張藝耀，王世彬，郭建春

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都610500）

頁巖氣是由泥頁巖連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合，是以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集［1］。因其基質(zhì)滲透率極低，盡管天然裂縫具有一定的輸導(dǎo)作用，但通常無法提供經(jīng)濟開采所需的滲流通道；因此，大多數(shù)含氣頁巖都需要實施水力壓裂。

目前，全球最主要的頁巖氣開采市場在北美。2011年，美國頁巖氣產(chǎn)量約1.8×1011m3，加拿大約4.0×109m3。據(jù)預(yù)測，全世界探明的頁巖氣儲量約為1.87×1014m3，其中我國頁巖氣可采資源潛力約為3.00×1013m3，計劃到2020年，頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到1.00×1011m3。對于頁巖氣的開采，我國曾進(jìn)行了一些基礎(chǔ)理論研究，但還處于起步階段［2-9］。而美國頁巖氣開發(fā)時間較長，技術(shù)也較成熟，我國頁巖氣的開發(fā)可借鑒其經(jīng)驗。

1 開發(fā)增產(chǎn)歷史

頁巖氣在美國得以成功開發(fā)，其增產(chǎn)過程經(jīng)歷了如下階段：1）20世紀(jì)70年代，美國東部泥盆紀(jì)頁巖氣開發(fā)中，采用硝化甘油爆炸增產(chǎn)工藝來提高采收率［10］，此方法施工簡便，成本低廉，污染小，但其裂縫長度有限，增產(chǎn)倍數(shù)較低，適用于脆性地層；2）20世紀(jì)80年代中期，為解決頁巖水敏性問題，采用大量二氧化碳壓裂液、液氮壓裂液及氮氣泡沫壓裂工藝，后者對地層傷害小，濾失低，攜砂能力強，返排效果好，但其密度小，摩阻高，施工壓力高，并需要特殊的設(shè)備，主要適用于低壓、具水敏性的氣層和一些較淺的井；3）20世紀(jì)80年代后期到1996年，實施了大型凝膠水力壓裂，該工藝對儲層無特殊要求，但作業(yè)成本高，對儲層傷害大，增產(chǎn)效果一般，特別適用于天然裂縫發(fā)育較低、塑性較強的地層；4）1997年至今，Mitchell 能源公司將減阻水壓裂首次應(yīng)用在Barnett 頁巖的開發(fā)中，該工藝能夠產(chǎn)生復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，增產(chǎn)效果顯著。

從美國頁巖氣增產(chǎn)歷史可以看出，在評價頁巖地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，選擇與之匹配的增產(chǎn)工藝，并朝著低成本、高效率、工廠化作業(yè)、對環(huán)境友好的方向發(fā)展。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，在北美地區(qū)的頁巖氣開發(fā)中，使用了很多工藝技術(shù)，主要有同步壓裂、重復(fù)壓裂、水力噴射壓裂及多級分段壓裂等，這些技術(shù)在國內(nèi)已有大量報道。本文調(diào)研了北美地區(qū)目前頁巖氣開發(fā)所使用的新工藝技術(shù)，包括新型重復(fù)壓裂（轉(zhuǎn)向壓裂）、通道壓裂、超高質(zhì)量泡沫壓裂及減阻水壓裂等。

2.1 新型重復(fù)壓裂

重復(fù)壓裂是指當(dāng)初始壓裂處理已經(jīng)無效，或者現(xiàn)有的支撐劑因時間關(guān)系損壞、質(zhì)量下降導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅降低時，采取重新壓裂的增產(chǎn)工藝。這種新型重復(fù)壓裂工藝有效地結(jié)合了裂縫暫堵控制體系、實時監(jiān)測技術(shù)及微地震解釋技術(shù)。這3 種技術(shù)相互協(xié)助，比常規(guī)的重復(fù)壓裂技術(shù)更能增加儲層的有效增產(chǎn)體積，開采出老裂縫控制區(qū)以外的天然氣，從而提高了產(chǎn)量。

