頁巖氣儲層壓裂改造技術(shù)綜述

張躍磊，李大華，郭東鑫

(1.國土資源部頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實驗室 (重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042;2重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術(shù)研究中心 (重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042;3.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室重慶頁巖氣研究中心，重慶 400042)

頁巖儲層滲透率極低，勘探開發(fā)困難。只有少數(shù)天然裂縫特別發(fā)育的井可以直接投產(chǎn)，90%以上的頁巖氣井需經(jīng)過儲層改造才能獲得較為理想的產(chǎn)量。目前，壓裂技術(shù)是頁巖儲層改造的最主要手段，壓裂技術(shù)水平的高低直接影響著壓裂效果及產(chǎn)氣效果。

頁巖氣儲層壓裂的主要技術(shù)包括:清水壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂、縫網(wǎng)壓裂等。壓裂技術(shù)的不斷進(jìn)步促使頁巖氣產(chǎn)量大幅度提高。本文詳細(xì)介紹了國內(nèi)外針對頁巖氣儲層的關(guān)鍵壓裂技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、適用性及優(yōu)缺點(diǎn)。同時簡單介紹了幾種新的壓裂技術(shù)，以及在頁巖儲層壓裂中的應(yīng)用前景。

1 頁巖氣壓裂技術(shù)發(fā)展歷程簡述

美國是最早實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家，也擁有著最為先進(jìn)的技術(shù)，其頁巖氣開發(fā)代表著頁巖氣壓裂技術(shù)的發(fā)展過程。美國頁巖氣開發(fā)歷史大體歷經(jīng)了4個主要階段 (圖1)。每一階段的技術(shù)革新均對頁巖氣的開發(fā)起到了長足的促進(jìn)作用，例如美國著名的沃斯堡盆地Barnett頁巖氣藏的開發(fā)先后經(jīng)歷了直井小型交聯(lián)凝膠或泡沫壓裂、直井大型交聯(lián)凝膠或泡沫壓裂、直井減阻水力壓裂與水平井水力壓裂等多個階段，開發(fā)效果逐步提高 (圖2)，充分顯示了壓裂技術(shù)對增產(chǎn)的重要作用。

圖1 美國頁巖氣開發(fā)的技術(shù)歷程圖Fig.1 Technical History of American shale gas development

圖2 壓裂新技術(shù)改善Barnett頁巖氣井生產(chǎn)動態(tài)圖Fig.2 Producing dynamic graph of new fracturing technologies to improve the Barnett shale gas wells

2 主要壓裂技術(shù)

2.1 泡沫壓裂

泡沫壓裂技術(shù)始于1968年1月，最早應(yīng)用于美國。其發(fā)展大致經(jīng)歷了4個階段 (表1)。

泡沫壓裂技術(shù)尤其適用于低壓低滲的水敏地層。相比常規(guī)水力壓裂具有以下優(yōu)點(diǎn)［2］:①僅少量壓裂液和固體支撐劑進(jìn)入儲層;②在裂縫表面形成隔擋層，明顯降低了壓裂液的濾失速度，減少濾失量，減輕地層傷害;③返排能力強(qiáng)、效果好。

表1 泡沫壓裂技術(shù)的發(fā)展階段特征表［1］Table 1 Development phase characteristic of foam fracturing technology［1］

例如:CO2泡沫壓裂技術(shù)是利用CO2的相態(tài)變化特性為基礎(chǔ)，以CO2氣液兩相泡沫增能液體為載體，通過合理優(yōu)化CO2泡沫質(zhì)量和壓裂液配方、減少入井液量、降低儲層傷害，達(dá)到增產(chǎn)目的的新型壓裂工藝。一般來說，根據(jù)CO2和水基成分比例分為兩種類型:純CO2壓裂和CO2泡沫壓裂，純CO2壓裂為100%液態(tài)CO2，需專業(yè)混配車，受限于壓裂規(guī)模及井深，適合中等以下規(guī)模壓裂;CO2泡沫壓裂泡沫質(zhì)量比 (配方為CO2泡沫和水基成分)為30% ～85%，一般高于60%［3］。

