頁巖氣水平井水力壓裂技術(shù)

文強(qiáng) 韓志偉

【摘要】中國的頁巖氣資源量非常豐富，但頁巖氣的開發(fā)起步比較晚，目前還處于最初階段。本文詳細(xì)的介紹了頁巖氣壓裂改造機(jī)理，以及目前頁巖氣開發(fā)中常用水平井壓裂工藝的原理和主要做法，包括水平井復(fù)合橋塞多段分簇壓裂技術(shù)、連續(xù)油管水力噴射分段壓裂技術(shù)、水平井多井同步體積壓裂技術(shù)，通過對各種工藝詳細(xì)分析，在頁巖氣開發(fā)上又取得了一些新的認(rèn)識。

【關(guān)鍵詞】頁巖氣 水平井 縫網(wǎng)壓裂 體積壓裂

頁巖氣賦存于富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖及其夾層狀的泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、灰?guī)r、白云巖混合巖相地層中，主要由吸附氣和游離氣兩部分組成。頁巖氣藏的烴源巖多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖和高碳的泥頁巖類，儲層厚度一般為15～100m，孔滲條件差，通常需要壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)量。我國頁巖氣十分發(fā)育，資料顯示，中國的頁巖氣資源量約為（21.5～45）×1012 m3，中值為30.7×1012 m3。

1 壓裂機(jī)理

頁巖氣資源豐度低，最大限度增加儲層的改造體積是壓裂的主要目的。為達(dá)到儲量的體積動用，主要采用“縫網(wǎng)壓裂”技術(shù)，機(jī)理為：當(dāng)裂縫延伸凈壓力大于兩個水平主應(yīng)力的差值與巖石的抗張強(qiáng)度之和時，容易產(chǎn)生分叉縫，多個分叉縫就會形成“縫網(wǎng)”系統(tǒng)，其中以主裂縫為“縫網(wǎng)”系統(tǒng)的主干，分叉縫在距離主縫延伸一定長度后，又恢復(fù)到原來的裂縫方位，最終形成以主裂縫為主干的縱橫“網(wǎng)狀縫”系統(tǒng)。

頁巖氣儲層要實(shí)現(xiàn)體積動用，主要取決于頁巖的可壓性。頁巖的脆性越大，越容易形成網(wǎng)狀裂縫；而脆性越小，則形成網(wǎng)狀裂縫的可能性越小。脆性指數(shù)主要由礦物成分[2]和埋藏深度決定。水力壓裂在富含硅質(zhì)、鈣質(zhì)的頁巖中要比在富含粘土質(zhì)頁巖中更容易形成縫網(wǎng)，一般要求石英、長石、方解石礦物含量大于30%，粘土含量<25%。脆性指數(shù)與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，埋深變淺，脆性增加。

2 水平井復(fù)合橋塞多段分簇體積壓裂

體積壓裂通過優(yōu)化段間距，采用“分段多簇”射孔、加密布縫，利用縫間應(yīng)力干擾，促使裂縫轉(zhuǎn)向，形成縫網(wǎng)?？p間距的優(yōu)化是水平井體積壓裂技術(shù)的關(guān)鍵，若縫間距離過大，影響頁巖氣單井產(chǎn)量，縫間距離過小，裂縫延伸困難，當(dāng)縫間干擾恰當(dāng)時，才能實(shí)現(xiàn)天然微裂縫大量開啟、人工裂縫轉(zhuǎn)向延伸與穿過延伸，實(shí)現(xiàn)頁巖氣的體積開發(fā)。

水平井套管固井后，第一級使用連續(xù)油管傳輸帶射孔，后續(xù)各段采用泵入式電纜傳輸橋塞與射孔聯(lián)作工藝。橋塞與射孔槍的下入過程主要分為兩個階段，直井段工具串依靠自重下入，水平段采用泵注方式推到指定位置。通過分級點(diǎn)火裝置，座封橋塞，再上提射孔槍到達(dá)上段射孔位置進(jìn)行射孔作業(yè)。在分段壓裂過程中通過逐級下入橋塞、射孔槍，實(shí)現(xiàn)水平井分段壓裂改造。分層壓裂改造完成后用連續(xù)油管快速鉆磨橋塞。

