頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)綜述

王一可

（中國石油天然氣股份有限公司吉林油田分公司招標中心 吉林松原 138000）

頁巖氣是指還保留在生油巖中的天然氣，它既是常規(guī)天然氣的潛在替代能源，也是一種清潔環(huán)保能源。目前，頁巖氣勘探開發(fā)正由北美向全球擴展。美國作為世界上最早從事頁巖氣勘探開發(fā)的國家，在技術(shù)探索上為我們提供了極為寶貴的經(jīng)驗。近年來，我國頁巖氣開發(fā)也呈現(xiàn)出十分可喜的趨勢，但與先進的美國等國家相比，還有一定的距離，因此技術(shù)的創(chuàng)新與進步顯得極為重要。

1 我國頁巖氣資源開發(fā)情況

1.1 頁巖氣的蘊藏情況

根據(jù)EIA2017年的全球調(diào)查顯示，我國主要盆地和地區(qū)的頁巖氣儲量為36.1萬億m3，比頁巖氣革命取得成功的美國還要多出近12萬億m3。主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地，同時在海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相地層也有分布。川南、川東、渝東南、黔北、鄂西等上揚子地區(qū)的開發(fā)前景十分廣闊。

自2012年以來，在四川威遠和長寧、重慶綦江和永川、湖北宜昌、云南昭通、貴州安順等地區(qū)相繼實現(xiàn)了海相頁巖氣勘探突破，長江經(jīng)濟帶地區(qū)和重慶市成為頁巖氣最富集的地區(qū)。從無到有，5年時間我國頁巖氣探明儲量累計超過9000億立方米。

1.2 頁巖氣的開采

中國頁巖氣發(fā)展先后經(jīng)歷了2004年以前的裂縫油氣藏勘探與偶然發(fā)現(xiàn)、2004年到2009年的基礎(chǔ)研究與技術(shù)準備，以及2010年到現(xiàn)在的工業(yè)化突破三個階段。截至2016年底，我國頁巖氣產(chǎn)量達到78.82億立方米，僅次于美國、加拿大，位于世界第三位。英國石油（BP）公司最新發(fā)布的《2018世界能源展望》指出，到2040年中國將成為僅次于美國的第二大頁巖氣生產(chǎn)國，日產(chǎn)量將達到6.23億立方米。

2 頁巖氣開發(fā)主要技術(shù)

中國頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)條件復(fù)雜，頁巖氣勘探開發(fā)面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，在技術(shù)上實現(xiàn)突破已經(jīng)迫在眉睫。自從美國1821年完鉆世界上第一口頁巖氣井80多年以來，頁巖氣鉆井先后經(jīng)歷了直井、單支水平井、多分支水平井、叢式井、PAD水平井鉆井的發(fā)展歷程，不斷取得新的進步。

2.1 水平井技術(shù)

水平井是頁巖氣藏成功開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，水平井的推廣應(yīng)用加速了頁巖氣的開發(fā)進程。頁巖氣層鉆水平井可以獲得更大的儲層泄流面積，更高的天然氣產(chǎn)量。2002年以前，垂直井是美國頁巖氣開發(fā)的主要井型。2002 年Devon 能源公司在Barnett頁巖的7 口試驗水平井取得巨大成功后，美國頁巖氣的開采才大力推廣水平井，水平井已然成為頁巖氣生產(chǎn)開發(fā)的主要鉆井方式。鉆井作業(yè)采用泥漿系統(tǒng)、井下鉆具以及定向設(shè)備等常規(guī)鉆井技術(shù)。通常，水平段越長，最終采收率和初始開采速度就會得到越大的提高。

2.2 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(RSS)是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時，隨鉆實時完成導(dǎo)向功能的一種導(dǎo)向式鉆井系統(tǒng)，是20世紀90年代以來定向鉆井技術(shù)的重大變革。RSS鉆進時具有摩阻與扭阻小、鉆速高、成本低、建井周期短、井眼軌跡平滑、易調(diào)控并可延長水平段長度等特點，被認為是現(xiàn)代導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展方向。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)按其導(dǎo)向方式可分為推靠鉆頭式(Push the Bit)和指向鉆頭式(Point the Bit)兩種系統(tǒng)。2015年5月4日，中國自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)和隨鉆測井系統(tǒng)聯(lián)袂在渤海完成鉆井作業(yè)，掌握“貪吃蛇”鉆井技術(shù)，中國在這兩個技術(shù)領(lǐng)域打破了國際壟斷，成為全球第二個同時擁有這兩項技術(shù)的國家。

2.3 欠平衡鉆井技術(shù)

