頁(yè)巖氣井水力壓裂技術(shù)的研究進(jìn)展

張?chǎng)巍〗鹆⑵健《ò?/p>

摘要：世界頁(yè)巖氣資源豐富，近幾十年來(lái)，隨著勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷提高，各個(gè)國(guó)家也越來(lái)越重視頁(yè)巖氣的利用。水力壓裂技術(shù)是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)之一，并廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖儲(chǔ)層改造。文章通過(guò)對(duì)美國(guó)和加拿大應(yīng)用實(shí)例的分析，列出了各種水力壓裂技術(shù)的特點(diǎn)和適用性，并介紹了頁(yè)巖氣井水力壓裂的相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；水力壓裂技術(shù)；天然氣資源；清水壓裂技術(shù)；重復(fù)壓裂技術(shù)；水力噴射壓裂技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P618 文章編號(hào)：1009-2374（2016）02-0157-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.077

頁(yè)巖氣又稱致密氣層氣，是蘊(yùn)藏于頁(yè)巖層可供開(kāi)采的天然氣資源，主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)聚集于泥頁(yè)巖中。它以游離相態(tài)（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其他儲(chǔ)集空間，以吸附狀態(tài)（大約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量為203.78萬(wàn)億m3，其中海相頁(yè)巖氣占94%，陸相占6%。我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，其中海相頁(yè)巖氣居全球第1位，在中國(guó)頁(yè)巖氣中的占比達(dá)到91%。中國(guó)陸相頁(yè)巖氣占全球陸相的22%。頁(yè)巖氣氣藏具有自生自儲(chǔ)、無(wú)氣水界面、大面積連續(xù)成藏、低孔隙度、低滲透率等特征，一般無(wú)自然產(chǎn)能或低產(chǎn)，需要水平井技術(shù)和大型水力壓裂才能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開(kāi)采。隨著水力壓裂技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，美國(guó)興起了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)熱潮，成功開(kāi)采頁(yè)巖氣使美國(guó)躍居全球第一產(chǎn)氣大國(guó)。加拿大是繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)的國(guó)家，本文主要介紹了美國(guó)和加拿大頁(yè)巖氣井水力壓裂技術(shù)及其應(yīng)用情況。

1 頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)狀況

1.1 美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)狀況

美國(guó)是世界上頁(yè)巖氣起步最早、發(fā)展最快、年產(chǎn)量最大的國(guó)家，其頁(yè)巖氣的開(kāi)采最早可以追溯到1821年。1947年在美國(guó)誕生了第一口頁(yè)巖氣井，頁(yè)巖氣也在20世紀(jì)70年代開(kāi)始大規(guī)模的工業(yè)開(kāi)發(fā)。

美國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量131.28萬(wàn)億m3（占全球總量的13%）、技術(shù)可采資源量為32.85萬(wàn)億m3（占全球總量的15%）。主要分布在東北部（63%）、墨西哥灣岸區(qū)（13%）、西南地區(qū)（10%）。主要的頁(yè)巖區(qū)塊為Marcellus（3.36萬(wàn)億m3）、Haynesville（2.11萬(wàn)億m3）及Barnett（1.23萬(wàn)億m3）。2013年頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到0.309萬(wàn)億m3；約占其國(guó)內(nèi)天然氣產(chǎn)量38.6%，占全球頁(yè)巖氣產(chǎn)量的比例超過(guò)90%。2014年12月達(dá)到0.373萬(wàn)億m3，環(huán)比增幅33%。美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)歷程可分為4個(gè)階段：第一階段：2000年以前為試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，主要進(jìn)行頁(yè)巖氣地質(zhì)理論研究、頁(yè)巖氣地球化學(xué)研究和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)工程研究；第二階段：2000～2003年為商業(yè)開(kāi)發(fā)初期階段，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)逐漸成熟，壓裂技術(shù)和水平井技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用；第三階段：2004～2007年為大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)階段，水平井多段壓裂技術(shù)和水平井重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用；第四階段：2007年至今為繼續(xù)發(fā)展階段：正在開(kāi)展多分支井技術(shù)和3D壓裂技術(shù)的研究工作。

