1 引言

美國頁巖氣資源量達16.9萬億m3，可開采資源量7.47萬億m3。至20世紀90年代末，美國頁巖氣產(chǎn)量一直徘徊在（30～50）億m3。2000年新技術的應用及推廣，使得頁巖氣產(chǎn)量迅速增長。2005年進入大規(guī)?？碧介_發(fā)，成功開發(fā)了沃思堡等5個盆地的頁巖氣田，產(chǎn)量以每年100億m3的速度增長。2008年產(chǎn)量達到600億m3，占美國天然氣總產(chǎn)量的8%，相當于中國石油當年天然氣總產(chǎn)量，目前則已占到天然氣總產(chǎn)量的13%～15%。截至2008年底，美國累計生產(chǎn)頁巖氣3316億m3。預計，2015年美國頁巖氣產(chǎn)量將達到2800億m3。

自2009年以來，北美的頁巖氣開發(fā)發(fā)生了革命性的變化。目前美國已取代俄羅斯成為世界最大的天然氣生產(chǎn)國，實現(xiàn)了自給自足并能連續(xù)開采上百年。美國頁巖氣快速發(fā)展是技術進步、需求推動和政策支持等多種因素合力作用的結果。從技術進步角度來看，則主要得益于以下幾方面的關鍵技術：前期的頁巖氣藏分析、地層評價、巖石力學分析、后期的鉆完井技術以及壓裂增產(chǎn)技術。

1 美國頁巖氣藏特點分析

美國頁巖氣藏具有典型的衰竭特點，初始產(chǎn)量高，前3年急劇下降，隨后在很長的時間里保持穩(wěn)產(chǎn)并有所下降，生產(chǎn)壽命可達25年以上。美國頁巖氣資源豐富，致密頁巖分布范圍廣，有效厚度大，有機質(zhì)豐富，含氣量大，裂縫系統(tǒng)發(fā)育，原始地質(zhì)儲量豐富，巖石埋深和粘度含量相對較低，有利于實施水力壓裂，規(guī)模生產(chǎn)效果比較好。美國已經(jīng)將具有合適頁巖氣類型、有機質(zhì)含量、成熟度、孔隙度、滲透率、含氣飽和度以及裂縫發(fā)育等綜合條件的頁巖作為開采目標。

2 地層評價

頁巖氣藏評價是一套綜合的石油物理方法，主要是通過結合對頁巖巖樣的地球化學分析以及對測井資料的詳細評價結果來完成。主要目的是為了確定巖樣是否含有豐富的有機質(zhì)，以及是否可以形成碳氫化合物。

成功頁巖氣藏產(chǎn)生的因素可以概括為“五高、二低、一體”，即：高孔隙度，高基質(zhì)滲透率，高有機質(zhì)含量和成熟度，高的水力壓裂裂縫接觸范圍；低巖石敏感性，低壓裂后顆粒產(chǎn)出；大范圍的均質(zhì)連續(xù)巖體。通過分析巖心和測井資料，地質(zhì)學家可以評價井筒范圍的非均質(zhì)性。通過對巖屑進行巖石力學分析可以確定頁巖類型，再結合多井TOC測量數(shù)據(jù)和測井分析，能夠?qū)ε璧刂袃訚摿M行初步評估。許多地球化學實驗室都采用法國石油研究院開發(fā)的程序化熱解技術來描述有機物的豐富程度。也可以通過鏡質(zhì)體反射率鑒定樣品的熱成熟度。由于形成氣窗的溫度范圍要比形成油窗的溫度范圍大，所以氣的熱成熟度Ro值要大于油的Ro。成熟度值高（Ro＞1.5%）表示干氣占主導地位，成熟度值中等（1.1%＜Ro＜1.5%）表示在該范圍內(nèi)的低端，氣有不斷向油轉(zhuǎn)化的趨勢。在0.8%＜Ro＜1.1% 范圍內(nèi)能夠發(fā)現(xiàn)濕氣。Ro值低（0.6%＜Ro＜0.8%）時油占主導地位，而Ro＜0.6%時干酪根發(fā)育不成熟。常見的成熟度指標有基于顯微鏡測量的孢子顏色熱變指數(shù)和熱解溫度評估。通過測井可以對頁巖的其他性質(zhì)進行評價，一般情況下含氣頁巖測井結果與普通頁巖相比，含氣頁巖具有自然伽馬高、電阻率大、地層體積密度和光電效應低等特征。通過測井資料還可以確定頁巖中復雜的礦物組分以及源巖空間內(nèi)的游離氣體積，確定頁巖中有機碳含量并計算吸附氣的含量。

