頁巖氣開發(fā)壓裂工藝技術(shù)現(xiàn)狀探討

林金堂

摘要：頁巖氣在國內(nèi)分布范園廣、儲量大，具有巨大的資源潛力和廣闊的開發(fā)前景，但目前尚未實現(xiàn)有效開發(fā)。面對頁巖氣地層壓力低、能量不足、產(chǎn)量低等困難，壓裂工藝技術(shù)具有一定的效果。

關(guān)鍵詞：頁巖氣開發(fā)；壓裂工藝；技術(shù)現(xiàn)狀；應(yīng)用

引言

我國具有較豐富的頁巖氣資源，受頁巖基質(zhì)滲透率很低、勘探開發(fā)困難等客觀條件限制，勘探開發(fā)程度較低。90%以上的井需要經(jīng)過酸化、壓裂等儲層改造才能獲得比較理想的產(chǎn)量。技術(shù)進(jìn)步是頁巖氣產(chǎn)量提高的根本原因，特別是水平鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)的進(jìn)步使頁巖氣產(chǎn)量有了突飛猛進(jìn)的增長。

1、頁巖氣壓裂工藝現(xiàn)狀

1.1直井連續(xù)油管分層壓裂工藝現(xiàn)狀

頁巖氣在早期開發(fā)過程中，針對淺層為主，以直井工藝形式為主，壓裂工藝具體三個方面的特征。也就是連續(xù)油管、水力噴砂射孔以及環(huán)空加砂。該工藝主要借助高速、高壓流體等完成射孔，在開啟地層以及井筒中間的通道。該工藝的關(guān)鍵點是水力噴砂射孔，隨后環(huán)空加砂，隨后，通過填砂封堵的方式壓裂層段。通過重復(fù)前述步驟，并最終完成施工操作。施工環(huán)節(jié)結(jié)束，通過借助連續(xù)油管完成沖砂以及反排。該工藝表現(xiàn)出作業(yè)周期相對較短，成本相對較低的特征?，F(xiàn)階段，頁巖氣直井開發(fā)工藝獲得了相對較好的應(yīng)用。

1.2水平井分段壓裂工藝現(xiàn)狀

1.2.1水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂工藝

該技術(shù)的主要特征是套管壓裂以及多端分簇射孔，在施工環(huán)節(jié)上主要包括幾個方面：采取油管或者是連續(xù)油管傳輸方式射孔，井提取射孔槍。通過套管之中進(jìn)行壓裂。此外，通過液體泵對設(shè)備送井。坐封橋塞，對射孔槍以及橋塞完成分離，隨后壓裂第二段。重復(fù)上述中操作，并完成多級壓裂。

1.2.2水平井封隔器分段壓裂工藝

該技術(shù)借助井口落球操作系統(tǒng)完成滑套，系統(tǒng)應(yīng)用原理對應(yīng)直井應(yīng)用的投球壓差式封隔器相同。該工藝在在層級滑套掉落以及控制極差方面表現(xiàn)良好。該工藝主要應(yīng)用的是機械式封隔器，且主要被應(yīng)用在套管完井方面。此類封隔器更多借助的是壓力坐封以及工具坐封。受到工藝的復(fù)雜性影響，下入工具串次相對更多，水平井在施工操作上風(fēng)險系數(shù)加大，為此，該技術(shù)目前應(yīng)用程度逐漸減少。

通過多井同步壓裂可以讓儲層中頁巖所能夠承受的壓力更大，提高鄰井彼此之間的應(yīng)力干擾，進(jìn)一步提高復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整近井地帶當(dāng)中的應(yīng)力場。此類復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)主要結(jié)合提高裂縫密度以及壁面的表面積，進(jìn)而建立三維裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高壓裂改造方面的波及體積，通過此類方式提高采收率情況。

2、頁巖氣開發(fā)常見壓裂工藝技術(shù)

2.1暫堵壓裂技術(shù)

2.1.1暫堵壓裂原理及特點

流體總是向阻力最小的方向流動。壓裂施工時投入抗壓強度很高的暫堵劑后，當(dāng)暫堵劑進(jìn)入射孔炮眼后，部分進(jìn)入地層中的裂縫或高滲透層在炮眼處和高滲透帶產(chǎn)生濾餅橋堵，形成高于裂縫破裂壓力的壓差，使后續(xù)壓裂液不能繼續(xù)進(jìn)入原有裂縫從而發(fā)生轉(zhuǎn)向進(jìn)入高應(yīng)力區(qū)或新裂縫層，促使新縫的產(chǎn)生和支撐劑的鋪置變化，從而建立新的流體流動通道，溝通老裂縫未動用的油氣層，提高油氣產(chǎn)量。另外，暫堵劑一般選用活性可溶抗壓小球，易溶于地層水或壓裂液，對地層污染很小。

2.1.2暫堵壓裂工藝

暫堵壓裂工藝?yán)梦⒌卣鸱▽κ┕r裂縫延伸進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。當(dāng)主壓裂施工結(jié)束后停泵，人工加入暫堵劑，暫堵劑為直徑8-12mm的可溶性小球，打初壓開井用膠液以6-8m3/min的排量泵送暫堵劑至射孔段，降排量為2-3m3/min。觀察施工壓力變化，掌握暫堵效果，當(dāng)壓力迅速升高后表明暫堵成功，接著加大排量壓開新的裂縫，從而達(dá)到儲層體積壓裂，增加儲層泄油面積和流動通道。