CO2壓裂技術(shù)主要優(yōu)勢有:①CO2可與地層水反應(yīng)生成碳酸，降低體系pH值，減少地層傷害;②CO2液體在儲層中氣化膨脹，可以增加地層能量，加速儲層流體從裂縫中排出;③提高壓后返排能力;④濾失量小、水敏地層可減少黏土膨脹，對地層傷害小;⑤壓裂液效率高，裂縫穿透能力大。其主要的不足表現(xiàn):①摩阻較高;②成本相對較高;③安全指數(shù)較低。

2.2 清水壓裂

國外從20世紀(jì)70年代中期開始進(jìn)行清水壓裂室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗［4］，用清水作為壓裂液 (或加少量的支撐劑)，在地層中形成水力裂縫［5］。其發(fā)展階段為［4］:第一階段，清水不加砂壓裂。清水用量為800～1600m3，有效裂縫長度為9～18m;第二階段:清水加砂壓裂。前置液+攜砂液交替注入，支撐劑量為9～90t，有效裂縫長度增加到20～70m;第三階段:混合清水壓裂。清水前置液+交聯(lián)攜砂液，有效裂縫長度增加到80～100m。

清水壓裂具有低傷害、低成本、能夠深度解堵等優(yōu)勢［1，5～6］，能夠?qū)⒃械奶烊涣芽p繼續(xù)延伸或形成相互連通的、復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，無凍膠傷害，壓裂液返排速度快，容易產(chǎn)生較高導(dǎo)流能力的裂縫，降低支撐劑用量［7］。清水壓裂用低黏度減阻劑代替常用的凝膠壓裂液，由于其黏度較小，相比凝膠壓裂液來說攜砂能力弱，壓裂半徑?。?］。

巖石的天然裂縫是清水壓裂注入壓裂液的主要通道，巖石楊氏模量越高越易形成粗糙的節(jié)理，保持導(dǎo)流能力。因此清水壓裂適用于天然裂縫較發(fā)育、楊氏模量高的地層［8］。但對水敏性地層，會因黏土膨脹影響壓裂效果。

2.3 分段壓裂

目前，分段壓裂技術(shù)配合水平井施工取得了非常好的效果，也是國內(nèi)外頁巖氣儲層改造的主要方法 (圖3)，在美國，采用多級壓裂和水平井技術(shù)相結(jié)合的方式開采頁巖氣的鉆井占85%［7，9］。水平井分段壓裂施工分為3個主要階段:第一階段:注入設(shè)計用量的前置液 (不加支撐劑的壓裂液);第二階段:注入設(shè)計砂比的壓裂液;第三階段:泵入較高砂比的壓裂液，之后繼續(xù)泵入數(shù)量不定但砂比不斷增加的壓裂液［6，7］。

圖3 水平井分段壓裂示意圖Fig.3 Schematic diagram of staged fracturing of horizontal wells

水平井段采用分段壓裂，能有效地產(chǎn)生更為復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)［2］(圖4)，從而產(chǎn)生更多的流動通道，提高壓裂效果。分段壓裂技術(shù)適用于垂直堆疊的致密地層［7］、產(chǎn)層較多、水平段較長的水平井［8］。水平井分段壓裂主要技術(shù)及對比如表2所示。

圖4 水平井分段壓裂產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Fracture network of staged fracturing of horizontal well

表2 水平井分段壓裂主要技術(shù)對比表Table 2 Comparison table of main technical feature of horizontal well staged fracturing

2.4 同步壓裂

同步壓裂技術(shù)是在美國Barnett頁巖氣開發(fā)中成功應(yīng)用的最新壓裂技術(shù)。該技術(shù)同時對兩口(或兩口以上的)井壓裂 (圖5)，壓裂液及支撐劑在高壓下沿兩口井之間最短的路線運(yùn)移，增加壓裂縫網(wǎng)的密度及表面積［1，2，9～11］，特點(diǎn)是促使水力裂縫在擴(kuò)展過程中相互作用，對相鄰且平行的水平井交互作業(yè)，用更大的壓力和更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)縫壓裂儲層，擴(kuò)大改造體積，從而提高初始產(chǎn)量和采收率［5］。壓裂后，頁巖儲層中簡單的裂縫系統(tǒng)可能會因為原地應(yīng)力和應(yīng)力方向的不同而形成復(fù)雜裂縫系統(tǒng)。這種裂縫系統(tǒng)極大地擴(kuò)大了接觸面積，對于頁巖氣中的吸附氣和游離氣的釋放起到很好的作用。

