頁巖氣壓裂技術(shù)研究進展

路盼盼，楊昌華，柳文欣，徐 敏，薛龍龍

西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065

目前，全球頁巖氣儲量巨大，開展頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家主要是美國、中國、阿根廷和加拿大［1］。頁巖氣開采潛力巨大，開采壽命長、生產(chǎn)周期長，并且具有“低碳、潔凈、高效、低污染”的優(yōu)勢［2］，具有很大的開采價值。然而，頁巖氣儲集層地質(zhì)條件較為復雜，具有超低孔隙度和滲透率，與常規(guī)油氣相比，開發(fā)難度相當大，必須通過一些特殊的技術(shù)手段來實現(xiàn)商業(yè)化開采。頁巖氣藏“天然”生產(chǎn)產(chǎn)量極低，為了使頁巖開采有價值，必須在短期內(nèi)收回投資成本并具有一定利益［3］，壓裂是頁巖有效開采的唯一途徑。

與國外相比，我國在頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域起步較晚，整體上處于前期探索和準備階段。頁巖氣壓裂仍然面臨諸多問題，如環(huán)境污染、成本高等，因此頁巖氣壓裂工藝技術(shù)仍在不斷完善之中。頁巖氣壓裂技術(shù)研究方向主要有：壓裂參數(shù)優(yōu)化方法以及模型、壓裂液體系的優(yōu)化、無水或少水地層的壓裂技術(shù)等。國內(nèi)外學者對頁巖氣壓裂技術(shù)進行大量的研究，不斷優(yōu)化壓裂技術(shù)以及研發(fā)新技術(shù)。因此，本文主要基于國內(nèi)外對頁巖氣壓裂技術(shù)的探索以及實踐認識，根據(jù)壓裂技術(shù)的作業(yè)流程，充分總結(jié)近幾年頁巖氣壓裂方案優(yōu)化設計、壓裂液、壓裂工藝3 方面的研究進展，對比分析頁巖氣壓裂技術(shù)新的突破，指出未來頁巖氣壓裂技術(shù)的一些攻關(guān)方向，為我國頁巖氣高效開發(fā)提供有益的指導。

1 壓裂參數(shù)設計優(yōu)化

1.1 人工智能輔助水力壓裂設計技術(shù)

人工智能和數(shù)據(jù)挖掘作為一種在油氣領(lǐng)域進行數(shù)據(jù)驅(qū)動分析和建模的替代技術(shù)，近年來越來越受到研究人員的重視［4-5］。人工智能輔助水力壓裂設計技術(shù)的基礎(chǔ)是模糊邏輯和遺傳優(yōu)化技術(shù)，該技術(shù)首先收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，生成一個時空數(shù)據(jù)庫，包括儲層特征、作業(yè)∕生產(chǎn)信息、完井∕增產(chǎn)數(shù)據(jù)和其他變量，然后建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型來研究所有參數(shù)對天然氣產(chǎn)量的影響，并對油田歷史進行數(shù)據(jù)匹配。人工智能輔助模型具有可接受的現(xiàn)場數(shù)據(jù)匹配，可用于模擬不同的水力壓裂設計方案，并提供油井產(chǎn)量預測［6］。

1.2 地質(zhì)“甜點”和微震監(jiān)測結(jié)合技術(shù)

地質(zhì)“甜點”和微震監(jiān)測結(jié)合技術(shù)可幫助工程技術(shù)人員有效降低工程損害。在水平井鉆井、水力壓裂過程中利用微地震監(jiān)測參數(shù)進行預警，能提高壓裂增產(chǎn)效果，優(yōu)化頁巖氣的儲層增產(chǎn)［7］。在壓裂之前，使用“甜點”結(jié)果提供早期預警，如套管變形、堵砂等，以減少工程損害。在儲層壓裂現(xiàn)場，利用地震屬性和微震監(jiān)測對水力壓裂進行實時優(yōu)化，提高儲層改造效率；從“甜點”中提取天然裂縫屬性和疊前彈性參數(shù)［8］。通過分析現(xiàn)場微震事件特征，調(diào)整壓裂參數(shù)，減少天然裂縫對儲層增產(chǎn)的不利影響，可以確定哪些天然裂縫對儲層增產(chǎn)有利、哪些天然裂縫對儲層增產(chǎn)不利，這對頁巖氣的壓裂開采有著至關(guān)重要的作用。該方法已在四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)中取得了良好的效果。

1.3 新型隨鉆超聲成像技術(shù)

