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[摘 要]页岩气作为一种重要的非常规能源，具有低孔、低渗特征。通过与美国页岩气成藏地质条件的对比研究后发现，我国页岩气资源丰富，前景广阔，但尚处于起步阶段。因此，应借鉴北美地区页岩气储层特点和开发技术，加快技术研发和应用力度，尽快形成和配套适应我国页岩气压裂技术应用的基础理论与技术系列。针对低孔隙度、低渗透-特低渗透储层的缝网压裂技术，完善了缝网压裂的概念。分析了不同类型的储层形成缝网的力学条件，研究了各种缝网压裂施工方式，提出了目前可应用的缝网压裂施工方法，确立了页岩气缝网压裂设计原则及相关理论基础，阐述了缝网压裂设计的基本思路及优化方法，并指出缝网压裂的发展方向，对理论和现场施工有重要的参考价值。实验结果表明，压裂后效果显著，分析显示有多缝形成。
[关键词]页岩气；开发现状；地质特征；缝网压裂
中图分类号：G577 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0361-01
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。近几年，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。
1 页岩储层特征
页岩是黏土岩的一种，由黏土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成，具有页状或薄片状层理，页岩气藏既是气源岩又是储集层，普遍富含有机质。页岩气藏中的天然气既有自由气，又有吸附气，其开采机理相对复杂。页岩气藏由于渗透率极低（（0.0001～0.000001）×10-3，），释放天然气的速度很慢，单井产量较低。但是多数页岩层分布相对平缓，厚度大，可预见性强，地层规模大，天然裂缝较为发育，因此页岩气井初期产量不高，但稳定生产后持续时间较长。页岩是一种渗透率极其低的沉积岩。天然气蕴藏在页岩孔隙空间及裂缝内，或吸附在页岩有机物的活性表面。间隙气与吸附气一起构成页岩天然气。岩心分析表明，成熟、热成因的頁岩主要被间隙气所饱和，吸附气所占比例在50%到10%。相反，未发育成熟、生物成因的页岩主要被吸附气所饱和，间隙气所占比例很小。同时页岩孔隙空间中还被不同比例的水、气及可动油所饱和。储层性质最佳的页岩通常含油和含水饱和度低、间隙气饱和度高，因而气相相对渗透率也较高。该类页岩中有机物含量在中等以上，有机物发育程度较高，其组织结构反映出孔隙度和渗透率在埋藏过程中保存较好。成像测井和取心表明，页岩储层天然裂缝和层理发育，岩石中硅、钙含量高，机械性能差，容易压开压碎。含气页岩与普通页岩相比，含气页岩具有自然伽马强度高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低等特征。孔隙度、流体饱和度、渗透率和有机质含量等是衡量页岩储层是否具有开发价值的关键参数。根据国外大量数据统计，页岩储层水力压裂选层标准为：孔隙度大于4%，含水饱和度小于45%，含油饱和度小于5%，渗透率大于10～6mD，有机质含量大于2%，泥质含量30%～40%。
2 影响页岩气井产能因素
页岩气以其存在的特殊性，开采的难度较大。富集是高产的基础，但天然气在页岩中能形成富集，不代表它能被高效采出，形成工业性气流。页岩气产量依赖于有机碳含量、有机质成熟度、矿物组成、天然裂缝发育程度、孔隙度和渗透率及页岩气吸附解吸。正确评价这些参数的作用及其影响，对合理评价页岩气产能具有重要意义。（1）有机碳含量（TOC）控制着页岩的含气量，是生烃强度的主要影响因素，所以对于页岩气的产量有着至关重要的作用。（2）有机质成熟度。页岩气从形成到富集再到高产的过程，主要为3个阶段，即低熟微裂缝开启生物气逸散阶段，高熟微裂缝胶结裂解气富集阶段，压裂微裂缝开启页岩气高产阶段。可以看出，热成熟度越高，页岩气的产能越高。（3）页岩地层的矿物组成主要有：脆性矿物（石英、长石、黄铁矿），碳酸盐岩（方解石、白云石、磷酸盐）和粘土。不同的矿物组成，对压裂和页岩气的吸附有着不同的影响作用，从而影响页岩气井的产能。（4）天然裂缝的发育程度。世界页岩气资源很丰富，但尚未得到广泛勘探开发，根本原因是致密页岩的渗透率一般很低（小于1mD），那些页岩气已经投入开发利用的地区往往天然裂缝系统比较发育。例如Antrim页岩生产带主要发育西北向和北东方向组近垂直的天然裂缝；Barnett页岩气产量高低与岩石内部微裂缝发育程度有关；NewAlbany页岩经济可采储量也与裂缝系统相关。天然裂缝的发育程度是控制气体储量和产量的重要因素。
3 页岩气井压裂技术
