非常规油气藏复杂缝网压裂机理

1非常规油气藏复杂缝网压裂机理中国石油大学（北京）马新仿2016年11月01日2一、非常规油气资源概况二、复杂缝网（体积）压裂的理念及内涵三、复杂缝网压裂裂缝扩展物理模拟四、复杂缝网压裂裂缝扩展数值模拟2主要内容非常规油气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探开发方式等方面有别于常规油气的烃类（或非烃类）资源，主要指页岩气、煤层气、致密油、致密砂岩气和天然气水合物等。非常规油气资源概况观念创新：把约束在生油岩里的油气放出来常规油气藏形成的六字诀：生储盖运圈保非常规油气：有生即储开发顺序：常规气致密气页岩气34全球非常规油气资源评价可采资源：常规4878亿吨，非常规6200亿吨，二者相当采出程度：常规1732亿吨，约占35%；非常规微不足道可采资源：常规471万亿方，非常规近4000万亿方，是常规的8倍多采出程度：常规79万亿方，约占17%；非常规微不足道45全球页岩气和致密油资源量2015年美国EIA对全球页岩气、致密油资源进行了再评价目前全球页岩气可采资源量约215万亿方，致密油可采资源量573亿吨，主要分布在北美、南美、北非和亚洲等国家，中国页岩气可采资源量为32万亿方，页岩油资源约44亿吨。56全球非常规油气产量2015年非常规油气产量8227亿方（页岩气4693亿方，致密气2450亿方，煤层气1084亿方），占天然气总产量的23%（EIA2016）2015年非常规油产量4.8亿吨（致密油2.3亿吨，油砂油1.4亿吨，重油1.1亿吨），占原油总产量的11%。（EIA2016）美国非常规油气产量2015年美国页岩气产量4250亿方，致密油2.1亿吨，致密气1200亿方，煤层气390亿方，油气对外依存度33%和1%2015年非常规油产量4.8亿吨（油砂油1.4亿吨，重油1.1亿吨），占原油总产量的11%。67美国非常规油气现状美国非常规油气资源美国非常规气（致密气、煤层气和页岩气）技术可采资源量46.6万亿方，探明储量7.8万亿方；致密油技术可采资源量83亿吨，探明储量19亿吨。岩气革命”改变了全球能源供给格局。美国主要页岩气区块美国非常规油气资源量与探明储量资源种类技术可采储量（万亿方）探明储量（亿方）页岩气18.856510致密气16.516162煤层气11.34445致密油83（亿吨）19（亿吨）78我国非常规油气资源评价页岩气地质资源量为80.21万亿方，可采资源量12.85万亿方煤层气地质资源量为29.82万亿方，可采资源量12.51万亿方致密气地质资源量为21.86万亿方，可采资源量10.94万亿方致密油地质资源量为125.8亿吨，可采资源量12.34亿吨第四次全国油气资源评价（中石油勘探院，2016）891、致密油地质资源量148亿吨致密油：是聚集在覆压基质渗透率≤0.1md致密储层中的石油。是在页岩油概念基础上延伸出来的，需要借助压裂等技术手段才能实现经济开采的原油，它以吸附或游离状态赋存于富有机质且渗透率极低的泥质粉砂岩、砂岩夹层和碳酸盐岩系统中的自生自储、连续分布的石油聚集，包括从致密砂岩、致密碳酸盐岩中开采出的原油。9102、致密气地质资源量24万亿方致密气：是聚集在覆压基质渗透率≤0.1md致密砂岩中的天然气我国主要致密气盆地分布图地质资源量：24万亿方探明储量：6万亿方2015年产量：360亿方10113、页岩气地质资源量144万亿方页岩气：赋存在富有机质页岩储层中的天然气地质资源量：144万亿方可采资源量：12.85万亿方探明储量：5441亿方已建产能：80亿方2015年产量：45亿方我国富有机质页岩分布广泛，南方地区和新疆塔里木盆地等发育海相页岩，华北地区和准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等广泛发育陆相页岩，具备页岩气成藏条件，资源潜力巨大。