利用新型隨鉆超聲成像工具［9-10］可獲得不受當前非常規(guī)頁巖鉆井作業(yè)影響的高分辨率圖像。該技術(shù)利用聲阻抗的對比來識別不同的井眼特征，適用于導電（水基）和非導電（油基）泥漿。聲波傳播時間和振幅的超聲測量提供了一個高分辨率的井徑儀，并允許識別地層特征，如層理面、裂縫和井眼失效事件。該技術(shù)可以檢測可能受到鄰井干擾影響的區(qū)域，從而優(yōu)化水力壓裂作業(yè)。此外，還可以將圖像解釋集成到可靠的、歷史匹配的油藏和地質(zhì)力學模型中，從而繪制裂縫-井筒連接圖，以實現(xiàn)全油田的開發(fā)策略和改進。利用這些數(shù)據(jù)進行了廣泛的成分和地質(zhì)力學數(shù)值模擬，并對油田的開發(fā)數(shù)據(jù)進行改進，成功地用于油田關(guān)鍵區(qū)域的成像解釋、完井開發(fā)策略和提高采收率等方面。

1.4 頁巖氣水平井壓裂試井新模型

復雜裂縫的多裂縫水平井試井模型（MFHW）是優(yōu)化多級壓裂水平井裂縫簇數(shù)的試井方法［11］，有利于優(yōu)化裂縫簇或裂縫間距，進行裂縫擴展機制研究。基于充分利用儲量的原則，模型包括油藏流動方程和裂縫流動方程，利用Source 函數(shù)、Laplace 變換、疊加原理和半解析方法對模型進行求解。研究人員將試井模型應用于實例研究，已驗證了模型的可行性和準確性。該研究成果為工程技術(shù)人員評價多級壓裂水平井的增產(chǎn)效果和優(yōu)化壓裂簇數(shù)提供了有益的參考。

2 壓裂液

2.1 新型清潔滑溜水壓裂液

對壓裂液配方改進方面，相關(guān)研究已經(jīng)形成頁巖儲層新型清潔滑溜水壓裂液體系［12-13］。張揚等［14］研制了新的配方體系，其具體配方為0.2%高效減阻劑FJZ-2+0.5%聚合物乳液增黏劑FZN-1+0.25%防水鎖表面活性劑FSSJ-8+1%KCl。該配方解決了常規(guī)滑溜水壓裂液體系攜砂能力差、資源浪費、壓裂返排液處理難度大的問題，滿足了頁巖儲層壓裂改造需要采用大液量、大排量的體積壓裂改造方式的要求。該壓裂液體系主要性能（降阻性、耐溫抗剪切性、黏彈性以及攜砂性）已進行室內(nèi)評價，并在現(xiàn)場進行了成功應用，具有良好的推廣應用前景。

2.2 復合增效壓裂液

周仲建等［15］研制了線性膠與滑溜水復配而成的復合增效壓裂液，黏度為2～22 mPa·s、降阻率為63%～73%，該壓裂液具有較高黏度和低摩阻的雙重優(yōu)點，同時保障了“大改造體積”和“高填充率”的需求，大幅提高改造效果。該壓裂液能滿足脆性和塑性等復雜頁巖儲層的施工需求，適用范圍較廣。而且復合壓裂液現(xiàn)場應用方便，操作簡單，有利于節(jié)約清水資源，減小環(huán)境污染，綜合成本較低，是一種性價比很高的頁巖氣用壓裂液［15-16］。

2.3 氧化石墨烯超干CO2泡沫壓裂液

氧化石墨烯超干CO2泡沫壓裂液［17］是低耗水、環(huán)保、高效、低地層傷害的壓裂液。氧化石墨烯的加入增強超干CO2泡沫的穩(wěn)定性和熱適應性。添加氧化石墨烯提高了超干CO2泡沫的有效黏度，在剪切速率為100 s-1時，其黏度大于50 mPa·s；此外，與純表面活性劑泡沫相比，氧化石墨烯還能提高超干CO2泡沫的過濾控制性能。雖然氧化石墨烯泡沫對巖心的損傷略高于純表面活性劑泡沫，但滲透率損傷仍低于10%，說明作為壓裂液的泡沫對地層相對清潔。氧化石墨烯超干CO2泡沫壓裂液為缺水地區(qū)頁巖油氣儲層提供了一種新的高性能壓裂系統(tǒng)，該研究對頁巖油氣儲層壓裂技術(shù)的應用具有一定的指導意義［18］。

3 壓裂工藝

3.1 強化水力壓裂技術(shù)

強化水力壓裂技術(shù)（EHFT）包括5 種主要模式：長∕短段塞型支撐劑注入模式、長∕短段塞型致密支撐劑注入模式以及控制裂縫壓裂技術(shù)，具有實時調(diào)控的特點。該技術(shù)的核心是提高支撐劑強度，增加有效支撐面積，提高支撐導流能力，最終達到提高單井產(chǎn)能的目的。在分析早期地質(zhì)儲層特征的基礎(chǔ)上，優(yōu)選壓裂參數(shù)。在現(xiàn)場施工過程中，根據(jù)實時壓裂曲線顯示和微地震監(jiān)測綜合判斷，優(yōu)化泵送方案（支撐劑注入方式），減少復雜情況的影響，確保支撐劑強度，完成壓裂設計目的。多種實時控制模式可降低復雜工況發(fā)生概率，提高有效體積比，實現(xiàn)高效壓裂。最重要的是，該技術(shù)在降低成本、提高效率的總體目標上是可行有效的［19-21］，達到了經(jīng)濟有效開發(fā)的目的，已經(jīng)得到驗證和應用。

