如何細(xì)“油”長流？給石油修一條流動(dòng)的“高速路”吧！

“頁巖非常致密，有油也采不出來，即便采出來也不能高產(chǎn)”，這是長期以來的“定論”。有這樣的“定論”，是因?yàn)轫搸r儲(chǔ)層中的原油賦存于納米級(jí)的孔隙喉道中，自然條件下無法有效流動(dòng)至井筒中。因此，要實(shí)現(xiàn)頁巖油的有效開采，必須通過先進(jìn)的工程技術(shù)手段“打碎”致密頁巖儲(chǔ)層，在頁巖孔隙喉道與井筒之間構(gòu)建起可以讓原油流動(dòng)的“高速通道”。那么，如何建立這樣的通道呢？水力壓裂技術(shù)可擔(dān)此任。

“打碎”儲(chǔ)層讓油氣流出來

1947年，美國進(jìn)行了世界首次水力壓裂增產(chǎn)試驗(yàn)，揭開了儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)的序幕。在水力壓裂作業(yè)中，石油工程師利用泵車將攜帶高強(qiáng)度支撐劑的壓裂液，通過井筒注入儲(chǔ)油層，使地層在高壓下破裂延伸成縫，并利用支撐劑的支撐作用，在壓后儲(chǔ)層中構(gòu)筑油氣運(yùn)移的“高速通道”。

然而，隨著非常規(guī)油氣資源逐步成為勘探開發(fā)主戰(zhàn)場(chǎng)，傳統(tǒng)水力壓裂技術(shù)雖然能夠在儲(chǔ)層中打開具備一定導(dǎo)流能力的人工裂縫，但受制于致密的儲(chǔ)層特征，基質(zhì)孔隙內(nèi)的油氣仍然難以流入裂縫內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)油氣的有效開采。面對(duì)這一難題，體積壓裂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其理念是通過工程技術(shù)手段“打碎”儲(chǔ)層，在形成多條主裂縫的同時(shí)，在主裂縫的側(cè)向形成多級(jí)次生裂縫，構(gòu)成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。相比常規(guī)水力壓裂，體積壓裂相當(dāng)于在修建“主干道”的同時(shí)，配套了“鄉(xiāng)道”“村道”等多級(jí)“公路網(wǎng)絡(luò)”，油氣從納米級(jí)“臥室”流出后能夠以最短距離進(jìn)入“公路網(wǎng)絡(luò)”，大幅提升通行效率。

人工裂縫高度、長度欠佳

一些國際石油公司根據(jù)古龍頁巖油的前期研究得出結(jié)論：“獲得商業(yè)油流的風(fēng)險(xiǎn)非常高，不存在已知具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的類似湖相頁巖區(qū)塊?！惫琵堩搸r油開采為何困難？原因主要有兩個(gè)。

第一個(gè)原因是當(dāng)前已投入規(guī)?；_發(fā)的其他頁巖油藏，其開發(fā)目標(biāo)層黏土含量一般少于10%，而古龍頁巖的平均黏土含量高于 35%，這使儲(chǔ)層具有極強(qiáng)的塑性特征（即在外力作用下可任意改變其形狀而不被破裂的性能）。這就像我們?nèi)嗄笙鹌つ?，橡皮泥的形狀?huì)發(fā)生變化但其本身并不會(huì)破裂；但當(dāng)我們擊打玻璃時(shí)，玻璃會(huì)破碎，這就說明橡皮泥的塑性比玻璃強(qiáng)。在古龍頁巖層中進(jìn)行壓裂施工時(shí)，儲(chǔ)層巖石相對(duì)更容易發(fā)生變形，但難以產(chǎn)生延伸較遠(yuǎn)的裂縫，大幅限制了裂縫溝通的儲(chǔ)層范圍。

