王建國，徐能惠，杜學(xué)斌

(金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室，中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安 710032)

頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究

王建國，徐能惠，杜學(xué)斌

(金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室，中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安 710032)

介紹了國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)的歷史和現(xiàn)狀，指出水平井鉆井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是提高頁巖氣的開采速率的兩項最關(guān)鍵的技術(shù)。并分析了欠平衡鉆井、控制壓力鉆井和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等水平井鉆井技術(shù)和清水壓裂、泡沫壓裂、分段壓裂、水力噴射、重復(fù)壓裂、同步壓裂等水力壓裂技術(shù)。提出現(xiàn)階段我國應(yīng)該借鑒國外頁巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗，開展頁巖氣開采技術(shù)攻關(guān)，逐步形成適合我國頁巖氣開發(fā)的自主的技術(shù)和裝備體系。

頁巖氣;水平井;水力壓裂

0 前言

頁巖氣是那些存在于泥頁巖及其巖石夾層里面的非常規(guī)天然氣，主要成分是甲烷。頁巖氣儲層具有低孔、低滲特征。頁巖氣以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，只有很小一部分以溶解態(tài)存在，在生產(chǎn)初期采出的大部分氣體為游離態(tài)氣體［1］。絕大多數(shù)可以產(chǎn)氣的頁巖的特征是分布范圍廣、厚度大，一般的頁巖中都含有頁巖氣，這樣頁巖氣井大多可以長期以比較穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣［2］。

頁巖氣在全球范圍內(nèi)分布廣泛，且具有很大的開發(fā)價值。根據(jù)預(yù)測，全世界總的頁巖氣資源量達(dá)到456萬億m3，主要分布區(qū)域有北美、中亞和中國、中東和北非、拉丁美洲、俄羅斯等地區(qū)，儲量是煤層氣和致密氣的總和，是常規(guī)天然氣資源量的2倍［3］。

隨著全世界天然氣消費需求增長，頁巖氣作為一種新型的非常規(guī)天然氣資源，在全球天然氣產(chǎn)量中的比例不斷增加，所以越來越受到關(guān)注。

20世紀(jì)90年代以來，美國和加拿大等國家在頁巖氣勘探方面先后取得成效，鉆探開發(fā)技術(shù)逐漸成熟。不過由于頁巖氣開發(fā)工程復(fù)雜，難度較大，我國的頁巖氣開發(fā)技術(shù)剛處于起步和發(fā)展階段，所以需要借鑒國外頁巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，以促進(jìn)國內(nèi)頁巖氣的開發(fā)和技術(shù)進(jìn)步。

1 國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)歷史和現(xiàn)狀

1.1 國外頁巖氣開發(fā)歷史和現(xiàn)狀

美國是第一個對頁巖氣資源進(jìn)行研究和勘探的國家，截止目前只有美國和加拿大對其國內(nèi)的頁巖氣資源進(jìn)行了比較有規(guī)模的開發(fā)。國際上在頁巖氣開發(fā)方面取得最大成就的是美國，其國內(nèi)頁巖氣的成功開發(fā)已經(jīng)對美國能源格局產(chǎn)生了極大影響，被稱為“全球能源領(lǐng)域的一場革命”。

美國的頁巖氣研究和勘探開始于19世紀(jì)30年代，但是當(dāng)時的單井產(chǎn)量較低，所以沒有引起足夠的重視。直到1976年，美國政府開始了東部頁巖氣工程(EGSP)，自此以后美國的頁巖氣勘探和開發(fā)技術(shù)快速發(fā)展，單井的產(chǎn)量也有了明顯的提高。從1980年開始，美國政府對非常規(guī)燃料進(jìn)行免稅，這大大刺激了頁巖氣資源的開發(fā)。從此之后，美國對東部的頁巖氣資源進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，美國全面展開了頁巖氣的勘探開發(fā)和研究工作。

1992年，Mitchell能源公司在德克薩斯州北部Fort Worth盆地巴尼特(Barnett)頁巖中對第一口頁巖氣水平井進(jìn)行完井作業(yè)，從此以后水平鉆井技術(shù)在頁巖氣的勘探開發(fā)中開始使用。從2002年開始，由于水平井技術(shù)在Devon公司的7口頁巖氣井開發(fā)中取得巨大成功，其開始廣泛應(yīng)用于頁巖氣開發(fā)中。Devon能源公司也使用雙水平井鉆完井技術(shù)和壓裂增產(chǎn)技術(shù)來提高單井的頁巖氣產(chǎn)量，達(dá)到提高頁巖氣的采收率的目的。