页岩气藏的特性决定了页岩气只有在特定条件下才能被开采出来。与含气页岩有关的特征包括缺少明显的盖层和圈闭、无清晰的气水界面、天然裂缝发育、最终采收率低于常规气藏以及极低的基岩渗透率。页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气。页岩气主要采用排气降压的开发方式。随着页岩中游离相天然气的采出，页岩气藏内部压力降低，吸附相及少量溶解相天然气的游离比，从而提高天然气产能并长期稳产。页岩气储层致密，孔隙度一般为4%～6%，渗透率一般在0.0001～0.000001mD之间，页岩气采收率比常规天然气低，仅为5%～60%。因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施，压裂技术和开采工艺直接影响着页岩气井的经济效益。
3.1 清水压裂
目前美国页岩气开发最主要的增产措施是压裂，即：使用添加了一定减阻剂的清水作为压裂液。这种压裂液主要成分是水，以及很少量的减阻剂、粘土稳定剂和表面活性剂。使用这种低成本压裂液是因为水是一种低粘度流体，更容易产生复杂的裂缝网络，而且很少需要清理，是一种清洁压裂技术，可提供更长的裂缝，并将压裂支撑剂运到远至裂缝网络。清水压裂在Barnett等低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。
3.2 重复压裂
重复压裂是指当页岩气井初始压裂处理已经无效、现有支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，才用压裂工艺对气井惊醒重新压裂增产的工艺。重复压裂能重建储层到经验的线性流，恢复或增加产量，使最终采收率增加8%～10%，可采储量增加60%，是一种低成本增产方法。
3.3 水力喷射压裂
水力喷射压裂是用高压和高速流体携带砂体进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，提高流体排量，从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术。2005年，作业者使用水力喷射环空压裂工艺对Barnett页岩中的53口井进行了压裂，其中26口井取得了技术和经济上的成功，21口井被认定为技术成功。
3.4 同步压裂
同步压裂是近期使用的最新压裂技术。该技术的理论依据是：同时对相邻且平行的水平井交互作业，在压裂过程中，压裂时产生的高应力所造成的两口井之间的相互影响，最大限度地减少压裂流体和支撑剂从一口井流向另外一口井。同步压裂可以增加水力压裂网络的密度，增加压裂作业产生的表面积。
3.5 多级压裂
多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术。多级压裂能够根据储层的含气性特点对同一井眼中不同位置地层进行分段压裂。特点是多段压裂和分段压裂，可以在同一口井中对不同的产层进行单独压裂。多级压裂增产效率高，技术成熟，适用于产层较多，水平井段较长的井。页岩储层不同层位含气性差异大，多级压裂能够充分利用储层的含气性特点使压裂层位最优化。
作者简介
倪腾，男，1990年1月出生，助理工程师，从事油田采油工程工作。地址：山东省滨州市滨城区黄河六路。
[关键词]页岩气；开发现状；地质特征；缝网压裂
中图分类号：G577 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0361-01
页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。近几年，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。
1 页岩储层特征
页岩是黏土岩的一种，由黏土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成，具有页状或薄片状层理，页岩气藏既是气源岩又是储集层，普遍富含有机质。页岩气藏中的天然气既有自由气，又有吸附气，其开采机理相对复杂。页岩气藏由于渗透率极低（（0.0001～0.000001）×10-3，），释放天然气的速度很慢，单井产量较低。但是多数页岩层分布相对平缓，厚度大，可预见性强，地层规模大，天然裂缝较为发育，因此页岩气井初期产量不高，但稳定生产后持续时间较长。页岩是一种渗透率极其低的沉积岩。天然气蕴藏在页岩孔隙空间及裂缝内，或吸附在页岩有机物的活性表面。间隙气与吸附气一起构成页岩天然气。岩心分析表明，成熟、热成因的頁岩主要被间隙气所饱和，吸附气所占比例在50%到10%。相反，未发育成熟、生物成因的页岩主要被吸附气所饱和，间隙气所占比例很小。同时页岩孔隙空间中还被不同比例的水、气及可动油所饱和。储层性质最佳的页岩通常含油和含水饱和度低、间隙气饱和度高，因而气相相对渗透率也较高。该类页岩中有机物含量在中等以上，有机物发育程度较高，其组织结构反映出孔隙度和渗透率在埋藏过程中保存较好。成像测井和取心表明，页岩储层天然裂缝和层理发育，岩石中硅、钙含量高，机械性能差，容易压开压碎。含气页岩与普通页岩相比，含气页岩具有自然伽马强度高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低等特征。孔隙度、流体饱和度、渗透率和有机质含量等是衡量页岩储层是否具有开发价值的关键参数。根据国外大量数据统计，页岩储层水力压裂选层标准为：孔隙度大于4%，含水饱和度小于45%，含油饱和度小于5%，渗透率大于10～6mD，有机质含量大于2%，泥质含量30%～40%。