3.2 化學誘導壓力脈沖定向壓裂技術(shù)

化學誘導壓力脈沖定向壓裂技術(shù)［22］是一種基于化學原位壓力脈沖的新方法，克服了水平井多級壓裂的操作難度和技術(shù)難點，利用熱化學流體產(chǎn)生現(xiàn)場壓力脈沖來啟動裂縫，裂縫隨著水力壓力傳播，通過增加頁巖儲層改造儲層體積，在井筒周圍形成定向裂縫，最終提高油氣產(chǎn)量。該技術(shù)常用來壓裂高應力巖石和深層非常規(guī)儲層。定向化學脈沖壓裂技術(shù)將對非常規(guī)天然氣的應用產(chǎn)生重大影響，特別是在長水平井中［23］。

3.3 準干式CO2壓裂技術(shù)

準干式CO2壓裂技術(shù)利用液態(tài)CO2壓裂的優(yōu)勢，提高支撐劑的攜砂能力，并在環(huán)境條件下進行混合，以消除裂縫范圍的限制。該方法不需要加壓混合設備，操作簡單，高支撐劑濃度的準干CO2泥漿的高黏度和高可泵性使裂縫的形狀和支撐劑位置符合要求［24-25］。與傳統(tǒng)的干式CO2壓裂相比，新技術(shù)顯著降低了液態(tài)CO2壓裂的復雜性和成本。該方法突破了干式CO2壓裂的局限，在許多水敏性或低壓的非常規(guī)致密儲層中得到了迅速的應用，為CO2驅(qū)和利用液體CO2進行二次壓裂提供了一種可行的有效方法。理論和實驗室開發(fā)以及成功的現(xiàn)場測試表明，該技術(shù)在頁巖氣開發(fā)和液態(tài)CO2驅(qū)中有更廣泛的應用前景［26］。

3.4 高功率激光壓裂技術(shù)

高功率激光壓裂技術(shù)是一種無水技術(shù)，其特點是精度高、功率水平高、速度快，并能在幾秒鐘內(nèi)提供高能量?；跉怏w燃燒產(chǎn)生增壓氣體，增壓氣體可以在儲層中產(chǎn)生裂縫，使用高能激光起裂，支撐劑是在起爆時裂縫中生成的化學物質(zhì)［27-29］。該技術(shù)能夠深入地層形成通道，在不同方向?qū)⒌貙优c井筒連接起來。由于激光不受儲層應力（包括最大水平應力）的影響，因此可以在任何方向上形成可控和增強的隧道。隧道的大小也可以控制，實現(xiàn)大而深的隧道，隧道的深度是能量的函數(shù)，隧道越深，提供的能量越多。這些隧道可以替代水力裂縫，壓裂地層。各種研究表明，這是一項有前途的技術(shù)，有潛力徹底改變整個行業(yè)。

4 結(jié)論與展望

壓裂技術(shù)的參數(shù)設計優(yōu)化需要將人工智能與人工裂縫擴展機制研究相結(jié)合，進一步優(yōu)化頁巖儲集層改造基礎(chǔ)理論及設計技術(shù)研究，探索不同地質(zhì)條件下頁巖巖石的人工裂縫擴展規(guī)律。

基于壓裂液高黏度、低摩阻、大改造體積、高填充率的性能，研究新型壓裂液配方，獲取清潔、高效、低成本、低傷害、可循環(huán)利用的壓裂液體系。少水甚至無水壓裂液發(fā)展迅速，高效造縫，攜砂能力強。因此，增能型、泡沫型壓裂液成為未來發(fā)展的一個重要方向。

水力壓裂作為一種傳統(tǒng)的增產(chǎn)技術(shù)，由于其對健康和環(huán)境的損害和風險，已經(jīng)成為油氣行業(yè)的一大挑戰(zhàn)［30］。因此無水壓裂技術(shù)逐步取代了傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)，在油田中被廣泛應用。CO2、液化石油氣、等離子體壓裂、高功率激光、氣體刺激、放熱反應物和高能氣體壓裂等無水壓裂技術(shù)優(yōu)化是未來頁巖壓裂的主要方向，但需克服無水技術(shù)面臨成本、設備要求以及井的性質(zhì)和油藏條件等挑戰(zhàn)，以達到現(xiàn)場應用。