长江大学学报（自科版） ２０１４年１１月号石油中旬刊第１ｌ卷第３２期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ Ｓｃｉ￣ｄｉｔ） Ｎｏｖ．２０１４，Ｖｏ１．１ １ Ｎｏ．３２ 页岩储层特征与储层破裂特征研究 秦文凯 （中石油大庆油田有限责任公司大庆钻探工程公司地质录井一公司，黑龙江大庆１ ６３４１ １） ［摘要］分析了页岩气储层差异，与致密气、煤层气对比，页岩气在储层特性、渗流机理、赋存形态、储 量方面存在差异；在此基础上从页岩储层微观结构、页岩气赋存形态、渗流机理及天然裂缝等方面进一 步阐述了页岩储层特征。针对页岩储层的特点，需改变传统造长缝的压裂理念转变为形成缝网的压裂理 念；探讨了页岩储层中岩石破裂特征，对产能优化方面总结了与不同脆性程度相适应的压裂液体系及支 撑剂浓度；针对国内页岩开发现状提出展望，对我国页岩气研究与开发具有一定的指导意义。 ［关键词］页岩气；储层差异；储层特征；岩石破裂特征；压裂液；支撑剂 ［中图分类号］ＴＥｌ２２．Ｉ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］１６７３—１４０９（２０１４）３２—００１９—０４ 据中国国土资源部发布的《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》，中国页岩气地质资源储 量为１３４×１０ ｍ。，可采资源潜力为２５．Ｏ８×１０ ｍ。，显示出中国页岩气资源开发潜力巨大。目前，在 我国页岩气勘探开发处于起步阶段和理论探索阶段，需要加强对我国页岩储层特征的研究。为此，笔者 通过文献调研总结了页岩储层特征，并分析了页岩储层的破裂特征，研究了页岩储层破裂与储层压裂之 间的关系，通过这些研究针对我国页岩气藏储层改造技术提出了几点建议。 １页岩气储层差异 非常规油气资源包括致密砂岩气、煤层气、页岩气。这３类非常规油气藏的物性参数、地质特征、 天然气赋存机理、油气藏成藏机理、储量等方面都存在较大差异，这些因素都将影响压裂工艺、压裂液 体系及支撑剂的选择。３种非常规油气藏储层特性¨１。 对比表如表１所示，从表１中可看出页岩储层的 特殊性，在页岩气藏的开发中不可照搬现有的机理研究模式和压裂理念。 表１ 非常规油气藏储层特性对比表 ２页岩储层特征 ２．１页岩微观结构 页岩储层中存在２种孑Ｌ隙介质：微孔隙和纳米孔隙，这２种孑Ｌ隙介质包括粒内孔和粒间孔。微孑Ｌ隙 ［收稿日期］２０１４一ｏ７—１９ ［作者简介］秦文凯（１９８２一），男，工程师，现主要从事录井油气水层解释评价方面的研究工作。 第１１卷第３２期 秦文凯：页岩储层特征与储层破裂特征研究 较低，因此天然裂缝在压裂时会重新开启。国外文献表明人工裂缝与天然裂缝相遇时会出现３种情形： 人工裂缝穿过天然裂缝；人工裂缝沿天然裂缝延伸并在其尖端穿出；人工裂缝沿天然裂缝延伸一段距离 后在其中部穿出。Ｆ．Ｗ．Ｇａｌｅ指出大面积沟通天然裂缝将会获得更高采收率，因此对页岩储层进行压裂 改造前应通过成像测井资料掌握储层的裂缝和孔隙发育、分布情况，采取适当的射孔方式和压裂方式尽 可能多地沟通有机物基质及天然裂缝，提高页岩气产量 。 ３页岩地层破裂特征 常规储层或致密砂岩的压裂理念是在平面上改善储层渗流能力和纵向上提高储层剖面动用程度及有 效性，其主要目的是形成长缝，而页岩储层的压裂理念主要基于能形成大范围的解吸区域，其压裂出发 点主要有２点：在纵向和横向上形成复杂的裂缝网络，扩大页岩气解吸区域体积；大排量的方式向地层 泵量压裂液，促进其在天然裂缝中的滤失，使天然裂缝重启。 页岩地层中压裂会出现３种裂缝：张性裂缝、剪切裂缝和混合张剪裂缝。张性裂缝在支撑剂有效支 撑的情况下具有一定的导流能力，剪切裂缝是由于裂缝壁面发生错动产生的，在无支撑剂充填的情况下 也能提供气体渗流通道，但在井筒周围形成的支撑裂缝或天然裂缝的闭合应力较远处更大，因此在无支 撑剂充填的情况下不能形成游离气渗流通道。 所以，页岩储层中不再是简单的张性破坏，而存在剪切、滑移等复杂的力学行为。