2.2堵球壓裂轉(zhuǎn)向技術(shù)

封堵球轉(zhuǎn)向?qū)儆跈C械轉(zhuǎn)向的一種，因為層間破裂壓力的不同，使用封堵球，一般比射孔孔眼要大一點，1.5倍左右比較合適，由攜帶液帶到射孔孔眼，堵住孔眼后造成井底壓力上升，使破裂壓力較高的底層被壓開，由此進(jìn)行逐層改造。此技術(shù)成功與否取決于是否排量足夠大，以此來維持封堵壓力。由于管柱直徑必須使封堵球可以順利通過，所以一般要求管徑是堵球直徑的3倍。

能否有足夠的排量來維持孔眼兩端的壓差是這項技術(shù)的關(guān)鍵，為了使封堵球能夠有效的封堵，所以需要很大的泵注排量，并且孔道的形狀也會對封堵的有效性有很大的限制，除此之外，封堵球于攜帶液的密度也要遵循嚴(yán)格的匹配制度，浮力的作用不會使低密度浮球沉在攜帶液的底部，所以很多地方使用低密度的浮球來代替普通的封堵球。從封堵得效果來看，如果是直井，浮球的效果是好于普通沉球，如果是水平井，根據(jù)射孔孔眼的方位，選擇不同密度的封堵球封堵不同方位的孔眼。

此技術(shù)具有一定的局限性，絕大多數(shù)用于射孔完井的油氣井，水平井由于酸化井段長，注入排量低，很難保證需要達(dá)到足夠的坐封壓差，所以水平井一般很少使用封堵球封堵。

2.3水力噴砂分段壓裂技術(shù)

這種技術(shù)是把水力壓裂工藝同水力噴砂射孔技術(shù)進(jìn)行融合，同時保有各自技術(shù)的特殊定位性。這種技術(shù)的特點是不使用機械密封裝置卻可以精準(zhǔn)的進(jìn)行多層壓裂。它的原理是通過伯努利方程，把壓能向動能的方向轉(zhuǎn)化。這個工藝流程為：先將壓能與動能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再使用水力噴射讓產(chǎn)能負(fù)壓帶來隔離效果，高速運轉(zhuǎn)的流體就在巖石中形成了孔洞。這些孔洞帶來了壓力勢能，從而產(chǎn)生裂縫。進(jìn)行下一層的壓裂作業(yè)時，它能自行封隔，原來壓開的層段不會再進(jìn)一步延展，不需要使用橋塞和封隔器等專業(yè)的隔離工具，通過拖動管柱就能順序壓開另外需要改造的井段。

2.4水平井裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)

水平井裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)的優(yōu)點在于其操作簡便，工藝流程簡單，作業(yè)效率高，特別適合低滲、低壓和低孔油氣藏水平井的升級改造。在實際作業(yè)中，把壓裂管柱與水平井分段壓裂工藝管柱進(jìn)行連接，下放進(jìn)井，達(dá)到指定的層段。然后依次進(jìn)行投球、加壓、關(guān)閉坐封球座通道，然后提升壓力同時坐封各封隔器。加大壓力用以剪斷滑套內(nèi)的銷釘，把壓力推到內(nèi)滑套的下行位。之后開啟鎖緊機構(gòu)，再通過噴砂孔進(jìn)行壓裂作業(yè)。作業(yè)時按順序投放低密度球，壓開所有的設(shè)計裂縫。在作業(yè)完畢后，放噴排液，然后收回低密度球，保證油管暢通，給后續(xù)生產(chǎn)順利進(jìn)行帶來保證。同時也應(yīng)注意到，裸眼封隔器分段壓裂技術(shù)也存在一些弊端。常見的有封隔器的膨脹周期較長，可能造成無法解封。另外裸眼封隔器和滑套分段壓裂技術(shù)使用的不動管柱，以及地面投球作業(yè)時，其投球開啟滑套裂縫的開始位置不好掌握。分段壓裂后的壓裂管柱就是生產(chǎn)管柱，這在氣井中的使用較為廣泛，但是在油井中的應(yīng)用還不是很完善，不利于后續(xù)的二次生產(chǎn)。

結(jié)語

頁巖氣作為十分重要的非常規(guī)資源，借助先進(jìn)技術(shù)開發(fā)頁巖氣，對我國資源利用具有重要價值。北美地區(qū)，在頁巖氣開發(fā)方面方面具有先進(jìn)經(jīng)驗，中國具有十分豐富的資源，但是開發(fā)技術(shù)仍然處在初級階段，為此，充分學(xué)習(xí)北美經(jīng)驗對我國具有重要價值。井壓裂表現(xiàn)出規(guī)模性以及排量高的特點，通過大型壓裂技術(shù)優(yōu)化，則能夠建立更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)縫，對提升產(chǎn)量具有巨大幫助。

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