國(guó)外致密油增產(chǎn)技術(shù)發(fā)展及中國(guó)致密油開(kāi)發(fā)建議

史杰青，鄧南濤，張文哲，梁衛(wèi)衛(wèi)，朱 亮，吳子現(xiàn)，張文婷，馬 龍

（1. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300450； 4. 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100）

國(guó)外致密油增產(chǎn)技術(shù)發(fā)展及中國(guó)致密油開(kāi)發(fā)建議

史杰青1，鄧南濤2，張文哲2，梁衛(wèi)衛(wèi)2，朱 亮1，吳子現(xiàn)3，張文婷4，馬 龍1

（1. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2. 陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300450； 4. 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100）

北美致密油延續(xù)頁(yè)巖氣革命，產(chǎn)量出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，有效帶動(dòng)了水平井鉆井技術(shù)、壓裂技術(shù)和配套工具的發(fā)展，前景良好。致密油與常規(guī)油藏差異較大，但與頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層特征、產(chǎn)能特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)方式方面有很多相似性。通過(guò)充分調(diào)研國(guó)外，尤其是北美地區(qū)致密油增產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展，對(duì)直井特別是水平井致密油鉆井技術(shù)、分段壓裂技術(shù)及多井同步壓裂等技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和深入剖析，給出了國(guó)外致密油增產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的潛力和優(yōu)勢(shì)，為正處于起步階段的中國(guó)致密油開(kāi)發(fā)提供建議。

致密油；水平井；壓裂；水力噴射；北美

隨著全球常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷提高，致密油已經(jīng)成為非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的重要對(duì)象，當(dāng)前全球致密油商業(yè)開(kāi)發(fā)主要以美國(guó)為代表，根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)算，全球致密油產(chǎn)量2020年為26萬(wàn)桶/日，2030年將達(dá)到150萬(wàn)桶/日。美國(guó)致密油開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)在全球其它區(qū)域無(wú)法直接復(fù)制，主要原因包括兩個(gè)方面，一是其它地區(qū)缺乏整套的非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)理論、經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備，二是其它區(qū)域地質(zhì)沉積條件與美國(guó)不同，無(wú)法適用于該地區(qū)致密油開(kāi)發(fā)[1-7]。

致密油與常規(guī)油藏相比在儲(chǔ)層特征、產(chǎn)能特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)方式方面差別較大，但與頁(yè)巖氣有很多相似性。裂縫發(fā)育情況、基質(zhì)孔隙的大小和異常壓力是控制致密油氣“甜點(diǎn)”的主要因素。儲(chǔ)層低滲致密，納米級(jí)孔隙發(fā)育，儲(chǔ)層比表面比常規(guī)砂巖儲(chǔ)層大很多，所以致密油開(kāi)發(fā)必須依靠大規(guī)模儲(chǔ)層改造進(jìn)行開(kāi)發(fā)[8-12]。從儲(chǔ)層巖性及礦物成分來(lái)看，致密油儲(chǔ)層中碳酸鹽、硅質(zhì)及粘土礦物與常規(guī)油氣儲(chǔ)層不同，使得儲(chǔ)層巖石脆性程度不一，造成壓裂時(shí)儲(chǔ)層改造模式及體積大小不同；假如儲(chǔ)層天然裂縫不發(fā)育或者壓裂時(shí)不能形成有效的多縫或者網(wǎng)格壓裂，致密油氣開(kāi)發(fā)無(wú)從談起；針對(duì)于塑性較強(qiáng)的地層，壓裂時(shí)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模體積改造，而針對(duì)于脆性或者天然裂縫發(fā)育的地層，壓裂時(shí)則可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模體積改造[13-15]。

1 國(guó)外致密油開(kāi)發(fā)技術(shù)概況

1.1 直井連續(xù)油管分層壓裂技術(shù)