11124、煤层气地质资源量31.5万亿方煤层气：赋存在煤岩储层中的天然气地质资源量：31.5万亿方探明储量：6226亿方已建产能：60亿方2015年产量：44亿方12135、我国非常规油气产量预测据中石油廊坊分院预测，2020年我国非常规天然气产量将实现1200亿方，其中致密气占58%，达700亿方，煤层气（地面）产量200亿方，页岩气产量300亿方。1314一、非常规油气资源概况二、复杂缝网（体积）压裂的理念及内涵三、复杂缝网压裂裂缝扩展物理模拟四、复杂缝网压裂裂缝扩展数值模拟14主要内容15（一）缝网（体积）压裂概念的提出在页岩气压裂裂缝监测和压后效果评估中发现存在和常规压裂不同之处，包括裂缝形态、压裂增产的机理、影响压裂效果的主控因素等。上世纪90年代滑溜水大型压裂在页岩的成功应用，以及微地震监测呈现的规模庞大的复杂裂缝形态，逐渐形成了体积压裂的概念：认为对低渗致密储层压裂的目标是形成大规模的网状裂缝，增加储层基质向人工裂缝供油气能力，从而实现增产的效果。1516体积压裂是指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，实现人造“渗透率”，从而提高初始产量和最终采收率。体积压裂技术源于低孔、低渗且天然裂缝发育的页岩气藏开发的实践，是页岩气实现商业开发的首要技术；对于致密气藏、其他非常规气藏的开发具重要的借鉴意义。（一）缝网（体积）压裂概念的提出1617常规压裂增产理念主要是在压裂时抑制次生裂缝的扩展，主要形成一条主裂缝，产能主要来自主裂缝的高渗流能力。体积压裂与常规压裂改造理念相反，压裂时通过各种工艺形成更多的裂缝、沟通更大的渗流区域，充分发挥主裂缝和天然裂缝增产优势。常规压裂裂缝形态体积压裂裂缝形态1、体积压裂的理念（一）缝网（体积）压裂概念的提出1718利用储层两个水平主应力差值与裂缝延伸净压力关系,当裂缝延伸净压力大于储层天然裂缝或胶结弱面张开所需临界压力,产生分支缝或立体网状裂缝，最终形成以主裂缝为主干的纵横交错的网状缝系统。形成的网络裂缝，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大，使得油气从任意方向基质向裂缝的渗流距离最短，极大地提高储层整体渗透率。2、体积压裂的定义（一）缝网（体积）压裂概念的提出1819常规压裂：单一主缝网络裂缝树形网络裂缝单一主缝网络裂缝树形网络裂缝3、压裂改造观念的转变（一）缝网（体积）压裂概念的提出1920网络裂缝的三个尺度层次一、支撑裂缝二、自支撑裂缝三、毛细裂隙树形网络裂缝的分形分布3、压裂改造观念的转变（一）缝网（体积）压裂概念的提出2021实现大规模的压裂改造体积是成功的关键所在！施工阶段ESV(106m3)120.1225.8317.6425.9514.2617.8718.7823.2913.51020.7110lowerEagleFordshalegas,SouthTexas3、压裂改造观念的转变（一）缝网（体积）压裂概念的提出2122内涵一：裂缝以复杂缝网形态扩展，打碎储层，实现人造“渗透率”内涵二：裂缝发生剪切破坏，错断、滑移。不是单一的张开型破坏内涵三：储层岩性具有显著的脆性特征，是实现体积改造的物质基础内涵四：天然裂缝及相互沟通状况，是实现体积改造的前提条件内涵五：“分段多簇”射孔实施应力干扰是实现体积改造的技术关键（二）缝网（体积）压裂的内涵2223平面对称双翼裂缝非平面对称裂缝（弯曲缝、多裂缝）缝网压裂技术(经典理论下提出，隐含现代理论内涵)体积改造技术(现代理论)张开裂缝剪切裂缝内涵一：裂缝以复杂缝网形态扩展，打碎储层，实现人造“渗透率”（二）缝网（体积）压裂的内涵2324内涵：剪切缝是岩石在外力作用下破裂并产生滑动位移，岩层表面形成不规则或凹凸不平的几何形状，具有自我支撑特性的裂缝。条件：当压力低于最小水平应力，产生剪切断裂。地质力学特性：形成剪切缝的岩石具有较高的偏应力和强度，是不易发生塑性形变的脆性岩石（杨氏模量高，泊松比低），富含强度较低的岩石结构或天然裂缝。剪切裂缝在径向上更为发育。