常规储层中裂缝 扩张模型都是基于线弹性断裂力学，而页岩中在考虑线弹性和弹性裂缝变形及就地应力场的基础上，使 用分形理论反演天然裂缝网络，建立裂缝剪切扩展模型［１ ７－１ ９］。 研究表明，在脆性程度越高（即脆性指数越大）的页岩储层进行压裂形成的是复杂裂缝网络，脆性 程度越高，形成的裂缝网络越密集，裂缝净压力越小，裂缝宽度越小，这会加砂量，大规模加砂或 造成砂堵，因此针对该类储层建议使用缝网压裂方式。脆性页岩是最理想页岩地层，但部分泥质含量较 高的页岩地层中脆性因素降低，塑性程度增加，使裂缝形态由裂缝网络逐渐向Ｔ型裂缝、多裂缝、对 称双翼缝转变。在该裂缝形态前提下，在横向上形成一定解吸带。同时在高闭合应力下塑性页岩地层中 易发生支撑剂嵌人现象，对该类储层压裂可适当提高砂比，形成较高铺砂浓度，降低因嵌入引起导流能 力下降。一般而言，根据页岩储层的脆性程度，改造时选择压裂液体系和支撑剂浓度可参考表２。 表２选择压裂液体系一般标准 ４ 中国页岩气储层改造技术的几点建议 １）借助国外超低渗透率测试理念和技术，制定适合我国页岩储层渗透率测试方法及相关的标准， 形成具有自主知识产权的测试技术。 ２）研究页岩储层岩石的破裂特征，基于该破裂特征提出适合页岩岩石的本构方程，并提出适合页 岩的强度准则，将促进页岩储层的压裂改造技术的革新。 ３）加大对脆性页岩地层中形成复杂裂缝网络的研究，开展大量基础实验工作，深化页岩储层基础 研究，提出页岩储层形成复杂裂缝网络的关键因素或主要因素。 ４）页岩储层压裂中支撑剂的嵌入导致支撑剂与裂缝壁面存在裂缝面表皮系数，将降低基质中气体 向支撑裂缝渗流，应研究页岩中支撑剂沉降及铺置方式，提高基质向裂缝供气的能力及裂缝导流能力。 ・ ２２ ・ 石油中旬刊＊石油地质与地化 ２Ｏ１４年１１月 ５）国外学者提出页岩储层可实施高能气体压裂，在井眼周围形成大量微裂缝，该技术可用于脆性 页岩储层改造。基于高能气体压裂优点，可研究和其他压裂技术（如清水压裂）相结合，使形成复杂的 裂缝网络，提高裂缝网络的区域。 ６）加大跟踪调研国内外水平井钻完井及压裂改造技术发展动向，紧跟国外压裂技术发展趋势，根 据我国页岩储层实际的地质特征，在此基础上结合国外先进压裂技术，提出适合我国页岩储层的压裂技 术及压裂施工工艺，以便加快我国页岩气藏的开发。 ７）页岩压裂成本较高，应大力开展返排液回收及再利用技术，降低成本，保护环境。 ［参考文献］ ［１］康毅力，罗平亚．中国致密砂岩气藏勘探开发关键工程技术现状与展望［Ｊ］．石油勘探与开发，２００７，３４（２）：２３９—２４５． ［２］唐鹏程，，杨素云，等．煤层气成藏机理研究［Ｊ］．中国矿业，２００９，１８（２）：９４—９７． ［３］李五忠，王一兵，孙斌，等．中国煤层气资源分布及勘探前景＿Ｊ］．天然气＿Ｉ＝业，２００４，２４（５）：８－１０． ［４］张所续．世界页岩气勘探开发现状及我国页岩气发展展望［Ｊ］．中国矿业，２０１３，２２（３）：卜３． ［５］张金川，薛会，张德明，等．页岩气及其成藏机理［Ｊ］．现代地质，２００３，ｌ ７（４）：４６６． ［６］张金川，汪宗余，聂海宽，等．页岩气及其勘探研究意义［Ｊ］．现代地质，２００８，２２（４）：６４０～６４６． ［７］Ｒｏｓｓ Ｄ Ｊ Ｋ．Ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｐｏｎ ｇａｓ ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［Ｊ］．Ｍａｒｉｎｅ ａｎｄ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇｅｏｌｏｇｙ，２００９，２６：９１６－９２７． ， ［８］张雪芬，陆现彩，晔，等．页岩气的赋存形式研究及其石 由地质意义［Ｊ］．地球科学进展，２０１０，２５（６）：５９７—６０４． ［９］Ｒａｓｓｅｎｆｏｓｓ Ｓ．Ｓｈａｌｅ Ｈｏｌｄｓ Ｈｕｇｅ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＪＰＴ，２０１１（６）：３Ｏ一３４． ［１０］Ｗａｎｇ Ｆ Ｐ．Ｐｏｒｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ ｉｎ Ｇａｓ Ｓｈａｌｅｓ ＩＪ］．