通過地層評價可以得出頁巖的測井資料、巖性和礦物解釋以及流體評估綜合數(shù)據(jù)，這些可以幫助確定天然氣地質(zhì)儲量以及根據(jù)礦物組成和滲透率確定射孔位置；同時，解釋得到的礦物組成和孔隙度資料有助于確定在何處鉆分支井；通過礦物可以識別頁巖中的石英、方解石或白云石，這些礦物增加了地層的脆性，可以改善水平井造縫。

3 巖石的機械特性分析

分析頁巖的機械特性主要是為鉆井和壓裂服務。通過力學分析可以找出頁巖地層中最適合造縫的地方。貝克休斯的GMI針對全球大概200個致密/頁巖氣地層建立了地質(zhì)力學模型。開發(fā)地質(zhì)力學模型是為了了解井筒穩(wěn)定性和防止鉆井過程中存在各種不穩(wěn)定性。在這里，不穩(wěn)定性是指引起井眼擴大的井筒周圍地層的機械（壓縮）失效，導致井眼坍塌、過量巖屑和水力參數(shù)變化等。影響井眼穩(wěn)定性的因素主要有優(yōu)化鉆井液密度、井身軌跡、弱層理，隨著時間的變化流體滲入頁巖，以及流體與頁巖反應。通過地質(zhì)力學模型可以分析巖石的各向應力，找出射孔的最佳位置，適于造縫。裂縫高度主要由縱向的最小主應力差（Δσh）控制；在應力一定的情況下裂縫寬度主要受楊氏模量E控制。最小水平主應力（σh）作用在水力裂縫并使其閉合，它垂直于水力裂縫。巖石力學模型中有3個互相垂直、大小不等的主應力：垂直主應力（σv）、最大水平主應力（σH）和最小水平主應力（σh）；三者關系為σv＞σH＞σh。楊氏模量E為軸向應力與軸向應變之比，應變?yōu)殚L度變化量與初始長度之比。泊松比＝橫向應變/軸向應變，軸向應變＝長度變化量/初始長度，橫向應變＝寬度變化量/初始寬度。通過單軸抗壓強度測試可以得出應力與應變的關系。通常情況下，人們對于巖石應力一般采用各向同性應力公式，但實際上各向異性對巖石的力學性質(zhì)和應力都有影響。下面分別是各向同性和各向異性情況下的最小水平主應力公式。

各向同性應力：

式中：σh為最小水平主應力；v為泊松比，E表示楊氏模量；pr為上覆巖層壓力；α為修正系數(shù)。

由以上公式分別求出粘土質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖的應力，可以發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)頁巖在2種情況下應力變化不大，而粘土質(zhì)頁巖卻由于各向異性導致應力較高。這說明各向異性對巖石的力學性質(zhì)和應力會產(chǎn)生影響。

除了各向異性會對巖石應力產(chǎn)生影響外，地質(zhì)方面也會對應力造成影響。下式為構造應力公式：

式中：εx、εy表示應變系數(shù)；EH楊氏模量。

從上式可以看出，構造應力可能會改變應力大小關系和剖面。

綜上所述，巖石的各向異性和構造應力均會對巖石的應力產(chǎn)生影響，這時就不能單純地把頁巖當作各向同性來計算，而要考慮各向異性和構造應力。即使這樣，也必須同實測數(shù)據(jù)進行校核。通過巖石的力學分析，找出影響地應力的因素、各向異性、楊氏模量、泊松比和地質(zhì)作用等，將其與實測數(shù)據(jù)進行校正，可以找出裂縫的最佳位置，為鉆井和完井射孔提供依據(jù)。

4 鉆完井技術

由于頁巖氣處于低滲低孔的裂縫儲層中，通常以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，為了較快地將其產(chǎn)出，增加產(chǎn)量通常采用水平井技術?？梢哉f正是水平井技術的應用使得美國頁巖氣得到較快發(fā)展。從Barnett頁巖的實際鉆井經(jīng)驗表明，從水平井中獲得的估計最終采收率大約是垂直井的3倍，而費用只相當于直井的2倍。頁巖氣水平井鉆井過程中，前期的地層評價對于選擇水平井定向的位置非常重要，水平井要選在有機質(zhì)與硅質(zhì)豐富、裂縫發(fā)育程度高的頁巖區(qū)。通過巖石力學分析，鉆井要沿著與最大水平主應力方向垂直的方向上鉆井，因為最大水平主應力與裂縫方向垂直，這樣就可以使水平段盡可能多地與裂縫接觸，在壓裂的過程中提高頁巖氣采收率。