欠平衡鉆井是指鉆井過程中鉆井液液柱壓力低于地層孔隙壓力，允許地層流體流入井眼、循環(huán)出井并在地面得到有效控制的一種鉆井方式。當前，國內(nèi)正在積極試驗開采長寧、威遠頁巖氣區(qū)塊，在對上部泥漿進行鉆井操作的過程中，出現(xiàn)了機械鉆進速度慢、惡性井漏等情況，導(dǎo)致井下部位施工困難。在使用該技術(shù)之后，有效解決了井下因為惡性井漏造成的下部井施工困難的問題，確保了井下部工程能夠順利進行。

2.4 隨鉆測井技術(shù)

石油工業(yè)隨鉆測井LWD(Logging While Drilling)一般是指在鉆井的過程中測量地層巖石物理參數(shù)，并用數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)將測量結(jié)果實時送到地面進行處理。隨鉆測井的關(guān)鍵技術(shù)是信號傳輸，目前廣泛使用的是鉆井液壓力脈沖傳輸，這是目前隨鉆測井儀器普遍采用的方法，它是將被測參數(shù)轉(zhuǎn)變成鉆井液壓力脈沖，隨鉆井液循環(huán)傳送到地面。近年來，為提高傳輸率開始試用電磁波傳輸技術(shù)，同時將隨鉆測井儀器放在非磁性鉆鋌內(nèi)，非磁性鉆鋌和上部鉆桿之間，有絕緣短節(jié)，以便于載有被測信息的低頻電磁波向井周地層傳播。

2.5 微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)

微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的一項新的物探技術(shù)。其原理是通過采集水力壓裂、注水等引起的微地震事件，分析確定出裂縫參數(shù)和油藏狀態(tài)等信息，從而達到描述裂縫破裂過程，評價壓裂效果，為火燒油層方案和布井方案調(diào)整提供依據(jù)的目的。它能實時提供壓裂施工產(chǎn)生裂隙的高度、長度和方位角，利用這些信息可以優(yōu)化壓裂設(shè)計、優(yōu)化井網(wǎng)或其他油田開發(fā)措施，從而提高采收率。微地震監(jiān)測可以在水力壓裂過程中對裂縫進行實時監(jiān)測，進而優(yōu)化壓裂設(shè)計，已經(jīng)成為頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.6 壓裂增產(chǎn)技術(shù)

壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開發(fā)過程中實現(xiàn)增產(chǎn)目標的重要技術(shù)之一，主要使用的壓裂手段包括氮氣壓裂、泡沫壓裂、凝膠壓裂、二次壓裂、多段壓裂、清水壓裂以及同步壓裂等技術(shù)。在壓裂操作過程中，必須避免使用高黏度的膠體作為壓裂液。同時，因為壓裂過程中較高的初始壓力會導(dǎo)致井筒附近出現(xiàn)傷害，而適當?shù)乃峄軌蛴行p少傷害。利用微地震方法能夠檢測到其中沒有進行壓裂改造的區(qū)域。

2.7 泡沫固井技術(shù)

頁巖氣井的完井方式主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、組合式橋塞完井、機械式組合完井等。完井過程既要提高儲層滲透率又要避免儲層損害，這直接關(guān)系到頁巖氣的采收率。頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術(shù)。泡沫水泥具有漿體穩(wěn)定、密度低、滲透率低、失水小、抗拉強度高等特點，因此泡沫水泥有良好的防竄效果，能解決低壓易漏長封固段復(fù)雜井的固井問題，而且水泥侵入距離短，可以減小儲層損害。國外經(jīng)驗證實，泡沫水泥固井比常規(guī)水泥固井產(chǎn)氣量平均高出23%。

2.8 “工廠化”開采技術(shù)

為節(jié)約利用土地，在頁巖氣開采過程中探索形成了“工廠化”開采模式，在一個籃球場大的區(qū)域就可以同時施工 4～6 口水平井，并在地面連成管網(wǎng)，集中產(chǎn)氣?！肮S化”開采模式對我國南方復(fù)雜山區(qū)尤為重要，目前四川涪陵焦石壩等地區(qū)普遍采用了“井工廠”的開發(fā)模式，在一個鉆井平臺上最多鉆 6～8 口水平井，同時鉆井、壓裂、開發(fā)，既節(jié)省了勘探開采成本又實現(xiàn)了規(guī)?；_發(fā)，更有利于地面集輸管線的輸送。

3 結(jié)論

（1）正視地質(zhì)困難。我國頁巖氣儲量85%以上分布在3500米至4500米的埋深范圍內(nèi)，還不能通過三維地質(zhì)建模精細刻畫空間結(jié)構(gòu)和斷層裂縫；

（2）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向等核心技術(shù)仍有待突破，水力壓裂等技術(shù)更需要進一步提高效率才能規(guī)模上產(chǎn)，因此只有實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破才能實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模上產(chǎn)；

（3）只有探索符合中國勘探開發(fā)實際情況的“工廠化”作業(yè)模式，才能夠提高井產(chǎn)量，實現(xiàn)老井持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。