2 影响页岩气井产能因素
页岩气以其存在的特殊性，开采的难度较大。富集是高产的基础，但天然气在页岩中能形成富集，不代表它能被高效采出，形成工业性气流。页岩气产量依赖于有机碳含量、有机质成熟度、矿物组成、天然裂缝发育程度、孔隙度和渗透率及页岩气吸附解吸。正确评价这些参数的作用及其影响，对合理评价页岩气产能具有重要意义。（1）有机碳含量（TOC）控制着页岩的含气量，是生烃强度的主要影响因素，所以对于页岩气的产量有着至关重要的作用。（2）有机质成熟度。页岩气从形成到富集再到高产的过程，主要为3个阶段，即低熟微裂缝开启生物气逸散阶段，高熟微裂缝胶结裂解气富集阶段，压裂微裂缝开启页岩气高产阶段。可以看出，热成熟度越高，页岩气的产能越高。（3）页岩地层的矿物组成主要有：脆性矿物（石英、长石、黄铁矿），碳酸盐岩（方解石、白云石、磷酸盐）和粘土。不同的矿物组成，对压裂和页岩气的吸附有着不同的影响作用，从而影响页岩气井的产能。（4）天然裂缝的发育程度。世界页岩气资源很丰富，但尚未得到广泛勘探开发，根本原因是致密页岩的渗透率一般很低（小于1mD），那些页岩气已经投入开发利用的地区往往天然裂缝系统比较发育。例如Antrim页岩生产带主要发育西北向和北东方向组近垂直的天然裂缝；Barnett页岩气产量高低与岩石内部微裂缝发育程度有关；NewAlbany页岩经济可采储量也与裂缝系统相关。天然裂缝的发育程度是控制气体储量和产量的重要因素。
3 页岩气井压裂技术
页岩气藏的特性决定了页岩气只有在特定条件下才能被开采出来。与含气页岩有关的特征包括缺少明显的盖层和圈闭、无清晰的气水界面、天然裂缝发育、最终采收率低于常规气藏以及极低的基岩渗透率。页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气。页岩气主要采用排气降压的开发方式。随着页岩中游离相天然气的采出，页岩气藏内部压力降低，吸附相及少量溶解相天然气的游离比，从而提高天然气产能并长期稳产。页岩气储层致密，孔隙度一般为4%～6%，渗透率一般在0.0001～0.000001mD之间，页岩气采收率比常规天然气低，仅为5%～60%。因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施，压裂技术和开采工艺直接影响着页岩气井的经济效益。
3.1 清水压裂
目前美国页岩气开发最主要的增产措施是压裂，即：使用添加了一定减阻剂的清水作为压裂液。这种压裂液主要成分是水，以及很少量的减阻剂、粘土稳定剂和表面活性剂。使用这种低成本压裂液是因为水是一种低粘度流体，更容易产生复杂的裂缝网络，而且很少需要清理，是一种清洁压裂技术，可提供更长的裂缝，并将压裂支撑剂运到远至裂缝网络。清水压裂在Barnett等低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。
3.2 重复压裂
重复压裂是指当页岩气井初始压裂处理已经无效、现有支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，才用压裂工艺对气井惊醒重新压裂增产的工艺。重复压裂能重建储层到经验的线性流，恢复或增加产量，使最终采收率增加8%～10%，可采储量增加60%，是一种低成本增产方法。
3.3 水力喷射压裂
水力喷射压裂是用高压和高速流体携带砂体进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，提高流体排量，从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术。2005年，作业者使用水力喷射环空压裂工艺对Barnett页岩中的53口井进行了压裂，其中26口井取得了技术和经济上的成功，21口井被认定为技术成功。
3.4 同步压裂
同步压裂是近期使用的最新压裂技术。该技术的理论依据是：同时对相邻且平行的水平井交互作业，在压裂过程中，压裂时产生的高应力所造成的两口井之间的相互影响，最大限度地减少压裂流体和支撑剂从一口井流向另外一口井。同步压裂可以增加水力压裂网络的密度，增加压裂作业产生的表面积。
3.5 多级压裂
多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术。多级压裂能够根据储层的含气性特点对同一井眼中不同位置地层进行分段压裂。特点是多段压裂和分段压裂，可以在同一口井中对不同的产层进行单独压裂。多级压裂增产效率高，技术成熟，适用于产层较多，水平井段较长的井。页岩储层不同层位含气性差异大，多级压裂能够充分利用储层的含气性特点使压裂层位最优化。
作者简介
倪腾，男，1990年1月出生，助理工程师，从事油田采油工程工作。地址：山东省滨州市滨城区黄河六路。