頁巖氣井水力壓裂技術的研究進展

張鑫　金立平　董建安

摘要：世界頁巖氣資源豐富，近幾十年來，隨著勘探和開發技術的不斷提高，各個國家也越來越重視頁巖氣的利用。水力壓裂技術是頁巖氣開發的核心技術之一，并廣泛應用于頁巖儲層改造。文章通過對美國和加拿大應用實例的分析，列出了各種水力壓裂技術的特點和適用性，并介紹了頁巖氣井水力壓裂的相關問題。

關鍵詞：頁巖氣；水力壓裂技術；天然氣資源；清水壓裂技術；重復壓裂技術；水力噴射壓裂技術 文獻標識碼：A

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

頁巖氣又稱致密氣層氣，是蘊藏于頁巖層可供開采的天然氣資源，主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態聚集于泥頁巖中。它以游離相態（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間，以吸附狀態（大約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態儲存于干酪根、瀝青質及石油中。全球頁巖氣技術可采資源量為203.78萬億m3，其中海相頁巖氣占94%，陸相占6%。我國頁巖氣資源豐富，其中海相頁巖氣居全球第1位，在中國頁巖氣中的占比達到91%。中國陸相頁巖氣占全球陸相的22%。頁巖氣氣藏具有自生自儲、無氣水界面、大面積連續成藏、低孔隙度、低滲透率等特征，一般無自然產能或低產，需要水平井技術和大型水力壓裂才能進行經濟開采。隨著水力壓裂技術的發展和進步，美國興起了頁巖氣開發熱潮，成功開采頁巖氣使美國躍居全球第一產氣大國。加拿大是繼美國之后世界上第二個對頁巖氣進行勘探開發的國家，本文主要介紹了美國和加拿大頁巖氣井水力壓裂技術及其應用情況。

1 頁巖氣的開發狀況

1.1 美國頁巖氣開發狀況

美國是世界上頁巖氣起步最早、發展最快、年產量最大的國家，其頁巖氣的開采最早可以追溯到1821年。1947年在美國誕生了第一口頁巖氣井，頁巖氣也在20世紀70年代開始大規模的工業開發。

美國頁巖氣地質資源量131.28萬億m3（占全球總量的13%）、技術可采資源量為32.85萬億m3（占全球總量的15%）。主要分布在東北部（63%）、墨西哥灣岸區（13%）、西南地區（10%）。主要的頁巖區塊為Marcellus（3.36萬億m3）、Haynesville（2.11萬億m3）及Barnett（1.23萬億m3）。2013年頁巖氣產量達到0.309萬億m3；約占其國內天然氣產量38.6%，占全球頁巖氣產量的比例超過90%。2014年12月達到0.373萬億m3，環比增幅33%。美國頁巖氣開發技術歷程可分為4個階段：第一階段：2000年以前為試驗開發階段，主要進行頁巖氣地質理論研究、頁巖氣地球化學研究和頁巖氣開發工程研究；第二階段：2000～2003年為商業開發初期階段，頁巖氣開發技術逐漸成熟，壓裂技術和水平井技術進行應用；第三階段：2004～2007年為大規模商業化開發階段，水平井多段壓裂技術和水平井重復壓裂技術進行應用；第四階段：2007年至今為繼續發展階段：正在開展多分支井技術和3D壓裂技術的研究工作。

1.2 加拿大頁巖氣開發狀況

加拿大頁巖氣資源豐富，其頁巖氣技術可采資源量為15.2萬億m3，其頁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頁巖區帶、阿爾伯塔省中東部Wildmere地區的Colorado、Horn River盆地、Utica和Horton Bluff等區域，已有多家油氣生產商在加拿大西部地區進行頁巖氣的開采或開發試驗，目前Montney頁巖已大規模開發，Wildmere地區Colorado頁巖已投入小規模開發，Horn River盆地內頁巖氣處于開發早期，加拿大阿爾伯塔省頁巖氣產量呈遞增趨勢，2013年約為300萬m3。

2 頁巖氣井水力壓裂技術及其適用性

頁巖氣儲層具有滲透率極低的特點，孔隙度多小于8%，滲透率一般為0.001～0.000001md，所以開發過程中必須采用適當的技術，需要對儲層進行改造才能形成經濟的生產能力，所有儲層必須經過壓裂才能投產。在頁巖氣開發方面面臨三個關鍵技術問題：（1）如何準確預測甜點，為井眼軌跡設計提供依據；（2）如何安全、優質、高效、低成本完成水平井，為壓裂提供合格的井眼；（3）如何有效地進行壓裂，保證水力壓裂的有效性。目前常用的水力壓裂技術包括水力噴射壓裂技術、清水壓裂技術、重復壓裂技術、同步壓裂技術和多級壓裂技術等。

2.1 清水壓裂技術

清水壓裂技術是當前頁巖氣開發主要的增產措施。該技術是指在清水中添加少量的減阻劑、黏土穩定劑和表面活性劑作為壓裂液而開展壓裂作業的技術。該項技術利用大量的帶有少量粗砂支撐劑的清水注入地層產生具有足夠幾何尺寸和導流能力的裂縫，該技術利用儲層中的天然裂縫，將壓裂液注入裂縫使地層產生誘導裂縫，在壓裂過程中，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。技術特點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，但是攜砂能力有限。1997年，Barnett頁巖開發作業中首次使用該技術，該技術是Barnett頁巖氣田的主要開采手段。該技術可使壓裂費用較大型水力壓裂減少65%，最終采收率提高20%。該技術主要適用于天然裂縫發育的井。

