頁巖氣勘探開發技術綜述

王一可

（中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司招標中心 吉林松原 138000）

頁巖氣是指還保留在生油巖中的天然氣，它既是常規天然氣的潛在替代能源，也是一種清潔環保能源。目前，頁巖氣勘探開發正由北美向全球擴展。美國作為世界上最早從事頁巖氣勘探開發的國家，在技術探索上為我們提供了極為寶貴的經驗。近年來，我國頁巖氣開發也呈現出十分可喜的趨勢，但與先進的美國等國家相比，還有一定的距離，因此技術的創新與進步顯得極為重要。

1 我國頁巖氣資源開發情況

1.1 頁巖氣的蘊藏情況

根據EIA2017年的全球調查顯示，我國主要盆地和地區的頁巖氣儲量為36.1萬億m3，比頁巖氣革命取得成功的美國還要多出近12萬億m3。主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地，同時在海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相地層也有分布。川南、川東、渝東南、黔北、鄂西等上揚子地區的開發前景十分廣闊。

自2012年以來，在四川威遠和長寧、重慶綦江和永川、湖北宜昌、云南昭通、貴州安順等地區相繼實現了海相頁巖氣勘探突破，長江經濟帶地區和重慶市成為頁巖氣最富集的地區。從無到有，5年時間我國頁巖氣探明儲量累計超過9000億立方米。

1.2 頁巖氣的開采

中國頁巖氣發展先后經歷了2004年以前的裂縫油氣藏勘探與偶然發現、2004年到2009年的基礎研究與技術準備，以及2010年到現在的工業化突破三個階段。截至2016年底，我國頁巖氣產量達到78.82億立方米，僅次于美國、加拿大，位于世界第三位。英國石油（BP）公司最新發布的《2018世界能源展望》指出，到2040年中國將成為僅次于美國的第二大頁巖氣生產國，日產量將達到6.23億立方米。

2 頁巖氣開發主要技術

中國頁巖氣基礎地質條件復雜，頁巖氣勘探開發面臨諸多困難和挑戰，在技術上實現突破已經迫在眉睫。自從美國1821年完鉆世界上第一口頁巖氣井80多年以來，頁巖氣鉆井先后經歷了直井、單支水平井、多分支水平井、叢式井、PAD水平井鉆井的發展歷程，不斷取得新的進步。

2.1 水平井技術

水平井是頁巖氣藏成功開發的關鍵技術，水平井的推廣應用加速了頁巖氣的開發進程。頁巖氣層鉆水平井可以獲得更大的儲層泄流面積，更高的天然氣產量。2002年以前，垂直井是美國頁巖氣開發的主要井型。2002 年Devon 能源公司在Barnett頁巖的7 口試驗水平井取得巨大成功后，美國頁巖氣的開采才大力推廣水平井，水平井已然成為頁巖氣生產開發的主要鉆井方式。鉆井作業采用泥漿系統、井下鉆具以及定向設備等常規鉆井技術。通常，水平段越長，最終采收率和初始開采速度就會得到越大的提高。

2.2 旋轉導向系統

旋轉導向系統(RSS)是在鉆柱旋轉鉆進時，隨鉆實時完成導向功能的一種導向式鉆井系統，是20世紀90年代以來定向鉆井技術的重大變革。RSS鉆進時具有摩阻與扭阻小、鉆速高、成本低、建井周期短、井眼軌跡平滑、易調控并可延長水平段長度等特點，被認為是現代導向鉆井技術的發展方向。旋轉導向系統按其導向方式可分為推靠鉆頭式(Push the Bit)和指向鉆頭式(Point the Bit)兩種系統。2015年5月4日，中國自主研發的旋轉導向系統和隨鉆測井系統聯袂在渤海完成鉆井作業，掌握“貪吃蛇”鉆井技術，中國在這兩個技術領域打破了國際壟斷，成為全球第二個同時擁有這兩項技術的國家。