剪切扩张机理图示2、剪切缝作用机理致密气藏——清水压裂、低浓度支撑剂1、基础实验成为新理念的重要支撑内涵二：裂缝发生剪切破坏，错断、滑移。不是单一的张开型破坏（二）缝网（体积）压裂的内涵2425•Barnett页岩含石英矿物37.38%，碳酸盐矿物19.13%，粘土矿物41.13%；其中粘土矿物成分不含蒙脱石，以伊/蒙混层为主。北美不同区域页岩地层矿物组分（%）内涵三：储层岩性具有显著的脆性特征，是实现体积改造的物质基础北美页岩数据库的矿物三角图表明1区脆性页岩富含石英2区脆性页岩富含碳酸盐3、4区塑性页岩富含泥质压裂困难易形成缝网（二）缝网（体积）压裂的内涵2526裂缝=天然气储集空间及渗流通道简单裂缝复杂裂缝异常复杂裂缝Barnett页岩储层页岩在裂缝网络系统不发育情况下，很难成为有效储层内涵四：天然裂缝及相互沟通状况，是实现体积改造的前提条件内涵的延伸储层的岩石力学特性是确定压裂是否能够形成体积改造的关键天然裂缝发育状况，是否产生复杂网状缝，是实施体积改造的基础研究表明：K≤1mD，裂缝网络对产能极限贡献率在10%左右K≤0.01mD，裂缝网络对产能极限贡献在40%左右K≤0.0001mD，网络对产能极限贡献在80%左右裂缝网络对提高致密气、页岩气的产能至关重要（二）缝网（体积）压裂的内涵2627敲击不产生裂缝敲击产生网状缝破碎且水平层理发育体积改造的最美诠释（二）缝网（体积）压裂的内涵2728内涵五：“分段多簇”射孔实施应力干扰是实现体积改造的技术关键常规水平井分段压裂：研究段间距的优化，采用单段射孔，单段压裂模式，避免缝间干扰体积改造：优化段间距，采用“分段多簇”射孔，多段一起压裂模式，利用缝间干扰，促使裂缝转向，产生复杂缝网（二）缝网（体积）压裂的内涵2829（1）天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，将可以渗流的有效储层打碎，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大。（三）缝网（体积)压裂的模式及技术特点1、缝网（体积）压裂的模式2930（2）在有限井段内增加水力裂缝条数，这些裂缝累积控制的泄流面积随着裂缝的条数、缝长、缝宽、缝高等因素变化而变化。1、缝网（体积）压裂的模式（三）缝网（体积)压裂的模式及技术特点3031（3）利用储层两向水平应力差值与裂缝延伸净压力的关系，实现裂缝延伸净压力大于两个水平主应力的差值与岩石抗张强度之和（即两次破裂压力之差），形成以主缝和分支裂缝相组合的网络裂缝。1、缝网（体积）压裂的模式（三）缝网（体积)压裂的模式及技术特点3132（1）技术特点一：大液量、大排量、大砂量、小粒径、低砂比2、缝网（体积）压裂的特点（三）缝网（体积)压裂的模式及技术特点3233（2）技术特点二：液体粘度越低，越容易实现体积改造压裂充填液冻胶冻胶泡沫泡沫线性凝胶混合型滑溜水2、缝网（体积）压裂的特点（三）缝网（体积)压裂的模式及技术特点3334单位井号所属油田岩性压后产量备注东方宝麟科技发展（北京）有限公司TK1078中石化西北局裂缝性灰岩日产油170吨，已累计增油12万吨塔河油田共实施6口井TH10411中石化西北局裂缝性灰岩日产油90吨，已累计增油7.65万吨宁201中石油西南油气页岩气稳定日产气26000方，是目前国内产气量最高页岩气井威远及长宁页岩气共实施5口直井，1口水平井徐深9-4中石油大庆油田火山岩压后日产气20万方徐深气田共实施2口井龙106中石油西南油气砂砾岩压后日产气18万方九龙山构造共实施2口井丹浅001-6-X4中石油西南油气含裂缝致密砂岩压后日产气14.8万方丹凤场构造共实施3口井岳101-X12中石油西南油气含裂缝致密砂岩压后日产气92万方，日产油128方安岳构造共试验2口井东峰2井中石化西南局页岩气压后日产气10000方苏53-78-38H长城钻探含裂缝砂岩针阀配产日产气15万方，无阻流量高达500万方该井是国内率先试验裸眼井段内多裂缝体积压裂廊坊分院丰1-15中石油浙江油田致密砂岩