四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展、挑戰(zhàn)及對(duì)策

張烈輝 何 驍 李小剛 李昆成 何 江張 智 郭晶晶 陳怡男 劉文士

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 2.中國(guó)石油西南油氣田公司

0 引言

天然氣是公認(rèn)最清潔的低碳化石能源。加大國(guó)內(nèi)天然氣勘探開(kāi)發(fā)力度，符合“堅(jiān)持清潔低碳導(dǎo)向”的新時(shí)代能源政策理念[1]。經(jīng)過(guò)十余年勘探開(kāi)發(fā)研究和實(shí)踐[2-4]，頁(yè)巖氣已經(jīng)成為我國(guó)天然氣領(lǐng)域增儲(chǔ)上產(chǎn)的主力資源[5]。四川盆地已經(jīng)并將繼續(xù)成為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。面對(duì)全球新冠肺炎疫情蔓延、北美頁(yè)巖氣行業(yè)“破產(chǎn)潮”[3]、國(guó)內(nèi)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)[1]等國(guó)際國(guó)內(nèi)最新形勢(shì)，及時(shí)解剖四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展、挑戰(zhàn)，研究應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的攻關(guān)策略，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)頁(yè)巖氣大規(guī)模高效益開(kāi)發(fā)具有極其重要的示范意義。

1 四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展

四川盆地頁(yè)巖氣，特別是川南頁(yè)巖氣先后經(jīng)歷了評(píng)層選區(qū)（2006—2009年）、先導(dǎo)試驗(yàn)（2009—2014年）、示范建設(shè)（2014—2016年）和規(guī)模開(kāi)采（2017年至今）四個(gè)階段[6]。現(xiàn)已掌握埋深3 500 m以淺的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)核心技術(shù)，正在攻關(guān)深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)，已建產(chǎn)涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通、綦江、威榮、太陽(yáng)等7個(gè)重點(diǎn)勘探開(kāi)發(fā)區(qū)。但四川盆地或者全國(guó)大規(guī)模有效開(kāi)發(fā)形勢(shì)尚未形成，目前僅有長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)年產(chǎn)量突破了100×108m3，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模有效開(kāi)發(fā)。

1.1 勘探理論與技術(shù)進(jìn)展

四川盆地頁(yè)巖氣勘探理論與技術(shù)獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，主要體現(xiàn)在地震、測(cè)井、地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)等方面。

1）形成了寬方位角度地震勘探、各向異性地震勘探、疊前成像、全波形反演、三維和四維地震勘探、全數(shù)字精細(xì)地震采集、高密度地震采集、人工智能與地震勘探結(jié)合、多震源采集以及多波多分量地震等新技術(shù)[7-10]，集成了一套基于地震反演為主的頁(yè)巖氣甜點(diǎn)預(yù)測(cè)手段[11]。

2）自主研發(fā)了存儲(chǔ)式陣列感應(yīng)測(cè)井儀、自然伽馬能譜儀、交叉偶極聲波儀等儀器，配套完善了頁(yè)巖氣國(guó)產(chǎn)化測(cè)井采集儀器，形成了川南地區(qū)海相頁(yè)巖氣水平井國(guó)產(chǎn)測(cè)井采集技術(shù)系列，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了以“七性關(guān)系”為核心的頁(yè)巖有機(jī)碳含量、孔隙度、飽和度、含氣量、脆性指數(shù)和巖石力學(xué)等6項(xiàng)關(guān)鍵地質(zhì)工程參數(shù)的精細(xì)評(píng)價(jià)，使得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井綜合解釋的符合率超過(guò)92%。

3）在“二元富集”[12]“四大因素控制”[13]等頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)理論基礎(chǔ)上，揭示了“沉積—成巖作用控儲(chǔ)、保存條件控藏、I類(lèi)儲(chǔ)層連續(xù)厚度控產(chǎn)”的“三因素控制”海相頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)規(guī)律，明確了長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣示范區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣富集控制因素，建立了適應(yīng)于川南地區(qū)頁(yè)巖氣的富集高產(chǎn)模式，創(chuàng)建了多期構(gòu)造演化、高過(guò)成熟頁(yè)巖氣地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)，基本落實(shí)了川南地區(qū)下古生界海相頁(yè)巖氣有利分布區(qū)及資源規(guī)模。