頁巖氣水平井鉆井是一項綜合技術，需要與測井、油藏等學科結合起來。在鉆井過程中，F(xiàn)MI全井眼微電阻率掃描成像測井顯示出水平井鉆遇的裂縫和層理特征。鉆井誘發(fā)的裂縫沿著鉆井軌跡頂部和底部，沿應力最高的井筒側(cè)面終止。MWD在鉆井過程中提供井斜角和方位角信息；LWD隨鉆測井實時獲得所鉆地層巖性和巖石中流體的狀況；SWD隨鉆地震提供鉆頭前方待鉆地層巖石類型、巖石孔隙度、孔隙壓力與其他聲學敏感的巖石參數(shù)；通過三維地震解釋技術能夠更好地設計水平井井眼軌跡，鉆遇更多的產(chǎn)氣層；采用GST地質(zhì)導向技術，根據(jù)隨鉆測量和隨鉆地質(zhì)評價測井數(shù)據(jù)，控制井眼軌跡，使鉆頭始終沿油層鉆進，自動避開地層和地層流體界面。水平井鉆井在定向的時候由于扭矩高、摩阻大鉆壓高，造斜十分困難，通常采用旋轉(zhuǎn)導向技術。美國威德福公司的帶有膨脹封隔器的造斜器巧妙地解決了這個問題。鉆頁巖氣表層的過程中，為了提高鉆速，節(jié)省時間和成本，通常采用套管鉆井和Supper鉆機鉆表層。通過巖石力學分析，以及頁巖水化傷害機理研究，防止井壁失穩(wěn)。另外，為了使頁巖氣開采具有規(guī)?；?，通常采取加密鉆井、多分支井或者叢式水平井鉆井。

在頁巖氣完井方面，主要有尾管固井完井、裸眼尾管不固井完井以及多分支水平井完井。其中尾管固井完井是一種組合式橋塞完井，也就是用組合式橋塞分隔各段，分別進行射孔。這種方法需要坐封橋塞、射孔，然后鉆開橋塞，是最好的完井方式。裸眼尾管不固井完井是采用可膨脹或機械式的裸眼封隔器以及特殊的壓裂滑套，在一趟鉆的過程中完成固井并進行分段壓裂，適于用水平井裸眼井段壓裂。多分支水平井完井則是將OHMS與分支井技術相結合的完井方式，可以是雙分支式也可以是疊式雙分支。分支井裸眼分段完井壓裂工藝過程如圖1所示。

圖1 分支井裸眼分段完井壓裂工藝過程

與常規(guī)鉆井相比，頁巖氣鉆井主要要實現(xiàn)3個方面的要求：第一，淺層的快速批鉆鉆井，即為了節(jié)省時間降低鉆井成本，要實現(xiàn)淺層的快速鉆進，往往采用表層特殊鉆機實現(xiàn)批鉆；第二，水平段快速側(cè)鉆；第三，在鉆井過程中，要時刻了解隨鉆過程中的巖石儲層物性，以實現(xiàn)水平段著陸。因此，頁巖氣鉆完井的主要設備為表層特殊鉆機；導向工具包括旋轉(zhuǎn)導向和地質(zhì)導向工具；隨鉆測量工具包括LWD、MWD和EM－MWD等。由于頁巖氣是低孔低滲透的非常規(guī)天然氣，與常規(guī)天然氣相比，主要靠壓裂改造生產(chǎn)。與常規(guī)壓裂相比，頁巖氣壓裂需要很多的壓裂液，因此壓裂的主要設備為多個大型的壓裂車和壓裂罐，以及分段壓裂時必須下入的封隔器。

表層特殊鉆機（圖2）是頁巖氣鉆井必備的設備之一，其特點是體形小，十分輕便，價格低廉，在鉆表層時速度很快，對于500m的表層每口井只用36h。這樣就可以迅速完成表層鉆井，鉆完第1口井迅速轉(zhuǎn)到第2口井，第1口井則由普通鉆機接替繼續(xù)鉆進，鉆井時間大大減少。