針對(duì)于致密油早期開(kāi)發(fā)，主要是以直井淺層開(kāi)發(fā)為主，通過(guò)壓裂實(shí)現(xiàn)井筒與儲(chǔ)層流體的連通，其主要技術(shù)特點(diǎn)為水力噴砂射孔，連續(xù)油管及環(huán)空加砂，直井連續(xù)油管分層壓裂技術(shù)通過(guò)高速高壓流體在連續(xù)油管中進(jìn)行射孔，形成井筒與地層連通通道，同時(shí)通過(guò)環(huán)空空間壓裂攜砂液進(jìn)入地層形成支撐，進(jìn)而在地層中形成裂縫。當(dāng)作業(yè)層段完成施工后，填砂封堵作業(yè)井段，上提連續(xù)油管進(jìn)行下一作業(yè)段的作業(yè)，再次通過(guò)水力噴砂射孔及環(huán)空加砂形成壓裂裂縫，當(dāng)全部作業(yè)段完成施工后進(jìn)行沖砂返排。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為成本低、作業(yè)周期短、連續(xù)油管磨損較小、井下工具簡(jiǎn)單及壓裂成功率高，因此其已經(jīng)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 水平井鉆井技術(shù)

水平井是全球開(kāi)采致密油最主要的技術(shù)，尤其在北美，一般采用較長(zhǎng)水平段（1 000～1 500 m）開(kāi)發(fā)，選用套管完井、后期壓裂方式進(jìn)行投產(chǎn)。定向工具通常采用旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，利用高效PDC鋼體鉆頭或固定切削齒鉆頭穩(wěn)斜鉆進(jìn)，在技術(shù)套管段使用油基鉆井液或鹽水鉆井液穩(wěn)定井壁并控制摩阻，并通過(guò)交流頂驅(qū)技術(shù)、大馬力泥漿泵系統(tǒng)提速和降低成本。另外，致密油儲(chǔ)層一般較為連續(xù)，為同一井場(chǎng)布置多口井式高效作業(yè)、順利實(shí)現(xiàn)工廠化鉆井提供有利條件。近年來(lái)，雙分支水平井成為致密油開(kāi)發(fā)增產(chǎn)中常用的一種井型，在Bakkwn地區(qū)應(yīng)用廣泛，油井產(chǎn)量大幅度提升，收益率提高近1倍。

1.3 水平井分段壓裂技術(shù)

①水平井多級(jí)可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)主要特點(diǎn)為多段分簇射孔、套管壓裂，可形成可鉆式橋塞。該技術(shù)作業(yè)時(shí)水平段被分為8～15段，平均每段長(zhǎng)度100～150 m，射孔每段4～6簇，跨度0.46～0.77 m，簇間距20～30 m，通過(guò)下入橋塞由下而上移動(dòng)射孔槍分段進(jìn)行壓裂，壓裂施工結(jié)束后快速鉆掉橋塞進(jìn)行測(cè)試、生產(chǎn)。

②水平井多級(jí)滑套封隔器分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)主要適用于套管完井的水平井壓裂，借助井口投球裝置控制滑套，形成機(jī)械式封隔器進(jìn)行分段封堵?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的多級(jí)滑套水力噴射分段壓裂技術(shù)，施工性能較為穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)水平井多段有效分壓，單趟鉆具能夠施工5～6段，可縮短施工周期、提高施工效率。該技術(shù)施工工藝較為復(fù)雜，必須借助工具座封或者壓力座封，且分段施工時(shí)下井工具多，施工時(shí)任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能造成施工失敗，造成大的事故。

③水平井膨脹式封隔器分段壓裂技術(shù)

由于各種原因限制，一部分水平井采用裸眼完井，一般常規(guī)封隔器無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)密封，對(duì)于后期壓裂也會(huì)造成較大影響，為此針對(duì)于裸眼水平井，開(kāi)發(fā)了膨脹式封隔器，以實(shí)現(xiàn)裸眼井分段密封的需求，該封隔器工作原理是遇油（水）時(shí)橡膠快速膨脹，以在井壁準(zhǔn)確位置上膨脹形成密封。該技術(shù)作業(yè)成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、可靠性高、壓裂后可快速試油投產(chǎn)，且該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外120多口井上得到了大規(guī)模應(yīng)用，改造層段超過(guò)850段。

④連續(xù)油管跨式封隔器分段壓裂技術(shù)