4）綜合考慮成藏地質(zhì)條件、開(kāi)發(fā)利用條件、經(jīng)濟(jì)效益、地理環(huán)境等因素，建立了埋深3 500 m以淺頁(yè)巖地質(zhì)和資源評(píng)價(jià)方法，集成了3 500 m以淺低緩構(gòu)造頁(yè)巖氣地質(zhì)工程一體化建模手段，打造了多個(gè)“透明頁(yè)巖氣藏”。

1.2 氣藏工程理論與方法進(jìn)展

經(jīng)過(guò)十余年的技術(shù)攻關(guān)，四川盆地頁(yè)巖氣的氣藏工程理論和方法取得了顯著進(jìn)展。特別是頁(yè)巖裂縫特征和頁(yè)巖氣復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律表征、壓裂后產(chǎn)能評(píng)價(jià)、氣藏?cái)?shù)值模擬等方面進(jìn)展突出。

1）針對(duì)四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層特征，采用多重連續(xù)介質(zhì)—離散裂縫耦合模型構(gòu)建了頁(yè)巖氣藏三維、兩相綜合滲流數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裂縫產(chǎn)狀、分布特征的科學(xué)表征和頁(yè)巖氣藏多尺度復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律的聯(lián)合表征。

2）針對(duì)四川盆地頁(yè)巖氣流動(dòng)特點(diǎn)，引入“擬多重孔隙介質(zhì)模型”刻畫(huà)頁(yè)巖氣的跨尺度流動(dòng)效應(yīng)，同時(shí)引入多區(qū)復(fù)合模型表征體積壓裂改造后多重滲流區(qū)域的耦合流動(dòng)特征[14]，建立了頁(yè)巖氣井全生命周期滲流生產(chǎn)模型，形成了頁(yè)巖氣藏壓裂水平井壓后參數(shù)快速解釋和動(dòng)態(tài)產(chǎn)能評(píng)價(jià)技術(shù)。

3）形成了四川盆地頁(yè)巖氣藏?cái)?shù)值模擬的二維、三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格快速生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維、多層頁(yè)巖儲(chǔ)層和復(fù)雜縫網(wǎng)體積壓裂水平井空間網(wǎng)格離散，顯著提高了頁(yè)巖氣藏?cái)?shù)值模擬的適應(yīng)能力、求解精度和計(jì)算效率，為頁(yè)巖氣藏井網(wǎng)部署、開(kāi)發(fā)制度優(yōu)化提供了有效技術(shù)支撐。

1.3 鉆采工程技術(shù)進(jìn)展

1.3.1 鉆井技術(shù)進(jìn)展

“十二五”以來(lái)，四川盆地頁(yè)巖氣水平井鉆井技術(shù)飛速發(fā)展。已形成油基鉆井液、長(zhǎng)水平段叢式水平井高效鉆井完井技術(shù)、一趟鉆鉆井技術(shù)、個(gè)性化鉆頭、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井等代表性的鉆井技術(shù)體系，形成了井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、充氣鉆井、叢式井防斜打快、鉆頭優(yōu)選、頁(yè)巖氣油基水泥漿、長(zhǎng)水平段軌跡控制等鉆井提速配套技術(shù)[15]。特別是針對(duì)頁(yè)巖長(zhǎng)段水平井的鉆井技術(shù)難題，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了山地環(huán)境、大偏移距頁(yè)巖氣三維水平井設(shè)計(jì)技術(shù)和“三高兩大”（高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大排量、大扭矩）提速方法[16]，研發(fā)并大規(guī)模應(yīng)用了國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)（中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣區(qū)塊國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)使用占比達(dá)53%），采用膨脹套管封閉局部低壓、惡性漏失層段，實(shí)現(xiàn)了高效快速鉆進(jìn)。截至2021年5月，四川盆地中深層頁(yè)巖氣最短鉆井周期已低于30 d，深層頁(yè)巖氣最短鉆井周期已低于70 d，頁(yè)巖氣井最深完鉆井深已達(dá)7 318 m，頁(yè)巖氣最長(zhǎng)水平段達(dá)3 150 m。