新型重復(fù)壓裂工藝的關(guān)鍵是微地震監(jiān)測技術(shù)。微地震是指由水力壓裂引起的應(yīng)力和孔隙壓力變化誘導(dǎo)產(chǎn)生的微小地震。這些微地震常被認(rèn)為是地層滑動或者拉伸的結(jié)果，并就地發(fā)出地震能量，且被附近的接收器監(jiān)測。接收的信號由P 波和S 波組成，并使用合適的速度校正模型，P 波和S 波到達(dá)監(jiān)測陣列的時間差提供了事件發(fā)生點到檢波器的距離，接收到的方位角和傾斜角度可由失端圖分析得到。當(dāng)壓裂作業(yè)開始時，結(jié)合氣藏的分布范圍，對裂縫傳播產(chǎn)生的微地震信號進(jìn)行檢測、定向和定位，以便繪制出裂縫分布圖，為調(diào)整后續(xù)作業(yè)提供依據(jù)。

新型重復(fù)壓裂工藝效果取決于常規(guī)壓裂中泵入的級數(shù)控制體系。轉(zhuǎn)向液體（包括可降解纖維）在已存在的裂縫中產(chǎn)生暫時封堵，其目的是為了堵塞裂縫，并在新的儲層段產(chǎn)生足夠的壓降，從而產(chǎn)生和延伸新的裂縫。該工藝應(yīng)用于頁巖地層時，需要裂縫和地層的參數(shù)估算值，如井眼附近的裂縫寬度、增產(chǎn)液量及天然裂縫密度。因此，結(jié)合實時微地震解釋技術(shù)來校正地層參數(shù)和調(diào)整轉(zhuǎn)向液的組分、液量和排列等至關(guān)重要。在裂縫轉(zhuǎn)向過程中，已證明這種迭代方法對于優(yōu)化壓裂作業(yè)是成功有效的。該方法特別適合于重復(fù)壓裂改造，同時也適用于新井壓裂及裸眼井、套管井的完井作業(yè)。

對Barnett 頁巖地層中的1 口水平井進(jìn)行了試驗。在重復(fù)壓裂之前，9 個射孔簇把超過600 m 的水平段平均分成83 m 長的間隔。把9 460 m3的減阻水和6.8×105kg 的石英砂泵入裂縫地層中，3 個轉(zhuǎn)向體系（FDS1，F(xiàn)DS2，F(xiàn)DS3）在第1級中泵入，另外1個轉(zhuǎn)向體系（FDS4）在第2 級中泵入。第1 級事件在水平段中間截面占據(jù)主要地位，裂縫方位北偏東30°。FDS1和FDS2 的裂縫轉(zhuǎn)向體系導(dǎo)致微地震活動輕微，向水平井跟端移動，之前未經(jīng)壓裂的區(qū)域缺乏微地震活動，這表明轉(zhuǎn)向體系FDS3 沒有產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)向。之后通過調(diào)節(jié)裂縫模型參數(shù)和轉(zhuǎn)向體系FDS4 參數(shù)，增產(chǎn)區(qū)域開始從中間向跟端明顯變化，此時裂縫方位是北偏東20°，裂縫成功轉(zhuǎn)向，從而增大了有效增產(chǎn)體積，產(chǎn)量從1.4×104m3/d 增加到4.5×104m3/d，最終采收率增加了20 百分點［11］。

2.2 通道壓裂

新型的通道壓裂是綜合應(yīng)用獨特的泵注程序技術(shù)、流體加纖維技術(shù)、射孔技術(shù)及地質(zhì)力學(xué)模型來創(chuàng)造高導(dǎo)流能力支撐裂縫的技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵是形成動態(tài)裂縫后，脈沖注入高黏攜砂液和低黏隔離液，隔離液在攜砂液中因黏度的差別而形成指進(jìn)，造成局部支撐，而無支撐劑的區(qū)域在施工結(jié)束、裂縫閉合后就形成通道，可數(shù)倍地增加裂縫導(dǎo)流能力。

泵注程序技術(shù)、流體加纖維技術(shù)、射孔技術(shù)、巖石力學(xué)模型及現(xiàn)場應(yīng)用效果分述如下。

2.2.1 泵注程序技術(shù)

通道壓裂的泵注程序建立在常規(guī)水力壓裂程序的基礎(chǔ)上，與常規(guī)水力壓裂程序不同的是支撐劑由脈沖方式注入，再由清水分開。該技術(shù)的優(yōu)點是能夠形成相同或者更大幾何尺寸的有效裂縫，而使用的支撐劑更少。

2.2.2 流體加纖維技術(shù)

