頁(yè)巖氣壓裂液第2部分：降阻劑性能指標(biāo)及測(cè)試方法

中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院，中國(guó)石油化工股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)研究院、陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院等。

陳鵬飛、劉友權(quán)、鄭承綱等。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于頁(yè)巖油氣、致密油氣水力壓裂用聚丙酰胺類降阻劑性能測(cè)試和評(píng)價(jià)。

壓裂液是壓裂工藝技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。主要功能是造縫并沿張開(kāi)的裂縫輸送支撐劑，因此液體的粘性至關(guān)重要。成功的壓裂作業(yè)要求液體除在裂縫中具有較高的粘度外，還要能夠迅速破膠；作業(yè)后能夠迅速返排；能夠很好地控制液體濾失；泵送期間摩阻較低；同時(shí)還要經(jīng)濟(jì)可行。常用的壓裂液有水基壓裂液、油基壓裂液、乳狀壓裂液、泡沫壓裂液及酸基壓裂液5種基本類型。

壓裂水基壓裂液

水基壓裂液是以水作溶劑或分散介質(zhì)，向其中加入稠化劑、添加劑配制而成的。主要采用三種水溶性聚合物作為稠化劑，即植物膠(瓜膠、田菁、魔芋等)、纖維素衍生物及合成聚合物。這幾種高分子聚合物在水中溶脹成溶膠，交聯(lián)后形成粘度極高的凍膠。具有粘度高、懸砂能力強(qiáng)、濾失低、摩阻低等優(yōu)點(diǎn)。

壓裂油基壓裂液

油基壓裂液是以油作為溶劑或分散介質(zhì)，與各種添加劑配制成的壓裂液。重油最初用作油基壓裂液，是因?yàn)樗鼈儽人簩?duì)含油氣地層的傷害小，油基液本身固有的粘度也使其比水更具吸引力。但是油基液較貴，而且施工操作較難處理，所以僅用于已知是對(duì)水極為敏感的地層中。

壓裂泡沫壓裂液

泡沫壓裂液是由氣相、液相、表面活性劑和其他化學(xué)添加劑組成。泡沫壓裂液是一種穩(wěn)定的氣液混合物，用表面活性劑可使這種混合物達(dá)到穩(wěn)定。降低了表面張力。當(dāng)液體從作業(yè)井中返排時(shí)，泡沫中的承壓氣體（氮或二氧化碳）膨脹將液體從裂縫中驅(qū)出。泡沫加速了支撐裂縫中液體的回收率，因此是一種用于低壓儲(chǔ)層中的理想液體。由于體積氣體的泡沫含量高達(dá)95%，所以液相最小。在水基液中，充滿泡沫的液體極大地減少了與地層接觸的液量，因此在水敏地層中泡沫液的效果良好。

壓裂清潔壓裂液

清潔壓裂液又稱為粘彈性表面活性劑壓裂液，是一種基于粘彈性表面活性劑的溶液。它是為了解決常規(guī)壓裂液在返排過(guò)程中由于破膠不徹底對(duì)油氣藏滲透率造成了很大傷害的問(wèn)題開(kāi)發(fā)研制的一種新型壓裂液體系。清潔壓裂液具有良好的流變性能、濾失性能、低損害與高導(dǎo)流能力特性。同時(shí)，該清潔壓裂液配制簡(jiǎn)便，將適量的VES加在鹽水中，不需要使用交聯(lián)劑、破膠劑和其它添加劑，不存在殘?jiān)?，?duì)儲(chǔ)層傷害小，應(yīng)用前景廣闊。

壓裂乳狀壓裂液

乳化壓裂液是兩種不融合相的分散體系，如用表面活性劑穩(wěn)定的水中油或油中水。乳化壓裂液是高度粘稠溶液，具有良好的傳輸性。 乳化液常因乳化劑吸附在地層巖石表面上而破乳。由于聚合物用量極少，這類液體對(duì)地層傷害較小，而且可快速清洗。聚乳化液的不足是摩擦壓力較高，而且液體的費(fèi)用較高（除非碳?xì)浠衔锟苫厥眨?。此外隨著溫度的升高，聚乳化液明顯地變得稀薄，故不宜用于高溫井中。

頁(yè)巖氣形成原因

前人對(duì)美國(guó)5大頁(yè)巖氣盆地頁(yè)巖氣的成因研究表明，頁(yè)巖氣可以通過(guò)以下2種途徑演變而來(lái)。

1、熱裂解成因氣（自然生成）

頁(yè)巖中熱成因氣的形成有3個(gè)途徑（如圖）：①干酪根分解成氣體和瀝青；②瀝青分解成油和氣體（步驟1和步驟2為初次裂解）；③油分解成氣體、高含碳量的焦炭或者瀝青殘余物（二次裂解）。最后一個(gè)步驟主要取決于系統(tǒng)中油的殘余量和儲(chǔ)層的吸附作用。德克薩斯州的Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖氣就是通過(guò)來(lái)源于干酪根熱降解和殘余油的二次裂解，主要以殘余油的二次裂解為主，正因?yàn)槿绱?，使得Barnett頁(yè)巖氣具有較大資源潛力。