1.3.2 壓裂技術(shù)進(jìn)展

四川盆地頁(yè)巖氣壓裂理論和技術(shù)都取得了明顯進(jìn)展，其中不乏重要?jiǎng)?chuàng)新。

1）建立了縫網(wǎng)可壓性綜合評(píng)價(jià)方法[17]。該方法引入發(fā)育縫網(wǎng)概率指數(shù)和改造體積概率指數(shù)對(duì)縫網(wǎng)可壓性進(jìn)行定量分級(jí)。突破Rickman等[18]僅依據(jù)脆性指數(shù)而忽略天然裂縫特征來(lái)判別頁(yè)巖可壓性的局限。

2）研發(fā)出新一代變黏滑溜水壓裂液體系[19]。該壓裂液體系通過(guò)調(diào)整多功能降阻劑濃度實(shí)現(xiàn)滑溜水、線性膠、交聯(lián)液在線轉(zhuǎn)換，在中深層頁(yè)巖氣井中得到了推廣應(yīng)用。

3）形成了新一代水平井壓裂工藝。四川盆地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)初期，主要借鑒北美頁(yè)巖氣壓裂的經(jīng)驗(yàn)，采用多段少簇的布縫模式，以大排量、大液量、低砂比方式造縫。隨著相關(guān)理論和配套技術(shù)的進(jìn)步，逐漸形成了旨在降本增效的新一代水平井壓裂工藝。該工藝采用少段多簇、密集切割的布縫方式，通過(guò)暫堵調(diào)壓、控液提砂方式造縫。截至2021年5月，川南地區(qū)頁(yè)巖氣水平井單井最高加砂強(qiáng)度已超過(guò)5.3 t/m，單井最大總液量已超過(guò)8.4×104m3，最小平均簇間距已小于6.5 m。寧209井區(qū)采用新一代壓裂工藝的水平井折算測(cè)試產(chǎn)量比采用傳統(tǒng)壓裂工藝的鄰井提升了103%[20]。太陽(yáng)氣田淺層頁(yè)巖氣井通過(guò)采用多簇密切割布縫，單段射孔簇?cái)?shù)由 3 簇增加為5～11 簇，簇間距由 18～25 m 減小為7～11 m，在保證水平段改造效果和單井產(chǎn)量的同時(shí)，單井壓裂施工費(fèi)用降低 200×104～ 300×104元[21]。

1.3.3 排液采氣技術(shù)進(jìn)展

針對(duì)頁(yè)巖氣井“低壓、低產(chǎn)為主，氣、液產(chǎn)量較低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)”等生產(chǎn)特點(diǎn)，形成了以?xún)?yōu)選管柱、柱塞氣舉、泡排、井口增壓和氣舉為核心的采氣工藝技術(shù)。深入研究了井筒流動(dòng)規(guī)律，改進(jìn)了水平井?dāng)y液臨界流量模型，為優(yōu)化油管下入時(shí)機(jī)提供依據(jù)[22]；優(yōu)化了柱塞氣舉裝置及運(yùn)行參數(shù)，柱塞氣舉工作筒已突破70°井斜角[23]；已建成平臺(tái)整體橇裝化遠(yuǎn)程控制起泡劑和消泡劑自動(dòng)加注裝置，形成了適用于長(zhǎng)寧區(qū)塊頁(yè)巖氣平臺(tái)井的整體泡排工藝技術(shù)[24]；采用了平臺(tái)增壓和集中增壓兩種方式進(jìn)行增壓開(kāi)采，有效降低了油管壓力[25]；對(duì)水淹氣井采用了車(chē)載式氣舉，在低壓低產(chǎn)的頁(yè)巖氣平臺(tái)對(duì)氣井進(jìn)行輪換氣舉，有效地維持了頁(yè)巖氣井生產(chǎn)[26]。

1.3.4 綠色開(kāi)發(fā)與工廠化作業(yè)技術(shù)進(jìn)展

綠色開(kāi)發(fā)方面，嚴(yán)格按照國(guó)家法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，嚴(yán)格保護(hù)頁(yè)巖氣開(kāi)采區(qū)塊的地表水、地下水、土壤和植被；同時(shí)加強(qiáng)壓裂返排液和鉆井固廢的資源化利用，加強(qiáng)逸散氣體排放管控；推廣電驅(qū)動(dòng)壓裂泵，改善了因?yàn)樵肼曃廴居绊懼車(chē)用裆畹那闆r。工廠化作業(yè)方面，實(shí)現(xiàn)了鉆井、壓裂、排采多工種交叉作業(yè)、各工序無(wú)縫銜接、資源共享，有效解決了復(fù)雜山地地形條件下場(chǎng)地受限、大規(guī)模、多工序、多單位同時(shí)作業(yè)效率較低的難題。

