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(fā)技術(shù)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(shù)是頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)之一，并廣泛應(yīng)用于頁巖儲層改造。文章通過對美國和加拿大應(yīng)用實例的分析，列出了各種水力壓裂技術(shù)的特點和適用性，并介紹了頁巖氣井水力壓裂的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；水力壓裂技術(shù)；天然氣資源；清水壓裂技術(shù)；重復(fù)壓裂技術(shù)；水力噴射壓裂技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)聚集于泥頁巖中。它以游離相態(tài)（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間，以吸附狀態(tài)（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(tài)儲存于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。全球頁巖氣技術(shù)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(dá)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(xù)成藏、低孔隙度、低滲透率等特征，一般無自然產(chǎn)能或低產(chǎn)，需要水平井技術(shù)和大型水力壓裂才能進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開采。隨著水力壓裂技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，美國興起了頁巖氣開發(fā)熱潮，成功開采頁巖氣使美國躍居全球第一產(chǎn)氣大國。加拿大是繼美國之后世界上第二個對頁巖氣進(jìn)行勘探開發(fā)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(shù)及其應(yīng)用情況。

1 頁巖氣的開發(fā)狀況

1.1 美國頁巖氣開發(fā)狀況

美國是世界上頁巖氣起步最早、發(fā)展最快、年產(chǎn)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(jì)70年代開始大規(guī)模的工業(yè)開發(fā)。

美國頁巖氣地質(zhì)資源量131.28萬億m3（占全球總量的13%）、技術(shù)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(qū)（13%）、西南地區(qū)（10%）。主要的頁巖區(qū)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(chǎn)量達(dá)到0.309萬億m3；約占其國內(nèi)天然氣產(chǎn)量38.6%，占全球頁巖氣產(chǎn)量的比例超過90%。2014年12月達(dá)到0.373萬億m3，環(huán)比增幅33%。美國頁巖氣開發(fā)技術(shù)歷程可分為4個階段：第一階段：2000年以前為試驗開發(fā)階段，主要進(jìn)行頁巖氣地質(zhì)理論研究、頁巖氣地球化學(xué)研究和頁巖氣開發(fā)工程研究；第二階段：2000～2003年為商業(yè)開發(fā)初期階段，頁巖氣開發(fā)技術(shù)逐漸成熟，壓裂技術(shù)和水平井技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用；第三階段：2004～2007年為大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)階段，水平井多段壓裂技術(shù)和水平井重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用；第四階段：2007年至今為繼續(xù)發(fā)展階段：正在開展多分支井技術(shù)和3D壓裂技術(shù)的研究工作。

1.2 加拿大頁巖氣開發(fā)狀況

加拿大頁巖氣資源豐富，其頁巖氣技術(shù)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(qū)帶、阿爾伯塔省中東部Wildmere地區(qū)的Colorado、Horn River盆地、Utica和Horton Bluff等區(qū)域，已有多家油氣生產(chǎn)商在加拿大西部地區(qū)進(jìn)行頁巖氣的開采或開發(fā)試驗，目前Montney頁巖已大規(guī)模開發(fā)，Wildmere地區(qū)Colorado頁巖已投入小規(guī)模開發(fā)，Horn River盆地內(nèi)頁巖氣處于開發(fā)早期，加拿大阿爾伯塔省頁巖氣產(chǎn)量呈遞增趨勢，2013年約為300萬m3。

2 頁巖氣井水力壓裂技術(shù)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(fā)過程中必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，需要對儲層進(jìn)行改造才能形成經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)能力，所有儲層必須經(jīng)過壓裂才能投產(chǎn)。在頁巖氣開發(fā)方面面臨三個關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）如何準(zhǔn)確預(yù)測甜點，為井眼軌跡設(shè)計提供依據(jù)；（2）如何安全、優(yōu)質(zhì)、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(jìn)行壓裂，保證水力壓裂的有效性。目前常用的水力壓裂技術(shù)包括水力噴射壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)、重復(fù)壓裂技術(shù)、同步壓裂技術(shù)和多級壓裂技術(shù)等。