頁(yè)巖氣是從頁(yè)巖層中開(kāi)采出來(lái)的天然氣，主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，頁(yè)巖氣是主體上以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁(yè)巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣，它可以生成于有機(jī)成因的各種階段天然氣主體上以游離相態(tài)（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其它儲(chǔ)集空間，以吸附狀態(tài)（大約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中。天然氣生成之后，在源巖層內(nèi)的就近聚集，表現(xiàn)為典型的原地成藏模式，與油頁(yè)巖、油砂、地瀝青等差別較大。與常規(guī)儲(chǔ)層氣藏不同，頁(yè)巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲(chǔ)層和蓋層。因此，有機(jī)質(zhì)含量高的黑色頁(yè)巖、高碳泥巖等常是最好的頁(yè)巖氣發(fā)育條件。

2、生物成因氣

一般指頁(yè)巖在成巖的生物化學(xué)階段直接由細(xì)菌降解而成的氣體，也有氣藏經(jīng)后期改造而成的生物氣。如美國(guó)密歇根盆地的Antrim頁(yè)巖氣是干酪根成熟過(guò)程中所產(chǎn)生的熱降解氣和產(chǎn)甲烷菌新陳代謝活動(dòng)中所產(chǎn)生的生物成因氣，以后者為主。其原因可能是發(fā)育良好的裂縫系統(tǒng)不僅使天然氣和攜帶大量細(xì)菌的原始地層水進(jìn)入Antrim頁(yè)巖內(nèi)，而且來(lái)自上覆更新統(tǒng)冰川漂移物中含水層的大氣降水也同時(shí)侵入，有利于細(xì)菌甲烷的形成。

頁(yè)巖氣形成條件

1、沉積環(huán)境

較快的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境是黑色頁(yè)巖形成的重要條件。沉積速率較快可以使得富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在被氧化破壞之前能夠大量沉積下來(lái)，而水體缺氧可以抑制微生物的活動(dòng)性，減小其對(duì)有機(jī)質(zhì)的破壞作用。如Fort Worth盆地Barnett組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖沉積于深水（120～215米）前陸盆地，具有低于風(fēng)暴浪基面和低氧帶（OMZ）的缺氧—厭氧特征，與開(kāi)放海溝通有限。

2、有效厚度

廣泛分布的泥頁(yè)巖是形成頁(yè)巖氣的重要條件。同時(shí)，沉積有效厚度是保證足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間的前提條件，頁(yè)巖的厚度越大，頁(yè)巖的封蓋能力越強(qiáng)，有利于氣體的保存，從而有利于頁(yè)巖氣成藏。美國(guó)5大頁(yè)巖氣勘探開(kāi)采區(qū)的頁(yè)巖凈厚度為9.14～91.44米，其中產(chǎn)氣量較高的Barnett頁(yè)巖和Lewis頁(yè)巖的平均厚度在30.48米以上。

3、總有機(jī)碳含量（TOC）

總有機(jī)碳含量是烴源巖豐度評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是衡量生烴強(qiáng)度和生烴量的重要參數(shù)。有機(jī)碳含量隨巖性變化而變化，對(duì)于富含粘土的泥頁(yè)巖來(lái)說(shuō)，由于吸附量很大，有機(jī)碳含量最高，因此，泥頁(yè)巖作為潛力源巖的有機(jī)含量下限值就愈高，而當(dāng)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型愈好，熱演化程度高時(shí)，相應(yīng)的有機(jī)碳含量下限值就低。對(duì)泥質(zhì)油源巖中有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外的看法基本一致，為0.4%～0.6%，而泥質(zhì)氣源巖有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)則有所不同。大量研究結(jié)果表明，氣態(tài)烴分子小，在水中的溶解能力強(qiáng)，易于運(yùn)移，氣源巖有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)要比油源巖低得多。美國(guó)5大頁(yè)巖氣系統(tǒng)頁(yè)巖總有機(jī)碳含量較高，分布范圍大（0.5%～25%），可分為2類，Antrim頁(yè)巖和New Albany頁(yè)巖的TOC含量較高，一般分布于0.3%～25%之間；而Ohio頁(yè)巖、Barnett頁(yè)巖和Lewis頁(yè)巖的TOC含量在0.45%～4.7%之間。