1.4 產(chǎn)業(yè)規(guī)制改革進(jìn)展

產(chǎn)業(yè)規(guī)制是指政府或社會(huì)為實(shí)現(xiàn)某些社會(huì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)而對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的經(jīng)濟(jì)主體作出各種直接和間接的具有法律約束力或準(zhǔn)法律約束力的限制、約束、規(guī)范，以及由此引出的政府或社會(huì)為督促產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)主體活動(dòng)符合這些限制、約束、規(guī)范而采取的行動(dòng)和措施[27]。產(chǎn)業(yè)規(guī)制屬于影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的非技術(shù)要素，良好的產(chǎn)業(yè)規(guī)制對(duì)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要作用。

我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制以政府規(guī)制為主，正在逐步加強(qiáng)行業(yè)規(guī)制和社會(huì)規(guī)制。過(guò)去十多年，我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制建設(shè)的主線有兩條，一是放寬進(jìn)入規(guī)制以實(shí)現(xiàn)公平的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，引導(dǎo)各類(lèi)主體公平進(jìn)入頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的上游市場(chǎng)；二是進(jìn)一步強(qiáng)化市場(chǎng)公平、環(huán)境保護(hù)以及能源安全方面的規(guī)制。我國(guó)不同時(shí)期頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制或重要事件如表1～3所示。

1）“十一五”期間，針對(duì)頁(yè)巖氣調(diào)查研究初步制定了政府規(guī)制，通過(guò)加強(qiáng)國(guó)際合作、加大科技研發(fā)扶持、放寬產(chǎn)業(yè)進(jìn)入限制等，摸清資源量，盡量吸納更多市場(chǎng)主體來(lái)參與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，儲(chǔ)備頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)（表1）。

表1 我國(guó)“十一五”（2006—2010年）期間頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制與重要事件表

2）“十二五”期間，打破了中石油、中石化等大型國(guó)企獨(dú)立從事勘探開(kāi)發(fā)的局面，更多類(lèi)型的資本進(jìn)入頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)。開(kāi)始制定頁(yè)巖氣價(jià)格、補(bǔ)貼等經(jīng)濟(jì)方面和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范開(kāi)發(fā)活動(dòng)等質(zhì)量方面的行業(yè)規(guī)制（表2）。

表2 我國(guó)“十二五”（2011—2015年）期間頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制與重要事件表

3）“十三五”期間，國(guó)家層面制定了第二個(gè)頁(yè)巖氣發(fā)展五年規(guī)劃，地方政府也根據(jù)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)情況出臺(tái)了一系列產(chǎn)業(yè)支持計(jì)劃，政府規(guī)制進(jìn)一步落實(shí)，行業(yè)規(guī)制逐漸完備。財(cái)稅補(bǔ)貼方式由產(chǎn)量補(bǔ)貼變化為增量補(bǔ)貼，獲得減征資源稅的稅收優(yōu)惠，進(jìn)一步激勵(lì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)企業(yè)。成立國(guó)家油氣管網(wǎng)集團(tuán)公司，打破頁(yè)巖氣管輸環(huán)節(jié)壟斷，放開(kāi)了中游環(huán)節(jié)的進(jìn)入規(guī)制，頁(yè)巖氣全產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)入管制均已放開(kāi)。同時(shí)，政府加強(qiáng)了對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的社會(huì)規(guī)制，對(duì)環(huán)境的保護(hù)以及對(duì)礦區(qū)群眾的安全、健康給予了更多的關(guān)注（表3）。

表3 我國(guó)“十三五”（2016—2020年）期間頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制與重要事件表

2 四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)

2.1 勘探理論與技術(shù)的挑戰(zhàn)

