頁巖氣鉆采技術(shù)進(jìn)展

張蔚紅，熊林芳，王春艷，楊 紅，蘇效民

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069;2.延長油田股份有限公司，陜西 延安716000;3.川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610051)

頁巖氣是指泥巖或頁巖在各種地質(zhì)條件下生成且尚未完全排出的天然氣，屬于非常規(guī)天然氣資源，往往以吸附、游離、溶解等多種形式殘留于盆地內(nèi)厚度較大、分布較廣的泥頁巖內(nèi)部。

作為新能源之一，與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長和生產(chǎn)時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)，大部分可產(chǎn)氣的頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含有頁巖氣，這使得頁巖氣井能夠長期以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣。世界頁巖氣資源很豐富，但目前還沒有廣泛地勘探與開發(fā)，其根本原因是頁巖基質(zhì)滲透率很低，勘探開發(fā)困難。

1 國內(nèi)外勘探開發(fā)現(xiàn)狀

據(jù)預(yù)測(cè)，世界頁巖氣資源量為456.24×1012m3，主要分布區(qū)域?yàn)?北美、中亞和中國、中東和北非、拉丁美洲、蘇聯(lián)等地區(qū)，相當(dāng)于煤層氣和致密氣的總和，是常規(guī)天然氣資源量的2倍［1］。我國頁巖氣資源量保守估算有30萬億 m3。

美國頁巖氣資源豐富，在其本土的48個(gè)州均有分布。據(jù)美國能源信息署的資料，美國頁巖氣技術(shù)可采儲(chǔ)量為24.39×1012m3［2］。目前，美國主要有5套具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的頁巖氣系統(tǒng)，即:FortWorth盆地密西西比系 Barnett頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Michigan盆地泥盆系 Ant－rim頁巖、Illinois盆地的泥盆系 New Albany頁巖和 San Juan盆地白堊系Lewis頁巖。其中，F(xiàn)ortWorth盆地以密西西比系 Barnett頁巖為儲(chǔ)層的 Newark East頁巖氣田，勘探開發(fā)程度較高，目前產(chǎn)量已超過300×108m3，已是美國第二大氣田。美國頁巖氣的成功開發(fā)改變了美國能源格局，被譽(yù)為“全球能源領(lǐng)域的一場(chǎng)革命”。

與北美的頁巖氣勘探開發(fā)成就相比，我國的頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，而與全球其他地區(qū)相比，我國的頁巖氣勘探開發(fā)則處于領(lǐng)先地位，為全球除北美以外地區(qū)率先進(jìn)入頁巖氣勘探評(píng)價(jià)突破和工業(yè)化開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)的國家［3，4，5］。

對(duì)于我國的頁巖氣資源發(fā)展前景，國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)此做出了較為樂觀的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)顯示我國頁巖氣資源豐富，其中地質(zhì)資源量為(30～166)×1012m3，技術(shù)可采資源量為(7～45)×1012m3。無論是從地質(zhì)資源量還是技術(shù)可采資源量上看，我國頁巖氣資源都具備良好發(fā)展基礎(chǔ)。已有預(yù)測(cè)認(rèn)為我國未來5年將實(shí)現(xiàn)頁巖氣規(guī)?；a(chǎn)，頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到65×108m3，至2020年前后，能夠突破頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，頁巖氣產(chǎn)量有望達(dá)到(600 ～1000)×108m3［6］。其中，四川盆地、渝東鄂西地區(qū)、黔湘地區(qū)、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等將是未來重點(diǎn)勘探開發(fā)和產(chǎn)量增長區(qū)域。我國已在富有機(jī)質(zhì)頁巖地質(zhì)特征、頁巖氣形成與富集地質(zhì)條件、頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)帶優(yōu)選等基礎(chǔ)地質(zhì)理論與認(rèn)識(shí)上取得重要了進(jìn)展;在四川盆地南部古生界、四川盆地北部中生代、鄂爾多斯盆地三疊系等多個(gè)地區(qū)和多個(gè)時(shí)代的海相、陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖中取得重要頁巖氣突破和發(fā)現(xiàn)。這預(yù)示著中國的頁巖氣具有巨大的開發(fā)潛力。

我國已經(jīng)加快了頁巖氣的勘探開發(fā)步伐，近年來開展了我國頁巖氣地質(zhì)條件評(píng)價(jià)與勘探開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)，例如，南方海相地層中頁巖氣評(píng)價(jià)井FS1井頁巖氣井的壓裂施工，W201井寒武系也發(fā)現(xiàn)了較好的頁巖氣顯示，并對(duì)其進(jìn)行了壓裂改造。與國際合作方面，我國石油公司積極與國外油氣企業(yè)在頁巖氣勘探開發(fā)方面尋求合作，我國石油與康菲、殼牌、埃克森美孚、挪威石油等跨國石油公司開展聯(lián)合研究，探索頁巖氣開發(fā)的國際合作方式;我國石化也積極同BP、Chevron、Newfield等國外石油公司展開交流合作，這些表明頁巖氣勘探開發(fā)將會(huì)在我國蓬勃發(fā)展。

