頁巖氣壓裂增產(chǎn)技術(shù)

牛作剛

（華東油氣分公司采油氣工程服務(wù)中心，江蘇 泰州 225300）

1 我國頁巖氣存儲和分布

1.1 頁巖氣存儲情況

我國具有十分豐富的頁巖氣存儲量，同時(shí)一些調(diào)查研究顯示，在我國僅陸地就有約133.44萬億立方米的頁巖氣地質(zhì)資源，不僅包含青藏高原地區(qū)，同時(shí)其他地區(qū)的頁巖氣地質(zhì)資源也十分豐富，可高達(dá)27.45萬億m3，在陸地頁巖氣地質(zhì)資源總面積中約有88萬km2已經(jīng)獲得評價(jià)單元，該單元面積約有92.33萬億m3的地質(zhì)資源總量，其中約有16.78萬億立方米的可使用資源，該數(shù)據(jù)在目前具有較高的確定度和精準(zhǔn)性，由此可見，我國具有十分豐富的頁巖氣資源。

1.2 頁巖氣分布情況

立足我國地質(zhì)條件方面進(jìn)行分析，可為頁巖氣聚集提供有利條件。我國具有較大的海域沉積面積，同時(shí)我國的烴源巖具有良好發(fā)育狀況和較高演化度，我國四川及渤海灣等盆地的頁巖氣都十分豐富，甚至一些局部地區(qū)約有超過30%的有機(jī)含碳量，而南方海相頁巖地層也屬于頁巖氣的重要聚集地之一，不僅如此，鄂爾多斯及松遼等盆地頁巖地層的頁巖氣聚集情況也十分良好。除此之外，重慶武隆及南川等地區(qū)存在的成礦區(qū)帶更是十分利于頁巖氣資源聚集，所以目前我國可在上述地區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)。

1.3 頁巖氣藏地質(zhì)條件

從本質(zhì)方面來看，頁巖氣不同于其他類型氣藏，主要特征體現(xiàn)在生物化學(xué)成因氣及熱成因氣、兩者混合成因氣等多方面，頁巖氣具備的地層飽含氣及隱蔽聚集機(jī)理等特征較為普遍，同時(shí)具有極其復(fù)雜的貯存方式。我國一些研究學(xué)者通過大量研究發(fā)現(xiàn)，頁巖氣在泥頁巖地層中聚集的狀態(tài)是以吸附及游離等為主，而其中頁巖氣的一個(gè)重要機(jī)理就是吸附作用。立足頁巖氣藏特征進(jìn)行分析，具體包含以下兩方面內(nèi)容：第一，隊(duì)頁巖即烴源巖，該巖層是頁巖氣的儲層及蓋層，氣藏形式為自生自儲，具有極短的運(yùn)移特征[1]。第二，頁巖氣的主要貯存方式為吸附及游離等氣體。第三，非達(dá)西流是頁巖氣主要的滲流方式，且孔喉直徑屬于納米級，是一種超致密儲層，具有極低的孔、滲，4%～5%為最高孔隙度，＜1×10-3μm2為滲透率，一般是由裂縫提供儲氣空間。第四，成藏是以大面積連續(xù)區(qū)域形式為主，比如說北美的Barnett，約有3.81萬km2盆地面積，2.6萬km2烴源巖面積，其中1.55萬km2為頁巖氣藏開發(fā)面積。

2 頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀分析

從目前頁巖氣藏開發(fā)實(shí)際情況來看，并未形成普遍開發(fā)的狀態(tài)，其開發(fā)主要是在美國及加拿大等國家集中，特別是對于美國來說，已經(jīng)逐漸向快速開發(fā)頁巖氣的階段中邁入[2]。美國紐約州某盆地的泥盆系為第一口商業(yè)性頁巖氣井，始于1821年，到目前為止，其歷史已經(jīng)有200余年，立足北美頁巖氣開發(fā)實(shí)際情況來看，一些經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)著通過鉆井及完井工程設(shè)計(jì)技術(shù)等的高效利用，加之在目的層段方面進(jìn)行優(yōu)先，進(jìn)而基于鉆井速度的逐步加快，能使單井產(chǎn)能有效提高，同時(shí)也利于開采期限的有效延長。而在2002年，某能源公司試驗(yàn)成功和推廣的水平鉆井技術(shù)，充分反映了頁巖氣開采跨時(shí)代的發(fā)展，主要原因在于2002年之前，美國開發(fā)頁巖氣時(shí)的鉆井方式主要為垂直井，應(yīng)用垂直井鉆井方式開采頁巖氣的過程中，受長壁開采影響，覆巖運(yùn)動(dòng)情況極易引發(fā)，此時(shí)穿過采區(qū)的垂直頁巖氣井會出現(xiàn)各種變形情況，與此同時(shí)，垂直井開采過程，受軟硬巖層間弱接觸面影響，會給垂直井的穩(wěn)定性造成影響，所以垂直井開采頁巖氣的過程中缺陷較多；而隨著2002年水平鉆井優(yōu)勢逐步凸顯之后，水平鉆井開始受到業(yè)內(nèi)的大力推廣，并且逐步趨于頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式方面發(fā)展，自此之后迅速增加了大量頁巖氣水平井。