1.2 加拿大頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)狀況

加拿大頁(yè)巖氣資源豐富，其頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量為15.2萬(wàn)億m3，其頁(yè)巖氣資源主要集中在西加拿大沉積盆地的白堊系、侏羅系、三疊系和泥盆系地層。主要分布在Montney頁(yè)巖區(qū)帶、阿爾伯塔省中東部Wildmere地區(qū)的Colorado、Horn River盆地、Utica和Horton Bluff等區(qū)域，已有多家油氣生產(chǎn)商在加拿大西部地區(qū)進(jìn)行頁(yè)巖氣的開(kāi)采或開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，目前Montney頁(yè)巖已大規(guī)模開(kāi)發(fā)，Wildmere地區(qū)Colorado頁(yè)巖已投入小規(guī)模開(kāi)發(fā)，Horn River盆地內(nèi)頁(yè)巖氣處于開(kāi)發(fā)早期，加拿大阿爾伯塔省頁(yè)巖氣產(chǎn)量呈遞增趨勢(shì)，2013年約為300萬(wàn)m3。

2 頁(yè)巖氣井水力壓裂技術(shù)及其適用性

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有滲透率極低的特點(diǎn)，孔隙度多小于8%，滲透率一般為0.001～0.000001md，所以開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造才能形成經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)能力，所有儲(chǔ)層必須經(jīng)過(guò)壓裂才能投產(chǎn)。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方面面臨三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：（1）如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)甜點(diǎn)，為井眼軌跡設(shè)計(jì)提供依據(jù)；（2）如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低成本完成水平井，為壓裂提供合格的井眼；（3）如何有效地進(jìn)行壓裂，保證水力壓裂的有效性。目前常用的水力壓裂技術(shù)包括水力噴射壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)、同步壓裂技術(shù)和多級(jí)壓裂技術(shù)等。

2.1 清水壓裂技術(shù)

清水壓裂技術(shù)是當(dāng)前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)主要的增產(chǎn)措施。該技術(shù)是指在清水中添加少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑作為壓裂液而開(kāi)展壓裂作業(yè)的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)利用大量的帶有少量粗砂支撐劑的清水注入地層產(chǎn)生具有足夠幾何尺寸和導(dǎo)流能力的裂縫，該技術(shù)利用儲(chǔ)層中的天然裂縫，將壓裂液注入裂縫使地層產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，在壓裂過(guò)程中，巖石碎屑脫落到裂縫中，與注入的粗砂一起起到支撐劑的作用，使裂縫在沖刷之后仍保持張開(kāi)。技術(shù)特點(diǎn)為減阻水為壓裂液的主要成分，其成本低且很少需要清理，是一種清潔壓裂技術(shù)，但是攜砂能力有限。1997年，Barnett頁(yè)巖開(kāi)發(fā)作業(yè)中首次使用該技術(shù)，該技術(shù)是Barnett頁(yè)巖氣田的主要開(kāi)采手段。該技術(shù)可使壓裂費(fèi)用較大型水力壓裂減少65%，最終采收率提高20%。該技術(shù)主要適用于天然裂縫發(fā)育的井。

2.2 重復(fù)壓裂技術(shù)

