管保山 劉玉婷 梁利 劉倩

1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.中國科學(xué)院大學(xué)；3.中國科學(xué)院滲流流體力學(xué)研究所

20世紀(jì)70年代，水平鉆井與水力壓裂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得大量頁巖油的勘探和開采成為可能。2013年，頁巖油繁榮使美國的油氣產(chǎn)量20年來首次超過了進(jìn)口量，2015年，美國的油氣產(chǎn)量超過了俄羅斯和沙特阿拉伯，成為了全世界最大的油氣生產(chǎn)國［1-7］。2010年以來，中國在多個(gè)盆地開展了陸相頁巖油勘探開發(fā)的探索，已獲得了一些重要發(fā)現(xiàn),具有形成規(guī)模儲(chǔ)量和有效開發(fā)的條件。我國頁巖油資源可采資源量為55×108t，是未來重要的戰(zhàn)略性接替資源。目前中石油頁巖油已經(jīng)建產(chǎn)能3.8×105t，而年產(chǎn)量小于1×105t，說明國內(nèi)頁巖油資源動(dòng)用比例較低。因此，以壓裂為主要改造措施的開發(fā)技術(shù)成為頁巖油領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。頁巖油發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：早期的泥頁巖裂縫型油氣藏“常規(guī)石油”勘探階段，直井、水平井體積壓裂主探階段、油頁巖原位加熱轉(zhuǎn)化“人造石油”探索階段。但隨著頁巖油儲(chǔ)層復(fù)雜性的增加，跨領(lǐng)域新技術(shù)的出現(xiàn)，頁巖油儲(chǔ)層改造和開發(fā)技術(shù)遇到了新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，處于技術(shù)革新的窗口期［8-12］。

1 頁巖油開發(fā)歷程

目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一公認(rèn)的頁巖油定義［8-15］。對(duì)致密儲(chǔ)層進(jìn)行油氣勘探過程中，發(fā)現(xiàn)煤層和頁巖中也可賦存油氣，因此它們有了與自己賦存基質(zhì)相應(yīng)的名稱，如煤中的煤層氣、頁巖層系中的頁巖油氣等，而最常見的致密砂巖中的油氣卻逐漸被省去了“砂巖”二字，在生產(chǎn)實(shí)踐中流行稱之為致密油，這就形成了狹義的致密油氣、煤層氣、頁巖油氣的概念。因此廣義頁巖油泛指蘊(yùn)藏在具有低孔隙度和滲透率的致密含油層中的石油資源，包括頁巖、砂巖和碳酸鹽巖等，其開發(fā)需要使用水力壓裂和水平井等技術(shù)；而狹義的頁巖油定義中，用油藏類型區(qū)分致密油，其中頁巖油是指來自泥頁巖層系中的石油資源［16］。本文所指的頁巖油是指廣義的頁巖油。

1.1 國外頁巖油開發(fā)歷程

1953年，美國在威利斯頓盆地發(fā)現(xiàn)第一個(gè)頁巖油藏，于1955年正式投產(chǎn)，Stano-lind公司采用直井開發(fā)技術(shù)開發(fā)巴肯組的上段，平均單井產(chǎn)量為27.4 t/d。1961年，殼牌公司將勘探目的層位轉(zhuǎn)向巴肯組上段，發(fā)現(xiàn)了埃爾克霍恩牧場油田，在之后的近30年時(shí)間里，在該目的層共發(fā)現(xiàn)了26個(gè)油田［17］。2000年，動(dòng)用巴肯組中段發(fā)現(xiàn)了埃爾姆古麗油田，這一發(fā)現(xiàn)使巴肯組中段開始成為首要目的層，有機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)巴肯的頁巖油產(chǎn)量將超過伊拉克的原油產(chǎn)量。自2005年以來，美國海相頁巖油和致密油勘探開發(fā)取得一系列重大突破，并改變了世界能源格局［18］。隨著美國各大石油公司將投資轉(zhuǎn)向頁巖油，有力地提升了美國頁巖油產(chǎn)量，2017年美國的頁巖油和致密油產(chǎn)量達(dá)到了2.57×108m3，占其石油總產(chǎn)量的47.6%［19-21］。