圖5 同步壓裂技術(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of synchronous fracturing technology

同步壓裂對短期內(nèi)增產(chǎn)效果顯著，對環(huán)境影響減小，完井速度快，壓裂成本降低，常用于頁巖氣井中后期壓裂施工［12］，鉆井較多時，對多口井進(jìn)行同步壓裂，可獲得比單口、依次壓裂更好的效果［13］。

2.5 重復(fù)壓裂

重復(fù)壓裂技術(shù)是指頁巖氣井初次壓裂處理無效，或因支撐劑損壞引起的氣井產(chǎn)量大幅下降時，采取的重新壓裂技術(shù)［12，14～16］。重復(fù)壓裂能夠有效提高頁巖氣井產(chǎn)能，其主要作用機(jī)理如下:

(1)再次打開原有的裂縫;

(2)有效擴(kuò)大原有裂縫網(wǎng)絡(luò)分布面積，增加滲流通道;

(3)對裂縫面沖洗，并返排不溶物;

(4)裂縫內(nèi)再次鋪置高導(dǎo)流能力支撐劑。

重復(fù)壓裂能夠有效處理低滲、天然裂縫發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層，特別對頁巖氣藏，可重建儲層到井眼的線性流，產(chǎn)生導(dǎo)流能力更高的支撐裂縫，恢復(fù)或增加產(chǎn)能［12］。

2.6 縫網(wǎng)壓裂

縫網(wǎng)壓裂技術(shù)是中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院壓裂酸化技術(shù)服務(wù)中心開發(fā)的一項新技術(shù)［17］。其原理是，當(dāng)裂縫延伸凈壓力大于兩個水平主應(yīng)力的差值時，就會產(chǎn)生分支縫，分支縫沿著天然裂縫繼續(xù)延伸，最終可形成以主裂縫為主干的縱橫交錯的“網(wǎng)狀縫”系統(tǒng)。

縫網(wǎng)壓裂適用于低—特低滲透砂巖及泥頁巖油氣藏［5，9，14］。縫網(wǎng)壓裂能改善儲層滲流特征，提高改造效果。目前，進(jìn)行縫網(wǎng)壓裂的切實可行方法是主裂縫凈壓力控制方法、水平井橫切縫多段壓裂技術(shù)及端部脫砂壓裂方法等［14］。

2.7 新型壓裂技術(shù)

近些年，國外一些公司研發(fā)了一些新的壓裂技術(shù)，在常規(guī)油氣田得到了較好的實驗性研究成果，并逐漸被應(yīng)用于油氣田的增產(chǎn)措施中。有的技術(shù) (如混合壓裂技術(shù))已在國內(nèi)外頁巖氣儲層改造方面得到了較好的應(yīng)用。而纖維壓裂技術(shù)、通道壓裂技術(shù)等一些技術(shù)仍處于試驗性階段，應(yīng)用效果也正逐步有所體現(xiàn)。這些新技術(shù)的出現(xiàn)，也將推進(jìn)頁巖氣儲層改造的效果，提高頁巖氣產(chǎn)能，推動頁巖氣工業(yè)的發(fā)展。

2.7.1 混合壓裂技術(shù)

混合壓裂技術(shù)的施工流程是先泵入滑溜水，利用清水的強(qiáng)造縫能力產(chǎn)生長裂縫，再泵入交聯(lián)凝膠前置液，最后利用凝膠和一定粒徑支撐劑的混合液在先前形成的長裂縫中發(fā)生黏滯指進(jìn)，減緩支撐劑沉降，確保裂縫導(dǎo)流能力［3］。

相比于清水壓裂技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于有效裂縫更長，裂縫影響范圍更大，攜砂能力更好，濾失量較低，且可節(jié)約部分用水量。缺點(diǎn)在于對儲層的傷害大于清水壓裂。

2.7.2 纖維壓裂技術(shù)

纖維壓裂技術(shù)的出現(xiàn)是為了解決清水壓裂裂縫寬度不夠，支撐劑嵌入困難，以及攜砂能力不足的問題。其工藝原理是在壓裂液中加入纖維(或光纖)類物質(zhì)使石英砂等支撐劑在壓裂過程中保持懸浮狀態(tài)，裂縫閉合后能改善支撐效果，有些纖維結(jié)構(gòu)可在壓裂后自動溶解，從而進(jìn)一步提高裂縫的導(dǎo)流能力［8］。