四川盆地是我國(guó)頁(yè)巖氣主要勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域，中淺層已實(shí)現(xiàn)有效開(kāi)發(fā)，深層頁(yè)巖氣資源潛力很大[28]，但勘探難度很大。四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組、五峰組—龍馬溪組2套深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的熱演化程度普遍很高，其中筇竹寺組在川南—昭通、川東、中揚(yáng)子等地區(qū)出現(xiàn)大面積碳化[29]，基本處于生氣衰竭階段。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖Ro值為介于1.5%～3.5%，平均為2.5%，整體處于高成熟階段，目前在天宮堂、宜202、宜203等井區(qū)五峰組—龍馬溪組出現(xiàn)低阻與高碳化等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響儲(chǔ)層品質(zhì)。概括起來(lái)，深層頁(yè)巖氣勘探理論與技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)有以下幾方面：①深部頁(yè)巖經(jīng)歷了多幕構(gòu)造演化，地應(yīng)力場(chǎng)—裂縫演化關(guān)系尚不清楚，裂縫預(yù)測(cè)、驗(yàn)證難度極大；②深部頁(yè)巖在高溫高壓條件下，各向異性明顯強(qiáng)于淺層，地球物理分辨率極低，淺層甜點(diǎn)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)手段難以適用；③深層地震信號(hào)弱，井間預(yù)測(cè)精度低，潛力目標(biāo)優(yōu)選難度大；④高溫高壓下吸附氣、游離氣賦存機(jī)制與變化規(guī)律[30-31]缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)，未能科學(xué)揭示熱效應(yīng)對(duì)天然氣賦存狀態(tài)的影響規(guī)律。

2.2 氣藏工程理論與方法的挑戰(zhàn)

中淺層大規(guī)模高效益開(kāi)發(fā)和深層頁(yè)巖氣規(guī)模有效開(kāi)發(fā)，對(duì)氣藏工程提出了諸多挑戰(zhàn)。主要包括：①深層、高溫、高壓條件下（壓力普遍高于70 MPa、平均地層溫度普遍超過(guò)130 ℃），頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙中CH4的賦存狀態(tài)及不同賦存狀態(tài)間轉(zhuǎn)換規(guī)律尚不明確。隨著孔徑減小和溫度、壓力的增大，CH4在納米級(jí)空間內(nèi)的賦存狀態(tài)、熱力學(xué)參數(shù)、吸附—解吸特征等也會(huì)發(fā)生變化，而目前無(wú)論是室內(nèi)等溫吸附實(shí)驗(yàn)還是分子模擬，都無(wú)法同時(shí)有效考慮頁(yè)巖真實(shí)孔喉結(jié)構(gòu)與高溫、高壓儲(chǔ)層原地條件。②深層頁(yè)巖儲(chǔ)層高溫高壓跨尺度氣—水兩相流動(dòng)機(jī)理仍有待探索。不同大小孔隙內(nèi)的頁(yè)巖氣—水兩相流動(dòng)規(guī)律存在差異，深層高溫高壓環(huán)境下限域效應(yīng)和真實(shí)氣體效應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣流動(dòng)規(guī)律的影響并不明確，頁(yè)巖氣井壓裂后燜井過(guò)程中壓裂液和頁(yè)巖氣置換的機(jī)理以及高溫、高壓條件下深層頁(yè)巖變形對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)、縫網(wǎng)形態(tài)和滲流特征的影響機(jī)理還需繼續(xù)研究。③深層頁(yè)巖氣合理開(kāi)發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化路徑尚不明確。頁(yè)巖氣井開(kāi)發(fā)效果受地質(zhì)、地質(zhì)力學(xué)、壓裂、開(kāi)發(fā)方式等多因素影響。地質(zhì)、工程、開(kāi)發(fā)、經(jīng)濟(jì)等多因素非線性機(jī)制下的開(kāi)發(fā)政策優(yōu)化是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)面臨的重大挑戰(zhàn)。

2.3 鉆采工程技術(shù)挑戰(zhàn)

2.3.1 鉆井技術(shù)方面挑戰(zhàn)

水平井油基鉆井液漏失的有效防治，卡鉆、埋鉆具事故的有效消除技術(shù)。川南頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井經(jīng)常發(fā)生漏失，油基鉆井液特別是高密度油基鉆井液堵漏材料種類(lèi)少，有效堵漏手段有限；因井壁坍塌、掉塊、井眼凈化差，引起長(zhǎng)水平段鉆柱摩阻扭矩大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致埋鉆具事故。

