頁巖儲層水力裂縫形成機理研究

頁巖儲層水力裂縫形成機理研究

裂縫幾何形態(tài)及形成網(wǎng)絡(luò)分析經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，水壓裂是提高氣田開發(fā)中低滲透儲量產(chǎn)量和采收率的重要技術(shù)手段。特別是近年來，在水平井分段壓裂技術(shù)的推動下，美國在納達級低滲透巖石儲層中的非常少天然氣生產(chǎn)中取得了巨大成功。2011年，產(chǎn)量比2012年高1720.0.108m3，比2011年高得多。長期以來,對遠井區(qū)域水力裂縫幾何形態(tài)的認識與理解是水力壓裂的最新前沿理論之一,傳統(tǒng)的經(jīng)典壓裂理論認為,遠井區(qū)域的水力裂縫是沿垂直最小地應(yīng)力方向延伸的平面對稱雙翼裂縫。近些年來,不少研究者已經(jīng)認識到水力裂縫存在復(fù)雜的延伸形態(tài)。Warpinski等礦場試驗首次發(fā)現(xiàn)壓裂時存在主裂縫與復(fù)雜分支裂縫同時延伸,提出了裂縫延伸帶的概念。而后Blanton和陳勉等通過物理模擬實驗發(fā)現(xiàn),水力裂縫相交天然裂縫后可能存在穿過、轉(zhuǎn)向、穿過和轉(zhuǎn)向同時發(fā)生的3種狀態(tài)。Mahrer認為天然裂縫性地層壓裂將形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。后來Beugelsdijk等通過室內(nèi)實驗證實了網(wǎng)絡(luò)裂縫的存在。Fisher和Maxwell等通過微地震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頁巖儲層壓裂將形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。Mayerhofer等提出了對于頁巖儲層需要提高油藏改造體積(SRV,StimulatedReservoirVolume)形成最大化的縫網(wǎng)展布才能取得好的措施效果,壓裂縫成網(wǎng)延伸是頁巖儲層改造成功的關(guān)鍵。由于目前對頁巖儲層的縫網(wǎng)形成機理認識還不夠系統(tǒng)和完善,本文在室內(nèi)實驗、礦場壓裂實踐、理論分析以及數(shù)值模擬等研究成果的基礎(chǔ)上,對頁巖儲層的壓裂縫成網(wǎng)延伸受控因素進行分析,對提高頁巖儲層壓裂設(shè)計可靠性具有重要的理論指導(dǎo)意義。1復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)體系井下微地震、井下和地面測斜三種不同裂縫監(jiān)測技術(shù)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,頁巖地層的水力裂縫不像均質(zhì)砂巖地層呈180°對稱兩翼方向延伸的單一平面裂縫,而是不規(guī)則的多條裂縫連在一起形成由各種不同長、寬、高裂縫組合而成的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)體系,如圖1所示。Warpinski基于頁巖儲層裂縫延伸形態(tài),將水力裂縫從簡單到復(fù)雜分為4大類,如圖2所示,分別為單一平面雙翼裂縫、復(fù)雜多裂縫、天然裂縫張開下的復(fù)雜多裂縫和復(fù)雜的縫網(wǎng),認為頁巖儲層壓裂將形成復(fù)雜的縫網(wǎng)。由于該Barnett頁巖天然裂縫的總方向是西北—東南,而水力誘導(dǎo)裂縫的趨勢一般在東北—西南方向,為此,在該頁巖儲層中形成了水力裂縫與天然裂縫相互交錯的復(fù)雜裂縫系統(tǒng)。2影響巖漿巖層壓裂網(wǎng)絡(luò)延伸的地質(zhì)因素影響頁巖儲層壓裂縫延伸的地質(zhì)因素包括儲層的巖礦成分、巖石力學性質(zhì)、水平應(yīng)力場以及天然裂縫分布等幾個重要方面。