｒｎｅｔｔ页 岩 微 观 孔 隙 结 构 图 （Hale Waihona Puke Baidu 描 电 镜 ）
基 金 项 目 ：中 国 石 油 科 技 创 新 基 金 “页 岩 气 藏 压 裂 渗 流 理 论 与 应 用 研 究 ”（编 号 ：２０１１－５００６－０２０１）。 作者简介：赵 金 洲，１９６２ 年 生，教 授，博 士 生 导 师，本 刊 第 七 届 编 委 会 委 员 ；主 要 从 事 油 气 藏 压 裂 酸 化 理 论 与 应 用 的 教 学 和 科 研 工 作 。 地 址 ：（６１０５００）四 川 省 成 都 市 新 都 区 新 都 大 道 ８ 号 。 电 话 ：（０２８）８３０３２９７９。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｚ＠ｓｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
吸 附 气 含 量 越 大 ，增 产 有 效 期 越 长 ，且 有 机 质 中 存 在 孔 隙网络（图１），在气体扩散作用下具有良 好 渗 流 能 力； ④ 高 杨 氏 模 量 、中 低 泊 松 比 的 页 岩 脆 性 较 强 ，利 于 实 现 页岩储层的大规模复 杂 缝 网 改 造，塑 性 较 强 的 页 岩 则 需要首先确保长、窄、导 流 能 力 好 的 支 撑 主 裂 缝；⑤ 大 量天然裂缝是压裂过 程 中 的 薄 弱 位 置，既 是 形 成 裂 缝 网 络 的 关 键 因 素 之 一 ，也 是 气 体 流 动 的 重 要 通 道 ；⑥ 储 层 物 性 参 数 在 空 间 分 布 的 差 异 对 裂 缝 的 起 裂 、延 伸 、材 料 优 选 、施 工 设 计 、压 裂 效 果 等 方 面 有 重 要 影 响 。
第 ３２ 卷 第 ４ 期 开 发 工 程
· ４７ ·
２ 页岩气藏压裂改造难点
２．１ 页 岩 气 藏 压 裂 理 论 目前认为实现页岩气藏高效开发的重要前提就是 在目的层形成复杂的裂 缝 网 络 （图 ２）［２］。 在 施 工 过 程 中尽可能多的沟通天 然 裂 缝，使 得 渗 透 率 极 低 的 基 质 在扩散作用下释放的气体通过裂缝的沟通提高流动能 力。最终整个改造层位形成沟通页岩气藏和井底的大 型 复 杂 缝 网 系 统 ，尽 可 能 地 增 大 页 岩 储 层 改 造 体 积 。
赵 金 洲 等 ．页 岩 气 藏 压 裂 改 造 难 点 与 技 术 关 键 ．天 然 气 工 业 ，２０１２，３２（４）：４６－４９． 摘 要 我国的页岩气资源储量非常可观，国外成功开 发 的 经 验 表 明，压 裂 改 造 是 实 现 页 岩 气 高 效 、经 济 开 发 的 重 要技术步骤。为此，在详细调研和总结国内外相关成果的基 础 上，从 压 裂 改 造 的 角 度 分 析 了 页 岩 气 储 层 基 本 特 征 ，阐 述 了页岩气藏压裂理论、材料和工艺３个方面所面临的难题 和 挑 战，进 而 提 出 了 页 岩 气 藏 改 造 技 术 关 键 。 结 论 认 为：剪 切 作用有利于形成复杂裂缝网络；页岩中的气体以吸附、游离和溶解状态存在，在非达西流动状态下，气体渗 流 机 理 更 为 复 杂；以微地震数据为基础，通过离散裂缝网络模型描述缝网是 目 前 计 算 页 岩 气 产 能 的 主 流 方 法 ；滑 溜 水 压 裂 应 根 据 储 层 条件研制和筛选支撑剂和添加剂，开发井下工具，并优化泵注 程 序 和 压 裂 工 艺，以 形 成 高 导 流 能 力 的 大 型 复 杂 裂 缝 网 络 为改造作业目标。 关键词 页岩气 水力压裂 复杂缝网 渗流机理 滑溜水压裂 难点 技术关键 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１２．０４．０１１
· ４８ ·
天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ４ 月
３ 页岩气藏压裂改造技术关键