1.2 國內(nèi)頁巖油開發(fā)歷程

中國頁巖油可采資源量達(dá)44.8×108t，居世界第3位［22］，頁巖油有望成為重要的石油勘探開發(fā)接替領(lǐng)域。1978年，濟(jì)陽坳陷沙河街組泥巖出油。1982年，渤海灣盆地遼河西部凹陷雷家、大民屯凹陷等沙四段發(fā)現(xiàn)工業(yè)性油流。2004年，準(zhǔn)噶爾盆地腹部深層侏羅系頭屯河組(5 600 m)首次發(fā)現(xiàn)大型頁巖油田——永進(jìn)油田，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組石灰?guī)r及泥質(zhì)云巖頁巖油首次重大突破。松遼盆地近年在南部的青山口組不斷取得勘探突破，2015年，上白堊統(tǒng)青山口組泥巖中多井獲工業(yè)性油流，扶余油層頁巖油地質(zhì)資源量超過20×108t。2017年，河西走廊銀額盆地拐參1井在上二疊統(tǒng)獲頁巖油氣流，實(shí)現(xiàn)了河西走廊地區(qū)二疊系頁巖油氣勘探的首次重大突破［23］。目前，吉林油田實(shí)現(xiàn)建產(chǎn)30×104t，鄂爾多斯盆地長7儲(chǔ)層、松遼盆地的扶楊油層已實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，長慶油田已建成我國第一個(gè)億噸級(jí)頁巖油田——新安邊油田。我國油頁巖主要分布在松遼盆地、華北盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等47個(gè)盆地。我國幾大石油公司正在按照頁巖油的勘探開發(fā)思路，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)建設(shè)，已初見成效［24-27］。

2 頁巖油儲(chǔ)層改造技術(shù)進(jìn)展

頁巖油由于其儲(chǔ)層特點(diǎn)，單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油流下限，開發(fā)此類非常規(guī)油氣資源需要經(jīng)過壓裂改造等開發(fā)工藝才能得到工業(yè)油氣流。

2.1 頁巖儲(chǔ)層特點(diǎn)

頁巖油作為非常規(guī)油氣資源，有別于其他常規(guī)資源，儲(chǔ)層更致密，且烴源巖與致密儲(chǔ)層緊密相鄰、生儲(chǔ)共生，其與開發(fā)相關(guān)的特征有［28-32］：（1）頁巖油儲(chǔ)層包括砂巖、砂礫巖、石灰?guī)r、白云巖、沉凝灰?guī)r及其過渡巖類，其中廣泛發(fā)育的納米級(jí)孔喉系統(tǒng)，平均孔隙度一般小于10%，儲(chǔ)集空間孔徑一般為50～300 nm，局部發(fā)育微米級(jí)孔隙；（2）頁巖中石英、長石、方解石等脆性礦物含量高，巖石脆性強(qiáng)，在外力作用下易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫；（3）頁巖地層壓力高，壓力系數(shù)可達(dá)1.2～2.0，原油相對(duì)密度一般小于0.85，原油黏度一般小于3 mPa·s，易于流動(dòng)和開采；（4）儲(chǔ)集層含油飽和度差別大，源內(nèi)致密油含油飽和度普遍較高，例如長7段含油飽和度65%～85%，源下致密油含油飽和度普遍低于50%，生產(chǎn)井普遍油水同出；（5）黏土礦物的存在使其敏感性嚴(yán)重，導(dǎo)致儲(chǔ)層開采過程中易受傷害，造成流動(dòng)性的損失。由于頁巖油儲(chǔ)層的非常規(guī)性，發(fā)展出了相應(yīng)的壓裂工藝和壓裂材料技術(shù)。

2.2 壓裂技術(shù)

2.2.1 變排量壓裂技術(shù)

變排量過程主要是指排量由最高設(shè)定值快速變到最低值，之后又快速恢復(fù)至初始值。這種排量的快速變化，在高脆性的頁巖儲(chǔ)層中形成一種壓力脈沖，能在短時(shí)間內(nèi)提高裂縫入口處能量，打開之前沒有打開的裂縫，擴(kuò)展已張開的裂縫，進(jìn)而擴(kuò)大縫網(wǎng)波及體積，提高壓裂效果。變排量壓裂技術(shù)的關(guān)鍵是針對(duì)不同儲(chǔ)層條件分析排量的改變范圍和時(shí)機(jī)。2000年左右，變排量壓裂技術(shù)在長慶油田華池、白豹和安塞油藏應(yīng)用13井次，變排量壓裂井日產(chǎn)油16.37 t，壓產(chǎn)水 4.50 m3，而常規(guī)壓裂井日產(chǎn)油 8.93 t，壓產(chǎn)水1.24 m3，可見變排量壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)，增產(chǎn)幅度83.31%［33-35］。

2.2.2 重復(fù)壓裂技術(shù)