該壓裂技術(shù)中射孔即可以采取電線傳輸、水力噴射或者連續(xù)油管傳輸進(jìn)行，跨式封隔器施工過(guò)程中壓裂流體通過(guò)連續(xù)油管注入，在每個(gè)單獨(dú)射孔簇中實(shí)現(xiàn)壓裂作業(yè)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在壓裂設(shè)備未安置好之前完成所有射孔程序，減少非生產(chǎn)時(shí)間消耗，且當(dāng)作業(yè)時(shí)出現(xiàn)早期脫砂時(shí)，上部封隔器有能力實(shí)現(xiàn)足夠返回。同時(shí)，該技術(shù)還可以與泡沫壓裂液配伍作業(yè)，適用于低應(yīng)力、中低溫環(huán)境、薄層和裂縫間距較小或者射孔簇較多的塑性地層。

⑤水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)

水平井水力噴射分段壓裂技術(shù)是集封隔、射孔及壓裂，運(yùn)用水力噴射工具進(jìn)行分段壓裂的水平井壓裂技術(shù)，采用噴射液的水力自密封原理對(duì)各層段進(jìn)行隔離分段，因此不需用橋塞及封隔器等工具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封堵，且該技術(shù)適用范圍廣，針對(duì)于裸眼完井、篩管完井及套管完井的井都可以進(jìn)行施工作業(yè)。

⑥水平井水力噴射+井下混合分段壓裂技術(shù)

該技術(shù)首先進(jìn)行水力射孔，接著由連續(xù)油管低速注入“液態(tài)支撐劑”，環(huán)空高速注入無(wú)支撐劑流體，這樣可以大大降低連續(xù)油管磨破損害的可能性，同時(shí)還可以在孔眼處形成高速的混砂流體，實(shí)現(xiàn)支撐劑的深穿透，形成多支裂縫及支撐劑墩導(dǎo)流，通過(guò)不斷調(diào)整環(huán)空速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)油管孔眼處所需的凈壓力，形成高濃度支撐劑充填層，重復(fù)操作不斷改造完各射孔簇。

1.4 水平井多井同步壓裂技術(shù)

鄰井間同步壓裂技術(shù)是指大致平行的2口以上（含2口）水平井同時(shí)進(jìn)行壓裂改造，其目的是在頁(yè)巖氣層中創(chuàng)造出更復(fù)雜的三維裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，增加裂縫系統(tǒng)表面積，產(chǎn)生更大地層壓力。該技術(shù)于2006年首次在美國(guó)Ft. Worth盆地的Barnett頁(yè)巖井中作業(yè)時(shí)進(jìn)行了施工，在兩口大致平行的水平井中進(jìn)行同步壓裂作業(yè)，兩口井相距152～305 m，作業(yè)后兩井均取得了成功，一口井穩(wěn)產(chǎn)30 d，產(chǎn)氣量25.5 ×104m3/d，該區(qū)域其它井產(chǎn)量只有（5.66～14.16）×104m3/d，說(shuō)明該技術(shù)取得了較大成功。

1.5 水平井分段德洲“兩步跳”壓裂技術(shù)

該技術(shù)主要原理是在多段壓裂時(shí)，通過(guò)改變巖石應(yīng)力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)裂縫主分支縫與誘導(dǎo)縫相互連通，該技術(shù)“兩步跳”的主要步驟為：從水平井水平段最遠(yuǎn)端開(kāi)始施工，首先進(jìn)行壓裂，接著向井跟移動(dòng)，重復(fù)壓裂，這樣可以使兩段裂縫形成一定干擾；隨后移動(dòng)變化方向進(jìn)行第三次壓裂，該次壓裂段處于前兩次壓裂段中間，這樣就可以充分利用巖石應(yīng)力場(chǎng)形成應(yīng)力松弛縫。

1.6 水平井分段通道壓裂技術(shù)

該技術(shù)主要原理是在水力壓裂過(guò)程中高速交替注入不含支撐劑的凍膠液與含多級(jí)支撐劑的凍膠液，進(jìn)而達(dá)到支撐劑的非均勻鋪置，其次，凍膠液中加入可降解的纖維材料，以降低支撐劑在射孔處及地層裂縫中的耗散。該技術(shù)目前還可以通過(guò)巖石物理模型進(jìn)行特定泵注程序及不同油藏性質(zhì)下的通道壓裂設(shè)計(jì)。

2 中國(guó)致密油開(kāi)發(fā)建議

該技術(shù)主要原理是在水力壓裂過(guò)程中高速交替注入不含支撐劑的凍膠液與含多級(jí)支撐劑的凍膠液，進(jìn)而達(dá)到支撐劑的非均勻鋪置，其次，凍膠液中加入可降解的纖維材料，以降低支撐劑在射孔處及地層裂縫中的耗散。該技術(shù)目前還可以通過(guò)巖石物理模型進(jìn)行特定泵注程序及不同油藏性質(zhì)下的通道壓裂設(shè)計(jì)。