2.3 欠平衡鉆井技術

欠平衡鉆井是指鉆井過程中鉆井液液柱壓力低于地層孔隙壓力，允許地層流體流入井眼、循環出井并在地面得到有效控制的一種鉆井方式。當前，國內正在積極試驗開采長寧、威遠頁巖氣區塊，在對上部泥漿進行鉆井操作的過程中，出現了機械鉆進速度慢、惡性井漏等情況，導致井下部位施工困難。在使用該技術之后，有效解決了井下因為惡性井漏造成的下部井施工困難的問題，確保了井下部工程能夠順利進行。

2.4 隨鉆測井技術

石油工業隨鉆測井LWD(Logging While Drilling)一般是指在鉆井的過程中測量地層巖石物理參數，并用數據遙測系統將測量結果實時送到地面進行處理。隨鉆測井的關鍵技術是信號傳輸，目前廣泛使用的是鉆井液壓力脈沖傳輸，這是目前隨鉆測井儀器普遍采用的方法，它是將被測參數轉變成鉆井液壓力脈沖，隨鉆井液循環傳送到地面。近年來，為提高傳輸率開始試用電磁波傳輸技術，同時將隨鉆測井儀器放在非磁性鉆鋌內，非磁性鉆鋌和上部鉆桿之間，有絕緣短節，以便于載有被測信息的低頻電磁波向井周地層傳播。

2.5 微地震壓裂監測技術

微地震壓裂監測技術是20世紀90年代發展起來的一項新的物探技術。其原理是通過采集水力壓裂、注水等引起的微地震事件，分析確定出裂縫參數和油藏狀態等信息，從而達到描述裂縫破裂過程，評價壓裂效果，為火燒油層方案和布井方案調整提供依據的目的。它能實時提供壓裂施工產生裂隙的高度、長度和方位角，利用這些信息可以優化壓裂設計、優化井網或其他油田開發措施，從而提高采收率。微地震監測可以在水力壓裂過程中對裂縫進行實時監測，進而優化壓裂設計，已經成為頁巖氣開發的關鍵技術。

2.6 壓裂增產技術

壓裂增產技術是頁巖氣開發過程中實現增產目標的重要技術之一，主要使用的壓裂手段包括氮氣壓裂、泡沫壓裂、凝膠壓裂、二次壓裂、多段壓裂、清水壓裂以及同步壓裂等技術。在壓裂操作過程中，必須避免使用高黏度的膠體作為壓裂液。同時，因為壓裂過程中較高的初始壓力會導致井筒附近出現傷害，而適當的酸化能夠有效減少傷害。利用微地震方法能夠檢測到其中沒有進行壓裂改造的區域。

2.7 泡沫固井技術

頁巖氣井的完井方式主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、組合式橋塞完井、機械式組合完井等。完井過程既要提高儲層滲透率又要避免儲層損害，這直接關系到頁巖氣的采收率。頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術。泡沫水泥具有漿體穩定、密度低、滲透率低、失水小、抗拉強度高等特點，因此泡沫水泥有良好的防竄效果，能解決低壓易漏長封固段復雜井的固井問題，而且水泥侵入距離短，可以減小儲層損害。國外經驗證實，泡沫水泥固井比常規水泥固井產氣量平均高出23%。

2.8 “工廠化”開采技術

為節約利用土地，在頁巖氣開采過程中探索形成了“工廠化”開采模式，在一個籃球場大的區域就可以同時施工 4～6 口水平井，并在地面連成管網，集中產氣。“工廠化”開采模式對我國南方復雜山區尤為重要，目前四川涪陵焦石壩等地區普遍采用了“井工廠”的開發模式，在一個鉆井平臺上最多鉆 6～8 口水平井，同時鉆井、壓裂、開發，既節省了勘探開采成本又實現了規模化開發，更有利于地面集輸管線的輸送。

3 結論

（1）正視地質困難。我國頁巖氣儲量85%以上分布在3500米至4500米的埋深范圍內，還不能通過三維地質建模精細刻畫空間結構和斷層裂縫；

（2）旋轉導向等核心技術仍有待突破，水力壓裂等技術更需要進一步提高效率才能規模上產，因此只有實現關鍵技術的突破才能實現頁巖氣規模上產；

（3）只有探索符合中國勘探開發實際情況的“工廠化”作業模式，才能夠提高井產量，實現老井持續穩產。