近幾年，美國的頁巖氣勘探開發(fā)迅速增長，其國內(nèi)的頁巖氣水平井?dāng)?shù)量已經(jīng)從2000年的1144口快速增至2012年的17721口，到2013年已經(jīng)超過了兩萬口［4］。2000年到2010年的十年間，美國的頁巖氣產(chǎn)量也從122億m3增長到1 380億m3，十年間產(chǎn)量增長了十倍多。2013年，美國的頁巖氣產(chǎn)量接近3 000億m3。

美國頁巖氣資源豐富，在其本土的48個州均有分布。據(jù)美國能源信息署的資料，美國頁巖氣技術(shù)可采儲量為18.8萬億m3，位居世界第四［2］。目前，美國具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣礦藏主要包括:Fort Worth盆地密西西比系巴尼特頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Michigan盆地泥盆系A(chǔ)ntrim頁巖、Illinois盆地的泥盆系New Albany頁巖和San Juan盆地白堊系Lewis頁巖［5］。

近些年來，美國頁巖氣勘探技術(shù)實現(xiàn)重大的突破，產(chǎn)量隨之迅速增長，這明顯地影響了全世界天然氣市場和世界能源格局。而且，頁巖氣的成功開發(fā)明顯地改善了美國國內(nèi)的天然氣資源的供應(yīng)格局和能源保障的安全狀況。美國能源信息署2013年末發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2005年美國60%的能源需求依靠進(jìn)口，但目前美國的能源自給率已經(jīng)達(dá)到了72%［2］。根據(jù)測算，美國預(yù)計可在2017年左右超越沙特阿拉伯成為全球最大的石油產(chǎn)出國家，至2035年將會實現(xiàn)其國內(nèi)能源的自給自足。

跟隨在美國之后進(jìn)行頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的是加拿大。數(shù)據(jù)顯示，加拿大西部的頁巖氣資源儲量大約有550萬至860萬億立方英尺［2］。加拿大西部頁巖氣礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與美國的類似，美國發(fā)展起來的成熟技術(shù)很方便的移地植和應(yīng)用到了當(dāng)?shù)?，這是加拿大頁巖氣開發(fā)發(fā)展的一個重要原因。

目前，除了美國和加拿大以外，德國、法國和烏克蘭等也開始了這方面的研究，頁巖氣勘探和開發(fā)的熱潮開始從北美地區(qū)向全球其他區(qū)域擴(kuò)展。歐洲地區(qū)的可采頁巖氣資源量比較低，且分布范圍廣泛，其中主要較多的地區(qū)包括波蘭、瑞典、烏克蘭和挪威等。英國、西班牙和德國等開始對頁巖氣進(jìn)行相關(guān)研究和初步開發(fā)。

拉丁美洲頁巖氣資源分布的主要地區(qū)有巴西、墨西哥和阿根廷等。近幾年，殼牌、道達(dá)爾等世界主要能源公司已經(jīng)開始在拉丁美洲地區(qū)與相關(guān)國家石油公司合作，參與其國內(nèi)礦區(qū)頁巖氣的開發(fā)。

1.2 國內(nèi)頁巖氣開發(fā)歷史及現(xiàn)狀

我國是頁巖氣資源非常豐富的國家，據(jù)測算約有32萬億m3的技術(shù)可采資源量，居世界第一位。頁巖氣在我國廣泛分布，目前國土資源部根據(jù)地理位置大致將頁巖氣礦區(qū)分為五個區(qū)塊:西北區(qū)、華北及東北區(qū)、青藏區(qū)、上揚子滇黔桂區(qū)、中下?lián)P子及東南區(qū)。其中，四川盆地、鄂爾多斯盆地、黔湘地區(qū)、渝東鄂西地區(qū)、塔里木盆地等將是將來勘探和開發(fā)的主要區(qū)域。與北美的頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程相比較，我國的頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚。