美國(guó)非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，已經(jīng)從初期的大規(guī)模水力壓裂發(fā)展到當(dāng)今的水平井鉆井、完井、壓裂技術(shù)，且取得了較大成功，同時(shí)也帶動(dòng)了微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)、高效降阻劑、低密度支撐劑及連續(xù)混配技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)非常規(guī)油氣的勘探開(kāi)發(fā)剛出浴起步階段，沒(méi)有成套的完善技術(shù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)比較成熟的技術(shù)有直井連續(xù)油管分段壓裂技術(shù)、直井分壓合采技術(shù)、直井大型壓裂技術(shù)及水平井分段壓裂改造技術(shù)等，以上技術(shù)可以為致密油氣的開(kāi)發(fā)提供一定的技術(shù)借鑒及幫助。針對(duì)于我國(guó)目前致密油氣的開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，建議加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：

①致密油氣體積壓裂技術(shù)。該技術(shù)包括體積壓裂縫網(wǎng)形成的力學(xué)機(jī)理及壓裂裂縫延伸模式，壓裂工藝等形成裂縫網(wǎng)格及大規(guī)模體積裂縫的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)和壓裂作業(yè)后油氣井的產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法與技術(shù)。

②水平井分段壓裂技術(shù)。該技術(shù)包括水平井鉆井完井、地質(zhì)評(píng)價(jià)、壓裂選段、射孔參數(shù)優(yōu)化、滑套式噴砂器、連續(xù)油管射孔、水平井分段壓裂設(shè)計(jì)、測(cè)試解釋方法、水平井多段壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

③特殊壓裂材料和設(shè)備研究。主要包括壓裂液配方優(yōu)化及優(yōu)選、超低密度支撐劑研究及大型壓裂設(shè)備的研制，同時(shí)，還需要將壓裂設(shè)備與壓裂材料進(jìn)行結(jié)合研究，已達(dá)到最佳的壓裂效果。

④致密油增產(chǎn)配套的鉆井技術(shù)研究。一是研究出如何在同一井場(chǎng)布置多口井實(shí)現(xiàn)工廠化鉆井，二是雙分支井合理的鉆井工程設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。此外還需要側(cè)重致密油氣層地層特點(diǎn)開(kāi)發(fā)與之相適應(yīng)的鉆井液體系。

⑤致密油氣開(kāi)發(fā)還要注意環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。不管是鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆井液和后期開(kāi)發(fā)的壓裂液都需要保護(hù)油氣儲(chǔ)層，盡最大可能降低環(huán)境污染和提高良性產(chǎn)能。

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Development of Yield-increasing Technique of Overseas Tight Oil and Suggestions on Exploitation and Development of Chinese Tight Oil

SHI Jie-qing1, DENG Nan-tao2, ZHANG Wen-zhe2, LIANG Wei-wei2, ZHU Liang1, WU Zi-xian3, ZHANG Wen-ting4, MA Long1
（1. College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China; 2. Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum Co.Ltd., Shannxi Xi’an 710075, China; 3. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., CNOOC, Tianjin 300450, China; 4. College of Geoscience,Yangtze University, Hubei Wuhani 430100, China）

North America is experiencing a tight oil evolution following the previous shale gas evolution, while petroleum production has increased greatly, which effectively promotes the development of horizontal well drilling technology, fracturing technology and matching tools. Tight oil is quite different from conventional oil reservoirs, but has many similarities with shale gas in reservoir characteristics, production features and development methods. In this paper, through investigation on foreign tight oil technologies, tight oil drilling technology in both vertical and horizontal wells, staged fracturing technology and multi-well fracturing technology were researched and analyzed. The potential and advantages of overseas tight oil well-stimulation method were discussed, and some recommendations for the development of Chinese tight oil in the initial stage were put forward.

Tight oil; Horizontal well; Fracturing; Water jet; North America

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）02-0335-03

2014-12-02

史杰青，男，碩士研究生，研究方向：主要從事石油鉆井及巖石力學(xué)工程與應(yīng)用研究工作。E-mail：dddd2023@qq.com。