第二個(gè)原因是古龍頁巖廣泛發(fā)育了形態(tài)復(fù)雜的層理縫，密度可以達(dá)到每米數(shù)百條至數(shù)千條，看上去像一堆有硬有軟、有厚有薄、凹凸不平的紙板堆疊在一起，石油地質(zhì)學(xué)家將這種結(jié)構(gòu)形象地稱為“千層小薄餅”。要垂直穿過“千層小薄餅”型頁巖，壓裂液無疑會(huì)遇到層層阻擋，水平方向上的層理縫成為壓裂液流動(dòng)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)通道，但在黏土礦物和復(fù)雜層理縫形態(tài)的共同作用下，水平裂縫難以向遠(yuǎn)處延伸。石油工程師通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，古龍頁巖油形成的人工裂縫有效高度不足 10 米，有效長度不足200米，有效改造體積僅為相同施工規(guī)模下致密油藏的40%。

“控近擴(kuò)遠(yuǎn)”，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)

如何破解古龍頁巖油“千層小薄餅”儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)改造難題？水利工程中，工程師通過修建水壩，將分散在不同支流的水資源在主河道上進(jìn)行集中管理，形成更大的水流力量用于發(fā)電等用途，從而提高水資源的利用效果。石油工程師采用相似的思路，創(chuàng)新提出了以“控近擴(kuò)遠(yuǎn)”為核心的壓裂設(shè)計(jì)理念。

所謂“控近”，就是讓壓裂液集中力量、形成合力，造出更大規(guī)模的裂縫“主干道”。我們發(fā)現(xiàn)清水比蜂蜜更容易滲入微裂縫，這是因?yàn)榕c水相比，蜂蜜有更高的黏度。而在壓裂作業(yè)中，石油工程師通過在壓裂液中加入一定成分的添加劑，同樣可以大幅度提高液體的黏度，抑制壓裂液在微裂縫中流失。

“擴(kuò)遠(yuǎn)”則是讓壓裂液在遠(yuǎn)井區(qū)域“主干道”周圍造出更多的“鄉(xiāng)道”和“村道”，讓更多的油氣以最短的距離進(jìn)入“公路網(wǎng)絡(luò)”內(nèi)，最終匯聚于“主干道”中，通過井筒采出。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，石油工程師在使用高黏度壓裂液造出“主干道”后，巧妙地改用一定比例的低黏度壓裂液以高排量繼續(xù)注入地層。這些壓裂液順著主裂縫來到遠(yuǎn)井區(qū)域后進(jìn)一步?jīng)_擊儲(chǔ)層，由于黏度較低、更容易滲入到層理縫內(nèi)，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

“細(xì)油長流”，保持頁巖油流動(dòng)動(dòng)力

水力壓裂作業(yè)完成后，油井就具備了生產(chǎn)條件。但原油要從大小為頭發(fā)絲直徑（約70微米）千分之一的頁巖孔隙中流出，并跨越多級(jí)裂縫網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)出是長期、緩慢的。

石油工程師從水力壓裂初始設(shè)計(jì)階段就開始研究如何讓原油流得更容易。增大壓裂液量或在壓裂液體系中增加易溶于原油的氣體，可置換出原油，提高地層壓力，進(jìn)而增大產(chǎn)油量。在壓裂液中加入表面活性劑，可以降低油水界面的表面張力，增強(qiáng)油的流動(dòng)性。

頁巖油在開采一段時(shí)間后，壓力和產(chǎn)量都會(huì)降低，如果壓力下降過快，會(huì)導(dǎo)致裂縫閉合、高速流動(dòng)通道關(guān)閉。因此，“控壓生產(chǎn)、細(xì)油長流”的頁巖油開發(fā)對(duì)策，可讓地層能量有序釋放，既能夠維持較長時(shí)間的驅(qū)動(dòng)能量，又能避免流動(dòng)通道過早關(guān)閉，延長穩(wěn)產(chǎn)期，提升最終的采出程度和開發(fā)效益。

作者：孟思煒 劉一杉（中國石油勘探開發(fā)研究院） 鄧大偉（大慶油田勘探開發(fā)研究院）