３．１ 加 深 对 页 岩 气 地 质 特 征 及 渗 流 机 理 认 识 页岩气以自生自 储 作 为 其 成 藏 的 典 型 特 点，气 态 烷 烃 主 要 的 储 集 形 式 ：以 游 离 的 方 式 在 孔 隙 中 存 在 、以 吸附的方式在有机质中存在和以溶解方式存 在 。 ［４］ 其 中，吸附状态天 然 气 含 量 介 于 ２０％ ～８５％ 之 间，因 此 在低孔、超低渗的页 岩 储 层，形 成 复 杂 缝 网，尽 可 能 的 沟 通 富 含 有 机 质 的 区 域 ，是 保 证 经 济 开 采 的 重 要 前 提 。 构成压裂后页岩储层 的 渗 流 介 质 主 要 有 ４ 类：非 有 机 质 基 质 孔 隙 、有 机 质 孔 隙 、天 然 裂 缝 和 水 力 压 裂 缝 。 微 观上的渗流机理则 包 括：自 由 气 流 动、页 岩 气 解 析、页 岩 气 扩 散 和 压 裂 液 渗 吸 。 自 由 气 流 动 指 两 方 面 ：其 一 ， 有机质孔隙网络和非 有 机 质 孔 隙 中 的 非 达 西 流 动；其 二，天然裂缝和水 力 裂 缝 中 的 达 西 流 动。 靠 近 微 孔 隙 和微裂缝的吸附气可 以 迅 速 解 吸 释 放，而 远 离 孔 缝 的 页岩基质内页岩气则只能靠扩散作用经过有机质表面 被释放。并且天然裂缝的应力敏感也是影响气体渗流 的主要因素。基 质 较 小 的 孔 隙 直 径 （仅 为 １０～１ ０００ 倍的分子自由行程），滑 脱 效 应 较 为 严 重。 因 此，应 从 宏 观 、微 观 方 面 加 强 对 页 岩 气 渗 流 机 理 研 究 。 ３．２ 加 强 页 岩 气 藏 压 裂 基 础 理 论 研 究 发育的天然裂缝 和 较 小 的 水 平 主 应 力 差，是 形 成 缝网的重要前提。由 于 国 外 技 术 保 密，关 于 剪 切 作 用 所产生的复杂分支缝并没有详细地描述和分析。目前 最为普遍的方法是依据微地震测试数据点的分布和密 度 ，并 以 地 质 数 据 及 个 人 经 验 ，结 合 地 质 建 模 软 件 划 分 复杂裂缝 网 络，形 成 离 散 裂 缝 网 络 模 型 （图 ４）［５］。 该 方 法 虽 与 实 际 情 况 更 为 接 近 ，但 裂 缝 形 态 复 杂 ，处 理 难 度 大 ，并 需 要 压 裂 软 件 具 有 较 强 图 形 处 理 功 能 。
· ４６ ·
天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ４ 月
页岩气藏压裂改造难点与技术关键
赵金洲 王 松 李勇明
“油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 ”国 家 重 点 实 验 室 · 西 南 石 油 大 学
页岩储层中大量存在的天然裂缝和水平应力间的 较小差异是形成复杂裂缝网络的重要地质条 件 。 ［３］ 当 压 裂 液 进 入 地 层 ，超 过 岩 石 抗 张 强 度 后 形 成 张 性 缝 ，这 与常规压裂一致；但 由 于 充 填 脆 性 岩 石 矿 物 的 天 然 裂 缝在有效应力超过抗 剪 强 度 时，天 然 裂 缝 也 会 继 续 延 伸 ，形 成 不 同 于 常 规 双 翼 平 面 缝 的 复 杂 裂 缝 网 络 。 目 前 还没有成熟的理论对裂缝网络起裂和延伸进行准确的 数 值 分 析 ，主 要 依 据 微 地 震 监 测 结 果 从 直 观 上 定 性 地 判 断裂缝网络的大致方位、间距和尺寸等参数（图３）。
图 ３ 微 地 震 数 据 生 成 的 复 杂 裂 缝 网 络 图 （１ｆｔ＝０．３０４ ８ ｍ，下 同 ）
