國外致密油增產技術發展及中國致密油開發建議

史杰青，鄧南濤，張文哲，梁衛衛，朱 亮，吳子現，張文婷，馬 龍

（1. 長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100； 2. 陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075；3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300450； 4. 長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

國外致密油增產技術發展及中國致密油開發建議

史杰青1，鄧南濤2，張文哲2，梁衛衛2，朱 亮1，吳子現3，張文婷4，馬 龍1

（1. 長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100； 2. 陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710075；3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300450； 4. 長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

北美致密油延續頁巖氣革命，產量出現大幅度增長，有效帶動了水平井鉆井技術、壓裂技術和配套工具的發展，前景良好。致密油與常規油藏差異較大，但與頁巖氣在儲層特征、產能特點和開發方式方面有很多相似性。通過充分調研國外，尤其是北美地區致密油增產技術進展，對直井特別是水平井致密油鉆井技術、分段壓裂技術及多井同步壓裂等技術進行系統梳理和深入剖析，給出了國外致密油增產技術發展的潛力和優勢，為正處于起步階段的中國致密油開發提供建議。

致密油；水平井；壓裂；水力噴射；北美

隨著全球常規油氣資源勘探開發程度的不斷提高，致密油已經成為非常規油氣開發的重要對象，當前全球致密油商業開發主要以美國為代表，根據權威機構測算，全球致密油產量2020年為26萬桶/日，2030年將達到150萬桶/日。美國致密油開發經驗在全球其它區域無法直接復制，主要原因包括兩個方面，一是其它地區缺乏整套的非常規油氣開發理論、經驗及設備，二是其它區域地質沉積條件與美國不同，無法適用于該地區致密油開發[1-7]。

致密油與常規油藏相比在儲層特征、產能特點和開發方式方面差別較大，但與頁巖氣有很多相似性。裂縫發育情況、基質孔隙的大小和異常壓力是控制致密油氣“甜點”的主要因素。儲層低滲致密，納米級孔隙發育，儲層比表面比常規砂巖儲層大很多，所以致密油開發必須依靠大規模儲層改造進行開發[8-12]。從儲層巖性及礦物成分來看，致密油儲層中碳酸鹽、硅質及粘土礦物與常規油氣儲層不同，使得儲層巖石脆性程度不一，造成壓裂時儲層改造模式及體積大小不同；假如儲層天然裂縫不發育或者壓裂時不能形成有效的多縫或者網格壓裂，致密油氣開發無從談起；針對于塑性較強的地層，壓裂時難以實現大規模體積改造，而針對于脆性或者天然裂縫發育的地層，壓裂時則可以實現大規模體積改造[13-15]。

1 國外致密油開發技術概況

1.1 直井連續油管分層壓裂技術

針對于致密油早期開發，主要是以直井淺層開發為主，通過壓裂實現井筒與儲層流體的連通，其主要技術特點為水力噴砂射孔，連續油管及環空加砂，直井連續油管分層壓裂技術通過高速高壓流體在連續油管中進行射孔，形成井筒與地層連通通道，同時通過環空空間壓裂攜砂液進入地層形成支撐，進而在地層中形成裂縫。當作業層段完成施工后，填砂封堵作業井段，上提連續油管進行下一作業段的作業，再次通過水力噴砂射孔及環空加砂形成壓裂裂縫，當全部作業段完成施工后進行沖砂返排。該技術優點為成本低、作業周期短、連續油管磨損較小、井下工具簡單及壓裂成功率高，因此其已經在頁巖氣開發中得到了廣泛應用。

1.2 水平井鉆井技術

水平井是全球開采致密油最主要的技術，尤其在北美，一般采用較長水平段（1 000～1 500 m）開發，選用套管完井、后期壓裂方式進行投產。定向工具通常采用旋轉地質導向技術，利用高效PDC鋼體鉆頭或固定切削齒鉆頭穩斜鉆進，在技術套管段使用油基鉆井液或鹽水鉆井液穩定井壁并控制摩阻，并通過交流頂驅技術、大馬力泥漿泵系統提速和降低成本。另外，致密油儲層一般較為連續，為同一井場布置多口井式高效作業、順利實現工廠化鉆井提供有利條件。近年來，雙分支水平井成為致密油開發增產中常用的一種井型，在Bakkwn地區應用廣泛，油井產量大幅度提升，收益率提高近1倍。

1.3 水平井分段壓裂技術

①水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術

該技術主要特點為多段分簇射孔、套管壓裂，可形成可鉆式橋塞。該技術作業時水平段被分為8～15段，平均每段長度100～150 m，射孔每段4～6簇，跨度0.46～0.77 m，簇間距20～30 m，通過下入橋塞由下而上移動射孔槍分段進行壓裂，壓裂施工結束后快速鉆掉橋塞進行測試、生產。

②水平井多級滑套封隔器分段壓裂技術

該技術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，形成機械式封隔器進行分段封堵。現場運用的多級滑套水力噴射分段壓裂技術，施工性能較為穩定，能夠實現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。該技術施工工藝較為復雜，必須借助工具座封或者壓力座封，且分段施工時下井工具多，施工時任何一個環節出現問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

由于各種原因限制，一部分水平井采用裸眼完井，一般常規封隔器無法準確實現密封，對于后期壓裂也會造成較大影響，為此針對于裸眼水平井，開發了膨脹式封隔器，以實現裸眼井分段密封的需求，該封隔器工作原理是遇油（水）時橡膠快速膨脹，以在井壁準確位置上膨脹形成密封。該技術作業成本低、風險小、可靠性高、壓裂后可快速試油投產，且該技術已經在國外120多口井上得到了大規模應用，改造層段超過850段。