在一口壓裂井的設(shè)計中，改用通道壓裂設(shè)計。前置液可以用凝膠或者減阻水，而運移支撐劑時則通過加入纖維的交聯(lián)液，并和清水交替泵入，以確保建立起穩(wěn)定的支撐劑柱。脈沖過程中，攜帶支撐劑的聚合物不會影響最后的裂縫形態(tài)，因為儲層流體的流動主要通過形成的通道來完成，這些通道也會提高裂縫的返排率。與常規(guī)壓裂一樣，泵入的交聯(lián)流體包括破膠劑和其他添加劑。轉(zhuǎn)換減阻水壓裂為通道壓裂，可大大減少支撐劑的用量。在壓裂尾段需要繼續(xù)加入支撐劑，以確?？p口位置有穩(wěn)定、均勻的支撐劑填充層。

2.2.3 射孔技術(shù)

為使注入液體以多股獨立的形式進(jìn)入地層，便于支撐劑在裂縫中形成獨立的支撐劑柱，不僅需要通過流體設(shè)計來實現(xiàn)，還需要通過特殊、非均勻的多簇射孔作業(yè)來完成。該方法與馬塞勒斯水平井的射孔策略相似，而相位和孔密則與常規(guī)射孔相似。

2.2.4 巖石力學(xué)模型

因為低彈性模量的地層在高閉合應(yīng)力下，可能引起已形成的支撐劑柱周圍地層垮塌，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力降低，要保持地層中有裂縫通道，就要求彈性模量和閉合應(yīng)力之比大于350。

2.2.5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通道壓裂技術(shù)以前主要應(yīng)用于油氣高產(chǎn)區(qū)，現(xiàn)在主要應(yīng)用于頁巖氣的壓裂改造中。在馬塞勒斯和伊格福特區(qū)的很多井中已成功應(yīng)用。生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，該工藝相對于常規(guī)壓裂，能使產(chǎn)量平均增加10%以上，增產(chǎn)效率更高［12-13］。

2.3 超高質(zhì)量泡沫壓裂

超高質(zhì)量泡沫壓裂工藝使用超高質(zhì)量的泡沫壓裂液，結(jié)合超輕級支撐劑，采用支撐劑單層局部鋪置。這種超高質(zhì)量的泡沫壓裂體系包括含有黏彈性表面活性劑的稠化水和氮氣，在儲層條件下產(chǎn)生氣體體積分?jǐn)?shù)為93%～99%的泡沫。

該體系對裂縫導(dǎo)流能力無傷害，能產(chǎn)生足夠的攜砂能力，有效地把超輕級支撐劑在復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中單層局部鋪置。由于用超高質(zhì)量的泡沫壓裂液能夠使攜砂液量最小，因此，該體系特別適用于低壓、水敏性氣藏（如休倫頁巖地層）的增產(chǎn)作業(yè)。

2.3.1 超高質(zhì)量泡沫壓裂液

泡沫性能流變學(xué)研究表明，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)超過90%時，泡沫就會終止存在，體系會形成霧狀，從而降低其黏度和支撐劑攜帶能力。一般認(rèn)為，增黏液相能克服氣相體積的限制而不變?yōu)殪F狀。氣體體積分?jǐn)?shù)為95%的泡沫壓裂液在37.8 ℃和6.9 MPa 的條件下，采用設(shè)計速度，注入含有1.35%表面活性劑的稠化水，到氮氣流中產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)為95%的氣體泡沫，在連續(xù)剪切1 h 的條件下，測定其流變性。在37.8 ℃和40 s-1的速率下，連續(xù)剪切1 h 后，該體系的黏度幾乎為850 mPa·s；而與之相比，泡沫相對密度在0.7、胍膠質(zhì)量濃度在1.8 kg/m3的壓裂液黏度則為200 mPa·s，證明了超高質(zhì)量的泡沫壓裂液能夠成功應(yīng)用。

2.3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在休倫頁巖地層29 口水平井的研究中，評價了在相同液量條件下，使用超高質(zhì)量的泡沫壓裂液，結(jié)合超輕級支撐劑，并采用支撐劑單層局部鋪置工藝處理的井，與使用氮氣壓裂或者常規(guī)泡沫壓裂的井進(jìn)行了生產(chǎn)動態(tài)對比。結(jié)果表明，使用超高質(zhì)量泡沫壓裂工藝的井生產(chǎn)210 d 的累計產(chǎn)量，比其他所有參照井平均高46%左右；可見，該工藝能夠提高低壓氣藏氣井的生產(chǎn)能力，增產(chǎn)效果顯著［14-16］。