從2004年開始，我國開始關(guān)注國外頁巖氣開發(fā)的情況。后來，國土資源部聯(lián)合部分高校和科研院所做了許多前期工作，為國內(nèi)頁巖氣的進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。2009年10月，國內(nèi)第一個頁巖氣資源勘查項目在重慶市綦江縣正式啟動，這標(biāo)志著，在美國和加拿大之后，中國正式開始對頁巖氣進(jìn)行勘探和開發(fā)。2009年12月18日我國的第一口頁巖氣水平井——威201井在四川威遠(yuǎn)縣正式開鉆，2011年4月，實行完井。2011年底，頁巖氣被正式批準(zhǔn)為我第172個獨立礦種。

2011年3月13日，《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011 -2015年)》發(fā)布，根據(jù)規(guī)劃，我國的頁巖氣產(chǎn)量將在2015年達(dá)到65億m3，至2020年，產(chǎn)量將達(dá)到600億～1 000億m3。2014全國地質(zhì)調(diào)查工作會議的消息顯示，截至2013年年底全國已經(jīng)有頁巖氣鉆井285口，2013年國內(nèi)的頁巖氣產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2億m3。

2014年3月，中國石化在重慶市涪陵區(qū)的國內(nèi)第一個整裝頁巖氣田提前投入商業(yè)化生產(chǎn)，標(biāo)志著我國首次成功大規(guī)模商業(yè)開發(fā)頁巖氣。

近幾年，國內(nèi)的各大石油公司加快了頁巖氣開發(fā)的國際合作，通過對外合作，引進(jìn)、消化、吸收國外的先進(jìn)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行科技攻關(guān)，取得了突破性的進(jìn)步［6］。

2 頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

要實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)在我國的蓬勃發(fā)展，對先進(jìn)開采技術(shù)的研究是必不可少的。由于頁巖孔隙度和滲透率極低，氣流的阻力比傳統(tǒng)天然氣大得多，從而難以開采。開采頁巖氣需要采取一些增產(chǎn)措施和特殊的鉆完井方法，水平井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開發(fā)中的兩項最關(guān)鍵的技術(shù)，這兩項技術(shù)的應(yīng)用不但可以極大地提高頁巖氣的開采速率，還可以提高單井最終采收率［7］。

2.1 水平井技術(shù)

垂直井和水平井是頁巖氣鉆井中的兩種主要的形式，直井多用作探井使用，是為了了解氣藏的特征，獲取鉆井、壓裂和生產(chǎn)階段需要的數(shù)據(jù)信息，從而來優(yōu)化水平鉆完井的方案。生產(chǎn)井的主要形式是鉆探水平井，這是因為水平井可以增加儲層的泄流面積，進(jìn)而提高單井的產(chǎn)量。

水平井與頁巖層中裂縫相交幾率比直井要大，可以更好地利用天然裂縫。直井與垂直裂縫相交的幾率總是很小的，而采用水平井能盡可能多地穿過儲層和儲層中的天然裂縫。數(shù)據(jù)顯示，在水平井時假如水平段長度可以達(dá)到200 m，水平井鉆穿裂縫的概率比直井要高出數(shù)十倍［8］。

根據(jù)國外的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，鉆水平井的成本大約是垂直井的2倍，產(chǎn)量卻可以達(dá)到直井的3倍［9］，水平井的初期采氣速率、控制儲量以及評價可采儲量明顯高于垂直井。美國巴尼特頁巖2010年的直井產(chǎn)量僅為50×108m3，而同時期的水平井的產(chǎn)氣量卻有近480×108m3，其產(chǎn)量可以達(dá)到直井的近10倍。

20世紀(jì)30年代之前，美國頁巖氣鉆探的主要方式是鉆垂直井。在2002年Devon能源公司在巴尼特頁巖的水平井探索取得巨大成功后，在這以后巴尼特頁巖水平井?dāng)?shù)量快速增加，水平井技術(shù)也逐漸成為美國頁巖氣開發(fā)主要鉆井方式。目前，在國內(nèi)的頁巖氣開發(fā)中，水平井技術(shù)也已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。

水平井鉆井常用技術(shù)有欠平衡鉆井技術(shù)、控制壓力鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。