長(zhǎng)水平段一趟鉆鉆井技術(shù)。2019年長(zhǎng)寧區(qū)塊、威遠(yuǎn)202井、威遠(yuǎn)204井區(qū)等平均需要3～5趟鉆，而美國(guó)水平段長(zhǎng)度從2 500 m增至2 860 m的情況下，機(jī)械鉆速介于37～89 m/h，平均機(jī)械鉆速為60 m/h，基本實(shí)現(xiàn)一趟鉆完成。

降低或者消除水平段套損技術(shù)。水平井壓裂套損井?dāng)?shù)量極高，單井套管變形點(diǎn)為1～3個(gè)；起下鉆作業(yè)遇阻、遇卡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響壓裂效果，制約頁(yè)巖氣長(zhǎng)期高效開(kāi)發(fā)。

2.3.2 壓裂技術(shù)方面挑戰(zhàn)

現(xiàn)有理論體系難以滿足壓裂工程實(shí)踐需要。壓裂中的造縫輸砂、壓裂后的排液采氣屬于復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，背后蘊(yùn)藏著諸多尚待解決的科學(xué)問(wèn)題，以致工程實(shí)踐常出現(xiàn)現(xiàn)有理論難以解釋的現(xiàn)象。例如，經(jīng)典理論從縫間應(yīng)力干擾機(jī)理出發(fā)，可得出避免縫間應(yīng)力干擾和滲流干擾的最小裂縫間距（簇間距），進(jìn)而提出多段、少簇、大間距的布縫方式。新一代壓裂工藝，采用少段、多簇、密切割布縫，簇間距已明顯小于經(jīng)典理論推薦的簇間距下限，卻取得了更好的壓后測(cè)試效果。這就需要更科學(xué)地揭示應(yīng)力干擾與滲流干擾機(jī)理。

現(xiàn)有工藝模式難以滿足深層頁(yè)巖縫網(wǎng)改造需要?，F(xiàn)有的壓裂均是通過(guò)提高縫內(nèi)凈壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的改造體積，最常用的方法是大排量和縫內(nèi)暫堵憋壓。較之中淺層頁(yè)巖，深層頁(yè)巖閉合壓力高，水平應(yīng)力差更大，若按照現(xiàn)有工藝模式則要?jiǎng)t需要更大的排量、更精準(zhǔn)的暫堵憋壓，這就對(duì)施工設(shè)備和固井質(zhì)量提出了相當(dāng)苛刻的要求。

現(xiàn)有配套工藝難以滿足淺層、中淺層頁(yè)巖壓裂持續(xù)降本增效需要。目前，少段多簇、石英砂替代陶粒、連續(xù)加砂替代段塞式加砂等工藝已顯現(xiàn)出明顯的降本作用。但是如何進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量還需要持續(xù)攻關(guān)。特別是淺層頁(yè)巖氣中吸附氣占比較高，現(xiàn)有配套工藝罕有考慮提高吸附氣的持續(xù)動(dòng)用。

2.3.3 高效排采與綠色開(kāi)發(fā)方面挑戰(zhàn)

深層頁(yè)巖氣井兩種以上排采方法的復(fù)合排采理論與智能管理系統(tǒng)亟待研發(fā)。

山地丘陵地貌，土地征用與復(fù)墾難度大。按照現(xiàn)有的工廠化作業(yè)模式，單個(gè)頁(yè)巖氣平臺(tái)建設(shè)期約占地50畝（1 畝=666.67 m2），進(jìn)入采氣投產(chǎn)后占地約10畝。四川盆地頁(yè)巖氣主產(chǎn)區(qū)人均耕地少，基本農(nóng)田占用比大。頁(yè)巖氣鉆采征地用地，協(xié)調(diào)難度大。

頁(yè)巖氣單井壓裂平均耗水量超過(guò)4×104m3，即使返排液完全回用，但在溝壑縱橫的四川盆地頁(yè)巖氣主產(chǎn)區(qū)，大規(guī)模產(chǎn)能建設(shè)帶來(lái)的壓裂取水難題也非常棘手。

大規(guī)模頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程還需控制CH4泄漏，以減小甲烷氣體逸散帶來(lái)的安全隱患和溫室效應(yīng)。

2.4 產(chǎn)業(yè)規(guī)制改革挑戰(zhàn)