3 頁巖氣壓裂增產(chǎn)技術(shù)

3.1 水平井分段壓裂技術(shù)

為了能夠科學(xué)開采頁巖氣，在具體開采頁巖氣的環(huán)節(jié)，通常都會有機(jī)結(jié)合水平鉆井及分段壓裂技術(shù)，從水平井技術(shù)方面進(jìn)行分析，主要是說以某一具體水平面的水平方向打井為出發(fā)點(diǎn)，借此來達(dá)到科學(xué)化開采頁巖氣目的，該技術(shù)是以鉆桿的利用為主，一些科學(xué)家在對比垂直鉆井和水平鉆井兩種方式的情況下發(fā)現(xiàn)，以結(jié)果為主要依據(jù)，能夠明確其中具有顯著優(yōu)勢的為水平井，主要體現(xiàn)在以下幾方面：首先，通過水平井技術(shù)來開發(fā)頁巖氣，能有效加大井筒及儲存層，使裂縫相交機(jī)率逐步增加，所以該技術(shù)在低滲透率及小空隙的頁巖開采中十分適用。其次，應(yīng)用該技術(shù)開采頁巖氣無需占據(jù)較大面積，主要體現(xiàn)在水平井技術(shù)使用的設(shè)備方面，因設(shè)備體積較小，所以地面對設(shè)備的限制性因素也大幅度減少，可使設(shè)備開采范圍逐步拓寬。立足分段壓裂技術(shù)方面進(jìn)行分析，主要是在水平井筒內(nèi)利用分隔器，進(jìn)而以逐級的方式開展壓裂，一般是以三個(gè)階段為主：第一，將前置液輸入到頁巖氣儲存層中；第二，注意壓力液中支撐劑使用時(shí)合適濃度的調(diào)制；第三，將高濃度支撐劑投入到頁巖氣儲存層。分段壓裂適用于單一區(qū)域的頁巖氣開發(fā)。

3.2 重復(fù)壓裂技術(shù)

應(yīng)用重復(fù)壓裂技術(shù)開采頁巖氣的過程中，主要是多次壓裂同一地層，借此有效優(yōu)化已經(jīng)存在的裂紋，逐步達(dá)到重建儲層和井眼間線性流的目的，此時(shí)能夠成功且直接開采未能采集的頁巖氣。但是，要想確保該技術(shù)預(yù)期開采目標(biāo)得以有效達(dá)成，應(yīng)深入分析該技術(shù)應(yīng)用時(shí)能獲得成功的具體原因，基于獲得成功原因的充分了解，進(jìn)而優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用。此外，在開采頁巖氣的過程中，要想對重復(fù)壓裂技術(shù)進(jìn)行科學(xué)了解和切實(shí)掌握，還應(yīng)注意失敗原因的充分明確，綜合評估各方面因素，如導(dǎo)流能力有效性及長度等參數(shù)，借此切實(shí)掌握重復(fù)壓裂技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用，基于技術(shù)優(yōu)勢作用的充分發(fā)揮，為頁巖氣預(yù)期開采目標(biāo)的良好實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

3.3 同步分裂技術(shù)

同步分裂技術(shù)主要是說在同一時(shí)間壓裂多個(gè)井，通過此技術(shù)的應(yīng)用，會產(chǎn)生一種高壓作用，使兩井間壓裂液運(yùn)移距離向最短方面降低，增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)表面積和密度。此外，通過該技術(shù)應(yīng)用還能使操作區(qū)域逐步擴(kuò)大，但值得注意的是，該技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)往往會高要求技術(shù)水平，同時(shí)開采成本也會在一定程度上增加，因此需將后勤保障及協(xié)調(diào)等方面工作做好。同步分裂技術(shù)的顯著優(yōu)勢為能保障頁巖氣井快速增產(chǎn)目標(biāo)得以良好實(shí)現(xiàn)。水力壓裂示意圖如圖1所示。

圖1 水力壓裂

3.4 新型壓裂技術(shù)