當(dāng)頁(yè)巖氣井初始?jí)毫岩呀?jīng)無(wú)效，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時(shí)，對(duì)氣井進(jìn)行重新壓裂增產(chǎn)的工藝稱為重復(fù)壓裂技術(shù)。該技術(shù)用于在不同方向上誘導(dǎo)產(chǎn)生新裂縫，增加裂縫網(wǎng)絡(luò)，以提高生產(chǎn)能力（圖1）。其技術(shù)特點(diǎn)是通過(guò)重新打開(kāi)裂縫或裂縫重新取向增產(chǎn)。影響重復(fù)壓裂成敗的重要因素：（1）85/15法則：油氣田85%的重復(fù)壓裂潛力存在于占總井?dāng)?shù)15%的井中。重復(fù)壓裂成功的關(guān)鍵是找出占總井?dāng)?shù)15%的潛能最大的重復(fù)壓裂候選井；（2）重復(fù)壓裂施工工藝水平：在初次壓裂裂縫失敗或失效后，裂縫、地層流體情況都發(fā)生了變化，重新壓裂的難度就更大、更復(fù)雜，須針對(duì)處理井段的地質(zhì)情況、巖石力學(xué)性質(zhì)、初壓裂縫的狀態(tài)、初壓工藝存在的問(wèn)題制定相應(yīng)的工藝措施；（3）重復(fù)壓裂裂縫起裂和延伸：重復(fù)壓裂時(shí)，地應(yīng)力的改變會(huì)引起裂縫的重定向，需要重新確定裂縫的起裂時(shí)機(jī)和延伸軌跡，這對(duì)重復(fù)壓裂效果有重要影響。美國(guó)Barnett的大部分頁(yè)巖氣井都進(jìn)行了二次壓裂，氣井產(chǎn)量明顯提高。重復(fù)壓裂技術(shù)適用于天然裂縫發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層，在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)后期當(dāng)初始?jí)毫研Ч陆祷虺跏級(jí)毫研Ч幻黠@的情況下對(duì)儲(chǔ)層重新壓裂，對(duì)產(chǎn)量相對(duì)較高的井同樣適用。

2.3 水力噴射壓裂技術(shù)

水力噴射壓裂技術(shù)依據(jù)伯努利原理，將油管柱內(nèi)液體的壓能轉(zhuǎn)化為噴嘴出口處的高速動(dòng)能，根據(jù)水動(dòng)力學(xué)動(dòng)量-沖量原理，射穿套管、溝通地層。壓裂是采用油、套混注的方式，通過(guò)控制噴射工具準(zhǔn)確地選擇裂縫起裂的位置與方向；形成裂縫后，高速流體噴射進(jìn)入裂縫和孔道，由于噴嘴出口處高速低壓，環(huán)空中的流體在壓差作用下被吸入地層，維持裂縫延伸，實(shí)現(xiàn)水力封隔。水力噴射壓裂技術(shù)是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的技術(shù)。水力噴射壓裂技術(shù)具有廣泛的適用性，能用于水平井、大斜度井和垂直井，能在裸眼井和套管井內(nèi)使用，根據(jù)需要可使用鉆桿、油管或連續(xù)油管作業(yè)。水力噴射壓裂技術(shù)不使用密封元件而維持較低的井筒壓力，迅速準(zhǔn)確地壓開(kāi)多條裂縫，但該技術(shù)受壓裂井深和加砂規(guī)模的限制。2005年，水力噴射壓裂技術(shù)第一次在美國(guó)Barnett頁(yè)巖中使用，作業(yè)了53口井，其中26口井取得了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的成功。

2.4 多級(jí)壓裂技術(shù)

國(guó)外水平井多級(jí)分段壓裂完井技術(shù)主要形成了水平井裸眼封隔器分段壓裂完井和泵送橋塞射孔分段壓裂聯(lián)作兩大主導(dǎo)技術(shù)，以兩大主導(dǎo)技術(shù)的突破為核心，配套形成了優(yōu)化設(shè)計(jì)、裂縫監(jiān)測(cè)、設(shè)備配套等技術(shù)系列。該技術(shù)可針對(duì)儲(chǔ)層特點(diǎn)而進(jìn)行有針對(duì)性的施工，目標(biāo)準(zhǔn)確，效果明顯。美國(guó)85%的頁(yè)巖氣生產(chǎn)井采用水平井和多級(jí)壓裂技術(shù)結(jié)合的方式開(kāi)采，增產(chǎn)效果比較明顯。2006年，Woodfood部分井采用5～7段式分段壓裂，與早期壓裂的水平井相比，新壓裂的井由于壓裂井段增加，取得了較大成功。多段壓裂的技術(shù)特點(diǎn)是多段壓裂，其技術(shù)成熟、使用廣泛，適用于產(chǎn)層較多、水平井段較長(zhǎng)的井。