2.1儲層裂縫發(fā)育的影響巖石的脆性很大程度上由巖石的礦物成分所控制,即由巖石中硅質(zhì)和鈣質(zhì)與粘土之間的相對含量所決定。頁巖中粘土礦物含量越低,石英、長石、方解石等脆性礦物含量越高,巖石脆性越強,儲層的天然裂縫越發(fā)育,在水力壓裂外力作用下越易形成誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò),有利于頁巖氣開采。而高粘土礦物含量的頁巖塑性強,水力壓裂時以形成平面裂縫為主,不易形成體積裂縫網(wǎng)絡(luò)。美國產(chǎn)氣頁巖儲層的石英含量為28%-52%、碳酸鹽含量為4%-16%,總脆性礦物含量為46%-60%,分析美國頁巖壓裂室內(nèi)礦物組成與礦場的水力裂縫延伸模式對應(yīng)關(guān)系,認為頁巖中40%的脆性礦物含量是形成縫網(wǎng)的巖礦門限條件。2.2巖石脆性特征參數(shù)巖石力學參數(shù)對頁巖儲層巖石的可壓性具有重要作用和影響,泊松比反映了巖石在應(yīng)力作用下的破裂能力,而彈性模量反映了巖石破裂后的支撐能力。彈性模量越高、泊松比越低,頁巖的脆性越強,Rickman提出了采用彈性模量與泊松比計算巖石脆性的數(shù)學方程式中,E—巖石彈性模量,MPa;ν—巖石泊松比,無因次;BRIT-E—彈性模量對應(yīng)的脆性特征參數(shù)分量,無因次;BRIT-ν—泊松比對應(yīng)的脆性特征參數(shù)分量,無因次;BRIT-T—總脆性特征參數(shù),無因次。依據(jù)式(1)-式(3),可計算得到巖石脆性參數(shù)特征與巖石力學參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,如圖3所示,脆性特征參數(shù)是彈性模量和泊松比的二元函數(shù),總體上來說,高彈性模量和低泊松比下巖石脆性特征參數(shù)高。Rickman提出了巖石脆性特征參數(shù)與壓裂裂縫形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系,如表1所示。由表1可見,巖石的脆性特征參數(shù)越高,儲層裂縫延伸形態(tài)越復(fù)雜。當巖石脆性特征參數(shù)大于50后,儲層的裂縫形態(tài)將趨向形成縫網(wǎng)。2.3裂縫性儲層典型合織性裂縫發(fā)育現(xiàn)象頁巖儲層壓裂過程中,天然裂縫被水力激活后拓寬儲層中的裂縫帶是取得措施效果的關(guān)鍵。事實上,任意裂縫性儲層中的水力裂縫延伸都會受到天然裂縫的作用和影響,裂縫性儲層水力壓裂礦場試驗為裂縫性油氣藏中復(fù)雜水力裂縫的幾何形態(tài)提供了視覺觀察,如圖4所示,壓裂后幾乎觀察不到單裂縫的延伸,而更多觀察到的是多分支復(fù)雜的裂縫延伸。Warpinski依據(jù)礦場試驗結(jié)果分析認為,水力裂縫的幾何形態(tài)為寬度約6～9m的裂縫帶,提出了遠井縫網(wǎng)的構(gòu)想圖,如圖5所示,水力裂縫呈現(xiàn)出多條平行的帶狀延伸形態(tài),同時可推斷,天然裂縫越發(fā)育,對水力裂縫的影響程度將越大,延伸形態(tài)將越復(fù)雜。2.4裂縫網(wǎng)擴展模式依據(jù)圖5所示的縫網(wǎng)擴展模式,縫網(wǎng)從本質(zhì)上看主要由水力裂縫與天然裂縫之間的相交力學作用決定。Blanton最早開展了三軸實驗系統(tǒng)條件下天然裂縫對水力裂縫擴展路徑影響的模擬實驗,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),在低逼近角、或在中逼近角低應(yīng)力差下,水力裂縫沿天然裂縫延伸;在高逼近角低應(yīng)力差下,水力裂縫將發(fā)生沿天然裂縫延伸或穿過天然裂縫的混合模式?？梢姷退綉?yīng)力差下水力裂縫傾向沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸。陳勉等人采用大尺寸真三軸實驗系統(tǒng)證實了縫網(wǎng)擴展模式與水平主應(yīng)力差有關(guān),在高水平主應(yīng)力差下將形成以主縫為主的多分支縫擴展模式;而在低水平主應(yīng)力差下將形成徑向網(wǎng)狀縫網(wǎng)擴展模式,如圖6所示。綜合以上分析,較低的水平應(yīng)力差儲層更易實施縫網(wǎng)壓裂。3影響覆蓋層壓裂網(wǎng)絡(luò)延伸的技術(shù)因素影響頁巖儲層壓裂縫延伸的工程因素包括施工凈壓力、壓裂液黏度和壓裂規(guī)模3個方面。3.1個射孔點同時延伸Olson等人針對裂縫性儲層壓裂時多裂縫同時延伸過程中它們與天然裂縫之間的相互作用,采用邊界元法進行了延伸模擬研究,提出了采用凈壓力系數(shù)Rn來表征施工凈壓力對裂縫延伸的影響式中,pf—裂縫內(nèi)的流體壓力,MPa;σmax、σmin—水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力,MPa?？紤]天然裂縫沿水平主應(yīng)力方向分布,方位與人工裂縫延伸方向垂直,從水平井段的5個射孔點同時延伸,圖7a和圖7b的Rn分別為1和2,對比可見,施工凈壓力系數(shù)越大,動態(tài)擴展裂縫的延伸形態(tài)越復(fù)雜。由圖5可以抽象出水力裂縫與天然裂縫相交作用的平面構(gòu)架,如圖8所示。水力壓裂時,水力裂縫相交天然裂縫后如果沿天然裂縫端部起裂擴展,將會導(dǎo)致水力裂縫的分支和轉(zhuǎn)向從而形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。這時相交點的流體壓力需要克服從相交點到天然裂縫端部的流體壓力降,同時需要滿足端部破裂條件。根據(jù)彈性力學理論,考慮水力裂縫沿天然裂縫延伸,從天然裂縫端部起裂延伸需要滿足以下數(shù)學表達式式中,Knf—天然裂縫滲透率,mD;?nf—天然裂縫孔隙度,無因次;μ—地層流體黏度,mPa·s;Ct—天然裂縫綜合壓縮系數(shù),MPa-1;p0—儲層的初始流體壓力,MPa;t—時間,s;Lnf—天然裂縫長度,m。依據(jù)式(8),可計算不同水平應(yīng)力差和逼近角下水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸的的凈壓力分布,如圖9所示。由圖9可以看出,施工凈壓力越高,水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸的逼近角和水平應(yīng)力差涵蓋范圍越大,水力裂縫越容易發(fā)生轉(zhuǎn)向延伸,且更容易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。基于數(shù)值模擬計算和理論分析結(jié)果可見,對于頁巖儲層壓裂改造,采用大排量施工提高施工凈壓力有利于形成復(fù)雜的縫網(wǎng)。3.2裂縫防范技術(shù)頁巖儲層的壓裂施工作業(yè)流體黏度對裂縫擴展復(fù)雜度具有重要影響,壓裂流體黏度越高,裂縫擴展的復(fù)雜度將顯著降低。下面分別從室內(nèi)實驗、礦場壓裂實踐和理論分析3個方面分析壓裂液流體黏度對縫網(wǎng)擴展復(fù)雜度的影響。Beugelsdijk等人就裂縫性儲層壓裂液流體黏度對水力裂縫延伸的影響進行室內(nèi)實驗研究,實驗結(jié)果如圖10所示。實驗發(fā)現(xiàn),低流體黏度注入時施工壓力曲線沒有裂縫起裂特征顯示,巖石體觀察發(fā)現(xiàn)在延伸裂縫方向上沒有主裂縫存在,裂縫沿天然裂縫起裂延伸;而采用高流體黏度注入時存在明顯的主裂縫擴展,水力裂縫幾乎不與相交的天然裂縫發(fā)生作用。從實驗結(jié)果可見,低流體黏度更易形成復(fù)雜的裂縫延伸形態(tài);高流體黏度更易形成平直的單一裂縫。礦場施工數(shù)據(jù)表明,采用高黏流體將降低縫網(wǎng)的復(fù)雜度。Cipolla等人基于一口Barnett頁巖水平井采用不同作業(yè)流體兩次施工的微地震監(jiān)測結(jié)果,對比計算了滑溜水和凍膠壓裂液的油藏改造體積(圖11)。