2.1 清水壓裂技術(shù)

清水壓裂技術(shù)是當(dāng)前頁巖氣開發(fā)主要的增產(chǎn)措施。該技術(shù)是指在清水中添加少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑作為壓裂液而開展壓裂作業(yè)的技術(shù)。該項技術(shù)利用大量的帶有少量粗砂支撐劑的清水注入地層產(chǎn)生具有足夠幾何尺寸和導(dǎo)流能力的裂縫，該技術(shù)利用儲層中的天然裂縫，將壓裂液注入裂縫使地層產(chǎn)生誘導(dǎo)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(shù)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(shù)，但是攜砂能力有限。1997年，Barnett頁巖開發(fā)作業(yè)中首次使用該技術(shù)，該技術(shù)是Barnett頁巖氣田的主要開采手段。該技術(shù)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(shù)主要適用于天然裂縫發(fā)育的井。

2.2 重復(fù)壓裂技術(shù)

當(dāng)頁巖氣井初始壓裂已經(jīng)無效，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時，對氣井進(jìn)行重新壓裂增產(chǎn)的工藝稱為重復(fù)壓裂技術(shù)。該技術(shù)用于在不同方向上誘導(dǎo)產(chǎn)生新裂縫，增加裂縫網(wǎng)絡(luò)，以提高生產(chǎn)能力（圖1）。其技術(shù)特點是通過重新打開裂縫或裂縫重新取向增產(chǎn)。影響重復(fù)壓裂成敗的重要因素：（1）85/15法則：油氣田85%的重復(fù)壓裂潛力存在于占總井?dāng)?shù)15%的井中。重復(fù)壓裂成功的關(guān)鍵是找出占總井?dāng)?shù)15%的潛能最大的重復(fù)壓裂候選井；（2）重復(fù)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(fā)生了變化，重新壓裂的難度就更大、更復(fù)雜，須針對處理井段的地質(zhì)情況、巖石力學(xué)性質(zhì)、初壓裂縫的狀態(tài)、初壓工藝存在的問題制定相應(yīng)的工藝措施；（3）重復(fù)壓裂裂縫起裂和延伸：重復(fù)壓裂時，地應(yīng)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(jī)和延伸軌跡，這對重復(fù)壓裂效果有重要影響。美國Barnett的大部分頁巖氣井都進(jìn)行了二次壓裂，氣井產(chǎn)量明顯提高。重復(fù)壓裂技術(shù)適用于天然裂縫發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層，在頁巖氣開發(fā)后期當(dāng)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(chǎn)量相對較高的井同樣適用。

2.3 水力噴射壓裂技術(shù)

水力噴射壓裂技術(shù)依據(jù)伯努利原理，將油管柱內(nèi)液體的壓能轉(zhuǎn)化為噴嘴出口處的高速動能，根據(jù)水動力學(xué)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(zhǔn)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(jìn)入裂縫和孔道，由于噴嘴出口處高速低壓，環(huán)空中的流體在壓差作用下被吸入地層，維持裂縫延伸，實現(xiàn)水力封隔。水力噴射壓裂技術(shù)是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的技術(shù)。水力噴射壓裂技術(shù)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(nèi)使用，根據(jù)需要可使用鉆桿、油管或連續(xù)油管作業(yè)。水力噴射壓裂技術(shù)不使用密封元件而維持較低的井筒壓力，迅速準(zhǔn)確地壓開多條裂縫，但該技術(shù)受壓裂井深和加砂規(guī)模的限制。2005年，水力噴射壓裂技術(shù)第一次在美國Barnett頁巖中使用，作業(yè)了53口井，其中26口井取得了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的成功。

2.4 多級壓裂技術(shù)