頁巖油藏在開采一段時(shí)間之后，地層能量會(huì)降低，投產(chǎn)前形成的人工裂縫會(huì)由開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)向?yàn)殚]合狀態(tài)，重復(fù)壓裂會(huì)形成一個(gè)應(yīng)力區(qū)帶，延伸原有裂縫,或者提高砂量以增加裂縫導(dǎo)流能力。美國的一些公司和機(jī)構(gòu)自2000年開始探索重復(fù)壓裂技術(shù)在頁巖油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用［36-38］。重復(fù)壓裂后的初始產(chǎn)量平均可達(dá)到初次壓裂初始產(chǎn)量的90%左右，單井首年產(chǎn)量遞減率也有小幅度下降，從初次壓裂的64% 降至56%，EUR 可提高30%～50%［39］。郭建春等結(jié)合體積壓裂水平井特有參數(shù)，配合重復(fù)壓裂的特點(diǎn)評(píng)估重復(fù)壓裂潛力，采用數(shù)值模擬方法并建立產(chǎn)能預(yù)測模型，提出最優(yōu)重復(fù)壓裂方式和時(shí)機(jī)的思路，該技術(shù)在松遼盆地白堊系青山口組應(yīng)用后，日產(chǎn)油量由 1.3 t提高到了 11.6 t［40］。重復(fù)壓裂中主要使用封堵劑等對(duì)油層中的高滲裂縫封堵，迫使低滲裂縫開啟并提高壓裂效率。如果壓裂過程壓裂液向最小應(yīng)力方向發(fā)展，并未形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，那么儲(chǔ)層就未得到較好動(dòng)用；同時(shí)封堵劑向最小應(yīng)力方向增加會(huì)導(dǎo)致油層中含水量增加，油井的產(chǎn)量會(huì)隨開采遞減，因此，重復(fù)壓裂在暫堵材料和工藝及壓裂設(shè)備方面仍有難點(diǎn)需要突破。

2.2.3 小井距立體開發(fā)技術(shù)

小井距立體開發(fā)模式是針對(duì)我國儲(chǔ)層多油層疊合發(fā)育區(qū)的特點(diǎn)，加之常規(guī)加密井開發(fā)技術(shù)有犧牲“子井”完井效果的風(fēng)險(xiǎn)而提出的，可以最大程度地提高油氣采收率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效開采油氣。通過合理劃分開發(fā)層系、采用分段多簇垂向射孔等技術(shù)在小范圍內(nèi)產(chǎn)生垂直地層的人工裂縫，目標(biāo)是縱向改造目標(biāo)層，同時(shí)改造多個(gè)地層［41-42］。姬塬油田H54區(qū)塊長6 油藏已建成水平井立體開發(fā)區(qū)，實(shí)際投產(chǎn)產(chǎn)量的月遞減曲線表明水平井月遞減率明顯小于直井［43］。在永安鎮(zhèn)油田永3試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了小井距立體開發(fā)實(shí)踐，采收率提高9.6%［44］。

2.2.4 同步壓裂技術(shù)

同步壓裂是同時(shí)對(duì)相鄰儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂的技術(shù)，通過兩口井或多口井水力壓裂產(chǎn)生的應(yīng)力干擾提高網(wǎng)狀裂縫密度和復(fù)雜程度，增加改造體積。采用同步壓裂技術(shù)，應(yīng)力干擾面積和強(qiáng)度增大，水平主應(yīng)力差減小，地應(yīng)力方向均勻變化，有利于連接裂縫。同步壓裂井的受激儲(chǔ)層體積較大，裂縫網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜；與常規(guī)裂縫井相比，同步壓裂井破裂壓力突破更早，生產(chǎn)率和套管壓力更高，更穩(wěn)定，其區(qū)域壓降甚至擴(kuò)散到相鄰井，因此其生產(chǎn)率提高顯著。現(xiàn)場還可采用拉鏈?zhǔn)綁毫?、逐井連續(xù)壓裂等作業(yè)方式配合完成。2006年，同步壓裂首先在美國沃思堡盆地Barnett頁巖區(qū)的兩個(gè)近似平行的水平井中實(shí)施，壓裂后，兩口井都獲得了高產(chǎn)量［45］。帕克縣西南部巴內(nèi)特頁巖同步壓裂試驗(yàn)井單井產(chǎn)量比其他同類型井平均提高100%［46-49］。

2.2.5 體積改造技術(shù)

