页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发.水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造.介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂.结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性.研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术.同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要.     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。     

不同水力加载条件下非均质储层缝网扩展规律研究

水力压裂可显著提高页岩气等致密储层岩体的渗透性以增加油气产量,然而受多因素影响,水力压裂形成缝网结构的机理和压裂优化设计一直是研究的焦点和难点。本研究基于渗流-应力-破坏耦合计算模拟方法,对不同水力加载条件下的非均质储层水力压裂过程进行了模拟和对比研究。研究结果表明:水力压裂过程中起始注水压力和增量大小对水力压裂缝网扩展和改造区域形态有着显著的影响。当起始注水压力小于等于模型材料体抗拉强度,并缓慢增压致裂时,压裂过程可近似视为稳态应力-破坏-渗流耦合作用过程的不同阶段,这种情况下仅在压裂井孔周围形成两组对称式的伞状水力裂缝带。当对模型体施加高于模型材料体破裂压力的注水压力时,相当于对压裂孔快速施加高动水压力,水力裂缝沿压裂孔全方位迅速萌生并快速扩展,当注水压力值高于破裂压力一定幅值时,压裂改造可形成围绕压裂井全方位的放射状裂缝网络,使压裂储层得以最大范围改造。在拟静力和拟动力两种加载条件下,不同水岩相互作用机理是造成不同水力加载条件出现不同缝网结构的力学机制,而对于实际的页岩气储层改造,压裂产生围绕压裂井全方位放射状的缝网结构则是一种最优的体积压裂改造。     

四川盆地南部构造页岩气储层压裂改造技术

在调研和学习国内外相关页岩气压裂改造技术的基础上,通过室内实验和研究,对四川盆地南部构造S2井页岩储层岩性特征、孔渗特征、天然裂缝发育特征进行了评价。针对S2井极低渗透率(0.000 18×10-3μm2)、天然裂缝和水平层理较发育,天然裂缝内充填有碳酸盐岩,同时吸附气含量较高、脆性程度高,压裂容易形成网络裂缝的特点,进行了压裂工作液体体系优选和压裂工艺优化,采取了大规模、大排量、大砂量、低砂比、减阻水压裂施工工艺,成功实现了页岩气储层大规模减阻水压裂施工;根据微地震显示,压裂改造体积达到了480×104 m3,具有明显的体积改造特征,获得较好的效果,日产10 000 m3。压后分析数据显示,在页岩气储层中,过长的关井时间有可能影响有限支撑剂铺置的裂缝整体导流能力,最终影响到产量。S2井压裂施工成功标志着国内在页岩气压裂施工工艺、压裂工作液体体系、裂缝监测等方面实现突破。     

充填天然裂缝对页岩受载过程中渗透率变化规律影响机理分析

页岩气开采需要对储层进行大规模人工水力压裂改造,为了研究压裂过程中页岩渗透率变化规律及其机理,文章通过对含充填天然裂缝和不含天然裂缝两块页岩岩样进行流-固耦合物理模拟实验,并结合样品的全岩X-射线衍射分析,获得以下认识:加卸载过程中,应力-应变曲线中应力小平台的出现可以指示样品中微裂缝的形成与闭合,是渗透率变化的内在机制;当岩样达到破裂条件形成显裂缝后,样品发生永久性变形,从而达到渗透率增大的效果;受载过程中,微裂缝易沿着天然裂缝脆弱面发育,并不断积累连通成裂缝网络,是形成两块岩样渗透率变化差异的机理。      

页岩层系不同岩矿组合试样渗透率变化规律差异及其机理分析

页岩地层垂向岩矿组合变化大,页岩气开采需要对储层进行大规模人工水力压裂改造。笔者等基于样品的全岩X-射线衍射分析,通过对不同岩矿组合的3块页岩试样进行流—固耦合物理模拟实验,获得了3点认识,反映了不同岩矿成分的页岩在不同条件微裂缝与渗透率的变化特征,以及碳酸盐矿物含量高时的影响。这一实验对于研究页岩储层在压裂过程中的变化具有探索性,对于页岩气生产具有重要的参考意义。     

页岩层系不同岩矿组合试样渗透率变化规律差异及其机理分析

页岩地层垂向岩矿组合变化大,页岩气开采需要对储层进行大规模人工水力压裂改造。笔者等基于样品的全岩X- 射线衍射分析,通过对不同岩矿组合的3块页岩试样进行流—固耦合物理模拟实验,获得了3点认识,反映了不同岩矿成分的页岩在不同条件微裂缝与渗透率的变化特征,以及碳酸盐矿物含量高时的影响。这一实验对于研究页岩储层在压裂过程中的变化具有探索性,对于页岩气生产具有重要的参考意义。     

