頁(yè)巖氣儲(chǔ)層高能氣體壓裂增產(chǎn)集成技術(shù)綜述

呂 園，劉 濤

（1.西安石油大學(xué)CNPC 高能氣體壓裂研究室，陜西西安 710065；2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065）

1 研究基礎(chǔ)

高能氣體壓裂技術(shù)目前已形成了以固體火藥、液體火藥、復(fù)合射孔等三大系列技術(shù)，主要技術(shù)成果有無(wú)（有）殼彈技術(shù)、多脈沖壓裂技術(shù)、深穿透復(fù)合射孔技術(shù)、燃?xì)馐匠龎荷淇准夹g(shù)、直井液體藥壓裂技術(shù)等。近幾年來(lái)針對(duì)低滲、特低滲復(fù)雜油層開(kāi)展了水平井液體火（炸）藥壓裂技術(shù)、層內(nèi)深度爆炸裂縫網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)等試驗(yàn)研究，以及非常規(guī)天然氣高能氣體壓裂開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究，取得初步進(jìn)展，并分別在油田水平井及煤層氣開(kāi)發(fā)井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，取得初步效果。尤其在非常規(guī)天然氣-煤層氣開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展了先導(dǎo)性試驗(yàn)研究，在云南恩洪、阜新等地進(jìn)行了煤層氣高能氣體壓裂現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，取得了工藝試驗(yàn)成功與初步效果。針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)氣藏儲(chǔ)層致密、埋藏較深等特點(diǎn)，以及水平井鉆井技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的廣泛應(yīng)用，結(jié)合高能氣體壓裂多項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及其新技術(shù)新工藝研究與進(jìn)展綜合分析研究，高能氣體壓裂技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方面具備優(yōu)勢(shì)和使用條件與研究基礎(chǔ)。

2 頁(yè)巖氣高能氣體壓裂增產(chǎn)集成技術(shù)研究

結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成功的經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)近幾年頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)也開(kāi)展了以水力壓裂為主的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但目前還未取得突破。高能氣體壓裂技術(shù)在美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)初期取得的成功經(jīng)驗(yàn)為中國(guó)頁(yè)巖氣提供新的思路。針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造特點(diǎn)，綜合優(yōu)選目前高能氣體壓裂技術(shù)應(yīng)用成果及方法，研究適合中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的高能氣體壓裂集成增產(chǎn)技術(shù)，以達(dá)到提高頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量的目的。

2.1 液體火藥儲(chǔ)層壓裂集成技術(shù)

液體火藥燃燒機(jī)理[1]是以燃燒劑、氧化劑、溶劑等組成的混合液態(tài)高能藥劑在溶劑水不沸騰的條件下，點(diǎn)火藥產(chǎn)生的熱量使液體火藥達(dá)到氧化劑和燃燒劑分解點(diǎn)溫度，燃燒劑和氧化劑開(kāi)始分解，發(fā)生放熱反應(yīng)并產(chǎn)生大量熱量。其作用機(jī)理就是利用液態(tài)高能敏感性材料在地層燃燒后產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體作用于地層，使地層形成較長(zhǎng)的多裂縫體系，并伴隨豐富熱量對(duì)地層進(jìn)行綜合處理，以提高和溝通地層滲透導(dǎo)流能力，達(dá)到增產(chǎn)、增注的效果。已在大慶、遼河等油田推廣應(yīng)用，取得較好的效果。

主要特點(diǎn)：綜合成本低，一次性裝藥大；總能量高，燃燒時(shí)間長(zhǎng)，壓裂效果顯著；施工安全可靠；壓力上升緩慢，峰值壓力50 MPa～80 MPa，整個(gè)壓裂過(guò)程作用時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)40 s～50 s，能形成更長(zhǎng)的多裂縫體系，主裂縫約達(dá)50 mm，綜合改善地層效果好。

由于液體火藥流動(dòng)性好，可一次處理厚層、較長(zhǎng)生產(chǎn)井段，適用于裸眼井、套管射孔井、篩管完井，適用范圍廣。針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)及完井方式，采用液體火藥儲(chǔ)層壓裂技術(shù)與水力壓裂工藝相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)施水力壓裂前先進(jìn)行液體火藥儲(chǔ)層壓裂，再實(shí)施水壓裂，促使頁(yè)巖氣層產(chǎn)生長(zhǎng)的主裂縫及較長(zhǎng)的多裂縫體系，能明顯擴(kuò)大泄氣面積，所以，研究液體火藥儲(chǔ)層壓裂與水力壓裂集成技術(shù)有望在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層改造中發(fā)揮作用。

2.2 低滲油層層內(nèi)深度爆炸集成技術(shù)