2.4 減阻水壓裂

由于大多數(shù)頁巖地層都需要進(jìn)行縫網(wǎng)壓裂來溝通天然裂縫，而液體的效率低、用量大、攜砂能力低，需要采用大排量壓裂施工，這將導(dǎo)致泵送摩阻較高，所以，就研發(fā)了減阻水壓裂工藝。該工藝是在清水中加入減阻劑來降低摩阻，滿足大排量的工程要求。

目前，減阻水壓裂已成為頁巖地層的主流壓裂方式，一般以聚丙烯酰胺作為減阻劑，或者采用質(zhì)量濃度較低（0.12 kg/m3）的線性膠。采用的化學(xué)添加劑有3～12種，其類型和用量由水的性質(zhì)和地層的地質(zhì)條件決定，每種添加劑都有其特定的工程作用［17］。由于減阻水體系的黏度低，支撐劑運移能力可能會降低，裂縫寬度會減小。為了彌補采用大排量（16 m3/min 以上）的不足，選擇的支撐劑質(zhì)量濃度較低（28.95～118.42 kg/m3）。當(dāng)施工結(jié)束時，把砂質(zhì)量濃度提高到236.84～355.26 kg/m3。在Barnett 頁巖地層的水平井應(yīng)用中，每一級都使用（2.27～4.54）×105kg 的支撐劑［18］。因此，減阻水壓裂一般都是采用大排量、大砂量、小粒徑、低砂比的作業(yè)方式。

雖然減阻水壓裂工藝已經(jīng)在很多頁巖地層成功應(yīng)用，但是，由于減阻水體系的黏度較低，使得攜砂能力受限。所以，研究人員提出了在壓裂液中加入支撐劑運移改性劑以提高支撐劑的浮力，或者選用超輕級支撐劑，采用復(fù)合壓裂工藝等措施緩解攜砂能力低的問題，以提高裂縫導(dǎo)流能力，增加產(chǎn)能［19-20］。

另一個值得關(guān)注的問題是用水量大，這可通過循環(huán)使用返排液來解決。對返排液采取化學(xué)降解、固液分離、澄清等措施后，再加入耐鹽型添加劑，使壓裂液重新達(dá)到工業(yè)要求。根據(jù)北美地區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，一般返排20%～30%的液體生產(chǎn)動態(tài)最佳，這可能是因為返排量較小時，大量的液體留在地下會損害儲層，產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，影響產(chǎn)能。Christine 等［21］認(rèn)為，水在頁巖基質(zhì)中濾失很少，起著支撐裂縫的作用，當(dāng)返排量過大時，裂縫閉合反而影響產(chǎn)能。所以，最佳的返排量應(yīng)該由這兩者同時決定。

減阻水壓裂工藝不僅作業(yè)成本低（較大型壓裂減少65%左右），而且能使最終采收率增加20 百分點，大大提高了增產(chǎn)效益。

3 存在問題

頁巖氣開發(fā)還存在如下問題：1）脆性地層更容易形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，但決定地層是脆性還是塑性的主要因素還不清楚，應(yīng)加大這方面的基礎(chǔ)實驗研究，分析頁巖地層的可壓縮性；2）支撐劑在頁巖裂縫中的沉降規(guī)律及鋪置方式對裂縫導(dǎo)流能力的影響尚不明確，應(yīng)加大研究力度，以優(yōu)化導(dǎo)流能力；3）應(yīng)對返排液進(jìn)行處理，使之快速有效地變成壓裂液，達(dá)到循環(huán)再利用的目的，緩解水資源壓力；4）減阻水壓裂設(shè)計和優(yōu)化的一個挑戰(zhàn)性問題，就是目前工業(yè)上還無法成功地模擬裂縫的傳播；為此，還需要開展大量工作。

4 結(jié)論

1）新型轉(zhuǎn)向壓裂工藝能有效壓開未增產(chǎn)區(qū)域，提高最終采收率，但是，現(xiàn)場操作較為復(fù)雜，需要邊觀測、邊調(diào)整，特別適用于老井的壓裂改造，也適用于新井。