ＳＰＥ ｌ２４２５３，２００９． ［１１］赵振国．吸附作用应用原理［Ｍ］．北京：化学工业出版，２００５． ［１２］Ｆａｔｈｉ Ｅ，Ａｋｋｕｔｌｕ Ｉ Ｙ．Ｍａｔｒｉｘ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｇａｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｎｄ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌｈｅｄ ａｎｄ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ，２００９，８０（２）：２８１—３０４． ［１３］傅广，吕延防．天然气扩散作用及其研究方法［Ｍ］．北京：石油工业出版社，ｌ９９９． ［１４］Ｂｈａｔｉａ Ｓ Ｋ，Ｎｉｅｈｏｌｓｏｎ Ｄ．Ｓｏｍｅ ｐｉｔｆａｌｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｎｕｄｓｅｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］． Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１ｌ，６６（３）：２８４—２９３． ［１５］吴奇，胥云，王腾飞，等．增产改造理念的重大变革 体积改造技术概论［Ｊ］．天然气工业，２０１１，３ｌ（４）：７ １２． ［１６］Ｇａｌｅ Ｊ Ｆ Ｗ，Ｒｅｅｄ Ｒ Ｍ，Ｈｏｌｄｅｒ Ｊ．Ｎａｔｕｒａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ［Ｊ］． ＡＡＰＧ ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，９１（４）：６０３－６２２． ［１７］付永强，马发明，曾立新，等．页岩气藏储层压裂实验评价关键技术［Ｊ］．天然气工业，２ｏ１１，３１（４）：５１—５４． ［１８］Ｂｒｉｔｔ Ｌ Ｋ，Ｓｃｈｏｅｆｆｌｅｒ Ｊ．Ｔｈｅ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ａ Ｓｈａｌｅ Ｐｌａｙ：Ｗｈａｔ Ｍａｋｅｓ ａ Ｓｈａｌｅ Ｐｒｏｐｅｃｔｉｖｅ！［Ｊ］．ＳＰＥ１２５５２５，２００９． ［１９］Ｈａｒｐａｌａｎｉ Ｓ，Ｚｈａｏ Ｘ．Ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ Ｆｌｏｗ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｃｏａｔ ｗｉｔｈ Ｇａｓ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳＰＥ １９４５０，１９８９． ［编辑］ 洪云飞 （上接第８页） ［参考文献］ ［１］魏东涛，赵应成，阿不力米提，等．准噶尔盆地南缘前陆冲断带油气成藏差异性分析［Ｊ］．高校地质学报，２０１０，１６（３）：３３９ ３５０． ［２陈书平，漆家福，于福生，等．准噶尔盆地南缘构造变形特征及其主控因素［Ｊ］．地质学报，２００７，８１（２）：１５卜１ ５７． ［３］达江，宋岩，柳少波，等．准噶尔盆地南缘前陆冲断带油气成藏组合及控制因素［Ｊ］．石油实验地质，２００７，２９（４）：３５５—３６０． ［４］阿布力米提，唐勇，李臣，等．准噶尔盆地南缘前陆盆地白至系生油的新认识ｈ［Ｊ］．石油地质，２００４，２５（４）：４４６—４４８． ［５］侯读杰，冯子辉．油气地球化学［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２Ｏ１Ｉ． ［６］卢双舫，张敏．油气地球化学［Ｍ］．北京：石油ｒ业出版社，２００８． ［７］王强，付晓文，徐志明，等．稳定碳同位素在油气地球化学中的应用及存在问题［Ｊ］．天然气地球科学，２００５，１６（２）：２３３ ２３７． ［编辑］ 洪云飞