低滲油層層內(nèi)深度爆炸技術(shù)[2]是首先研發(fā)適合微小臨界尺寸2 mm～5 mm 內(nèi)穩(wěn)定爆炸的液態(tài)炸藥，作用原理是將液態(tài)炸藥擠入地層裂縫（如水力壓裂主裂縫）或水平井中實(shí)施爆炸，利用爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和爆生氣體快速膨脹載荷作用使地層產(chǎn)生裂紋，沿地層主裂縫兩壁或水平井井壁周圍產(chǎn)生和形成新的微裂縫網(wǎng)絡(luò)，并溝通更多的天然裂縫；同時(shí)，爆轟沖擊波及應(yīng)力波脈沖彈性振動(dòng)作用改變了地層裂縫周圍的巖石基質(zhì)空隙，增加裂縫周圍一定范圍內(nèi)的基質(zhì)滲流能力，改善了地層的滲透性，擴(kuò)大了有效滲流導(dǎo)流范圍。該項(xiàng)技術(shù)已在側(cè)鉆水平井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)應(yīng)用并取得成功。

針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層致密、地層壓力較高的井，實(shí)施水力壓裂后殘余裂縫保持較好，可以考慮使用低滲油層層內(nèi)深度爆炸技術(shù)，以液體炸藥充滿水力壓裂主裂縫，實(shí)現(xiàn)在水力壓裂主裂縫中爆炸產(chǎn)生新的裂縫網(wǎng)絡(luò)，溝通更大范圍內(nèi)的天然裂縫；也可考慮在水平井中直接使用，在沿水平井井壁周圍產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)狀微裂縫族，以體積改造形式擴(kuò)大溝通泄氣范圍。所以，研究低滲油層層內(nèi)深度爆炸技術(shù)與水力壓裂集成技術(shù)及其在頁(yè)巖氣水平井的應(yīng)用技術(shù)理論與方法，對(duì)改造頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有重要的潛力。

2.3 復(fù)合射孔及多脈沖壓裂集成技術(shù)

多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)作用原理[3]是多脈沖壓裂通過(guò)中低燃速火藥組合和特種延時(shí)控制技術(shù)，組成多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂高能氣體發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)使其各級(jí)燃燒產(chǎn)生的大量高溫高壓氣體間歇釋放，形成多級(jí)高壓脈沖壓力。其功能是對(duì)地層實(shí)施多次連續(xù)的強(qiáng)脈沖加載壓裂作用促使頁(yè)巖氣層產(chǎn)生較長(zhǎng)的多裂縫體系，并溝通更多的天然裂縫， 松弛儲(chǔ)層地應(yīng)力以形成網(wǎng)絡(luò)裂縫改善頁(yè)巖氣層泄氣通道；同時(shí)伴隨較強(qiáng)的多脈沖震蕩作用，促使頁(yè)巖氣層基質(zhì)空隙間的連通性和滲透性；從而提高頁(yè)巖氣層滲流能力，達(dá)到提高頁(yè)巖層氣井產(chǎn)量的目的。作用特點(diǎn)是提高了總能量和能量利用率，有利于產(chǎn)生更長(zhǎng)的多裂縫體系，可實(shí)現(xiàn)與射孔復(fù)合技術(shù)。

結(jié)合頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，可優(yōu)先考慮復(fù)合射孔及多脈沖壓裂技術(shù)的完井方式，首先建立在地層產(chǎn)生孔眼較深、孔眼壁無(wú)壓實(shí)現(xiàn)象的良好地層溝通通道，并形成多裂縫，降低地層破裂壓力，為水力壓裂、同步壓裂等提供了更好的地層環(huán)境與條件。

3 可行性分析研究

綜上所述，中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與美國(guó)差異較大，如四川盆地頁(yè)巖氣層埋藏深度達(dá)到2 000 m～3 000 m，進(jìn)一步增加了開(kāi)采難度。針對(duì)中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)及目前技術(shù)開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，僅依賴常規(guī)技術(shù)或單一技術(shù)難以取得效果，必須打破傳統(tǒng)思維方式。頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)應(yīng)作為系統(tǒng)工程，發(fā)揮技術(shù)集成的作用，除在資源評(píng)價(jià)、理論模擬等方面技術(shù)集成外，還要在儲(chǔ)層增產(chǎn)改造新技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面開(kāi)展技術(shù)集成研究與探索。美國(guó)早期也采用爆炸壓裂、高能氣體壓裂技術(shù)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣取得明顯效果。高能氣體壓裂技術(shù)已在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，從壓裂效果統(tǒng)計(jì)分析深井效果更為明顯，因此，開(kāi)展頁(yè)巖氣高能氣體壓裂開(kāi)發(fā)技術(shù)集成研究具備良好的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，提出高能氣體壓裂與水力壓裂、同步壓裂等集成技術(shù)研究思想及方法是完全可行的。

［1］ 儲(chǔ)小三.煤層氣水平井液體火藥壓裂開(kāi)發(fā)技術(shù)研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2013.

［2］ 吳晉軍.低滲油層層內(nèi)深度爆炸技術(shù)作用機(jī)理及工藝試驗(yàn)研究［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：48-50.

［3］ 吳晉軍，喻鵬，周培堯，等.沁水地區(qū)煤層氣儲(chǔ)層多脈沖壓裂技術(shù)試驗(yàn)及應(yīng)用研究［J］.鉆采工藝，2015，（3）：53-54.