4、干酪根類型和成熟度

在不同的沉積環(huán)境中，由不同來(lái)源有機(jī)質(zhì)形成的干酪根，其組成有明顯的差別，其性質(zhì)和生油氣潛能也有很大差別。因此，研究干酪根的類型（性質(zhì)）是油氣地球化學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是評(píng)價(jià)干酪根生油、生氣潛力的基礎(chǔ)。干酪根類型是衡量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)烴能力的參數(shù)，不同類型的干酪根同時(shí)也決定了產(chǎn)物以油為主還是以氣為主。一般來(lái)說(shuō)，Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根以生油為主，Ⅲ型干酪根則以生氣為主。縱觀美國(guó)頁(yè)巖氣盆地的頁(yè)巖干酪根類型，主要以Ⅰ型干酪根與Ⅱ型干酪根為主，也有部分Ⅲ型干酪根，而且不同干酪根類型的頁(yè)巖都生成了數(shù)量可觀的氣，有理由相信，干酪根類型并不是決定產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素。沉積巖石中分散有機(jī)質(zhì)的豐度和成烴母質(zhì)類型是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而有機(jī)質(zhì)的成熟度則是油氣生成的關(guān)鍵。干酪根只有達(dá)到一定的成熟度才能開(kāi)始大量生烴和排烴。不同類型的干酪根在熱演化的不同階段生烴量也不同。在低熟階段（0.4%～0.6%），有機(jī)質(zhì)就可以向烴類轉(zhuǎn)變。美國(guó)5大頁(yè)巖盆地頁(yè)巖的熱成熟度分布范圍在0.4%～2.0%之間，可見(jiàn)在有機(jī)質(zhì)生烴的整個(gè)過(guò)程都有頁(yè)巖氣的生成。隨著成熟度的增加，早期所生成的原油開(kāi)始裂解成氣。美國(guó)Barnett頁(yè)巖之所以含氣量大，主要源于生烴體積（有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛力和頁(yè)巖厚度引起的結(jié)果），成熟度以及部分液態(tài)烴持續(xù)裂解生氣。成熟度越低的Barnett頁(yè)巖區(qū)，其氣體產(chǎn)量就越低，這可能是因?yàn)樯鷼馍?，殘留烴的流動(dòng)阻塞孔隙的緣故。許多高熟的Barnett頁(yè)巖區(qū)干酪根和油的裂解使生氣量大幅提高，導(dǎo)致頁(yè)巖氣井氣體流量大。因此，成熟度是評(píng)價(jià)高流量頁(yè)巖氣相似性的關(guān)鍵地球化學(xué)參數(shù)。

頁(yè)巖氣影響成藏因素

1、孔隙度

在常規(guī)儲(chǔ)層中，孔隙度是描述儲(chǔ)層特性的一個(gè)重要方面。頁(yè)巖儲(chǔ)層也是如此。作為儲(chǔ)層，頁(yè)巖多顯示出較低的孔隙度（<10%），當(dāng)然也可以有很大的孔隙度，且在這些孔隙里儲(chǔ)存大量的游離氣，即使在較老的巖層，游離氣也可以充填孔隙的50%。游離氣含量與孔隙體積的大小密切聯(lián)系。一般來(lái)說(shuō)，孔隙體積越大，所含的游離氣量就越大。

2、裂縫發(fā)育

頁(yè)巖的礦物成分較復(fù)雜，石英含量高，且多呈粘土粒級(jí)，常以紋層形式出現(xiàn)，而有機(jī)質(zhì)、石英含量都很高的頁(yè)巖脆性較強(qiáng)，容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于天然氣滲流，說(shuō)明巖性、巖石礦物成分是控制裂縫發(fā)育程度的主要內(nèi)在因素。

由于頁(yè)巖具有低孔隙度低滲透率的特性，產(chǎn)氣量不高，而那些開(kāi)放的矩形天然裂縫彌補(bǔ)了這一不足，大大提高了頁(yè)巖氣產(chǎn)量。裂縫改善了泥頁(yè)巖的滲流能力，裂縫既是儲(chǔ)集空間，也是滲流通道，是頁(yè)巖氣從基質(zhì)孔隙流入井底的必要途徑。并不是所有優(yōu)質(zhì)烴源巖都能夠形成具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的裂縫性油氣藏，只有那些低泊松比、高彈性模量、富含有機(jī)質(zhì)的脆性頁(yè)巖才是頁(yè)巖氣資源的首要勘探目標(biāo)。

3、有機(jī)碳含量

在裂縫性頁(yè)巖氣系統(tǒng)中，頁(yè)巖對(duì)氣的吸附能力與頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量之間存在線性關(guān)系。