2 鉆采技術(shù)及進(jìn)展

2.1 水平井技術(shù)

頁巖氣是存在于頁巖裂縫等空隙中的天然氣，要使其易于流入井筒，就必須合理利用儲(chǔ)層中的裂縫，使井筒盡可能多的穿過儲(chǔ)層。目前業(yè)界多利用水平鉆井技術(shù)來進(jìn)行頁巖氣的開采，該技術(shù)對(duì)于頁巖氣開采具有重大意義，水平鉆井可以獲得更大的儲(chǔ)層泄流面積，得到更高的天然氣產(chǎn)量。水平井形式包括單支、多分支和羽狀水平井。水平井的成本一般是垂直井的1～1.5倍，例如800～1 000 m水平段的常規(guī)水平井鉆井及完井投資約700萬美元，產(chǎn)量是垂直井的3倍左右［7］。一般來說，水平段越長，最終采收率就越高。但水平段不能無限長，因?yàn)樗蕉卧介L，成本就越高，在實(shí)際生產(chǎn)中需要根據(jù)具體地質(zhì)實(shí)際和成本效益等來確定最佳的水平段程度。

有效的井身設(shè)計(jì)決定著水平鉆井能否取得成功，采用三維地震解釋技術(shù)能夠更好地設(shè)計(jì)水平井軌跡?，F(xiàn)代鉆井技術(shù)已發(fā)展到了允許鉆機(jī)轉(zhuǎn)彎，采用旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向工具，可以形成光滑的井眼，獲得較好的地層評(píng)價(jià)。水平井技術(shù)的應(yīng)用可以使無裂縫或少裂縫通道的頁巖氣藏得到有效的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。水平井需要進(jìn)行壓裂施工，否則不能產(chǎn)出工業(yè)氣流。

2.2 完井技術(shù)

頁巖氣大部分以吸附態(tài)賦存于頁巖中，其儲(chǔ)層滲透率低，完井技術(shù)的選擇直接關(guān)系到頁巖氣的采收率。頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術(shù)，泡沫水泥具有漿體穩(wěn)定、密度低、滲透率低、失水小、抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因此泡沫水泥有較好的防竄效果，而且水泥侵入距離短，可以減小儲(chǔ)層傷害。據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，泡沫水泥固井比常規(guī)固井產(chǎn)氣量平均高出23%［8］。泡沫水泥固井技術(shù)從 20世紀(jì)80年代就已在我國部分油氣田進(jìn)行應(yīng)用，目前在青海油田花土溝、吐哈油田巴喀、河南油田氣井中均取得了較好的應(yīng)用效果，該技術(shù)已相對(duì)成熟。

頁巖氣井的完井方式主要包括組合式橋塞完井、水力噴射射孔完井和機(jī)械式組合完井。組合式橋塞完井是在套管井中用組合式橋塞分隔各段，分別進(jìn)行射孔或壓裂，是頁巖氣水平井最常用的完井方法，但施工中需要射孔、坐封橋塞、鉆橋塞，此方法比較耗時(shí)。水力噴射射孔方法從工具噴嘴噴射出的高速流體可射穿套管和巖石，達(dá)到射孔的目的，通過拖動(dòng)管柱可進(jìn)行多層作業(yè)，免去下封隔器或橋塞，能夠縮短完井時(shí)間。機(jī)械式組合完井采用特殊的滑套機(jī)構(gòu)和膨脹封隔器，適用于水平裸眼井段限流壓裂，一趟管柱即可實(shí)現(xiàn)固井和分段壓裂施工連作［7］。目前主要技術(shù)是 Haliburton公司的Delta Stim完井技術(shù)，施工時(shí)將完井工具串下入水平井段，懸掛器坐封后，注入酸溶性水泥固井，從井口泵入壓裂液，逐段依次進(jìn)行壓裂。

2.3 壓裂增產(chǎn)技術(shù)

頁巖氣儲(chǔ)層必須經(jīng)過壓裂才能形成工業(yè)氣流。頁巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造工藝與常規(guī)壓裂改造有明顯不同。經(jīng)過30多年的發(fā)展，國內(nèi)外形成了多項(xiàng)頁巖氣壓裂增產(chǎn)技術(shù)。

