劉曉明

長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100中石化江漢油田分公司坪北經(jīng)理部，湖北 潛江 433100

涪陵頁巖氣藏巖石破裂機理分析

劉曉明

長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100中石化江漢油田分公司坪北經(jīng)理部，湖北 潛江 433100

涪陵頁巖氣田通過前期對地層的認識及實踐形成了 “混合壓裂、組合加砂”工藝，取得了較好的改造效果。從建立壓裂井筒模型出發(fā)，結(jié)合射孔理論及水力學計算，并通過與低排量常規(guī)壓裂、水力噴射壓裂的巖石破裂機理比較研究，對頁巖氣儲層起裂瞬間的巖石破裂機理進行分析，探討了頁巖氣儲層“復雜縫/網(wǎng)縫+主縫”的壓裂理念以及頁巖氣儲層壓裂改造的復雜性。

涪陵；頁巖氣藏；破裂機理；壓裂

涪陵地區(qū)頁巖氣藏埋深適中，深度在2250～3500m之間。五峰-龍馬溪組以產(chǎn)優(yōu)質(zhì)頁巖氣為主，不產(chǎn)水；頁巖氣組分以CH4為主，平均體積分數(shù)98.27%，烴類總體積分數(shù)超過99%，不含H2S，為典型的優(yōu)質(zhì)頁巖氣，目的層溫度85.99℃，地溫梯度為2.91℃/100m，地層壓力因數(shù)為1.55。頁巖儲層段孔隙度主要介于3%～7%區(qū)間范圍內(nèi)，平均4.61%。垂直滲透率低于水平滲透率，垂直滲透率普遍低于1mD，平均值為3.2mD，水平滲透率普遍高于10mD，平均值為133mD。

在涪陵焦石壩地區(qū)頁巖氣儲層研究認識基礎上，形成了“復雜縫/網(wǎng)縫+主縫”的壓裂理念，實現(xiàn)了頁巖氣儲層的“混合壓裂、組合加砂”的壓裂改造，截止到2015年3月，累計壓裂施工108口井，工藝成功率100%，有效率100%，平均單井無阻流量51.2×104m3，累計產(chǎn)氣14.8×108m3，建成產(chǎn)能30×108m3，壓裂改造成果顯著。通過對頁巖氣儲層起裂瞬間的巖石破裂機理進行分析，并與低排量常規(guī)壓裂、水力噴射壓裂的巖石破裂機理相對比，分析頁巖氣儲層壓裂改造的復雜性。

1 涪陵頁巖氣藏儲層破裂壓力計算

2 壓裂井筒模型建立

為了更好地分析頁巖氣井壓裂起裂瞬間巖石的破碎機理，結(jié)合現(xiàn)場的鉆完井井身結(jié)構和射孔參數(shù)等相關數(shù)據(jù)建立了壓裂井筒模型。

圖1 套管及水泥環(huán)示意圖

涪陵焦石壩頁巖氣目的層鉆開儲層的鉆頭直徑為215.9mm，下入的套管外徑為139.7mm，壁厚12.34mm，內(nèi)徑為115.02mm。假設下入的套管位于鉆開通道的正中心，那么水泥環(huán)單邊厚度為38.1mm，如圖1所示。

采用的SDP35HMX25-4XF射孔彈理論射孔深度為1m，大于水泥環(huán)深度，參數(shù)見表1。因此，壓裂液流經(jīng)孔眼后會繼續(xù)延伸1m，由于施工過程中排量不斷地得到補充，在地層破裂瞬間之前，整個流通通道內(nèi)會存在高速壓裂液，由于液體的慣性作用，高速流動的液體瞬間遇阻于一個封閉的空間，就會在液體延伸的前端產(chǎn)生一個瞬間的沖擊壓力，沖擊力的主要作用范圍為射孔彈前端的截面積，在這個作用瞬間整個射孔通道的側(cè)面積則會對流體產(chǎn)生摩阻消耗，同時由于頁巖氣儲層縱向滲透率極低加上此過程時間極短(約0.017～0.05s)，液體的濾失和水流的發(fā)散因素可以忽略。只有當沖擊力大于巖石破裂應力時，才會發(fā)生巖石的沖擊破裂。依據(jù)建立微型的射孔通道模型，對該過程中壓裂液的沖擊壓力進行計算，整個過程受力主要包括巖石破裂應力、射孔孔眼摩阻、通道摩阻、沖擊力。

表1 射孔參數(shù)

3 頁巖氣壓裂巖石破碎機理

在建立的壓裂井筒模型基礎上，分析壓裂液在通過炮眼進入射孔通道到達前端作用區(qū)域之前，會受到孔眼摩阻損失和射孔通道側(cè)面積的摩阻損耗，開展液體經(jīng)過射孔通道后的力學分析，以分析射孔前端截面積處巖石的受力情況。

3.1 射孔摩阻損失計算

套管中流體在進入孔眼的過程中會產(chǎn)生孔眼摩阻，其計算公式如下：

(1)

式中：ppf為射孔孔眼摩阻，Pa；Q為壓裂液注入流量，m3/min；ρ為壓裂液混合密度，kg/m3；d為孔眼直徑，m；n為孔眼數(shù)量，個；C為系數(shù)常數(shù)，0.8～1.0。

由于孔眼摩阻對液體所產(chǎn)生的阻力表現(xiàn)在施工壓力上，即在持續(xù)保持壓裂液注入流量為14m3/min的施工過程中，進入孔眼的流體總質(zhì)量不會改變，進入射孔孔眼后的流速不會改變，因此孔眼摩阻不會對后續(xù)的沖擊力產(chǎn)生影響。