目前，水平井分段壓裂技術(shù)已經(jīng)從分段壓裂、多級(jí)壓裂發(fā)展到大規(guī)模分段多簇體積壓裂，壓裂過程以“大排量、大液量、大砂量、低砂液比和小粒徑”為主要特征。體積壓裂通過加大施工規(guī)模、凍膠酸攜砂壓裂等增加裂縫延伸長度或通過轉(zhuǎn)向造新縫增大裂縫與儲(chǔ)層接觸面積從而達(dá)到對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行全面改造的目的。體積壓裂通過提高排量等手段在主裂縫上形成多條分支裂縫，進(jìn)而溝通儲(chǔ)層的天然裂縫，復(fù)雜裂縫系統(tǒng)的產(chǎn)生使得壓力波及范圍較大，進(jìn)而讓主裂縫與多級(jí)次生裂縫交織形成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，得到立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高儲(chǔ)層整體滲透率，進(jìn)而提高增產(chǎn)效果［50-52］。新疆油田的J173井，巖性脆性較強(qiáng)，以灰質(zhì)粉砂巖為主，地層水平應(yīng)力小，應(yīng)用體積壓裂技術(shù)后日產(chǎn)油12 m3；吉林油田在頁巖油水平井示范區(qū)24口井進(jìn)行體積壓裂，日產(chǎn)油26～53 t，是直井的7倍以上，同時(shí)單井工具成本下降了60%；長慶油田在安83井區(qū)應(yīng)用水平井體積壓裂技術(shù)，頁巖油開發(fā)試驗(yàn)成效顯著，水平井單井平均日產(chǎn)量比直井提高了8倍［53］；2017年，在英西碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行了4口井體積壓裂改造，直井壓后初產(chǎn)是2016年施工井的1.8倍，水平井壓后初產(chǎn)是直井的21倍［54］。

2.2.6 人工油氣藏

人工油氣藏是針對(duì)基本無滲透能力的致密油儲(chǔ)層，以“甜點(diǎn)區(qū)”為基本單元，采用驅(qū)油壓裂、氣體壓裂、原位加熱等方法，通過形成裂縫型“人造滲透率”，形成一個(gè)“人工油氣藏”，與地下基質(zhì)微納米孔喉構(gòu)成油氣產(chǎn)出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人工能量開發(fā)。通過井群開發(fā)、壓裂造縫和針對(duì)性流體介質(zhì)注入等方法，在國內(nèi)5大致密油氣區(qū)開展235井次先導(dǎo)性試驗(yàn)，改變地下流體滲流環(huán)境和補(bǔ)充地層能量，在“甜點(diǎn)區(qū)”內(nèi)形成“人造高滲透區(qū)”與“重構(gòu)滲流場”，建立了地質(zhì)、開發(fā)、生產(chǎn)、管理和決策綜合信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低滲透、致密油氣與頁巖油氣大規(guī)模、有效益、可持續(xù)開發(fā)。開采效果比以往常規(guī)技術(shù)提高2倍［55-57］。非常規(guī)“人工油氣藏”開發(fā)的實(shí)現(xiàn)，需要持續(xù)攻關(guān)壓裂形成最大縫網(wǎng)機(jī)理、壓裂液無傷害地層機(jī)理、改變油水界面驅(qū)油機(jī)理、控壓生產(chǎn)地層流動(dòng)機(jī)理等關(guān)鍵問題。