2）通道壓裂工藝能夠極大地增加裂縫導(dǎo)流能力，提高產(chǎn)量，但對彈性模量和閉合應(yīng)力有要求，適用于彈性模量和閉合應(yīng)力之比大于350 的儲層。

3）超高質(zhì)量的泡沫壓裂工藝用水量少，對地層傷害小，增產(chǎn)效果好，但需要特殊的設(shè)備，排量較小，成本相對較高，適用于水敏性強或地層壓力低的儲層。

4）減阻水壓裂工藝與之前的凍膠壓裂相比，成本較低，對地層傷害小，能形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫，增產(chǎn)效果好，但攜砂能力有限，導(dǎo)流能力較低，對水的功率要求高，適用于天然裂縫發(fā)育、水平主應(yīng)力相差不大、水敏性較弱的儲層。

［1］張金川，金之均，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（7）：15-18.

［2］陳會年，張衛(wèi)東，謝麟之，等.世界非常規(guī)天然氣的儲量及開采現(xiàn)狀［J］.斷塊油氣田，2010，17（4）：439-442.

［3］陳治軍，高怡文，袁芳政，等.鄂爾多斯盆地南部延長組油頁巖特征及頁巖氣有利區(qū)預(yù)測［J］.石油地質(zhì)與工程，2012，26（4）：15-18，22.

［4］葛明娜，張金川，李曉光，等.遼河?xùn)|部凸起上古生界頁巖含氣性分析［J］.斷塊油氣田，2012，19（6）：722-726.

［5］王南，鐘太賢，劉興元，等.復(fù)雜條件下頁巖氣藏生產(chǎn)特征及規(guī)律［J］.斷塊油氣田，2012，19（6）：767-770.

［6］盧占國，李強，李建兵，等.頁巖儲層傷害機理研究進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2012，19（5）：629-633.

［7］邵曉州，余川，付勛勛，等.頁巖氣研究新進(jìn)展及開發(fā)瓶頸分析［J］.斷塊油氣田，2012，19（6）：764-766.

［8］李智鋒，李治平，王楊，等.頁巖氣儲層滲透性測試方法對比分析［J］.斷塊油氣田，2011，18（6）：761-764.

［9］李生莉，吳太平，周建生，等.美國頁巖氣鉆采技術(shù)及對河南油田的適應(yīng)性分析［J］.石油地質(zhì)與工程，2012，26（1）：75-77.

［10］紀(jì)樹培,李文魁.高能氣體壓裂在美國東部泥盆系頁巖氣藏中的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，1994，1（4）：1-8.

［11］Potapenko D I，Tinkham S K，Lecerf B.Barnett shale refracture stimulations using a novel diversion technique ［R］.SPE 119636，2009.

［12］Ajayi B，Kirby W，Wutherich K.Channel hydraulic fracturing and its applicability in the Marcellus shale［R］.SPE 149426，2011.

［13］鐘森，任山，黃禹忠，等.高速通道壓裂技術(shù)在國外的研究與應(yīng)用［J］.中外能源，2012，17（6）：39-41.

［14］Brannon H D，Kendrick D E，Luckey E，et al.Multi-stage fracturing of horizontal wells using ninety-five quality foam provides improved shale gas production［R］.SPE 124767，2009.

［15］Brannon H D，Malone M R.Maximizing fracture conductivity with partial monolayers：Theoretical curiosity or highly productive reality［R］.SPE 90698，2004.

［16］Brannon H D，Starks Ⅱ T R.Maximizing return on fracturing investment by using ultra-light weight proppants to optimize the effective fracture area：Can less really deliver more ［R］.SPE 119385，2009.

［17］U.S.Department of Energy.Modern shale gas development in the United States：A Primer［M］.Oklahoma City：Ground Water Protection Council，2009：74-80.

［18］Palisch T T，Vincent M C，Handren P J.Slickwater fracturing：Food for thought［R］.SPE 115766，2008.

［19］Kostenuk N.Improved proppant transport system forslickwater shale dracturing［R］.SPE 137818，2010.

［20］Handren P，Palisch T.Successful hybrid slickwater fracture design evolution：An east Texas Cotton Valley Taylor case history ［R］.SPE 110451，2007

［21］Christine A Ehlig-Economides，Michael J Economides.Water asproppant［R］.SPE 147603，2011.