2.5 同步壓裂技術(shù)

該技術(shù)指同時(shí)對(duì)兩口或兩口以上鄰近平行井進(jìn)行壓裂，壓裂液及支撐劑在高壓下從一口井沿最短距離向另一口井運(yùn)移，增加了裂縫網(wǎng)格的密度和表面積，快速提高頁(yè)巖氣井的產(chǎn)量。該技術(shù)可以促使水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程中相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加改造體積，提高氣井產(chǎn)量和最終采收率。美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣田使用該技術(shù)，相隔150～300m范圍內(nèi)兩口平行的水平井同時(shí)進(jìn)行壓裂作業(yè)，目前已發(fā)展到多口井同時(shí)進(jìn)行壓裂作業(yè)。該技術(shù)特點(diǎn)是多口井同時(shí)作業(yè)，節(jié)省作業(yè)時(shí)間且效果好于依次壓裂。該技術(shù)適用于兩口或者兩口以上井眼位置相對(duì)較近，水平井段大致平行的頁(yè)巖氣井。

3 頁(yè)巖氣井水力壓裂技術(shù)應(yīng)用分析

在巖氣開(kāi)發(fā)中，水力壓裂技術(shù)不斷發(fā)展優(yōu)化和改進(jìn)，最初為大型水力壓裂，現(xiàn)在以清水加減阻劑為壓裂液的混合清水壓裂，在水平井中多級(jí)壓裂，較大地降低了壓裂成本，增產(chǎn)效果得到極大突破。頁(yè)巖裂縫系統(tǒng)發(fā)育差，不同地區(qū)儲(chǔ)層特點(diǎn)差異大，單一的壓裂技術(shù)很難滿足開(kāi)發(fā)的需要，在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中往往要結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)使用幾種壓裂技術(shù)。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

美國(guó)和加拿大頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的高速發(fā)展表明，水平井和水力壓裂技術(shù)為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)之一。但是以下方面的問(wèn)題也需要進(jìn)一步完善：（1）工程技術(shù)要求非常高。頁(yè)巖氣資源的客觀存在、儲(chǔ)層特性差，工程改造建設(shè)“人造氣藏”等特點(diǎn)，決定了工程技術(shù)比任何時(shí)候更具重要性，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)包含了鉆井、完井、測(cè)井、錄井、壓裂、酸化等技術(shù)。（2）環(huán)境因素制約。頁(yè)巖氣規(guī)模開(kāi)發(fā)階段返排水總量大、污染物種類多、成分復(fù)雜，處理不當(dāng)會(huì)造成污染，需要監(jiān)測(cè)和評(píng)估其污染風(fēng)險(xiǎn)。為防止頁(yè)巖氣開(kāi)采對(duì)周邊居民健康帶來(lái)?yè)p害，美國(guó)和加拿大的頁(yè)巖氣開(kāi)采主要集中在人口密度較低地區(qū)。（3）市場(chǎng)機(jī)制需要完善。美國(guó)和加拿大能源市場(chǎng)體系較為成熟，為鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣，政府采取降低準(zhǔn)入門(mén)檻、減稅措施和對(duì)頁(yè)巖氣供應(yīng)商無(wú)歧視準(zhǔn)入等政策，使得大量中小企業(yè)進(jìn)行頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)勘探，激發(fā)了它們投資及技術(shù)研發(fā)熱情，最終使頁(yè)巖氣開(kāi)采實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）