2.3 壓裂材料

2.3.1 壓裂液

根據(jù)致密油儲(chǔ)層特點(diǎn)需要配合使用低傷害、剝離效率高的壓裂液。加拿大GasFrac公司最先提出LPG無水壓裂理念，采用液化石油氣(LPG)作為壓裂液，其中包括具有攜砂作用的稠化劑主劑和其他添加劑，由于其用LPG代替水，因此避免了水與儲(chǔ)層巖心發(fā)生作用而帶來的敏感性傷害。LPG壓裂技術(shù)在北美已完成1 863井層，增產(chǎn)倍數(shù)提高1.5倍，100% 回收利用；國內(nèi)研發(fā)LPG壓裂液體系，耐溫105 ℃，黏度50 mPa·s，性能達(dá)國際水平［58-60］。CO2干法加砂壓裂有較小的儲(chǔ)層滲透率傷害、較高的支撐裂縫導(dǎo)流能力保留系數(shù)，氣體作為攜砂液進(jìn)入儲(chǔ)集層，有效補(bǔ)充地層能量，壓后返排速度較快，同時(shí)有效降低界面張力，提高原油采收率［61-63］。對(duì)于提高水敏/水鎖傷害嚴(yán)重的致密油儲(chǔ)層采收率具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。液態(tài)CO2壓裂技術(shù)在北美應(yīng)用1 200口井，國內(nèi)已開始現(xiàn)場試驗(yàn)，研發(fā)了增稠劑及增稠助劑，耐溫90 ℃，目前最大的瓶頸是液態(tài)CO2交聯(lián)后黏度低、攜砂性能有限，長慶油田試驗(yàn)1口井，吉林試驗(yàn)1口井，計(jì)劃實(shí)施3口井。納米壓裂液氣體交替注入(NAC)技術(shù)使納米粒子無需借助外力可以輕易進(jìn)入致密儲(chǔ)層，添加劑不增加注入液質(zhì)量，可改變潤濕性、降低界面張力和提高采收率［64］。羅明良［65］等鑒于早期陽離子型清潔壓裂液在低滲透砂巖儲(chǔ)層現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題，選取一種陰離子表面活性劑制備了纖維基納米復(fù)合清潔壓裂液，通過納米TiO2與黏彈性表面活性劑膠束的擬交聯(lián)作用，形成纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效地改善了F-NCF的靜態(tài)懸砂性能，且對(duì)裂縫導(dǎo)流能力影響較??；體系對(duì)巖心滲透率傷害小，傷害恢復(fù)率約為90%。納米壓裂液尺寸與致密油儲(chǔ)層尺寸配合，結(jié)合巖心表面處理技術(shù)有較好應(yīng)用前景。驅(qū)油壓裂液技術(shù)是針對(duì)致密油藏特點(diǎn)，通過研究壓裂液與裂縫表面所發(fā)生的油水間相互作用，改變儲(chǔ)層潤濕性，提高采收率。該技術(shù)在新疆瑪湖、吐哈三塘湖、華北二連油田試驗(yàn)6口井，取得初產(chǎn)比鄰井提高1.8倍以上的應(yīng)用效果。

大型滑溜水壓裂技術(shù)的突破使頁巖油氣實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)，但從環(huán)保角度來看，大量滑溜水含有一定量化學(xué)物質(zhì)，加大了地下水污染的可能性，因此環(huán)保壓裂液技術(shù)也成為頁巖油壓裂技術(shù)突破的方向，使用物理化學(xué)方法除去返排液雜質(zhì)再進(jìn)行回收利用，或直接使用返排液形成壓裂液是主要途徑之一［66-68］。具有可逆結(jié)構(gòu)的聚合物壓裂液的溶質(zhì)分子之間可通過非共價(jià)鍵相互作用形成分子聚集體，這種結(jié)構(gòu)可以隨剪切擾動(dòng)而變化，剪切擾動(dòng)消除后，聚集體可以重新恢復(fù)。王所良［69］以部分水解聚丙烯酰胺有機(jī)金屬交聯(lián)劑為原料制得一種可由壓裂液返排液配制的可回收壓裂液體系，同條件下與清水相比壓裂液摩阻降低率大于40%，在破膠液中添加0.12% 穩(wěn)定劑即可作為配液水重復(fù)利用，用破膠液配制的壓裂液各項(xiàng)性能與清水配制的壓裂液性能相當(dāng)，可以滿足現(xiàn)場連續(xù)混配施工的需求。高燕等［70］將超分子化學(xué)、膠體化學(xué)與油田化學(xué)相結(jié)合，研發(fā)出一種可替代胍膠的高效驅(qū)油清潔壓裂液體系，該體系稠化劑是一種以近肽鏈結(jié)構(gòu)的黏彈性表面活性劑與多組分有機(jī)溶劑復(fù)合而成的材料，是一種可實(shí)時(shí)連續(xù)混配并能重復(fù)使用的增稠劑，該壓裂液耐溫 90 ℃，抗鹽可達(dá) 100 000 mg/L，高效驅(qū)油壓裂液在長慶油田靖安區(qū)塊得以成功應(yīng)用，求產(chǎn)后單井產(chǎn)量是相臨井產(chǎn)量的2倍?？苫厥丈锬z清潔壓裂液中微生物多糖分子中含有多個(gè)羥基，在與水混合時(shí)，羥基相互作用的同時(shí)又與游離在周圍的水分子發(fā)生締合作用，在外因給定的適當(dāng)條件下，能夠與水形成良好的膠體，具有良好的耐溫、流變性能，并可反復(fù)成膠，并且該壓裂液在自然環(huán)境中可自動(dòng)降解，無污染，3%質(zhì)量濃度生物膠壓裂液依靠其黏彈性攜砂原理，交聯(lián)及攜砂性能良好，對(duì)壓裂返排液取樣二次交聯(lián)，再破膠三次交聯(lián)，顯示返排液交聯(lián)及破膠效果與清水相同［71］。