2.3.1 清水壓裂

清水壓裂是在清水中加入少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑、表面活性劑等添加劑作為壓裂液進(jìn)行的壓裂作業(yè)，又叫做減阻水壓裂。早期清水壓裂使用清水作為壓裂液，產(chǎn)生的裂縫導(dǎo)流能力較差，添加了支撐劑的清水壓裂效果更為明顯，支撐劑能夠在壓裂液返回后使裂縫保持開啟［9］。清水壓裂成本低，地層傷害小，清水壓裂技術(shù)在低滲透氣藏中能取得更好的效果，該技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)如德克薩斯州Barnett等頁巖氣田的主要開采手段，能節(jié)約成本30%左右［7］。2010年5月，中國石化使用清水壓裂技術(shù)對(duì)方深1井頁巖層段進(jìn)行施工，歷時(shí)5 h，共注入壓裂液2 121 m3，加砂270 t，壓裂作業(yè)取得成功。

2.3.2 水力噴射壓裂

水力噴射壓裂是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的水力壓裂技術(shù)。該技術(shù)通過地面拖動(dòng)施工管柱，利用水力噴射工具進(jìn)行施工，不需要封隔器或橋塞等工具，自動(dòng)封堵，封隔準(zhǔn)確，適應(yīng)于儲(chǔ)層初期改造。壓裂分為三個(gè)過程:水力噴砂射孔、水力壓裂和環(huán)空擠壓。

水力噴射壓力技術(shù)有多種工藝，如水力噴射輔助壓裂、水力噴射環(huán)空壓裂、水力噴射酸化壓裂等［10］。目前水力噴射技術(shù)已經(jīng)在美國、加拿大等多個(gè)國家和地區(qū)應(yīng)用效果良好。2005年，水力噴射壓裂技術(shù)第一次在美國 Barnett頁巖中使用，作業(yè)者使用水力噴射環(huán)空壓裂工藝對(duì) Barnett頁巖中的53口井進(jìn)行了壓裂，通過對(duì)增產(chǎn)效果評(píng)價(jià)，其中26口井取得了成功，壓裂后頁巖氣井的產(chǎn)量比壓裂前產(chǎn)量明顯增加，并且能夠持續(xù)較長生產(chǎn)時(shí)間。

2.3.3 重復(fù)壓裂

重復(fù)壓裂技術(shù)是相對(duì)于初次壓裂而進(jìn)行的再次壓裂施工，重復(fù)壓裂增產(chǎn)措施對(duì)處理低滲、天然裂縫發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層效果明顯，特別是頁巖氣藏，重復(fù)壓裂能重建儲(chǔ)層到井眼的線性流，產(chǎn)生的支撐裂縫導(dǎo)流能力更高，目的是恢復(fù)或增加產(chǎn)能。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，重復(fù)壓裂能夠以(3.53～7.06)美元/103m3的儲(chǔ)量成本增加頁巖氣產(chǎn)量，可使頁巖氣井最終采收率提高8% ～10%，可采儲(chǔ)量增加60%［9］。重復(fù)壓裂對(duì)產(chǎn)能較高的井同樣適用。

重復(fù)壓裂的重要增產(chǎn)機(jī)理之一是裂縫的重新取向，裂縫重新取向能夠繞開地層傷害區(qū)，避開壓實(shí)作用和滲透率下降區(qū)，從而得到更好的生產(chǎn)條件，經(jīng)過重復(fù)壓裂的井能夠達(dá)到更高的生產(chǎn)水平。

2.3.4 同步壓裂

同步壓裂指對(duì)2口或2口以上的配對(duì)井進(jìn)行同時(shí)壓裂。同步壓裂采用使壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運(yùn)移的方法，來增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度和表面積，利用井間連通的優(yōu)勢(shì)增大工作區(qū)裂縫的程度和強(qiáng)度，最大限度地連通天然裂縫［9］。同步壓裂最初是2口互相接近且深度大致相同的水平井間的同時(shí)壓裂，目前已發(fā)展到4口井同時(shí)壓裂。

同步壓裂對(duì)頁巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)效果明顯，而且對(duì)工作區(qū)環(huán)境影響小，完井速度快，節(jié)省壓裂成本，是頁巖氣開發(fā)中后期比較常用的壓裂技術(shù)。在壓裂井位置接近的情況下，如果依次對(duì)2口井進(jìn)行壓裂，可能導(dǎo)致只在第二口井中產(chǎn)生流體通道而切斷第一口井的流體通道。同步壓裂能夠讓被壓裂的2口井的裂縫都達(dá)到最大化，相對(duì)依次壓裂能夠獲得更好的收益。2006年，同步壓裂首先在美國 Barnett頁巖中實(shí)施成功。

