涪陵页岩气藏岩石破裂机理分析

刘晓明

长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100中石化江汉油田分公司坪北经理部，湖北 潜江 433100

涪陵页岩气藏岩石破裂机理分析

刘晓明

长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100中石化江汉油田分公司坪北经理部，湖北 潜江 433100

涪陵页岩气田通过前期对地层的认识及实践形成了 “混合压裂、组合加砂”工艺，取得了较好的改造效果。从建立压裂井筒模型出发，结合射孔理论及水力学计算，并通过与低排量常规压裂、水力喷射压裂的岩石破裂机理比较研究，对页岩气储层起裂瞬间的岩石破裂机理进行分析，探讨了页岩气储层“复杂缝/网缝+主缝”的压裂理念以及页岩气储层压裂改造的复杂性。

涪陵；页岩气藏；破裂机理；压裂

涪陵地区页岩气藏埋深适中，深度在2250～3500m之间。五峰-龙马溪组以产优质页岩气为主，不产水；页岩气组分以CH4为主，平均体积分数98.27%，烃类总体积分数超过99%，不含H2S，为典型的优质页岩气，目的层温度85.99℃，地温梯度为2.91℃/100m，地层压力因数为1.55。页岩储层段孔隙度主要介于3%～7%区间范围内，平均4.61%。垂直渗透率低于水平渗透率，垂直渗透率普遍低于1mD，平均值为3.2mD，水平渗透率普遍高于10mD，平均值为133mD。

在涪陵焦石坝地区页岩气储层研究认识基础上，形成了“复杂缝/网缝+主缝”的压裂理念，实现了页岩气储层的“混合压裂、组合加砂”的压裂改造，截止到2015年3月，累计压裂施工108口井，工艺成功率100%，有效率100%，平均单井无阻流量51.2×104m3，累计产气14.8×108m3，建成产能30×108m3，压裂改造成果显著。通过对页岩气储层起裂瞬间的岩石破裂机理进行分析，并与低排量常规压裂、水力喷射压裂的岩石破裂机理相对比，分析页岩气储层压裂改造的复杂性。

1 涪陵页岩气藏储层破裂压力计算

2 压裂井筒模型建立

为了更好地分析页岩气井压裂起裂瞬间岩石的破碎机理，结合现场的钻完井井身结构和射孔参数等相关数据建立了压裂井筒模型。

图1 套管及水泥环示意图

涪陵焦石坝页岩气目的层钻开储层的钻头直径为215.9mm，下入的套管外径为139.7mm，壁厚12.34mm，内径为115.02mm。假设下入的套管位于钻开通道的正中心，那么水泥环单边厚度为38.1mm，如图1所示。

采用的SDP35HMX25-4XF射孔弹理论射孔深度为1m，大于水泥环深度，参数见表1。因此，压裂液流经孔眼后会继续延伸1m，由于施工过程中排量不断地得到补充，在地层破裂瞬间之前，整个流通通道内会存在高速压裂液，由于液体的惯性作用，高速流动的液体瞬间遇阻于一个封闭的空间，就会在液体延伸的前端产生一个瞬间的冲击压力，冲击力的主要作用范围为射孔弹前端的截面积，在这个作用瞬间整个射孔通道的侧面积则会对流体产生摩阻消耗，同时由于页岩气储层纵向渗透率极低加上此过程时间极短(约0.017～0.05s)，液体的滤失和水流的发散因素可以忽略。只有当冲击力大于岩石破裂应力时，才会发生岩石的冲击破裂。依据建立微型的射孔通道模型，对该过程中压裂液的冲击压力进行计算，整个过程受力主要包括岩石破裂应力、射孔孔眼摩阻、通道摩阻、冲击力。

表1 射孔参数

3 页岩气压裂岩石破碎机理

在建立的压裂井筒模型基础上，分析压裂液在通过炮眼进入射孔通道到达前端作用区域之前，会受到孔眼摩阻损失和射孔通道侧面积的摩阻损耗，开展液体经过射孔通道后的力学分析，以分析射孔前端截面积处岩石的受力情况。

3.1 射孔摩阻损失计算

套管中流体在进入孔眼的过程中会产生孔眼摩阻，其计算公式如下：

(1)

式中：ppf为射孔孔眼摩阻，Pa；Q为压裂液注入流量，m3/min；ρ为压裂液混合密度，kg/m3；d为孔眼直径，m；n为孔眼数量，个；C为系数常数，0.8～1.0。

由于孔眼摩阻对液体所产生的阻力表现在施工压力上，即在持续保持压裂液注入流量为14m3/min的施工过程中，进入孔眼的流体总质量不会改变，进入射孔孔眼后的流速不会改变，因此孔眼摩阻不会对后续的冲击力产生影响。

3.2 瞬时摩阻损失计算

结合页岩气井射孔参数可知，每次射孔总长度为3m，总计60孔，孔径为9.5mm，假设每孔均匀进液，利用公式(2)计算不同注入排量孔眼流速，详细数据见表2。

(2)