纖維壓裂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:①懸砂性能較好，支撐劑的運(yùn)送距離較遠(yuǎn)，提高裂縫導(dǎo)流能力;②設(shè)備要求簡單，成本低。其不足之處在于:纖維聚合物較清水壓裂對儲層傷害略高，壓裂質(zhì)量不易控制。

纖維壓裂技術(shù)在北美致密氣藏的增產(chǎn)方面取得了優(yōu)異的成果。對Burgos盆地Wilcox4致密砂巖氣清水壓裂和纖維壓裂開發(fā)效果對比，采用纖維壓裂技術(shù)的B井產(chǎn)能是采用清水壓裂A井產(chǎn)能的7倍［3］。在美國Barnett頁巖氣開發(fā)的應(yīng)用中，與傳統(tǒng)清水壓裂對比，經(jīng)纖維壓裂技術(shù)改造的頁巖儲層產(chǎn)能是清水壓裂改造儲層產(chǎn)能的2倍，120天產(chǎn)量提高80×104m3。

2.7.3 通道壓裂技術(shù)

通道壓裂技術(shù) (HiWAY)整合了完井、填砂、導(dǎo)流和質(zhì)量控制技術(shù)，支撐劑在水力裂縫中聚集，形成具有無限導(dǎo)流能力的通道 (圖6)。通道壓裂技術(shù)的原理是支撐劑在裂縫內(nèi)大量聚集，形成多個支撐劑聚集體，聚集體之間形成一個復(fù)雜而穩(wěn)定的通道網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，流體并不是從導(dǎo)流能力較低的支撐劑充填層通過，而是通過高導(dǎo)流通道網(wǎng)絡(luò)流動。通道壓裂技術(shù)從根本上改變了裂縫產(chǎn)生導(dǎo)流能力的方式。

圖6 HiWAY通道結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流能力對比圖Fig.6 Comparison of HiWAY channel structure and conductivity

通道壓裂技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:①可顯著提高最終采收率，降低人工舉升成本;②優(yōu)化支撐劑嵌入位置，降低生產(chǎn)阻力;③減少50%以上清水和30%以上支撐劑用量;④減少裂縫壁面?zhèn)?⑤應(yīng)用范圍廣，儲層溫度在38～174℃之間均可應(yīng)用。

截至2013年1月31日，該技術(shù)已成功應(yīng)用于多種巖性、多種流體、多種完井方式的直井及水平井壓裂施工中，其中在美國Barnett、Haynesville、Marcellus等6個頁巖氣盆地的588口頁巖氣井中取得了非常好的應(yīng)用效果。對比清水壓裂技術(shù)，通道壓裂技術(shù)改造后的初期日產(chǎn)量提高了53%，單井采收率在10年間可提高15%以上［8］，具有非常好的應(yīng)用前景。

3 壓裂技術(shù)對比分析

從最早的泡沫壓裂技術(shù)，到目前的水力壓裂及新型壓裂技術(shù)，每種壓裂技術(shù)都有著各自的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢，適用于不同的壓裂情況。前面敘述的幾種壓裂方法的主要情況對比見表3。

表3 各壓裂技術(shù)的特征及適應(yīng)性對比表Table 3 Comparison of fracturing technology features and adaptabilities

4 結(jié)束語

頁巖氣作為新型的清潔“綠色能源”，開發(fā)前景十分廣闊，但其開發(fā)難度之大也給我國頁巖氣開發(fā)技術(shù)帶來了一定的挑戰(zhàn)。壓裂技術(shù)是頁巖氣開采的主要技術(shù)手段，我國頁巖氣開發(fā)工作剛剛起步，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的壓裂技術(shù)理論手段，并結(jié)合我國頁巖儲層特征得以實驗性應(yīng)用，是我國頁巖氣開發(fā)初期的重要任務(wù)。同時，應(yīng)不斷探索適合我國頁巖儲層特征的壓裂技術(shù)體系，推進(jìn)我國頁巖氣勘探開發(fā)工作。

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