2.3.5 分段壓裂

目前頁巖氣井以水平井完井為主，在投產(chǎn)之前要對(duì)水平段進(jìn)行大規(guī)模分段壓裂施工。水平井壓裂由于其應(yīng)力場(chǎng)的不同可以產(chǎn)生縱向縫、斜交縫和橫截縫，其中，橫截縫有利于提高水平段整體滲流能力，擴(kuò)大改造體積。

分段壓裂是利用封堵球或限流技術(shù)分隔儲(chǔ)層不同層位進(jìn)行壓裂的技術(shù)，該方法目標(biāo)準(zhǔn)確，壓裂效果明顯。目前有2種方式，一是滑套封隔器分段壓裂，二是可鉆式橋塞分段壓裂。

水平井多級(jí)滑套封隔器分段壓裂技術(shù)通過井口落球系統(tǒng)操控滑套，其原理與直井應(yīng)用的投球壓差式封隔器基本相同。該技術(shù)能夠顯著減少施工時(shí)間、降低施工成本。但該施工過程入井工具多，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)增加，該技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用正在逐年降低［11］。

水平井多級(jí)可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術(shù)的主要特點(diǎn)為套管壓裂、多段分簇射孔、快速可鉆式橋塞封隔(鉆時(shí)小于15 min)。壓裂施工結(jié)束后快速鉆掉橋塞進(jìn)行測(cè)試、生產(chǎn)。由于該技術(shù)射孔和座封橋塞連作，壓裂結(jié)束之后直接鉆掉所有橋塞，節(jié)省了時(shí)間和成本，同時(shí)縮短了液體在地層中的滯留時(shí)間，減小對(duì)儲(chǔ)層的傷害。目前該技術(shù)已經(jīng)成為美國頁巖氣開發(fā)的主體技術(shù)。

3 結(jié)語

頁巖氣藏屬于典型的非常規(guī)氣藏，其成藏規(guī)律、儲(chǔ)集空間、滲流規(guī)律以及后期開發(fā)模式有其自身特點(diǎn)。天然裂縫系統(tǒng)是頁巖氣重要的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道，水平井技術(shù)是頁巖氣藏開發(fā)的主要方式之一，頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術(shù)和組合式橋塞完井方法。頁巖氣儲(chǔ)層必須經(jīng)過壓裂才能形成工業(yè)氣流，頁巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造工藝與常規(guī)壓裂改造有明顯不同，人工壓裂是目前頁巖氣開采的核心技術(shù)，多采用清水壓裂、水力噴射壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂，分段壓裂等工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)體積改造，獲得更大的工業(yè)產(chǎn)能。

頁巖氣作為天然氣的接替能源，具有規(guī)模大、生產(chǎn)周期長的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)又面臨藏存隱蔽、采收率不穩(wěn)定、開發(fā)技術(shù)要求高、成本高的不利因素。頁巖氣勘探開發(fā)首先在北美取得成功，相比之下我國頁巖氣開發(fā)將經(jīng)歷漫長的引進(jìn)、消化、吸收，最后自主創(chuàng)新的過程。

［1］王冕冕，郭肖，曹鵬，等.影響頁巖氣開發(fā)因素及勘探開發(fā)技術(shù)展望［J］.特種油氣藏.2010，17(6):12－17.

［2］US Energy Information Administration.World Shale Gas Resources:An Initial Assessment of 14 Regions Outside the United States［R］.Washington DC:EIA，2011.

［3］鄒才能，董大忠，王社教，等.中國頁巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力［J］.石油勘探與開發(fā).2010，37(6):641－653.

［4］鄒才能，陶士振，侯連華，等.非常規(guī)油氣地質(zhì)［M］.北京:地質(zhì)出版社.2011:1－47;125－162.

［5］董大忠，鄒才能，李建忠，等.頁巖氣資源潛力與勘探開發(fā)前景［J］.地質(zhì)通報(bào).2011，30(2/3):324 －336.

［6］張大偉.加快中國頁巖氣勘探開發(fā)和利用的主要路徑［J］.天然氣工業(yè).2011，31(5):1 －5.

［7］張衛(wèi)東，郭敏，楊延輝.頁巖氣鉆采技術(shù)綜述［J］.中外能源.2010，15(4):35 －40.

［8］劉洪林 王莉 王紅巖，等.中國頁巖氣勘探開發(fā)適用技術(shù)探討［J］.油氣井測(cè)試.2009，18(4):68 －71.

［9］唐穎，唐玄，王廣源，等.頁巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)綜述［J］.地質(zhì)通報(bào).2011，30(2/3):393 －399.

［10］田守嶒，李根生，黃中偉，等.水力噴射壓裂機(jī)理與技術(shù)研究進(jìn)展［J］.石油鉆采工藝.2008，30(1):58 －62.

［11］孫海成，湯達(dá)禎，蔣廷學(xué)，等.頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)［J］.油氣地質(zhì)與采收率.2011，18(4):91－93.