在科技迅猛發(fā)展的背景下，頁巖氣開采技術(shù)也開始逐漸趨于成熟方向發(fā)展，而在頁巖氣壓裂增產(chǎn)中應(yīng)用大量新工藝及新技術(shù)，利于頁巖氣增產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。（1）新型重復(fù)壓裂技術(shù)。該技術(shù)能夠融合微地震解釋技術(shù)，同時(shí)也能使實(shí)時(shí)監(jiān)控及裂縫攢肚等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，借此嚴(yán)密控制頁巖氣開采區(qū)域，為有效開發(fā)所有頁巖氣提供保障，也利于儲存體系的逐步增加。（2）減阻水壓裂技術(shù)。開采頁巖氣時(shí)，多數(shù)頁巖地層縫網(wǎng)壓裂十分必要，而僅有少數(shù)的天然裂縫無需開展縫網(wǎng)壓裂操作。但值得注意的是，縫網(wǎng)壓裂過程，因液體不具備較強(qiáng)的攜砂能力，同時(shí)開采效率較低，大排量壓裂目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)，此時(shí)為保障上述問題有效解決，減阻水壓力技術(shù)得到了有效研發(fā)，通過此技術(shù)應(yīng)用，能為人們降低摩阻提供幫助，使得大排量壓裂需求得以充分滿足。

3.5 電動(dòng)壓裂和泵送橋塞與射孔聯(lián)作技術(shù)

該技術(shù)用于開采頁巖氣中具備的顯著特征體現(xiàn)在降本、綠色、環(huán)保、施工周期短及24 h連續(xù)施工等方面，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要流程如下：將傳統(tǒng)柴油機(jī)壓裂模式轉(zhuǎn)變成純電動(dòng)壓裂模式，降低了施工時(shí)噪音的影響，實(shí)現(xiàn)了24 h連續(xù)施工的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣快速、高效的開發(fā)。電動(dòng)壓裂配合泵送橋塞與射孔聯(lián)作技術(shù)，第一段采用爬行器或連續(xù)油管射孔后進(jìn)行電動(dòng)壓裂改造，通過套管串中短套管的預(yù)置，使各壓裂層段所在位置得到標(biāo)記，之后使用電纜下入橋塞、射孔槍及磁定位儀等，采用小排量泵送的方式使橋塞到達(dá)預(yù)定位置進(jìn)行坐封，實(shí)現(xiàn)第二段壓裂層與第一段壓裂層的分隔，上提電纜完成第二段的射孔工作，然后起出橋塞與射孔工具串，對第二段進(jìn)行電動(dòng)壓裂改造，重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)對頁巖氣井全井筒壓裂改造的目的，該技術(shù)的順利實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣低成本、綠色環(huán)保、高效開發(fā)的目標(biāo)。

4 頁巖氣勘測開發(fā)新技術(shù)

傳統(tǒng)頁巖氣開采方式應(yīng)用時(shí)，通常都會在采收率和生產(chǎn)周期方面進(jìn)行充分考慮，我國進(jìn)行頁巖氣開采時(shí)，采收率變動(dòng)情況較大，一些情況下很難達(dá)到高效開采目的，主要原因在于開采頁巖氣層時(shí)周期較長。通常來說，頁巖往往是以暗色泥巖或淺色粉砂巖為主，同時(shí)部分頁巖還會在巖石顆?；蛴袡C(jī)質(zhì)表面吸附，受頁巖氣層地質(zhì)及環(huán)境等多種因素影響，使開采難度逐漸增加，對此，就需要通過先進(jìn)開采技術(shù)的應(yīng)用，保障頁巖氣順利開采及增產(chǎn)目標(biāo)的逐步實(shí)現(xiàn)，具體技術(shù)包含：地質(zhì)儲量評估、壓裂增產(chǎn)、射孔優(yōu)化、水平井增產(chǎn)、欠平衡鉆井等。

5 結(jié)語

屬于重要資源之一的頁巖氣，發(fā)展前景十分廣闊。開采頁巖氣的過程中，使用頁巖氣井壓裂技術(shù)的優(yōu)勢十分顯著，如開采規(guī)模大、排量大等，可借助大型壓裂進(jìn)行復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)縫的有效改造，使整體改造面積逐步擴(kuò)大，促進(jìn)增產(chǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在地區(qū)不同的情況下，頁巖氣差異也往往十分顯著，加之海陸間差異也較大，因此開采技術(shù)應(yīng)用過程，避免出現(xiàn)盲目照搬其他地區(qū)技術(shù)的現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用，針對性進(jìn)行壓裂改造。