欠平衡鉆井的原理是，在鉆井過程中，當(dāng)設(shè)計的鉆井液柱壓力小于所鉆地層壓力時，地層的流體進(jìn)入井筒，通過將其循環(huán)到地面，對鉆井過程中的壓力進(jìn)行有效控制。欠平衡鉆井技術(shù)能很好地克服鉆井作業(yè)過程中的卡鉆、井漏、井塌等問題，提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產(chǎn)能?？刂茐毫︺@井技術(shù)是通過控制鉆井過程中的壓力使鉆井作業(yè)達(dá)到最優(yōu)，減少非生產(chǎn)時間和卡鉆事故，其目的是確定井下壓力的環(huán)境限制，并以此控制環(huán)空液壓剖面。威德福、哈里伯頓等公司已進(jìn)行了相關(guān)的控制壓力鉆井技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)基于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)而發(fā)展，它可以自動控制井眼軌跡，適用超深井、高難度定向井和大位移井等。

2.2 水力壓裂技術(shù)

頁巖氣開發(fā)中的另一項關(guān)鍵技術(shù)就是水力壓裂技術(shù)。水力壓裂增產(chǎn)是目前用于頁巖儲層改造的主要技術(shù)。水力壓裂的原理是用地面的高壓泵通過井筒向儲層注入高粘度高壓力的壓裂液使儲層的巖石破裂并產(chǎn)生裂縫。當(dāng)繼續(xù)向儲層注入壓裂液時裂縫會繼續(xù)向更深的儲層擴(kuò)張，接下來向儲層注入帶有支撐劑的混砂液，在裂縫中填充支撐劑。最后，由于支撐劑對裂縫壁面的支撐作用，在儲層中留下一條或多條長、寬、高不等的裂縫，使儲層與井筒之間建立起一條新的流體通道。壓裂之后，油氣井的產(chǎn)量一般會大幅度增長［10］。

水力壓裂的關(guān)鍵因素是裂縫系統(tǒng)和壓裂液的配置。在頁巖氣儲層中，裂縫不但是頁巖氣的主要存儲空間，也是氣體流通的主要通道。由于裂縫系統(tǒng)的發(fā)育狀況對頁巖氣的產(chǎn)量非常重要，所以在進(jìn)行壓裂作業(yè)時應(yīng)該首先考慮怎樣得到更多的儲層裂縫。此外，如何正確合理地配置壓裂液是壓裂技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不同的頁巖氣儲層需要采用不同的壓裂方式，壓裂液的配置也會不同。

經(jīng)過近30年的發(fā)展，在不斷的進(jìn)步中，國內(nèi)外形成了多種壓裂增產(chǎn)技術(shù)。常用的水力壓裂技術(shù)包括以下幾種。

(1)清水壓裂技術(shù)。是在清水中加入適量的減阻劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑或線性凝膠作為壓裂液，以少量的砂體等顆粒物作為支撐劑的壓裂增產(chǎn)作業(yè)方法。早期清水壓裂使用清水作為壓裂液，產(chǎn)生的裂縫導(dǎo)流能力較差，添加了支撐劑的清水壓裂效果更為明顯，支撐劑能夠在壓裂液返回后使裂縫保持開啟［11］。清水壓裂成本低，地層傷害小，清水壓裂技術(shù)在低滲透氣藏中能取得更好的效果，該技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)如德克薩斯州巴尼特等頁巖氣田的主要開采手段，能節(jié)約成本30%左右。1997年，Mithell能源公司第一次利用清水壓裂技術(shù)進(jìn)行巴尼特頁巖的開發(fā)，清水壓裂技術(shù)不僅可以使壓裂費用較大的水力壓裂技術(shù)減少近65%，而且可以使頁巖氣的最終采收率提高近20%。

(2)泡沫壓裂技術(shù)。主要應(yīng)用在低壓、低滲透水的頁巖儲層，這項技術(shù)不但可以減輕壓裂液體對地層的損害，而且返排效果比較好。

(3)分段壓裂技術(shù)。利用封堵球或限流技術(shù)來分隔開儲層的不同層位進(jìn)行壓裂增產(chǎn)，這種方法的實施目標(biāo)明確，壓裂的增產(chǎn)效果好。目前有2種方式分段壓裂，一是滑套封隔器分段壓裂，二是可鉆式橋塞分段壓裂。水平井多級滑套封隔器分段壓裂技術(shù)通過井口落球系統(tǒng)操控滑套，其原理與直井應(yīng)用的投球壓差式封隔器基本相同。該技術(shù)能夠顯著減少施工時間、降低施工成本。