2.3.2 支撐劑

北美有采用小粒徑支撐劑的趨勢，小粒徑支撐劑沉降速度慢，可以傳輸更遠(yuǎn)，且小粒徑支撐劑更容易進(jìn)入裂縫寬度較窄的分支縫。Bakken盆地使用20/40目及更小尺寸的天然砂；在Midland盆地，基本上都采用40/70甚至小到100目和200目以內(nèi)的就地石英砂。近些年，為了保證壓后的裂縫導(dǎo)流能力。高性能、多功能、小尺寸和智能化是支撐劑的發(fā)展方向［72-73］。楊哲［74］等研發(fā)的樹脂材料支撐劑在地層發(fā)生一定程度的形變，高閉合壓力下樹脂材料支撐劑導(dǎo)流能力更優(yōu)。牟軍等［75］以鋁礬土粉為球殼包覆材料制備了空心內(nèi)半徑可控的鋁礬土空心陶粒支撐劑，視密度為2.47 g/cm3。徐永馳［76］將成孔劑和樹脂粉混合，造粒添加粘結(jié)劑制作出的多孔支撐劑。高如琴［77］等制備莫來石相和石英相粉煤灰基支撐劑，該支撐劑粒徑為0.5～0.8 mm，視密度為2.559 g/cm3。王川［78］用納米陶粉與胍膠稠化劑配合使用制得了納米陶粉雜化胍膠壓裂液，研究了納米陶粉與壓裂液的協(xié)同作用增加壓裂性能，這種機(jī)制增加了45%彈性模量。

2.4 微地震裂縫測試和診斷技術(shù)

20世紀(jì)90年代后微地震監(jiān)測技術(shù)逐步應(yīng)用于油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測、壓裂管理和裂縫反演。微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)能夠監(jiān)控壓裂過程破裂或錯(cuò)斷產(chǎn)生的微地震，來反映壓裂過程中水壓裂縫的縫高、縫長和方位等參數(shù)，并及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，在壓裂后對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)壓裂進(jìn)行有效的指導(dǎo)［79-80］。1989年美國石油工程師協(xié)會(huì)將微地震監(jiān)測方法視為確定水力裂縫方向和形狀的一種重要實(shí)用方法，威德福公司2006年推出FracMap，首次將微地震壓裂檢測技術(shù)商業(yè)化地運(yùn)用于油氣勘探領(lǐng)域，貝克休斯公司通過IntelliFrac服務(wù)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測。國內(nèi)，東方物探的GeoEast-ESP在油氣壓裂監(jiān)測中做出了積極探索，劉喜武等［81］基于復(fù)雜頁巖的巖石物理模型，用高精度曲率計(jì)算方法針對(duì)斷層和大尺度高角度裂縫建立了一種水平層理縫地震預(yù)測方法，推導(dǎo)得到了界面反射系數(shù)簡化公式。

3 頁巖油開發(fā)技術(shù)進(jìn)展

3.1 水平井鉆井技術(shù)