页岩气藏体积压裂有效改造体积计算方法

页岩气藏矿场压裂实践表明,储层有效改造体积（effective stimulated reservoir volume,简称ESRV）是影响页岩气藏体积压裂水平井生产效果的关键因素,ESRV的准确计算对页岩气藏压裂方案评价与体积压裂水平井产量预测具有重要作用.基于页岩储层改造体积（stimulated reservoir volume,简称SRV）多尺度介质气体运移机制,建立了SRV区域正交离散裂缝耦合双重介质基质团块来表征单元体渗流模型（representation elementary volume,简称REV）,并结合北美页岩储层实例研究了次生裂缝间距、宽度等缝网参数对页岩气藏气体运移规律的影响.在此基础上根据SRV区域次生裂缝分布特征,采用分形质量维数定量表征裂缝间距分布规律,结合页岩气藏次生裂缝间距对基质团块内流体动用程度的影响规律,得到了页岩气藏体积压裂ESRV计算方法.结果表明SRV区域次生裂缝间距对基质团块内吸附及自由气影响较大,次生裂缝间距小于0.20 m时可以实现SRV区域基质团块内流体向各方向裂缝的"最短距离"渗流.选取北美典型页岩储层生产井体积压裂数据进行ESRV计算,页岩气藏目标井ESRV占体积压裂SRV的37.78%.因此ESRV受改造区域次裂缝分布规律及SRV有效裂缝间距界限的影响,是储层固有性质及人工压裂因素综合作用的结果.      

贵州岑巩TX 1井牛蹄塘组页岩压裂效果评价

TX1井是四川盆地外围第一口针对牛蹄塘组页岩压裂的井,岩心现场解析含气量为1.00~3.06m3/t,含气性较好,展现了较好的勘探前景.但复杂构造以及下部含水层对后期储层改造提供了挑战.对TX1井进行了压裂改造,返排过程中气体点火2~3m,但后期一直出水,返排率大于100%.利用Meyer软件进行压裂拟合评价,结果显示TX1井在压裂过程中因沟通了底部高含水层,导致压后出水严重;压裂改造未形成复杂的裂缝网络,限制了储层改造的效果.因此认为直井压裂改造受体积的限制,只能作为对页岩储层含气性与产能的评价手段,页岩气商业性开发还需通过水平井钻井和大规模的分段压裂改造来实现.该井的钻探施工与压裂改造经验为本地区下一步勘探开发指明了方向.      

页岩气开采的相关实验、模型和环境效应

页岩气是一种重要的非常规天然气资源,正在改变世界能源、经济和政治格局。渗透率是评价页岩气藏商业开采可行性的重要参数之一,由于页岩的致密性,页岩气的流动机理不同于常规气藏,因此,页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型已成为当前国际研究的热点课题之一。在对页岩气开采技术简单介绍的基础上,综述了页岩储层渗透率测试的试验和理论研究现状,分析了气体吸附对页岩渗透率的影响。阐述了页岩气流动模型的最新进展,分析了双重孔隙模型描述气体迁移的准确性,提出了描述均匀储层中页岩气解吸-扩散-渗流多级运移模型。评述了页岩气开采的温室效应和对地下水的影响,并简单介绍了适合页岩气开采的新技术即无水压裂开采技术,即采用CO2对页岩气藏分段压裂,同时将CO2埋存于废弃井中。最后,对页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型研究的新发展以及无水压裂技术进行了展望。     

循环荷载下含层理页岩渗透特性试验研究

深入理解含层理以及含宏观裂缝页岩在循环荷载扰动下渗透率的演化规律,对于页岩气隧道安全施工而言意义重大。利用GCTS岩石力学测试系统对含轴向层理及轴向宏观裂缝页岩试件在循环轴向应力和循环围压下渗透率的演化规律开展相关试验研究。结果表明：含轴向层理页岩试件渗透率随轴向应力的加载和卸载基本不发生明显改变,而随围压增加以负指数的形式下降,随围压的减小以指数的形式增加;含宏观裂缝页岩试件的渗透率随轴向应力的加、卸载近似以线性形式降低和增加,而随围压的增大以负指数形式下降,随围压的减小以指数形式增加;含轴向裂缝页岩试件的渗透率相较含轴向层理页岩试件而言有大幅提升,其二者比值约为9倍左右;页岩试件对围压的敏感性约为轴向应力的26倍;试件渗透率几乎不随轴向应力循环次数发生明显改变,而随围压循环次数的增加呈负指数式下降,且其降幅主要集中在第1循环阶段内。研究成果可对页岩气隧道的安全施工提供一定的理论支撑。     

