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水力压裂形成的裂缝能走多远?

2019-11-13 9:11:02 来源:中国矿业报 作者:宋立才 李会军 赵卫华

“蓝天保卫战”甫一打响,我国对天然气的需求迅速转为渴望,“气荒”一词进入人们的视线。在过去的2018年,我国各行业不但消耗了自己生产的1603亿立方米天然气,还消费了大量进口天然气,天然气消费总体对外依存度达到43%。

大洋彼岸的美国,新世纪以来通过页岩革命,能源自给率达到92%,其中天然气还实现了出口。页岩革命的关键推动力是水力压裂作业,通过水力压裂作业在页岩中采出的天然气被称为页岩气,其成分与常规天然相似,绝大多数为甲烷(CH4)。我国政府也高度重视页岩革命,把页岩气列为单独矿种,2018年共生产页岩气108亿方。

页岩气钻井井身结构

伴随着页岩气的开发,有关水力压裂作业可能引发的环境问题也引起了人们的关注和担忧。比如,水力压裂作业形成的裂缝会不会向上延伸穿入含水层甚至到达地表,进而引发水资源污染的风险呢?

这一切都要从页岩气的来源——黑色页岩说起。不少人可能知道,自然界岩石分为三大类:岩浆岩、变质岩和沉积岩——铺就天安门广场的地砖和人民英雄纪念碑主体的花岗岩属于岩浆岩;雕刻华表和栏杆的汉白玉属于变质岩;形成太湖石的碳酸盐岩属于沉积岩。能产出天然气的黑色页岩与太湖石一样同属于沉积岩,但无论外观还是内部结构均与太湖石的“漏”和“透”截然相反。根据中国科学院院士邹才能研究,黑色页岩主要孔隙直径为5至200纳米,平均100纳米,另含极少量微裂缝,这些孔隙和微裂缝所占体积一般仅为页岩总体积的4%~6%,且相互间联通性非常低,这导致页岩渗透率,即甲烷在其中的流通能力,只有常规天然气的几十至几千分之一。水力压裂作业能在页岩内形成一系列复杂的裂缝网络,就像修建一条条高速公路,极大地沟通了原来的孔隙,使甲烷分子能够顺利流向钻井孔,从而激活原本“沉睡”的巨大潜力。

理论上,水力压裂形成的缝网范围越广,对页岩气开发越有利。那么,这些裂缝是不是在地下无限延伸呢?

先看美国、欧洲和非洲的水力压裂作业情况。英国皇家学会和皇家工程院2012年的一项综合分析指出,水力压裂作业形成的裂缝高度不超过600米,且仅有1%的裂缝高度超过350米。美国著名的巴内特页岩水平钻井深度约在1200~2500米,与取水层之间距离超过700米;其他几套著名的页岩,伍德福德页岩、马塞勒斯页岩和鹰滩页岩钻井深度与取水层深度距离分别大于约600米、1200米、1000米。

我国首个大型商业化页岩气田为重庆涪陵页岩气田,其页岩气水平井深度一般在2400米以深,与含水层垂向距离大于1500米。统计显示,裂缝高度一般在100米以内。

显然,水力压裂的裂缝扩展受到了控制。究其原因,一方面是“有形的手”,另一方面是“无形的手”。

“有形的手”是人为控制因素。由于富含页岩气的页岩厚度一般不足100米,因此不加限制的进行压裂显然是不经济的,工业界更期望的是在有限的页岩层内形成更加复杂的缝网,沟通更多的孔隙空间,实现有效改造体积最大化,从而更快更多地采出页岩气。因此,在水力压裂作业时,人们会通过微地震监测技术实时监测裂缝扩展情况,动态调整压裂方案,以使裂缝在预定目的页岩层段扩展。

“有形的手”发挥作用自然离不开岩石本身的受力状态和力学性质这双“无形的手”。地下岩石中存在天然应力作用,即地应力,是控制裂缝扩展最主要的因素。地应力由三个相对垂直的主应力构成,通常大小不等,从大到小分别称为最大主应力、中间主应力和最小主应力。实测资料表明,几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内,另外一个主应力垂直。随着深度的增加,三个主应力均增大,但垂直主应力增加更快,因而在更深的部位,垂直主应力大于水平主应力。在岩石性质均匀的情况下,水力压裂引起裂缝扩展垂直最小主应力且平行于最大主应力;由深至浅,随着最大主应力由垂直转为水平,裂缝扩展方向也由垂直转向水平;因此,水力压裂裂缝将在一定深度从自下而上扩展转为水平方向扩展。

随着裂缝的扩展,裂缝体积逐渐增加,压裂液在充满裂缝体积的同时也会向岩层渗漏,到一定程度时渗漏效率赶上注入效率,压裂液将不足以产生并维持较高的压力,裂缝也不再扩展,正如“强弩之末,不能入鲁缟;冲风之衰,不能起毛羽”。这也是在水力压裂作业实践中通常将长约1500米的水平井段分成若干小于100米的井段进行逐段压裂作业的原因,目的是保证较高的压力。

开发实践中,水力压裂裂缝扩展还会受到岩石内部的结构面及其强度的控制。由于富含页岩气的页岩厚度一般不足100米,页岩之上还有一层层碳酸盐岩、灰岩、页岩等交互叠置,再向上才是含水层、土壤层或湖泊河流。当裂缝扩展至孔隙度和渗透率更高的岩石时,压裂液就像河流注入沙漠,失去前进力量,进而停止扩展。

综上,水力压裂产生的裂缝延伸至含水层的风险是极低的。但是,有一种特殊假设是水力压裂裂缝沟通了延伸至含水层乃至地表的断裂。事实上,部署页岩气井的一项重要要求是避开现有较大规模断裂系统。在钻井前,工作人员会开展地震勘探,对地下情况做体检,初步查明目标黑色页岩层、含水层等垂向叠置情况,较大规模裂缝和断层发育情况等;在浅层钻进过程中,采用气体钻井、清水钻井技术,并用金属套管把井筒与围岩地层分开;在进一步钻进过程中,实时分析地质情况,确保水平井段在设计层位穿行。□

(作者单位:中国地质调查局地质力学研究所)

网站编辑:宫莉

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