由于对页岩气藏天然裂缝的描述和对复杂裂缝网 络认识的欠缺，使得 在 数 值 计 算 中 难 以 对 缝 网 等 相 关 参 数 进 行 理 论 上 合 理 的 假 设 ，直 接 影 响 压 后 产 能 、经 济 评价的准确性及施工优化设计的合理性。 ２．２ 页 岩 气 藏 压 裂 材 料 与常规气藏压裂最显著的差异就是页岩气藏多使 用滑溜水作为施工液体。由于液体中不含有残渣或不 溶物，不易对储层 造 成 伤 害。 在 页 岩 气 水 平 井 多 级 压 裂时，单级使用的 滑 溜 水 最 大 用 量 达 到 １８ ９００ ｍ３，因 此滑溜水的低成本能实现页岩气的经济开发。 在天然裂缝发育 的 页 岩 储 层 中，滑 溜 水 滤 失 量 增 大 ，易 造 成 砂 堵 ，加 砂 浓 度 和 总 体 规 模 受 到 限 制 。 滑 溜 水的黏度较低 （在 ４ ｍＰａ·ｓ左 右 ），支 撑 剂 颗 粒 沉 降 较 快 ，难 以 输 送 至 裂 缝 深 部 或 分 支 裂 缝 网 络 处 ，且 容 易 在裂缝底部沉积，形 成 砂 堤。 最 终 使 得 支 撑 剂 浓 度 分 布 不 均 匀 ，裂 缝 上 部 重 新 闭 合 ，分 支 裂 缝 也 难 以 形 成 有 效 的 支 撑 ，降 低 缝 网 改 造 程 度 ，增 加 了 施 工 不 确 定 性 。 由于滑溜水携砂 能 力 的 局 限，如 通 过 降 低 支 撑 剂 颗粒大小和密度的方 式 控 制 支 撑 剂 沉 降 速 度，又 会 使 得支撑剂承压能力下降或裂缝壁面塑性较强时易于嵌 入 ，降 低 裂 缝 导 流 能 力 。 另 外 ，储 层 泥 质 含 量 大 ，渗 透 率 极 低 。 除 了 常 用 的 降 阻 剂 外 ，滑 溜 水 压 裂 还 需 要 针 对 页 岩 气 藏 具 体 情 况 ， 研制和筛选合理的 添 加 剂。 如 气 水 同 产 时，毛 细 管 力 作 用 较 强 ，发 生 水 锁 现 象 ，降 低 气 相 渗 透 率 。 常 规 表 面 活 性 剂 虽 能 促 进 液 体 返 排 ，但 吸 附 性 较 强 ，有 效 作 用 距 离短。页岩气藏压裂 改 造 所 需 液 量 大，黏 土 稳 定 剂 如 果 按 照 常 规 的 比 例 配 制 ，加 入 量 非 常 大 ，又 难 以 满 足 低 成 本 、高 效 益 的 开 发 需 要 。 ２．３ 页 岩 气 藏 压 裂 工 艺 水平井分段压裂是目前经过现场验证的页岩气藏 最为有效和成功的压 裂 技 术，通 过 多 级 主 裂 缝 及 其 延 伸出的缝网，尽可能 实 现 与 极 低 渗 透 率 的 储 层 充 分 接 触 ，增 大 改 造 体 积 。 但 所 面 临 的 问 题 也 较 为 突 出 ：① 水 平 段 较 长 ，在 其 最 远 端 部 起 裂 压 力 较 高 ；② 需 要 可 靠 的 封隔器或桥塞实现不 同 改 造 位 置 的 有 效 封 隔；③ 近 井 区 域 裂 缝 扭 曲 和 形 态 复 杂 ，使 得 泵 注 压 力 大 ，继 续 延 伸 困 难 ，并 且 限 制 砂 浓 度 提 高 ，压 后 导 流 能 力 有 限 。 由 于 压裂液和支撑剂的特 殊 性 能、裂 缝 网 络 复 杂 性 以 及 改 造 规 模 的 影 响，需 要 不 断 优 化 泵 注 程 序 以 满 足 现 场 需要。 页 岩 气 改 造 层 段 多 ，液 体 和 支 撑 剂 用 量 大 ，施 工 时 间 长 ，特 别 是 在 同 步 压 裂 、重 复 压 裂 时 ，对 设 备 、人 员 的 水 平 、协 作 等 主 观 条 件 要 求 高 。
１ 页岩气藏储层基本特征
属于非常规油气资源的页岩气藏具有一系列特殊 的 储 层 特 征 ，导 致 开 发 过 程 中 气 体 渗 流 机 理 、压 裂 增 产 原理和相应的改造技术明显不同于常规气藏。页岩气 藏压裂改 造 涉 及 众 多 储 层 特 征 因 素，最 关 键 的 包 括： ①黏土含 量 较 高 （Ｂａｒｎｅｔｔ 页 岩 中 含 量 达 到 ３０％ 以 上 ），硅 酸 盐 、碳 酸 盐 含 量 高 的 储 层 岩 石 脆 性 较 强 ，使 得 天 然 裂 缝 更 易 起 裂 和 延 伸 ，易 于 形 成 复 杂 缝 网 ；② 孔 隙 度低、渗透性极低（Ｂａｒｎｅｔｔ页岩中孔隙度 在 ２％ ～６％， 渗 透 率 在 ５０～６００ｎＤ），需 要 通 过 有 效 压 裂 改 造 形 成 复 杂缝网，提高页岩 气 的 可 流 动 性；③ 有 机 质 含 量 越 高，