3.2 瞬時摩阻損失計算

結(jié)合頁巖氣井射孔參數(shù)可知，每次射孔總長度為3m，總計60孔，孔徑為9.5mm，假設每孔均勻進液，利用公式(2)計算不同注入排量孔眼流速，詳細數(shù)據(jù)見表2。

(2)

式中：v為流速，m/s；A為孔眼總面積，m2。

高速流體經(jīng)過內(nèi)徑9.5mm的圓筒通道時，會產(chǎn)生阻力損失，采用的壓裂液減阻劑為非牛頓流體，需要借助一些經(jīng)驗公式來計算，通常采用的是冪律流體紊流摩阻系數(shù)Blasius 型經(jīng)驗式：

(3)

式中：f為紊流摩阻系數(shù)，1；Re為雷諾數(shù)，1；a、b為冪律流體參數(shù)，與流變指數(shù)n關系擬合式為a= 0.0665 + 0.01175n；b=0.365-0.1775n+ 0.0625n2。

表2 不同施工排量下單孔眼流速值

推導出的損失力(摩阻力)為：

(4)

式中：F2為射孔通道中損失力，N；t為時間，s。

根據(jù)公式(4)計算出1m射孔通道中的損失力，見表3。

表3 摩阻及損失力計算

3.3 沖擊力計算

動量定理反映了力對時間的累積效應(沖量)，其增量是力在時間上的積累。高速流體作用在前端截面時速度瞬時變?yōu)?或逆向速率時，會產(chǎn)生極大的沖擊力，此沖擊力的大小可以分析液體對巖石的破壞性。

已知動量定理如下：

Ft=mv1-mv2

(5)

1m射孔距離液體從急速瞬間變?yōu)?，作用過程是一個短暫的累積作用，可以利用動量定理計算單孔沖擊力的大小，即有：

(6)

(7)

(8)

推導理論上連續(xù)噴射作用在物體上的沖擊力為：

(9)

作用在前端截面積上的沖擊壓力：

(10)

式中：p為沖擊壓力，Pa；F為瞬時沖擊力，N；m為作用瞬間流體質(zhì)量，kg；t為瞬時作用時間，s。

根據(jù)公式(5)計算不同施工排量下的沖擊壓力，結(jié)果見表4。當施工排量達到12m3/min時，靠水流的沖擊壓力產(chǎn)生的壓力大于沿巖石本體拉伸破壞和沿裂縫剪切破壞的壓力，產(chǎn)生劈裂破壞，再加上后續(xù)持續(xù)的液體注入迫使巖石產(chǎn)生拉伸破壞和剪切破壞，從而產(chǎn)生復雜的壓裂裂縫。頁巖氣復雜的起裂方式，必然引起射孔周圍多種張開性裂縫，從裂縫起裂角度證實了頁巖氣儲層壓裂改造的復雜性。

表4 不同施工排量下的沖擊力

3.4 起裂機理對比

通過對幾種壓裂的起裂機理分析，3種裂縫對比情況見表5。通過與水力噴射和常規(guī)壓裂方式的對比，頁巖氣井這種依靠高速高壓水流快速壓開地層，并通過持續(xù)施壓促使地層裂縫快速拓展和延伸的起裂方式能夠增加裂縫的復雜程度，達到充分改造儲層的目的。因此，后續(xù)壓裂施工時，能夠瞬間提升施工排量至12m3/min以上，能夠更有力地增加裂縫的復雜性，提高改造效果。

表5 3種裂縫對比

4 結(jié)論

1)頁巖氣壓裂具備高速水流沖擊破裂巖石的理論基礎。從建立壓裂井筒模型出發(fā)，結(jié)合射孔理論及水力學計算公式，對頁巖氣井瞬時起裂壓力進行了計算分析，水流沖擊力大于巖石本體破裂壓力時，可以沖擊破碎巖石。同時，通過與水力壓裂和常規(guī)壓裂起裂機理對比分析，表明高速水流沖擊破壞，有利于提高頁巖氣井近井筒裂縫的復雜性。

2)高速水流沖擊大幅度提高了近井筒附近的復雜程度。單孔高速水流起到了一定的水力噴射作用；多級分簇射孔，起到了多點限流壓裂效果(孔眼摩阻>破裂壓力差)；簇間相互干擾作用提高近井筒附近的復雜程度。從以上3個層次分析，認為高速水流沖擊作用大幅度提高了近井筒附近的復雜程度。

3)提高排量方式影響高速水流沖擊巖石破裂。緩慢提高排量時，往往以1簇或2簇進液為主，進液簇由于持續(xù)施壓地層發(fā)生巖石本體破裂，在裂縫形成初期隨著繼續(xù)提高排量，流速急劇增大，可能會引起剩余的1簇或2簇發(fā)生高速水流沖擊破裂；迅速提高排量，進而提高瞬時流速，有利于3簇均發(fā)生高速水流沖擊破裂巖石。

[1]李根生，沈忠厚.高壓水射流理論及其在石油工程中應用進展研究[J].石油勘探與開發(fā)，2005，32(1)：96～99.

[2]劉永亮.水力噴射壓裂射流參數(shù)優(yōu)化設計研究[D].成都：西南石油大學，2005.

[3]呂志凱，何順利，羅富平，等.射孔水平井分段壓裂起裂壓力理論研究[J].石油鉆探技術，2011，39(4)：72～76.

[編輯] 帥群

2016-09-12

劉曉明(1985-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油田開發(fā)技術工作，172696081@qq.com。

TE375

A

1673-1409(2017)15-0046-05

[引著格式]劉曉明.涪陵頁巖氣藏巖石破裂機理分析[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(15):46～50.