页岩水平井多段分簇压裂起裂压力数值模拟

页岩储层孔隙度和渗透率极低,天然裂缝和水平层理发育,常规压裂增产措施无法满足页岩气的开发要求,水平井多段分簇压裂是页岩气开发的关键技术之一,该技术能够大幅度提升压裂改造的体积、产气量和最终采收率。为确定页岩储层水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力,采用有限元方法建立了水平井套管完井（考虑水泥环和套管的存在）多段分簇射孔的全三维起裂模型。数值模型的起裂压力与室内试验结果吻合较好,证明了数值模型的准确性和可靠性。利用数值模型研究了页岩水平井多段分簇射孔压裂的起裂点和起裂压力的影响因素,研究发现：射孔孔眼附近无天然裂缝或水平层理影响,起裂点发生在射孔簇孔眼的根部;射孔簇间距越小,中间射孔簇的干扰越大,可能造成中间的射孔簇无法起裂;射孔密度和孔眼长度增大,起裂压力降低;天然裂缝的存在,在某些情况能够降低起裂压力且改变起裂位置,主要与天然裂缝的分布方位及水平主应力差有关;水平层理可能会降低起裂压力,但与垂向主应力与水平最小主应力的差值有关。获得的起裂压力变化规律,可作为进一步研究水平井多段分簇射孔条件下的裂缝扩展规律的基础,可以为压裂设计和施工的射孔参数确定及优化给出具体建议。     

裂缝参数对考虑滑脱效应页岩气水平井产能的影响

低渗透页岩气藏中,气体渗流时会受滑脱效应的影响。建立了考虑滑脱效应的气、水两相页岩气藏渗流数学模型,并建立了理想地质模型,采用数值模拟方法,研究了水力压裂的不同裂缝参数对水平井产能的影响。模拟结果表明:裂缝条数、长度和间距是影响页岩气井产能的重要参数,而裂缝宽度和渗透率对产能的影响相对较弱;页岩气井的产能随着裂缝条数和裂缝长度的增加而增大;水平井的水平段长度及裂缝条数一定时,可通过增大裂缝间距来减少裂缝间的相互干扰。      

单轴加载条件下页岩层理角度对水力压裂缝扩展规律影响研究

水力压裂作为一种改造储层渗透性、压裂增产的技术,对页岩气开采具有重要意义。为研究射孔附近水力压裂过程中页岩各向异性特征对破裂压力及裂缝扩展的影响规律,开展了单轴试验条件下不同层理角度的页岩水力压裂试验。研究表明:页岩的破裂压力存在明显的各向异性,破裂压力随层理角度的分布曲线呈U型分布,其中0°和90°破裂压力最大,30°最小;页岩的破裂形态主要有两种,一种为沿着最大主应力方向即竖直方向起裂并延伸,另一种模式为裂缝先沿着最大主应力方向起裂并延伸,延伸过程中直接穿过层理面,随后渐渐转向为沿层理面方向扩展;破裂机制则包括拉张破坏和拉张剪切混合破坏。研究结果对于深入了解页岩裂缝起裂和延伸机理、水力压裂施工设计等具有重要的意义。     

断层影响下的页岩气储层水力压裂模拟研究

断层对页岩气储层压裂改造有重要影响,甚至诱发深部地震事件和近地表环境问题。本文采用多物理场耦合方法,基于渗流和应力耦合理论,研究储层水力压裂过程中断层以及封闭顶板中水力破坏区域的产生与演化机理,并分析讨论流体沿高渗通道运移扩散机理,研究结果表明:(1)断层改变储层水力破坏区域形态并且扩展了水力压裂破坏空间。较高注水压力使储层水力破坏区域扩大到封闭顶板和底板,水力破坏区域受断层影响而沿着断层带快速发育延伸。高注水压力导致断层水力压裂破坏高度急剧增加,储层封闭性发生改变。(2)在页岩储层高风险地质构造和较高注水压力条件下,水力压裂作业产生岩石破裂和裂缝局部活化诱发的微地震事件,但难以导致破坏性地震事件,多属于断层或较大断裂局部区域产生的水力耦合破坏及可能诱发的较小地震事件。(3)水力破坏区域贯通到断层带内诱发流体沿断层带迁移,断层带的渗透率较高,水力破坏区域与上部高渗透岩层贯通会加快流体的逃逸速度,增大压裂液污染上部地层的风险,导致压裂效率降低,影响储层压裂改造,降低了页岩气开发价值。     