2.2 重復壓裂技術

當頁巖氣井初始壓裂已經無效，導致氣體產量大幅下降時，對氣井進行重新壓裂增產的工藝稱為重復壓裂技術。該技術用于在不同方向上誘導產生新裂縫，增加裂縫網絡，以提高生產能力（圖1）。其技術特點是通過重新打開裂縫或裂縫重新取向增產。影響重復壓裂成敗的重要因素：（1）85/15法則：油氣田85%的重復壓裂潛力存在于占總井數15%的井中。重復壓裂成功的關鍵是找出占總井數15%的潛能最大的重復壓裂候選井；（2）重復壓裂施工工藝水平：在初次壓裂裂縫失敗或失效后，裂縫、地層流體情況都發生了變化，重新壓裂的難度就更大、更復雜，須針對處理井段的地質情況、巖石力學性質、初壓裂縫的狀態、初壓工藝存在的問題制定相應的工藝措施；（3）重復壓裂裂縫起裂和延伸：重復壓裂時，地應力的改變會引起裂縫的重定向，需要重新確定裂縫的起裂時機和延伸軌跡，這對重復壓裂效果有重要影響。美國Barnett的大部分頁巖氣井都進行了二次壓裂，氣井產量明顯提高。重復壓裂技術適用于天然裂縫發育、層狀和非均質地層，在頁巖氣開發后期當初始壓裂效果下降或初始壓裂效果不明顯的情況下對儲層重新壓裂，對產量相對較高的井同樣適用。

2.3 水力噴射壓裂技術

水力噴射壓裂技術依據伯努利原理，將油管柱內液體的壓能轉化為噴嘴出口處的高速動能，根據水動力學動量-沖量原理，射穿套管、溝通地層。壓裂是采用油、套混注的方式，通過控制噴射工具準確地選擇裂縫起裂的位置與方向；形成裂縫后，高速流體噴射進入裂縫和孔道，由于噴嘴出口處高速低壓，環空中的流體在壓差作用下被吸入地層，維持裂縫延伸，實現水力封隔。水力噴射壓裂技術是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的技術。水力噴射壓裂技術具有廣泛的適用性，能用于水平井、大斜度井和垂直井，能在裸眼井和套管井內使用，根據需要可使用鉆桿、油管或連續油管作業。水力噴射壓裂技術不使用密封元件而維持較低的井筒壓力，迅速準確地壓開多條裂縫，但該技術受壓裂井深和加砂規模的限制。2005年，水力噴射壓裂技術第一次在美國Barnett頁巖中使用，作業了53口井，其中26口井取得了技術和經濟上的成功。

2.4 多級壓裂技術

國外水平井多級分段壓裂完井技術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作兩大主導技術，以兩大主導技術的突破為核心，配套形成了優化設計、裂縫監測、設備配套等技術系列。該技術可針對儲層特點而進行有針對性的施工，目標準確，效果明顯。美國85%的頁巖氣生產井采用水平井和多級壓裂技術結合的方式開采，增產效果比較明顯。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。多段壓裂的技術特點是多段壓裂，其技術成熟、使用廣泛，適用于產層較多、水平井段較長的井。

2.5 同步壓裂技術

該技術指同時對兩口或兩口以上鄰近平行井進行壓裂，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移，增加了裂縫網格的密度和表面積，快速提高頁巖氣井的產量。該技術可以促使水力裂縫擴展過程中相互作用，產生更復雜的縫網，增加改造體積，提高氣井產量和最終采收率。美國Barnett頁巖氣田使用該技術，相隔150～300m范圍內兩口平行的水平井同時進行壓裂作業，目前已發展到多口井同時進行壓裂作業。該技術特點是多口井同時作業，節省作業時間且效果好于依次壓裂。該技術適用于兩口或者兩口以上井眼位置相對較近，水平井段大致平行的頁巖氣井。

3 頁巖氣井水力壓裂技術應用分析

在巖氣開發中，水力壓裂技術不斷發展優化和改進，最初為大型水力壓裂，現在以清水加減阻劑為壓裂液的混合清水壓裂，在水平井中多級壓裂，較大地降低了壓裂成本，增產效果得到極大突破。頁巖裂縫系統發育差，不同地區儲層特點差異大，單一的壓裂技術很難滿足開發的需要，在頁巖氣開采過程中往往要結合實際情況，同時使用幾種壓裂技術。

4 結論與認識

美國和加拿大頁巖氣開發的高速發展表明，水平井和水力壓裂技術為頁巖氣開發的主流技術之一。但是以下方面的問題也需要進一步完善：（1）工程技術要求非常高。頁巖氣資源的客觀存在、儲層特性差，工程改造建設“人造氣藏”等特點，決定了工程技術比任何時候更具重要性，頁巖氣開發包含了鉆井、完井、測井、錄井、壓裂、酸化等技術。（2）環境因素制約。頁巖氣規模開發階段返排水總量大、污染物種類多、成分復雜，處理不當會造成污染，需要監測和評估其污染風險。為防止頁巖氣開采對周邊居民健康帶來損害，美國和加拿大的頁巖氣開采主要集中在人口密度較低地區。（3）市場機制需要完善。美國和加拿大能源市場體系較為成熟，為鼓勵開發頁巖氣，政府采取降低準入門檻、減稅措施和對頁巖氣供應商無歧視準入等政策，使得大量中小企業進行頁巖氣開發勘探，激發了它們投資及技術研發熱情，最終使頁巖氣開采實現了經濟性。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）