水平井鉆井最早由瑞士工程師在1863年提出，主要用于生產(chǎn)，可以增加井筒與頁巖儲(chǔ)層的接觸面積，提高頁巖氣產(chǎn)量。20世紀(jì)80年代隨著頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模勘探開發(fā)，水平井鉆井?dāng)?shù)量幾乎成指數(shù)增長。在Midland盆地，2010年前采用直井分級(jí)改造技術(shù)，從2011年起鉆井開始逐漸轉(zhuǎn)向水平井，一般情況，水平井的產(chǎn)氣量是直井的3倍［82］。目前水平井鉆井技術(shù)正在向結(jié)合地質(zhì)、地球物理、油層物理、工程技術(shù)等多種因素的集成系統(tǒng)發(fā)展［83-85］。Midland盆地鉆井過程中采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)、短脈沖MWD、PeriScope地層邊界繪圖系統(tǒng)確保鉆井的有效性和地層評(píng)價(jià)，保證儲(chǔ)層鉆遇率。Star steer是一款地質(zhì)導(dǎo)向軟件，綜合運(yùn)用地質(zhì)、地震、測井等資料進(jìn)行地質(zhì)建模與實(shí)時(shí)導(dǎo)向跟蹤，以大港油田官1608井區(qū)官1701H井為例，該技術(shù)提高了儲(chǔ)層鉆遇率［86］。Litho Scanner高清晰度光譜工具提供伽馬射線光譜，用于描述復(fù)雜油藏的細(xì)節(jié)；微成像(MSI)系統(tǒng)能夠在導(dǎo)電鉆井液環(huán)境中為鉆井提供高分辨率的側(cè)向測井視電阻率和全井徑圖像［87］。近年來，隨著水平井技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是水平井軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)、隨鉆測量(MWD )、隨鉆測井(LWD)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)(SRD)、鉆井液等技術(shù)的發(fā)展，催生了多種水平井新技術(shù)出現(xiàn)，并逐步成為非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的重要技術(shù)手段。以長水平段快速鉆井技術(shù)為例，其加大表層套管下深、三開變兩開，縮短了鉆進(jìn)時(shí)間，該技術(shù)使得 Eagle Ford 埋深 2 000 m 左右的水平井水平段由平均 800 m 增至 1 500 m，鉆井周期反而由60 d降至20 d。通過增設(shè)沖擊器，運(yùn)用活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)地層進(jìn)行撞擊作業(yè)的旋沖鉆井技術(shù)提高了惡劣鉆沖作業(yè)的效率，減少了人力和物力損耗，在短時(shí)間內(nèi)破壞巖石的結(jié)構(gòu)，促使巖性發(fā)生碎裂變化，提高鉆頭的使用壽命［88］。

3.2 “工廠化”作業(yè)

“工廠化”作業(yè)占地面積相對(duì)少，可實(shí)現(xiàn)批量鉆井、壓裂，因此提高了生產(chǎn)效率，減少了設(shè)備動(dòng)遷成本。此外，“工廠化”作業(yè)由于大批量井距離較近，有利于鉆井液及壓裂液的回收利用。目前主要采用叢式水平井組的方式進(jìn)行“工廠化”施工作業(yè)，一般每個(gè)平臺(tái)鉆6～10口叢式水平井。未來發(fā)展的趨勢是“多平臺(tái)式工廠化”生產(chǎn)模式，“多平臺(tái)式”則是通過增加平臺(tái)井?dāng)?shù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)平臺(tái)有效動(dòng)用儲(chǔ)量最大化［89-91］?！肮S化”是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化裝備，流水線化作業(yè)進(jìn)行數(shù)口井的鉆井、完井、返排、生產(chǎn)同步作業(yè)。在北美該技術(shù)已應(yīng)用成熟，采用鉆叢式水平井，每個(gè)井場一般鉆16～20口井，水平段長一般超過1 500 m，每口井壓裂20級(jí)以上。北美霍恩井場設(shè)計(jì)鉆28口水平井，每口井壓裂20段以上。北科達(dá)州亞特蘭平臺(tái)14口井，最深井井深可達(dá) 9 754 m［92-94］。新疆油田瑪湖凹陷主力層位三疊系百口泉組為典型的頁巖油儲(chǔ)層，在瑪131井區(qū)2口2 000 m長水平段水平井壓裂中，采取前置酸預(yù)處理、滑溜水多段塞打磨、低傷害凍膠加砂及利用應(yīng)力干擾形成復(fù)雜縫網(wǎng)等一套適合瑪湖砂礫巖儲(chǔ)層工廠化體積壓裂的技術(shù)方法，分別成功實(shí)施了26段和22段壓裂，用液分別達(dá)20 162 m3和23 765 m3，加入支撐劑達(dá)到 1 803 m3和 1 702 m3，均取得壓后穩(wěn)定產(chǎn)量超過30 t/d的效果［95］。

3.3 地質(zhì)工程一體化技術(shù)