圖2 表層特殊鉆機

電磁MWD是井底實時傳輸系統(tǒng)，與常規(guī)MWD相比，它不受鉆井時井眼流體和循環(huán)漏失物質(zhì)的限制，傳輸信號更精確。其結構如圖3所示，主要由3部分組成，即間接接頭、著陸器接頭以及發(fā)射機探測器。其中間接接頭分離2個電極天線，向地層放射電磁波。著陸器接頭由卡箍接頭和壓力扶正器組成，后者坐落在著陸器接頭卡箍上，下端連接探針，具有井眼和環(huán)空傳感器的作用。發(fā)射機探測器包括發(fā)射機傳到井口的電子系統(tǒng)、井眼壓力電子數(shù)據(jù)和環(huán)空壓力測試器（井底鉆井問題早期檢測）以及高分辨率數(shù)據(jù)記錄的存儲器模塊。它采用鋰電池組為井底系統(tǒng)提供電源。

頁巖氣鉆井在鉆水平井的過程中主要存在以下難點：滑動鉆井時間長、控制井眼軌跡和垂深的難度大、扭矩高、摩阻大和機械鉆速低等。為了解決水平井側(cè)鉆的這些難題，通常采用旋轉(zhuǎn)導向技術。旋轉(zhuǎn)導向工具主要由模塊化柔性穩(wěn)定器、旋轉(zhuǎn)導向轉(zhuǎn)向機構以及非旋轉(zhuǎn)套筒（長1.22m）等3部分組成，如圖4所示。其中非旋轉(zhuǎn)套筒包括近鉆頭傳感器（鉆頭盒上方0.94m處）和獨立轉(zhuǎn)向臂。獨立轉(zhuǎn)向臂為液壓式，共有3個，具有獨立電動液壓模塊和控制系統(tǒng)，通過精確控制3個轉(zhuǎn)向臂與井壁的連續(xù)作用力實現(xiàn)導向。非旋轉(zhuǎn)套筒利用閉環(huán)控制系統(tǒng)每秒自動測量套筒位置，及時修正摩擦與振動引起的套筒非正常轉(zhuǎn)動，確保導向矢量方向準確。旋轉(zhuǎn)導向工具可以將造斜率控制在每30.48m10°內(nèi)。

圖3 電磁MWD（EM－MWD）結構圖

圖4 旋轉(zhuǎn)導向工具圖

壓裂用膨脹式封隔器如圖5所示，其作用是使用自動坐封裸眼封隔器將井筒封隔。封隔器間配有壓裂孔，可采用液壓啟動或利用特定尺寸的投球法移動滑套打開壓裂孔進行壓裂。這種封隔器可以根據(jù)溫度/壓力、井眼尺寸和流體條件等量身定做，能控制其在井內(nèi)的性能變化。

圖5 膨脹式封隔器示意圖

5 壓裂技術

5.1 清水壓裂技術

清水壓裂技術是指在清水中添加很少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑作為壓裂液來進行壓裂的技術。清水壓裂的過程如圖6所示。首先泵入“巖石酸”來清理可能被鉆井液封堵的近井地帶；然后進行清水壓裂，將大量的帶有少量粗砂支撐劑的清水注入裂縫中，使裂縫延伸；最后進行沖刷，將支撐劑從井眼中移除。清水壓裂利用儲層中的天然裂縫，將壓裂液注入其中使地層產(chǎn)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。清水壓裂成本低，傷害輕，很少需要清洗，可以提供很長的裂縫將支撐劑運移到壓裂網(wǎng)格，因此在低滲透氣藏中獲得了很好的應用。該技術已經(jīng)成為德克薩斯Barnett頁巖氣田的主要開采手段。