國外水平井多級分段壓裂完井技術(shù)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(lián)作兩大主導(dǎo)技術(shù)，以兩大主導(dǎo)技術(shù)的突破為核心，配套形成了優(yōu)化設(shè)計、裂縫監(jiān)測、設(shè)備配套等技術(shù)系列。該技術(shù)可針對儲層特點而進(jìn)行有針對性的施工，目標(biāo)準(zhǔn)確，效果明顯。美國85%的頁巖氣生產(chǎn)井采用水平井和多級壓裂技術(shù)結(jié)合的方式開采，增產(chǎn)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(shù)特點是多段壓裂，其技術(shù)成熟、使用廣泛，適用于產(chǎn)層較多、水平井段較長的井。

2.5 同步壓裂技術(shù)

該技術(shù)指同時對兩口或兩口以上鄰近平行井進(jìn)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(wǎng)格的密度和表面積，快速提高頁巖氣井的產(chǎn)量。該技術(shù)可以促使水力裂縫擴(kuò)展過程中相互作用，產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加改造體積，提高氣井產(chǎn)量和最終采收率。美國Barnett頁巖氣田使用該技術(shù)，相隔150～300m范圍內(nèi)兩口平行的水平井同時進(jìn)行壓裂作業(yè)，目前已發(fā)展到多口井同時進(jìn)行壓裂作業(yè)。該技術(shù)特點是多口井同時作業(yè)，節(jié)省作業(yè)時間且效果好于依次壓裂。該技術(shù)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(shù)應(yīng)用分析

在巖氣開發(fā)中，水力壓裂技術(shù)不斷發(fā)展優(yōu)化和改進(jìn)，最初為大型水力壓裂，現(xiàn)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(chǎn)效果得到極大突破。頁巖裂縫系統(tǒng)發(fā)育差，不同地區(qū)儲層特點差異大，單一的壓裂技術(shù)很難滿足開發(fā)的需要，在頁巖氣開采過程中往往要結(jié)合實際情況，同時使用幾種壓裂技術(shù)。

4 結(jié)論與認(rèn)識

美國和加拿大頁巖氣開發(fā)的高速發(fā)展表明，水平井和水力壓裂技術(shù)為頁巖氣開發(fā)的主流技術(shù)之一。但是以下方面的問題也需要進(jìn)一步完善：（1）工程技術(shù)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(shè)“人造氣藏”等特點，決定了工程技術(shù)比任何時候更具重要性，頁巖氣開發(fā)包含了鉆井、完井、測井、錄井、壓裂、酸化等技術(shù)。（2）環(huán)境因素制約。頁巖氣規(guī)模開發(fā)階段返排水總量大、污染物種類多、成分復(fù)雜，處理不當(dāng)會造成污染，需要監(jiān)測和評估其污染風(fēng)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(qū)。（3）市場機(jī)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(fā)頁巖氣，政府采取降低準(zhǔn)入門檻、減稅措施和對頁巖氣供應(yīng)商無歧視準(zhǔn)入等政策，使得大量中小企業(yè)進(jìn)行頁巖氣開發(fā)勘探，激發(fā)了它們投資及技術(shù)研發(fā)熱情，最終使頁巖氣開采實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]唐穎，張金川，張琴，等.頁巖氣井水力壓裂技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].天然氣工業(yè)，2010，30（10）.

[2]崔青.美國頁巖氣壓裂增產(chǎn)技術(shù)[J].石油化工應(yīng)用，2010，29（10）.

[3]唐代緒，趙金海，王華，等.美國Barnett頁巖氣開發(fā)中應(yīng)用的鉆井工程技術(shù)分析與啟示[J].中外能源，2011，16（4）.

[4]唐穎，唐玄，王廣源，等.頁巖氣開發(fā)水力壓裂技術(shù)綜述[J].地質(zhì)通報，2011，30（2）.

[5]陳作，薛承瑾，蔣廷學(xué)，等.頁巖氣井體積壓裂技術(shù)在我國的應(yīng)用建議[J].天然氣工業(yè)，2010，30（10）.

[6]黃玉珍，黃金亮，葛春梅，等.技術(shù)進(jìn)步是推動美國頁巖氣快速發(fā)展的關(guān)鍵[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）.

（責(zé)任編輯：蔣建華）