式中：v为流速，m/s；A为孔眼总面积，m2。

高速流体经过内径9.5mm的圆筒通道时，会产生阻力损失，采用的压裂液减阻剂为非牛顿流体，需要借助一些经验公式来计算，通常采用的是幂律流体紊流摩阻系数Blasius 型经验式：

(3)

式中：f为紊流摩阻系数，1；Re为雷诺数，1；a、b为幂律流体参数，与流变指数n关系拟合式为a= 0.0665 + 0.01175n；b=0.365-0.1775n+ 0.0625n2。

表2 不同施工排量下单孔眼流速值

推导出的损失力(摩阻力)为：

(4)

式中：F2为射孔通道中损失力，N；t为时间，s。

根据公式(4)计算出1m射孔通道中的损失力，见表3。

表3 摩阻及损失力计算

3.3 冲击力计算

动量定理反映了力对时间的累积效应(冲量)，其增量是力在时间上的积累。高速流体作用在前端截面时速度瞬时变为0或逆向速率时，会产生极大的冲击力，此冲击力的大小可以分析液体对岩石的破坏性。

已知动量定理如下：

Ft=mv1-mv2

(5)

1m射孔距离液体从急速瞬间变为0，作用过程是一个短暂的累积作用，可以利用动量定理计算单孔冲击力的大小，即有：

(6)

(7)

(8)

推导理论上连续喷射作用在物体上的冲击力为：

(9)

作用在前端截面积上的冲击压力：

(10)

式中：p为冲击压力，Pa；F为瞬时冲击力，N；m为作用瞬间流体质量，kg；t为瞬时作用时间，s。

根据公式(5)计算不同施工排量下的冲击压力，结果见表4。当施工排量达到12m3/min时，靠水流的冲击压力产生的压力大于沿岩石本体拉伸破坏和沿裂缝剪切破坏的压力，产生劈裂破坏，再加上后续持续的液体注入迫使岩石产生拉伸破坏和剪切破坏，从而产生复杂的压裂裂缝。页岩气复杂的起裂方式，必然引起射孔周围多种张开性裂缝，从裂缝起裂角度证实了页岩气储层压裂改造的复杂性。

表4 不同施工排量下的冲击力

3.4 起裂机理对比

通过对几种压裂的起裂机理分析，3种裂缝对比情况见表5。通过与水力喷射和常规压裂方式的对比，页岩气井这种依靠高速高压水流快速压开地层，并通过持续施压促使地层裂缝快速拓展和延伸的起裂方式能够增加裂缝的复杂程度，达到充分改造储层的目的。因此，后续压裂施工时，能够瞬间提升施工排量至12m3/min以上，能够更有力地增加裂缝的复杂性，提高改造效果。

表5 3种裂缝对比

4 结论

1)页岩气压裂具备高速水流冲击破裂岩石的理论基础。从建立压裂井筒模型出发，结合射孔理论及水力学计算公式，对页岩气井瞬时起裂压力进行了计算分析，水流冲击力大于岩石本体破裂压力时，可以冲击破碎岩石。同时，通过与水力压裂和常规压裂起裂机理对比分析，表明高速水流冲击破坏，有利于提高页岩气井近井筒裂缝的复杂性。

2)高速水流冲击大幅度提高了近井筒附近的复杂程度。单孔高速水流起到了一定的水力喷射作用；多级分簇射孔，起到了多点限流压裂效果(孔眼摩阻>破裂压力差)；簇间相互干扰作用提高近井筒附近的复杂程度。从以上3个层次分析，认为高速水流冲击作用大幅度提高了近井筒附近的复杂程度。

3)提高排量方式影响高速水流冲击岩石破裂。缓慢提高排量时，往往以1簇或2簇进液为主，进液簇由于持续施压地层发生岩石本体破裂，在裂缝形成初期随着继续提高排量，流速急剧增大，可能会引起剩余的1簇或2簇发生高速水流冲击破裂；迅速提高排量，进而提高瞬时流速，有利于3簇均发生高速水流冲击破裂岩石。

[1]李根生，沈忠厚.高压水射流理论及其在石油工程中应用进展研究[J].石油勘探与开发，2005，32(1)：96～99.

[2]刘永亮.水力喷射压裂射流参数优化设计研究[D].成都：西南石油大学，2005.

[3]吕志凯，何顺利，罗富平，等.射孔水平井分段压裂起裂压力理论研究[J].石油钻探技术，2011，39(4)：72～76.

[编辑] 帅群

2016-09-12

刘晓明(1985-)，男，工程师，现主要从事油田开发技术工作，172696081@qq.com。

TE375

A

1673-1409(2017)15-0046-05

[引著格式]刘晓明.涪陵页岩气藏岩石破裂机理分析[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(15):46～50.