盡管頁(yè)巖氣已被國(guó)家設(shè)立為獨(dú)立礦種，但還未形成針對(duì)頁(yè)巖氣這一獨(dú)立礦種的完備高效的規(guī)制體系。目前我國(guó)對(duì)頁(yè)巖氣規(guī)制主要參照天然氣規(guī)制，僅有少量專(zhuān)門(mén)針對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)的規(guī)制，分布零散且層級(jí)較低。四川盆地頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制改革主要面臨三個(gè)方面挑戰(zhàn)：①規(guī)制系統(tǒng)政策尚不完善。缺乏針對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)特點(diǎn)的相關(guān)法律法規(guī)。特別是針對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程出現(xiàn)的水資源保護(hù)、廢棄物處置等難題，存在多口監(jiān)管但監(jiān)管能力尚不能完全覆蓋的問(wèn)題。②規(guī)制政策有效性不足。規(guī)制政策不夠穩(wěn)定，如財(cái)政補(bǔ)貼政策不穩(wěn)定、要求高，補(bǔ)貼總額難以預(yù)計(jì)；準(zhǔn)入規(guī)制對(duì)市場(chǎng)主體吸引力并不大，部分企業(yè)已向自然資源部退回或延期了全部或部分頁(yè)巖氣區(qū)塊礦權(quán)[32]，甚至部分外資退出了合作；減免探礦權(quán)使用費(fèi)、采礦權(quán)使用費(fèi)以及進(jìn)口設(shè)備關(guān)稅的作用有限；頁(yè)巖氣定價(jià)機(jī)制還不能真實(shí)反映市場(chǎng)供需關(guān)系和資源稀缺程度。③規(guī)制運(yùn)行機(jī)制有缺陷。規(guī)制機(jī)構(gòu)多且職能交叉分散，帶來(lái)規(guī)制概念不清晰、規(guī)制邊界模糊、規(guī)制程序不確定等問(wèn)題。

3 四川盆地頁(yè)巖氣大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)對(duì)策

從我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)看，四川盆地頁(yè)巖氣大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)面臨兩大核心任務(wù)，即中淺層頁(yè)巖氣持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和深層頁(yè)巖氣規(guī)模建產(chǎn)。與北美地區(qū)相比，四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)在地理環(huán)境、地質(zhì)條件、鉆采技術(shù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)制等方面有自身特點(diǎn)，很難采用北美大規(guī)模、高密度、連片化布井的開(kāi)發(fā)模式[33]。因此，需要立足“少井高產(chǎn)”策略[14]，一方面在頁(yè)巖氣井全生命周期，繼續(xù)堅(jiān)持采用地質(zhì)工程一體化技術(shù)開(kāi)展“一體化研究、一體化設(shè)計(jì)、一體化實(shí)施和一體化迭代”[34]，另一方面，以問(wèn)題為導(dǎo)向，從地質(zhì)評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)政策、工程技術(shù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)制等方面開(kāi)展持續(xù)攻關(guān)。

3.1 完善地質(zhì)評(píng)價(jià)理論與技術(shù)

3.1.1 科學(xué)揭示深層頁(yè)巖孔隙特征與賦存機(jī)制

深層頁(yè)巖微納米孔隙體系中成巖礦物成因機(jī)理、成巖—有機(jī)與無(wú)機(jī)孔隙差異演化路徑重構(gòu)、含水頁(yè)巖吸附氣與游離氣占比隨溫壓變化規(guī)律及控制因素等研究尚屬空白，可考慮在成巖礦物元素遷移識(shí)別、礦物—有機(jī)質(zhì)—熱演化控制下的成巖—孔隙演化過(guò)程重構(gòu)及差異發(fā)育機(jī)理、溫壓環(huán)境含水頁(yè)巖吸附氣游離氣分配機(jī)制與定量表征等方面重點(diǎn)突破。

3.1.2 創(chuàng)新研發(fā)深層頁(yè)巖氣地質(zhì)—工程甜點(diǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)