壓裂時采用“大液量、大排量、小粒徑、低砂比、段塞式”滑溜水注入方式。前期使用酸液溶解礦物質(zhì)來溝通裂縫，與大排量滑溜水構(gòu)建遠(yuǎn)井復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，后期采用低濃度胍膠，提高近井主縫導(dǎo)流能力。

壓裂液主要為滑溜水和低濃度胍膠液，滑溜水成本低，可以在不減產(chǎn)的前提下節(jié)約30%的成本。同時，滑溜水是一種低粘度流體，表現(xiàn)為剪切特性，剪切力使2個裂縫粗糙面產(chǎn)生剪切滑移，停泵后粗糙面使它們不能再滑回到原來的位置，保持裂縫較高的導(dǎo)流能力。

3 水平井連續(xù)油管水力噴射分段壓裂

水力噴射壓裂是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的水力壓裂技術(shù)，適用于套管、襯管、裸眼等完井方式，主要用于需要定點(diǎn)壓裂的水平井分段壓裂。利用連續(xù)油管進(jìn)行水力噴砂射孔，然后再通過油套合壓提高施工排量，實(shí)現(xiàn)射孔-壓裂聯(lián)作。連續(xù)油管壓后上提進(jìn)行多層壓裂，大大提高了工作效率，降低了施工成本。理論上不受完井方式限制，可實(shí)施定點(diǎn)、分段、分簇改造，改造后井內(nèi)無工具殘留。

管柱結(jié)構(gòu)主要有安全接頭、不同形式的水力錨、噴槍、封隔器、單流閥、篩管和導(dǎo)向頭構(gòu)成。壓裂時油管、套管同時注液增壓，噴射處的孔眼內(nèi)裂縫最先起裂、擴(kuò)展，通過油套環(huán)空加砂，支撐劑將沿起裂的裂縫進(jìn)入地層，實(shí)現(xiàn)裂縫僅在水力噴射形成的孔眼位置處破裂和擴(kuò)展，而在其它層位處的環(huán)空壓力低于地層起裂壓力，裂縫不再擴(kuò)展，達(dá)到分簇射孔體積壓裂效果。

4 水平井多井同步體積壓裂

同時對配對井進(jìn)行壓裂，使壓裂液及支撐劑在高壓下從1口井向另1口井運(yùn)移距離最短，促使水力裂縫擴(kuò)展過程中相互作用相互影響，以產(chǎn)生更復(fù)雜的縫網(wǎng)，增加裂縫密度，增加改造體積，提高單井產(chǎn)量。同步壓裂最初是兩口距離小，且深度大致相同的水平井的同時壓裂，目前已發(fā)展到3口、甚至4口井的同時壓裂。

5 結(jié)論

（1）壓裂增產(chǎn)技術(shù)是開發(fā)成功的關(guān)鍵，針對頁巖氣儲層特性采用了水平井復(fù)合橋塞多段分簇體積壓裂、連續(xù)油管水力噴射分段壓裂、同步壓裂等，且北美已普遍應(yīng)用套管閥分段壓裂、“快速壓裂系統(tǒng)”、多種分段工藝組合壓裂等，應(yīng)加快技術(shù)的引進(jìn)與轉(zhuǎn)化。

（2）工廠化壓裂模式可加快施工進(jìn)程、降低壓裂成本，大規(guī)模改造技術(shù)對壓裂材料低成本、高性能、儲層的良好配伍性及回收利用提出了更高需求，應(yīng)針對大規(guī)模改造研發(fā)新型壓裂材料及添加劑。

參考文獻(xiàn)

[1] Dan Jarvie.Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett shale，F(xiàn)t.Worth basin，Texas[R].Texas：Humble Geochemical Services Division，2004

[2] BOWKER K A.Recent development of the Barnett Shale play，F(xiàn)ort Worth basin[J].West Texas Geological Society Bulletin，2003，42（6）：1-11

[3] 劉洪林，王紅巖，劉人和等.中國頁巖氣資源及勘探潛力分析[J].地質(zhì)學(xué)報，2010，84（9）：1374-1377

[4] 陳守雨，杜林麟，賈碧霞等.多井同步體積壓裂技術(shù)研究[J].石油鉆采工藝，2011，33（6）：59-65

作者簡介

文強(qiáng)，1985年生。主要從事壓裂增產(chǎn)改造技術(shù)研究及現(xiàn)場應(yīng)用工作。