压裂与含水层:裂缝可以向上延伸至多远?

作者:杨金秀 | 中国石油大学

该研究基于由Richard J. Davies、 Simon Mathias、 Jennifer Moss、Steinar Hustoft 和 Leo Newport 于 2012 年发表在杂志 Marine andPetroleum Geology 上的一篇综述性文章:Hydraulicfractures: Howfar can they go? 此文章可以通过以下链接免费下载:www.refine.org.uk

水力压裂,简称压裂,是指在高压下通过注入压裂液将岩石压开并产生裂缝的过程。最近,压裂在开采页岩油气中的作用引起许多争议,并被认为已引起环境恐慌。其中最大的恐慌认为水力压裂能够建立一个污染通道将油气生产区与饮用水资源连通起来。因此理解水力压裂能够延伸多远具有非常重要的意义。由杜伦能源中心主持的研究表明,水力压裂只有不到 1%的机会能够向上延伸至大于 350 m 的距离,而记录表明压裂最远的延伸距离小于 600 m。

什么是水力压裂?

高压下流体在埋藏的岩石中向上移动,能够促使形成裂缝,被称为‘水力压裂裂缝’。这些裂缝能够生长、蔓延,直至累积的压力都被释放。自然水力压裂裂缝是由火山活动或者水从深埋的岩石中逃逸等过程诱发形成。人工裂缝,或者诱发水力压裂裂缝是指由人类活动而产生的裂缝,如向地热钻孔中注水、某地下井在高压下油气的井喷、或者用于页岩气开采的压裂等。关于水力压裂裂缝,尤其是在页岩油气体系中,向上延伸的最大距离很少有文章报道。为了研究这个问题,本次研究分析了上千个自然裂缝和诱发裂缝的尺寸。

什么是页岩气压裂?

页岩是极细粒的岩石,由压缩的泥形成,且经常在泥颗粒之间的孔隙中含有油气。由于这些孔隙并不连通,页岩具有较低渗透率。水力压裂就用于开采页岩中存在的这些油气。为此,首先垂向上钻井,到达富含油气的页岩层时转为水平井。铁壳被安装在井中,一旦到位,水、沙子和化学物质将会在高压下被注入井中,产生大量毫米级的裂缝从而压裂页岩层。流体中的沙子颗粒使这些裂缝保持打开状态,从而使油气流入井眼中并被输送到地表,被收集起来。

水力裂缝:可以向上延伸至多远?

最近很多案例显示页岩气压裂能够导致对饮用水层的污染。人们尤其担心甲烷气可能会由此进入自来水中。含气页岩通常位于含水层下部较深的位置。因此,评价诱发水力压裂能向上延伸至多远具有重要意义。我们分析了上千个自然裂缝和诱发裂缝。对来自挪威近海、西非和纳米比亚的 1170 个样品分析表明,自然裂缝最大的延伸高度为 1106m。对页岩气田中的上千个诱发水力压裂裂缝统计表明,记录中最大的延伸高度为588 m 。对数据的数学分析表明,自然水力压裂裂缝在垂向上延伸高度大于 350 m 的可能性为 33%,而由页岩气压裂诱发的水力压裂裂缝在垂向上延伸高度大于 350 m 的可能性为 1%。

小结

基于数据分析,自然裂缝比人工裂缝更有潜力向上延伸。这可能是由于自然裂缝产生在更长的时间跨度,并且在由更大体积的液体导致的压力下产生。数据表明,较少的诱发水力压裂裂缝能够向上延伸大于350 m 的距离。由于饮用水含水层通常位于埋深300 m 处,而大多数压裂发生在地下2-3 km 处,诱发水力压裂裂缝一般不可能连通至饮用水层。然而,本次研究强调在页岩油气资源开采过程中重视压裂等问题的必要性,以及了解相关地质知识的重要性。在诱发水力压裂裂缝有记录的最大的延伸高度基础上,应该考虑在含水层和目标页岩气层之间设置最低 600 m 的距离,尤其是在裂缝信息不完整或者缺失的新区域。