由圖11可以看出,滑溜水的油藏改造體積比凍膠壓裂液要大的多,更易形成復(fù)雜的裂縫展布,這為頁巖體積改造優(yōu)選低黏液體提供了重要的礦場依據(jù)?；谑?5)-式(9)的理論模型,圖12和圖13分別給出了滑溜水壓裂液體系和弱交聯(lián)壓裂液體系水力裂縫相交天然裂縫后轉(zhuǎn)向延伸的凈壓力分布圖。對比圖12和圖13可以發(fā)現(xiàn),作業(yè)流體的黏度越低,在相同逼近角和水平應(yīng)力差條件下,水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸凈壓力越低,水力裂縫沿天然裂縫轉(zhuǎn)向延伸越容易。這主要是由于壓裂液黏度越低,流體壓力在天然裂縫內(nèi)的傳播越容易,天然裂縫縫內(nèi)流體壓力降越小,天然裂縫端部的壓力越容易達到天然裂縫端部起裂壓力門限值,因此,采用低黏壓裂液更容易形成復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。綜合以上室內(nèi)實驗、礦場壓裂實踐和理論分析可見,壓裂液流體黏度對縫網(wǎng)擴展復(fù)雜度具有重要作用和影響,選擇低黏度的壓裂流體更加有利于形成復(fù)雜的縫網(wǎng)體系。3.3儲層改造體積傳統(tǒng)的經(jīng)典壓裂理論認為,壓裂改造規(guī)模越大,水力裂縫半長越長。然而,對于頁巖儲層的縫網(wǎng)壓裂來說,壓裂改造規(guī)模與縫網(wǎng)擴展程度同樣存在較大的相關(guān)性。Mayerhofer等人2006年在研究Barnett頁巖的微地震監(jiān)測與壓裂裂縫形態(tài)變化特征時首次提出了油藏改造體積(SRV)這個概念,同時研究表明SRV越大,頁巖井產(chǎn)量越高,進而提出了頁巖儲層通過增加改造體積提高改造效果的技術(shù)思路。2008年Mayerhofer等人以論文標題為“什么是油藏改造體積”系統(tǒng)闡述了SRV的內(nèi)涵和運用,進一步提出了改造體積越大,增產(chǎn)效果越好的觀點,并給出了Barnett頁巖5口井壓裂規(guī)模與裂縫網(wǎng)絡(luò)總長度之間的相關(guān)關(guān)系,如圖14所示,表明注入壓裂液體積越多,縫網(wǎng)擴展形態(tài)更為復(fù)雜,裂縫網(wǎng)絡(luò)總長度越長。不少研究者對頁巖儲層的改造規(guī)模對壓后產(chǎn)量的影響進行了研究。其中Mayerhofer等人結(jié)合微地震監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬方法對縫網(wǎng)展布下的頁巖儲層壓后產(chǎn)量進行了定量分析,如圖15所示,研究表明,儲層的改造體積(SRV)越大,產(chǎn)量越高。對于頁巖儲層,壓裂規(guī)模越大,縫網(wǎng)在儲層中的延伸體積越大,則相應(yīng)的壓后井產(chǎn)量就越高,采用大規(guī)模壓裂增加SRV是提高井產(chǎn)量的重要措施。4頁巖儲層壓裂設(shè)計(1)儲層的巖礦成分、巖石力學參數(shù)、水平應(yīng)力場和天然裂縫分布這些儲層特定屬性以及施工凈壓力、壓裂液流體黏度和壓裂規(guī)模這些工程可控因素對水力裂縫擴展模式和縫網(wǎng)發(fā)育程度具有重要的作用和影響。脆性礦物(硅質(zhì)和鈣質(zhì))含量高、巖石彈性特征強(高彈性模量低泊松比)、水平應(yīng)力差小以及天然裂縫發(fā)育的頁巖儲層水力壓裂時更易于形成復(fù)雜的縫網(wǎng);工程上通過選擇高排量(提升施工凈壓力)、低黏度壓裂液和大規(guī)模液量施工可提高對頁巖儲層的改造體積和改造程度。(2)頁巖儲層的縫網(wǎng)壓裂改造技術(shù)是頁巖氣取得有效開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),頁巖儲層特殊的水力裂縫擴展模式拓寬了人們對傳統(tǒng)壓裂技術(shù)的理解和認識,改變了人們的壓裂理念,文中研究成果對認識頁巖儲層縫網(wǎng)擴展機理,理