④連續油管跨式封隔器分段壓裂技術

該壓裂技術中射孔即可以采取電線傳輸、水力噴射或者連續油管傳輸進行，跨式封隔器施工過程中壓裂流體通過連續油管注入，在每個單獨射孔簇中實現壓裂作業。該技術可實現在壓裂設備未安置好之前完成所有射孔程序，減少非生產時間消耗，且當作業時出現早期脫砂時，上部封隔器有能力實現足夠返回。同時，該技術還可以與泡沫壓裂液配伍作業，適用于低應力、中低溫環境、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

水平井水力噴射分段壓裂技術是集封隔、射孔及壓裂，運用水力噴射工具進行分段壓裂的水平井壓裂技術，采用噴射液的水力自密封原理對各層段進行隔離分段，因此不需用橋塞及封隔器等工具，實現自動封堵，且該技術適用范圍廣，針對于裸眼完井、篩管完井及套管完井的井都可以進行施工作業。

⑥水平井水力噴射+井下混合分段壓裂技術

該技術首先進行水力射孔，接著由連續油管低速注入“液態支撐劑”，環空高速注入無支撐劑流體，這樣可以大大降低連續油管磨破損害的可能性，同時還可以在孔眼處形成高速的混砂流體，實現支撐劑的深穿透，形成多支裂縫及支撐劑墩導流，通過不斷調整環空速度，實現連續油管孔眼處所需的凈壓力，形成高濃度支撐劑充填層，重復操作不斷改造完各射孔簇。

1.4 水平井多井同步壓裂技術

鄰井間同步壓裂技術是指大致平行的2口以上（含2口）水平井同時進行壓裂改造，其目的是在頁巖氣層中創造出更復雜的三維裂縫網絡系統，增加裂縫系統表面積，產生更大地層壓力。該技術于2006年首次在美國Ft. Worth盆地的Barnett頁巖井中作業時進行了施工，在兩口大致平行的水平井中進行同步壓裂作業，兩口井相距152～305 m，作業后兩井均取得了成功，一口井穩產30 d，產氣量25.5 ×104m3/d，該區域其它井產量只有（5.66～14.16）×104m3/d，說明該技術取得了較大成功。

1.5 水平井分段德洲“兩步跳”壓裂技術

該技術主要原理是在多段壓裂時，通過改變巖石應力場，實現裂縫主分支縫與誘導縫相互連通，該技術“兩步跳”的主要步驟為：從水平井水平段最遠端開始施工，首先進行壓裂，接著向井跟移動，重復壓裂，這樣可以使兩段裂縫形成一定干擾；隨后移動變化方向進行第三次壓裂，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力場形成應力松弛縫。

1.6 水平井分段通道壓裂技術

該技術主要原理是在水力壓裂過程中高速交替注入不含支撐劑的凍膠液與含多級支撐劑的凍膠液，進而達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。該技術目前還可以通過巖石物理模型進行特定泵注程序及不同油藏性質下的通道壓裂設計。

2 中國致密油開發建議

該技術主要原理是在水力壓裂過程中高速交替注入不含支撐劑的凍膠液與含多級支撐劑的凍膠液，進而達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。該技術目前還可以通過巖石物理模型進行特定泵注程序及不同油藏性質下的通道壓裂設計。

美國非常規油氣的開發經過近30年的發展，已經從初期的大規模水力壓裂發展到當今的水平井鉆井、完井、壓裂技術，且取得了較大成功，同時也帶動了微地震監測技術、高效降阻劑、低密度支撐劑及連續混配技術等各項技術發展。

國內非常規油氣的勘探開發剛出浴起步階段，沒有成套的完善技術。當前，國內比較成熟的技術有直井連續油管分段壓裂技術、直井分壓合采技術、直井大型壓裂技術及水平井分段壓裂改造技術等，以上技術可以為致密油氣的開發提供一定的技術借鑒及幫助。針對于我國目前致密油氣的開發的現狀，建議加強以下幾個方面的研究：

①致密油氣體積壓裂技術。該技術包括體積壓裂縫網形成的力學機理及壓裂裂縫延伸模式，壓裂工藝等形成裂縫網格及大規模體積裂縫的參數設計方法，壓裂裂縫監測技術和壓裂作業后油氣井的產能評價方法與技術。

②水平井分段壓裂技術。該技術包括水平井鉆井完井、地質評價、壓裂選段、射孔參數優化、滑套式噴砂器、連續油管射孔、水平井分段壓裂設計、測試解釋方法、水平井多段壓裂優化設計及現場試驗。

③特殊壓裂材料和設備研究。主要包括壓裂液配方優化及優選、超低密度支撐劑研究及大型壓裂設備的研制，同時，還需要將壓裂設備與壓裂材料進行結合研究，已達到最佳的壓裂效果。

④致密油增產配套的鉆井技術研究。一是研究出如何在同一井場布置多口井實現工廠化鉆井，二是雙分支井合理的鉆井工程設計尤為關鍵。此外還需要側重致密油氣層地層特點開發與之相適應的鉆井液體系。

⑤致密油氣開發還要注意環境保護問題。不管是鉆進過程中的鉆井液和后期開發的壓裂液都需要保護油氣儲層，盡最大可能降低環境污染和提高良性產能。

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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工程與應用研究工作。E-mail：dddd2023@qq.com。