圖6 清水壓裂示意圖

5.2 重復壓裂技術

重復壓裂技術是指在初始壓裂無效，或者現(xiàn)有支撐劑性能下降情況下，在同層不同方向上進行2次或者2次以上的壓裂，誘導產(chǎn)生新的裂縫，從而增加裂縫網(wǎng)格，提高生產(chǎn)能力。要使重復壓裂獲得成功，必須評估重復壓裂前后的平均儲層壓力、滲透率厚度乘積和有效裂縫長度與導流能力等，以確定初始壓裂產(chǎn)能不好的原因以及影響重復壓裂效果的因素。重復壓裂的另一個重要因素是裂縫轉(zhuǎn)向。在Barnett頁巖氣重復壓裂歷史中，通過對遠近地應力研究，了解到重復壓裂裂縫剛開始沿著原先的裂縫延伸，很短的一段距離后裂縫開始轉(zhuǎn)向。這是因為初始壓裂后的井，由于多年生產(chǎn)，會引起初始裂縫橢圓形區(qū)域的局部空間應力重新分布，儲層壓力減小，儲層應力狀態(tài)改變。由于裂縫周圍應力干擾區(qū)域延伸形狀，最大和最小水平主應力有時會發(fā)生倒轉(zhuǎn)，如果水平應力的倒轉(zhuǎn)足夠大或初始壓裂產(chǎn)生的裂縫被有效封堵了，就形成重復壓裂在轉(zhuǎn)向上的適宜條件。此時，新裂縫可在90°方向傳播到初始裂縫，直到達到應力紊亂區(qū)。在水平應力相等以外部分，新裂縫的方向與原始裂縫方向相同或在其原始裂縫平面上發(fā)展。如果滲透性是各向異性的，那么裂縫附近的區(qū)域，應力的衰減規(guī)律將更加復雜。圖7顯示了重復壓裂的再取向過程。

圖7 重復壓裂技術

5.3 水平井分段壓裂技術

水平井分段壓裂技術廣泛運用于頁巖氣開采中。如圖8所示，水平井分段壓裂利用封隔器或橋塞分隔各段，然后在水平井井筒內(nèi)1次壓裂1個井段，逐段壓裂，在1個井筒中壓開多條裂縫。它通常分為3個階段：即先將前置液（無支撐劑）泵入儲層，然后將含有一定濃度支撐劑（通常為砂）的壓裂液泵入儲層，最后使用更高濃度的支撐劑壓裂液進行壓裂。依此類推，相繼泵入數(shù)量不定的壓裂液到儲層，同時泵入比之前濃度更高的支撐劑，直到達到要求。通常還可以通過使用橋塞、封隔器以及連續(xù)管等工具輔助壓裂。利用水平井分段壓裂技術可以增大水平井的導流能力，提高水平井產(chǎn)能。

圖8 水平井分段壓裂示意圖

5.4 同步壓裂技術

同步壓裂技術是指同時對2口或2口以上的鄰近平行井進行壓裂。在同步壓裂中，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，這樣就增加了裂縫網(wǎng)格的密度和表面積，從而快速提高頁巖氣井的產(chǎn)量。同步壓裂一方面可以促使水力裂縫擴展過程中相互作用，產(chǎn)生更復雜的縫網(wǎng)，增加改造體積，提高氣井產(chǎn)量和最終采收率；另一方面它是2口或2口以上相鄰且平行的水平井交互作業(yè)、逐段實施分段壓裂。如圖9所示，采用這種技術在短期內(nèi)增產(chǎn)效果很明顯。

圖9 同步壓裂示意圖

6 結論和建議

（1）美國頁巖氣勘探開發(fā)取得巨大成功，離不開集成的解決方案。從地層評價了解到頁巖的非均質(zhì)性及巖石的礦物組成，確定氣藏的好壞，為射孔位置、水平段著陸以及造縫提供依據(jù)；通過對巖石的力學分析，結合地層評價找出最佳的射孔位置和水平段鉆井方向；而水平井鉆完井優(yōu)化，以及壓裂措施則是頁巖氣增產(chǎn)的關鍵技術。

（2）美國頁巖氣的成功開發(fā)為中國頁巖氣開采展示了良好的前景。為了加快國內(nèi)頁巖氣資源的開發(fā)利用，需要借鑒美國頁巖氣勘探開發(fā)的先進經(jīng)驗和技術，選擇有實力的國外公司開展頁巖氣的合作開發(fā)。

（3）為了實現(xiàn)頁巖氣的規(guī)?；_采，建議向鉆頁巖氣長水平段水平井、多分支井、叢式井和加密叢式井方向發(fā)展，并展開技術攻關，包括開發(fā)新型的地質(zhì)導向工具、旋轉(zhuǎn)導向工具，配制低摩阻鉆井液等，以保證長水平段水平井的快速鉆進。

（4）頁巖氣的后期增產(chǎn)主要依靠壓裂，為此要掌握長水平段水平井多級壓裂技術，開展膨脹式封隔器、多級滑套分段改造以及連續(xù)管分層壓裂等技術攻關，實現(xiàn)壓裂方式的多元化、高效化。