在相同壓力下，總有機(jī)碳含量較高的頁(yè)巖比其含量較低的頁(yè)巖的甲烷吸附量明顯要高。頁(yè)巖氣除了被有機(jī)質(zhì)表面所吸附之外，還可以吸附在粘土的表面（干燥）。在有機(jī)碳含量接近和壓力相同的情況下，粘土含量高的頁(yè)巖所吸附的氣體量要比粘土含量低的頁(yè)巖高。而且隨著壓力的增大，差距也隨之增大。

4、地層壓力

地層壓力也是影響頁(yè)巖氣產(chǎn)量的因素之一。研究表明，地層壓力與吸附氣有著正相關(guān)性，地層壓力越大，頁(yè)巖的吸附能力就越大，吸附氣的含量也就越高。游離氣含量也會(huì)隨著壓力的增加而增加，兩者基本上呈線性關(guān)系。值得注意的是，壓力在6.89MPa以前，吸附氣含量隨壓力增加的幅度很明顯，而在其之后，增加的幅度不太明顯，類似于常規(guī)的致密氣藏。當(dāng)然，不同地區(qū)由于有機(jī)質(zhì)含量和周圍圍巖封存能力的不同，壓力梯度也會(huì)產(chǎn)生差異。

除了上述影響因素之外，有機(jī)質(zhì)類型、成熟度等也會(huì)影響頁(yè)巖氣含量。

頁(yè)巖氣成藏過(guò)程

頁(yè)巖氣經(jīng)歷了復(fù)雜多變的成藏過(guò)程，是天然氣成藏機(jī)理序列中的重要構(gòu)成和典型代表。根據(jù)不同的成藏條件，頁(yè)巖氣成藏可以表現(xiàn)為典型的吸附機(jī)理、活塞運(yùn)聚機(jī)理或置換運(yùn)聚機(jī)理。按照成藏機(jī)理的不同，可將天然氣成藏過(guò)程分為3個(gè)主要階段，而前2個(gè)階段即是頁(yè)巖氣的成藏過(guò)程。

第1階段是天然氣的生成與吸附。該階段發(fā)生在成藏初期，與煤層氣的成藏機(jī)理相同。由于頁(yè)巖中的有機(jī)碳等物質(zhì)表面具有吸附能力，頁(yè)巖生氣過(guò)程中，最開(kāi)始生成的少量天然氣均被有機(jī)碳等物質(zhì)吸附，故頁(yè)巖層中僅存有吸附態(tài)的天然氣（圖A）。

第2階段是天然氣的造隙及排出。該階段處于生氣高峰期，與根緣氣的形成機(jī)理類似。隨著天然氣的大量生成，頁(yè)巖中的有機(jī)碳無(wú)法將其完全吸附，因此未被吸附的天然氣在頁(yè)巖層中以游離態(tài)聚集。隨著頁(yè)巖氣的不斷生成，聚集的大量游離氣因膨脹而形成高壓，直至巖層破裂并產(chǎn)生微裂隙。由于此時(shí)產(chǎn)生的裂縫或孔隙極其微小，使得頁(yè)巖氣無(wú)法在頁(yè)巖層內(nèi)部自由流動(dòng)。在此后的強(qiáng)力生烴作用即生氣膨脹力的作用下，頁(yè)巖氣沿構(gòu)造上傾方向從底部高壓區(qū)向高部相對(duì)低壓區(qū)發(fā)生排驅(qū)和整體推進(jìn)作用，從而使地層處于大面積包含氣狀態(tài)。此階段生成的天然氣不受浮力作用，表現(xiàn)為活塞式的運(yùn)聚特征（圖B）。

第3階段是天然氣的置換與運(yùn)移。如果天然氣的生成量持續(xù)增加而頁(yè)巖層的外部又有合適的儲(chǔ)層，則在浮力作用下，天然氣將以置換方式沿裂縫從泥頁(yè)巖層向儲(chǔ)層運(yùn)移，從而形成常規(guī)天然氣藏（圖C）。

頁(yè)巖氣成藏過(guò)程中，吸附機(jī)理與活塞式運(yùn)聚機(jī)理共同作用，控制著頁(yè)巖氣藏中吸附態(tài)和游離態(tài)天然氣所占空間比例變化。因此，頁(yè)巖氣的成藏機(jī)理實(shí)質(zhì)上是天然氣在頁(yè)巖孔隙中賦存狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)平衡。頁(yè)巖中吸附態(tài)天然氣的存在是由其本身所含巖石特性決定的，與保存條件沒(méi)有直接關(guān)系，故頁(yè)巖氣成藏后對(duì)保存條件沒(méi)有特殊要求。在四川盆地海相地層中監(jiān)測(cè)到的氣測(cè)異常也證實(shí)了即便是多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)頁(yè)巖氣藏有太大的影響。

本部分適用于頁(yè)巖氣井生產(chǎn)套管固井質(zhì)量評(píng)價(jià)。