离散裂隙网络对页岩气井产能影响的数值模拟

页岩作为典型的非常规储层,基质孔隙小,渗透率极低,水平井多级水力压裂为其商业开发的主要手段。准确模拟页岩气产能,应同时考虑水力裂隙和天然裂隙的渗流。基于离散裂隙模型和等效连续模型建立页岩气渗流数学模型,利用有限元分析方法进行数值求解,研究不同走向裂隙组对页岩气井产能的影响。研究认为,页岩基质为气体的生产提供了主要气源,天然裂隙作为渗流的主要通道,将气体输送到水力裂缝,进而到达井筒。模拟结果表征,离散裂隙的渗流特征对于页岩气井的产能有重要影响。根据页岩储层的天然裂隙走向,可以优化相应的水平井方位。对于二维离散裂隙网络模型,水平井沿着2个裂隙组夹角的平分线更有利于生产。      

排量对水力压裂网络扩展影响的试验研究

在页岩气水力压裂开发领域中,压裂液注入排量对裂缝网络的扩展形态具有显著影响。而页岩储层中的随机天然裂缝,会给水力压裂的参数敏感性分析带来不同程度的干扰。首先,根据页岩储层裂缝发育特征,制备了包含3组正交预制裂缝的混凝土试样;然后,采用真三轴压裂系统,对试样进行三向应力加载模拟地应力环境,并以恒定排量向其内部注入流体;最后,将单位体积裂缝面积P₃₂作为体积压裂指标,来定量描述排量对压裂缝网扩展形态的影响。试验结果表明:（1）在块体单元边长较小（即预制裂缝密度较大）的试样中,体积压裂的效果更加显著;（2）小排量压裂液所产生的裂缝一般是激活的预制裂缝,而中排量和高排量压裂液可以使已激活的预制裂缝发生偏转,在混凝土基质中重新开启水力裂缝,从而增加裂缝网络的复杂性;（3）随着排量的增加,试样压裂后的P₃₂值会升高;但排量增加到一定程度后,P₃₂值不再增长,甚至略微下降。     

Numerical Modeling of Natural Fracture Distributions in Shale

The production efficiency of shale gas is affected by the interaction between hydraulic and natural fractures. This study presents a simulation of natural fractures in shale reservoirs, based on a discrete fracture network (DFN) method for hydraulic fracturing engineering. Fracture properties of the model are calculated from core fracture data, according to statistical mathematical analysis. The calculation results make full use of the quantitative information of core fracture orientation, density, opening and length, which constitute the direct and extensive data of mining engineering. The reliability and applicability of the model are analyzed with regard to model size and density, a calculation method for dominant size and density being proposed. Then, finite element analysis is applied to a hydraulic fracturing numerical simulation of a shale fractured reservoir in southeastern Chongqing. The hydraulic pressure distribution, fracture propagation, acoustic emission information and in situ stress changes during fracturing are analyzed. The results show the application of fracture statistics in fracture modeling and the influence of fracture distribution on hydraulic fracturing engineering. The present analysis may provide a reference for shale gas exploitation.     

大尺寸真三轴页岩水平井水力压裂物理模拟试验与裂缝延伸规律分析

采用真三轴物理模型试验机、水力压裂伺服系统、声发射定位系统以及压裂液中添加示踪剂等方式,在真三轴条件下对大尺寸页岩水平井进行了水力压裂物理模拟试验,通过裂缝的动态监测和压裂后剖切等分析了裂缝的扩展规律,并对页岩压裂缝网的形成机制进行了初步探讨。结果表明：（1）水力裂缝自割缝处起裂并扩展、压开或贯穿层理面,形成相对较复杂的裂缝形态;（2）裂缝中既有垂直于层理面的新生水力主裂缝,又有沿弱层理面扩展延伸的次级裂缝,形成了纵向和横向裂缝并存的裂缝网络;（3）水力裂缝在延伸过程中会发生转向而逐渐垂直最小主应力;（4）水力裂缝在扩展过程中遇到弱层理面时的止裂、分叉、穿过和转向现象是形成页岩储层复杂裂缝网络的主要原因,而弱结构面的大量存在是形成复杂裂缝的基础。其研究结果可为页岩气藏水平井分段压裂开采等提供有力技术支持。