我国页岩气资源 潜 力 十 分 巨 大，可 采 资 源 量 约 为 ２６×１０１２ ｍ３，与美国 大 致 相 当。 仅 四 川 盆 地 寒 武 系 和 志留系两套页岩，其 资 源 量 就 相 当 于 该 盆 地 常 规 天 然 气资 源 量 的 １．５～２．５ 倍 。 ［１］ 国 内 第 一 口 页 岩 气 井———威２０１井经压 裂 获 得 工 业 气 流，标 志 着 页 岩 气 的开发已经起步，但 对 页 岩 气 藏 压 裂 改 造 增 产 机 理 还 缺 乏 认 识 ，并 缺 少 现 场 施 工 经 验 ，难 以 对 页 岩 气 的 开 发 提 供 必 要 的 技 术 支 撑 ，笔 者 就 此 进 行 了 全 面 总 结 。
图 １ Ｂａｒｎｅｔｔ页 岩 微 观 孔 隙 结 构 图 （Hale Waihona Puke Baidu 描 电 镜 ）
基 金 项 目 ：中 国 石 油 科 技 创 新 基 金 “页 岩 气 藏 压 裂 渗 流 理 论 与 应 用 研 究 ”（编 号 ：２０１１－５００６－０２０１）。 作者简介：赵 金 洲，１９６２ 年 生，教 授，博 士 生 导 师，本 刊 第 七 届 编 委 会 委 员 ；主 要 从 事 油 气 藏 压 裂 酸 化 理 论 与 应 用 的 教 学 和 科 研 工 作 。 地 址 ：（６１０５００）四 川 省 成 都 市 新 都 区 新 都 大 道 ８ 号 。 电 话 ：（０２８）８３０３２９７９。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｚ＠ｓｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
吸 附 气 含 量 越 大 ，增 产 有 效 期 越 长 ，且 有 机 质 中 存 在 孔 隙网络（图１），在气体扩散作用下具有良 好 渗 流 能 力； ④ 高 杨 氏 模 量 、中 低 泊 松 比 的 页 岩 脆 性 较 强 ，利 于 实 现 页岩储层的大规模复 杂 缝 网 改 造，塑 性 较 强 的 页 岩 则 需要首先确保长、窄、导 流 能 力 好 的 支 撑 主 裂 缝；⑤ 大 量天然裂缝是压裂过 程 中 的 薄 弱 位 置，既 是 形 成 裂 缝 网 络 的 关 键 因 素 之 一 ，也 是 气 体 流 动 的 重 要 通 道 ；⑥ 储 层 物 性 参 数 在 空 间 分 布 的 差 异 对 裂 缝 的 起 裂 、延 伸 、材 料 优 选 、施 工 设 计 、压 裂 效 果 等 方 面 有 重 要 影 响 。
第 ３２ 卷 第 ４ 期 开 发 工 程
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２ 页岩气藏压裂改造难点
２．１ 页 岩 气 藏 压 裂 理 论 目前认为实现页岩气藏高效开发的重要前提就是 在目的层形成复杂的裂 缝 网 络 （图 ２）［２］。 在 施 工 过 程 中尽可能多的沟通天 然 裂 缝，使 得 渗 透 率 极 低 的 基 质 在扩散作用下释放的气体通过裂缝的沟通提高流动能 力。最终整个改造层位形成沟通页岩气藏和井底的大 型 复 杂 缝 网 系 统 ，尽 可 能 地 增 大 页 岩 储 层 改 造 体 积 。
赵 金 洲 等 ．页 岩 气 藏 压 裂 改 造 难 点 与 技 术 关 键 ．天 然 气 工 业 ，２０１２，３２（４）：４６－４９． 摘 要 我国的页岩气资源储量非常可观，国外成功开 发 的 经 验 表 明，压 裂 改 造 是 实 现 页 岩 气 高 效 、经 济 开 发 的 重 要技术步骤。为此，在详细调研和总结国内外相关成果的基 础 上，从 压 裂 改 造 的 角 度 分 析 了 页 岩 气 储 层 基 本 特 征 ，阐 述 了页岩气藏压裂理论、材料和工艺３个方面所面临的难题 和 挑 战，进 而 提 出 了 页 岩 气 藏 改 造 技 术 关 键 。 