結(jié)合頁巖油開采特點(diǎn)，運(yùn)用層次分析法(AHP)與灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA)復(fù)合建模，形成了一套地質(zhì)工程一體化框架下的復(fù)合數(shù)學(xué)建模辦法［96-98］。一方面，具有數(shù)學(xué)模型的嚴(yán)謹(jǐn)性，另一方面結(jié)合頁巖油地質(zhì)開發(fā)相關(guān)研究成果，用于指導(dǎo)頁巖油藏低成本開發(fā)，具有前瞻性和經(jīng)濟(jì)性。許建國［99］等圍繞工程技術(shù)需求對(duì)儲(chǔ)層資料再認(rèn)識(shí)，優(yōu)化施工參數(shù)，建立“轉(zhuǎn)向壓裂、蓄能壓裂、調(diào)堵壓裂、干擾壓裂”為主的壓裂技術(shù)，創(chuàng)新一系列配套技術(shù)，降低一次性投資，降低運(yùn)行成本，形成了地質(zhì)工程一體化的新內(nèi)涵技術(shù)模式，該技術(shù)在吉林油田Ⅲ區(qū)塊3號(hào)平臺(tái)為代表的新區(qū)產(chǎn)建和Ⅵ區(qū)塊中部為代表老區(qū)挖潛領(lǐng)域應(yīng)用并獲得顯著效果。杜洪凌［100］等通過建立精細(xì)地質(zhì)和巖石力學(xué)模型、優(yōu)化鉆井工具、調(diào)節(jié)鉆井液體系等一系列舉措，將區(qū)塊地質(zhì)認(rèn)識(shí)和工程實(shí)踐緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了致密油藏效益開發(fā)的初步突破，瑪湖地區(qū)百口泉組致密砂巖致密油產(chǎn)量明顯提升，區(qū)塊已于近期啟動(dòng)了大規(guī)模開發(fā)建產(chǎn)工作。

4 結(jié)束語

由于地質(zhì)條件對(duì)現(xiàn)有水平井分段壓裂技術(shù)的限制，我國水平井長度、壓裂段數(shù)、材料耗費(fèi)等與美國巴肯、鷹灘、巴奈特地區(qū)存在較大差距，中國頁巖油儲(chǔ)層改造存在以下難點(diǎn)：(1)受陸相湖盆地沉積特征影響，分布面積小，但多期沉積，即是說縱向?qū)酉刀啵绾谓Y(jié)合分段壓裂技術(shù)同時(shí)動(dòng)用縱向?qū)酉涤写芯?；深部頁巖儲(chǔ)層具有高溫、高應(yīng)力和高塑性等特點(diǎn)，在水平井鉆完井和體積改造等方面存在較大難度；天然裂縫位置、發(fā)育程度難以確定，因此壓裂改造難度大；在壓裂設(shè)計(jì)中分析人工裂縫起裂、判斷延伸方向困難；由于儲(chǔ)層裂縫形態(tài)復(fù)雜，如何降低加砂難度、施工風(fēng)險(xiǎn)，提高人工裂縫導(dǎo)流能力；大排量、大液量施工對(duì)壓裂設(shè)備、支撐劑以及壓裂液的各項(xiàng)性能要求極高。(2)儲(chǔ)集層發(fā)育微—納米級(jí)孔喉，常規(guī)壓裂難以達(dá)到開發(fā)效果，新型壓裂手段的使用刻不容緩。(3)開發(fā)成本高，我國的水平井單井的鉆探成本已經(jīng)降至 4 000～7 000 萬元，美國單井成本2 000萬元左右。因此，開發(fā)成本仍是制約我國頁巖氣開發(fā)的瓶頸。

基于上述難點(diǎn)，在提高我國頁巖油儲(chǔ)層開發(fā)技術(shù)水平和開發(fā)效率方面提出以下建議：(1)深化儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)烴源巖段、儲(chǔ)層集中段、源儲(chǔ)配置、成藏機(jī)理等方面的研究，做好“甜點(diǎn)區(qū)”儲(chǔ)集層結(jié)構(gòu)有效表征和脆性礦物評(píng)價(jià)工作，對(duì)主控因素、富集高產(chǎn)規(guī)律、形成條件進(jìn)行研究，選好高收益區(qū)。(2)形成地質(zhì)工程一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：集成地質(zhì)建模、地質(zhì)力學(xué)建模、巖石破裂機(jī)理、裂縫相交作用準(zhǔn)則、網(wǎng)絡(luò)裂縫流動(dòng)模型及水力裂縫診斷方法，形成地質(zhì)工程一體化的設(shè)計(jì)理念。(3)集合國內(nèi)外體積改造、水平井施工和工廠化作業(yè)技術(shù)，配合施工井具體特點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場攻關(guān)試驗(yàn)，創(chuàng)建適合中國頁巖油儲(chǔ)層改造和開發(fā)的系列技術(shù)。(4)對(duì)網(wǎng)絡(luò)裂縫形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)裂縫規(guī)模及網(wǎng)絡(luò)裂縫擴(kuò)展延伸規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控、優(yōu)化和分析，形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化流程，大幅度提高壓裂改造效果。(5)制訂經(jīng)濟(jì)扶持政策，推廣成功的頁巖油勘探開發(fā)與管理經(jīng)驗(yàn)，解決關(guān)鍵技術(shù)難題，以增強(qiáng)非常規(guī)油氣市場競爭能力。