2019年12月14日 星期六
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水力壓裂形成的裂縫能走多遠?

2019-11-13 9:11:02 來源:中國礦業報 作者:宋立才 李會軍 趙衛華

“藍天保衛戰”甫一打響,我國對天然氣的需求迅速轉為渴望,“氣荒”一詞進入人們的視線。在過去的2018年,我國各行業不但消耗了自己生產的1603億立方米天然氣,還消費了大量進口天然氣,天然氣消費總體對外依存度達到43%。

大洋彼岸的美國,新世紀以來通過頁巖革命,能源自給率達到92%,其中天然氣還實現了出口。頁巖革命的關鍵推動力是水力壓裂作業,通過水力壓裂作業在頁巖中采出的天然氣被稱為頁巖氣,其成分與常規天然相似,絕大多數為甲烷(CH4)。我國政府也高度重視頁巖革命,把頁巖氣列為單獨礦種,2018年共生產頁巖氣108億方。

頁巖氣鉆井井身結構

伴隨著頁巖氣的開發,有關水力壓裂作業可能引發的環境問題也引起了人們的關注和擔憂。比如,水力壓裂作業形成的裂縫會不會向上延伸穿入含水層甚至到達地表,進而引發水資源污染的風險呢?

這一切都要從頁巖氣的來源——黑色頁巖說起。不少人可能知道,自然界巖石分為三大類:巖漿巖、變質巖和沉積巖——鋪就天安門廣場的地磚和人民英雄紀念碑主體的花崗巖屬于巖漿巖;雕刻華表和欄桿的漢白玉屬于變質巖;形成太湖石的碳酸鹽巖屬于沉積巖。能產出天然氣的黑色頁巖與太湖石一樣同屬于沉積巖,但無論外觀還是內部結構均與太湖石的“漏”和“透”截然相反。根據中國科學院院士鄒才能研究,黑色頁巖主要孔隙直徑為5至200納米,平均100納米,另含極少量微裂縫,這些孔隙和微裂縫所占體積一般僅為頁巖總體積的4%~6%,且相互間聯通性非常低,這導致頁巖滲透率,即甲烷在其中的流通能力,只有常規天然氣的幾十至幾千分之一。水力壓裂作業能在頁巖內形成一系列復雜的裂縫網絡,就像修建一條條高速公路,極大地溝通了原來的孔隙,使甲烷分子能夠順利流向鉆井孔,從而激活原本“沉睡”的巨大潛力。

理論上,水力壓裂形成的縫網范圍越廣,對頁巖氣開發越有利。那么,這些裂縫是不是在地下無限延伸呢?

先看美國、歐洲和非洲的水力壓裂作業情況。英國皇家學會和皇家工程院2012年的一項綜合分析指出,水力壓裂作業形成的裂縫高度不超過600米,且僅有1%的裂縫高度超過350米。美國著名的巴內特頁巖水平鉆井深度約在1200~2500米,與取水層之間距離超過700米;其他幾套著名的頁巖,伍德福德頁巖、馬塞勒斯頁巖和鷹灘頁巖鉆井深度與取水層深度距離分別大于約600米、1200米、1000米。

我國首個大型商業化頁巖氣田為重慶涪陵頁巖氣田,其頁巖氣水平井深度一般在2400米以深,與含水層垂向距離大于1500米。統計顯示,裂縫高度一般在100米以內。

顯然,水力壓裂的裂縫擴展受到了控制。究其原因,一方面是“有形的手”,另一方面是“無形的手”。

“有形的手”是人為控制因素。由于富含頁巖氣的頁巖厚度一般不足100米,因此不加限制的進行壓裂顯然是不經濟的,工業界更期望的是在有限的頁巖層內形成更加復雜的縫網,溝通更多的孔隙空間,實現有效改造體積最大化,從而更快更多地采出頁巖氣。因此,在水力壓裂作業時,人們會通過微地震監測技術實時監測裂縫擴展情況,動態調整壓裂方案,以使裂縫在預定目的頁巖層段擴展。

“有形的手”發揮作用自然離不開巖石本身的受力狀態和力學性質這雙“無形的手”。地下巖石中存在天然應力作用,即地應力,是控制裂縫擴展最主要的因素。地應力由三個相對垂直的主應力構成,通常大小不等,從大到小分別稱為最大主應力、中間主應力和最小主應力。實測資料表明,幾乎所有地區均有兩個主應力位于水平或接近水平的平面內,另外一個主應力垂直。隨著深度的增加,三個主應力均增大,但垂直主應力增加更快,因而在更深的部位,垂直主應力大于水平主應力。在巖石性質均勻的情況下,水力壓裂引起裂縫擴展垂直最小主應力且平行于最大主應力;由深至淺,隨著最大主應力由垂直轉為水平,裂縫擴展方向也由垂直轉向水平;因此,水力壓裂裂縫將在一定深度從自下而上擴展轉為水平方向擴展。

隨著裂縫的擴展,裂縫體積逐漸增加,壓裂液在充滿裂縫體積的同時也會向巖層滲漏,到一定程度時滲漏效率趕上注入效率,壓裂液將不足以產生并維持較高的壓力,裂縫也不再擴展,正如“強弩之末,不能入魯縞;沖風之衰,不能起毛羽”。這也是在水力壓裂作業實踐中通常將長約1500米的水平井段分成若干小于100米的井段進行逐段壓裂作業的原因,目的是保證較高的壓力。

開發實踐中,水力壓裂裂縫擴展還會受到巖石內部的結構面及其強度的控制。由于富含頁巖氣的頁巖厚度一般不足100米,頁巖之上還有一層層碳酸鹽巖、灰巖、頁巖等交互疊置,再向上才是含水層、土壤層或湖泊河流。當裂縫擴展至孔隙度和滲透率更高的巖石時,壓裂液就像河流注入沙漠,失去前進力量,進而停止擴展。

綜上,水力壓裂產生的裂縫延伸至含水層的風險是極低的。但是,有一種特殊假設是水力壓裂裂縫溝通了延伸至含水層乃至地表的斷裂。事實上,部署頁巖氣井的一項重要要求是避開現有較大規模斷裂系統。在鉆井前,工作人員會開展地震勘探,對地下情況做體檢,初步查明目標黑色頁巖層、含水層等垂向疊置情況,較大規模裂縫和斷層發育情況等;在淺層鉆進過程中,采用氣體鉆井、清水鉆井技術,并用金屬套管把井筒與圍巖地層分開;在進一步鉆進過程中,實時分析地質情況,確保水平井段在設計層位穿行。□

(作者單位:中國地質調查局地質力學研究所)

網站編輯:宮莉

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