结 论 认 为：剪 切 作用有利于形成复杂裂缝网络；页岩中的气体以吸附、游离和溶解状态存在，在非达西流动状态下，气体渗 流 机 理 更 为 复 杂；以微地震数据为基础，通过离散裂缝网络模型描述缝网是 目 前 计 算 页 岩 气 产 能 的 主 流 方 法 ；滑 溜 水 压 裂 应 根 据 储 层 条件研制和筛选支撑剂和添加剂，开发井下工具，并优化泵注 程 序 和 压 裂 工 艺，以 形 成 高 导 流 能 力 的 大 型 复 杂 裂 缝 网 络 为改造作业目标。 关键词 页岩气 水力压裂 复杂缝网 渗流机理 滑溜水压裂 难点 技术关键 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１２．０４．０１１
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天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ４ 月
３ 页岩气藏压裂改造技术关键
３．１ 加 深 对 页 岩 气 地 质 特 征 及 渗 流 机 理 认 识 页岩气以自生自 储 作 为 其 成 藏 的 典 型 特 点，气 态 烷 烃 主 要 的 储 集 形 式 ：以 游 离 的 方 式 在 孔 隙 中 存 在 、以 吸附的方式在有机质中存在和以溶解方式存 在 。 ［４］ 其 中，吸附状态天 然 气 含 量 介 于 ２０％ ～８５％ 之 间，因 此 在低孔、超低渗的页 岩 储 层，形 成 复 杂 缝 网，尽 可 能 的 沟 通 富 含 有 机 质 的 区 域 ，是 保 证 经 济 开 采 的 重 要 前 提 。 构成压裂后页岩储层 的 渗 流 介 质 主 要 有 ４ 类：非 有 机 质 基 质 孔 隙 、有 机 质 孔 隙 、天 然 裂 缝 和 水 力 压 裂 缝 。 微 观上的渗流机理则 包 括：自 由 气 流 动、页 岩 气 解 析、页 岩 气 扩 散 和 压 裂 液 渗 吸 。 自 由 气 流 动 指 两 方 面 ：其 一 ， 有机质孔隙网络和非 有 机 质 孔 隙 中 的 非 达 西 流 动；其 二，天然裂缝和水 力 裂 缝 中 的 达 西 流 动。 靠 近 微 孔 隙 和微裂缝的吸附气可 以 迅 速 解 吸 释 放，而 远 离 孔 缝 的 页岩基质内页岩气则只能靠扩散作用经过有机质表面 被释放。并且天然裂缝的应力敏感也是影响气体渗流 的主要因素。基 质 较 小 的 孔 隙 直 径 （仅 为 １０～１ ０００ 倍的分子自由行程），滑 脱 效 应 较 为 严 重。 因 此，应 从 宏 观 、微 观 方 面 加 强 对 页 岩 气 渗 流 机 理 研 究 。 ３．２ 加 强 页 岩 气 藏 压 裂 基 础 理 论 研 究 发育的天然裂缝 和 较 小 的 水 平 主 应 力 差，是 形 成 缝网的重要前提。由 于 国 外 技 术 保 密，关 于 剪 切 作 用 所产生的复杂分支缝并没有详细地描述和分析。目前 最为普遍的方法是依据微地震测试数据点的分布和密 度 ，并 以 地 质 数 据 及 个 人 经 验 ，结 合 地 质 建 模 软 件 划 分 复杂裂缝 网 络，形 成 离 散 裂 缝 网 络 模 型 （图 ４）［５］。 该 方 法 虽 与 实 际 情 况 更 为 接 近 ，但 裂 缝 形 态 复 杂 ，处 理 难 度 大 ，并 需 要 压 裂 软 件 具 有 较 强 图 形 处 理 功 能 。
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天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ４ 月
页岩气藏压裂改造难点与技术关键
赵金洲 王 松 李勇明
“油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 ”国 家 重 点 实 验 室 · 西 南 石 油 大 学