(4)水力噴射壓裂。是一種用攜帶砂的高速和高壓流對巖石進(jìn)行射孔作業(yè)的技術(shù)，是為了打開巖層和井筒中間的氣體流動通道，最終達(dá)到提高氣體排量的目的，這項技術(shù)適合用于天然裂縫系統(tǒng)比較發(fā)達(dá)的頁巖儲層。

(5)重復(fù)壓裂技術(shù)。是對已經(jīng)開發(fā)的老井進(jìn)行再一次的水力壓裂。對直井進(jìn)行重復(fù)壓裂時可以在以前的生產(chǎn)層進(jìn)行再次射孔，但它需要的壓裂液體積卻要比其最初的壓裂作業(yè)多25%左右，同時，也可以使最終采收率提高30%～80%。對水平井進(jìn)行重復(fù)壓裂時，需要隔離最初壓裂的巖層。當(dāng)前的壓裂層位必須未進(jìn)行壓裂作業(yè)。

(6)同步壓裂。是指對2口或2口以上的配對井同時進(jìn)行壓裂，促進(jìn)裂縫在擴(kuò)展的過程中進(jìn)行相互作用。同步壓裂的作用是通過更大的壓裂壓力和更復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)來壓裂泥頁巖，來達(dá)到提高初始產(chǎn)量和最終采收率的目的。同步壓裂對頁巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)效果明顯，而且對工作區(qū)環(huán)境影響小，完井速度快，節(jié)省壓裂成本，是頁巖氣開發(fā)中后期比較常用的壓裂技術(shù)。

3 結(jié)論與建議

頁巖氣儲集層通常呈低孔、低滲透率的特點，生產(chǎn)周期長，因而具有其特殊的開發(fā)方式。水平井和水力壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開發(fā)中的兩項關(guān)鍵技術(shù)。水平井技術(shù)是頁巖氣鉆井的主要方式，它結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井、隨鉆測井、控壓鉆井等先進(jìn)的鉆井技術(shù)可以更高效、更合理的開發(fā)頁巖氣。壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開采的另一種關(guān)鍵技術(shù)。先進(jìn)的壓裂技術(shù)使頁巖氣開發(fā)具有更大的潛力。

美國是全球頁巖氣開發(fā)最早和最成功的國家，也是頁巖氣開發(fā)技術(shù)最先進(jìn)的國家。近幾年，美國頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)突破，產(chǎn)量快速增長，對美國天然氣供應(yīng)格局和能源安全狀況產(chǎn)生了積極作用，同時也對國際天然氣市場及世界能源格局產(chǎn)生重大影響。

目前我國頁巖氣開發(fā)處于起步階段，尚未達(dá)到規(guī)模開發(fā)的發(fā)展階段。勘探開發(fā)經(jīng)驗缺乏，核心技術(shù)尚未完全掌握，關(guān)鍵裝備有待研制。建議開展頁巖氣開采技術(shù)攻關(guān)，以頁巖氣勘探開發(fā)核心技術(shù)突破為先導(dǎo)，形成適合我國的頁巖氣開發(fā)裝備體系，促進(jìn)頁巖氣開發(fā)，補(bǔ)充我國的日益增長的油氣需求，為國家的能源安全提供保障。

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Research on status and key technology of shale gas development

WANG Jian-guo，XU Neng-hui，DU Xue-bin
(State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

This paper introduces development status of shale gas exploration and production.horizontal drilling and hydraulic fracturing are considered two key technologies to improve shale gas exploitation rate.horizontal drilling technology includes underbalanced drilling，pressure control drilling，rotary steering drilling system，and hydraulic fracturing technique consist of water-fracs，foam fracturing，subsection fracturing，hydrajet fracturing，multiple fracturing，synchronous fracturing，and so on.These technologies are analyzed.It is proposed that our country should follow foreign experience of shale gas development，then formed gradually own technology and equipment of suitable for ours.

shale gas;horizontal drilling;hydraulic fracturing

TE93

A

1001-196X(2014)06-0031-05

2014-07-02;

2014-08-15

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2014KTCL01-01);中國重型機(jī)械研究院股份公司科研項目(K1305410)

王建國(1987-)，男，中國重型機(jī)械研究院股份公司工程師，現(xiàn)從事油氣輸送裝備及相關(guān)冶金機(jī)械設(shè)備的設(shè)計與研究。

設(shè)計計算