建議開(kāi)展構(gòu)造變形三維數(shù)值模擬，深層頁(yè)巖礦物、有機(jī)質(zhì)、含氣量、裂縫、可壓裂性等關(guān)鍵要素綜合評(píng)價(jià)，建立深層頁(yè)巖地質(zhì)—工程甜點(diǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)體系及高精度表征方法，重點(diǎn)突破復(fù)雜變形區(qū)構(gòu)造裂縫識(shí)別與預(yù)測(cè)技術(shù)、地質(zhì)—工程甜點(diǎn)預(yù)測(cè)的大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)技術(shù)和地質(zhì)—地球物理一體化儲(chǔ)層建模技術(shù)。

3.2 創(chuàng)新氣藏工程理論與方法

3.2.1 科學(xué)揭示壓裂水平井頁(yè)巖氣產(chǎn)出機(jī)制

開(kāi)展原地溫度、壓力環(huán)境下，壓裂燜井、壓后生產(chǎn)階段頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征和CH4流動(dòng)機(jī)理研究，揭示氣水共存條件下頁(yè)巖氣解吸、擴(kuò)散、滲流主控因素和支撐劑充填裂縫、自支撐裂縫的全域?qū)Я髂芰﹂L(zhǎng)期變化規(guī)律。

3.2.2 加快建立“地質(zhì)—工程—開(kāi)發(fā)—經(jīng)濟(jì)”一體化的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)優(yōu)化方法[35]

建立頁(yè)巖壓裂水平井（組）跨尺度滲流—多相管流模型，研制耦合頁(yè)巖基質(zhì)、壓裂縫網(wǎng)、采氣管柱的跨尺度流動(dòng)壓后生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬器，為開(kāi)發(fā)政策制定奠定理論和方法基礎(chǔ)?；陧?yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”理念[36]，結(jié)合數(shù)值模擬和礦場(chǎng)試驗(yàn)，以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)量[37]，考慮地質(zhì)、工程、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本約束，優(yōu)化井網(wǎng)參數(shù)、壓裂裂縫參數(shù)、排采控制參數(shù)等影響產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的人為可控參數(shù)?？紤]淺層頁(yè)巖直井開(kāi)發(fā)、中淺層頁(yè)巖水平井開(kāi)發(fā)、中淺層頁(yè)巖水平井—直井組合開(kāi)發(fā)、深層頁(yè)巖水平井單層平面開(kāi)發(fā)、深層頁(yè)巖水平井多層立體開(kāi)發(fā)等不同的開(kāi)發(fā)模式，分類(lèi)開(kāi)展井網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化、裂縫布局優(yōu)化、排采制度優(yōu)化[38]。以此為基礎(chǔ)，可進(jìn)一步優(yōu)化鉆井工程參數(shù)、壓裂工程參數(shù)和排采工程參數(shù)。

3.3 研發(fā)降本增效工程技術(shù)

頁(yè)巖氣降本增效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵在于不斷優(yōu)化鉆井、壓裂等各個(gè)環(huán)節(jié)的周期與成本，雖不過(guò)于追求“豪華與頂尖”的技術(shù)，但需致力于技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)與升級(jí)換代[39]。

3.3.1 研發(fā)安全、智慧的優(yōu)快建井技術(shù)

攻關(guān)長(zhǎng)水平段一趟鉆鉆井配套技術(shù)，特別是環(huán)保型防塌鉆井液、超輕減阻鉆具、井眼高效凈化技術(shù)和智能錄井技術(shù)，在高鉆壓、高轉(zhuǎn)速、高泵壓、大排量、大扭矩環(huán)境下，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速，減少鉆井事故，縮短鉆井周期。攻關(guān)深層頁(yè)巖水平井全生命周期的井筒完整性管理理論和技術(shù)，提升深層頁(yè)巖長(zhǎng)水平井井身質(zhì)量，降低或者消除水平段套損，為大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)層改造（特別是重復(fù)壓裂）和壓后生產(chǎn)提供井筒保障。

3.3.2 研發(fā)物理—化學(xué)復(fù)合的儲(chǔ)層改造技術(shù)

革新現(xiàn)有水平井壓裂破巖、輸砂、導(dǎo)流理論，為不同類(lèi)型頁(yè)巖儲(chǔ)層優(yōu)化布縫方式、壓裂液、支撐劑規(guī)模和泵注程序提供科學(xué)依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展海相頁(yè)巖超臨界二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)[40]研究，突破超臨界二氧化碳減阻、增粘瓶頸，研發(fā)與之配套的超低密度、低成本支撐劑，利用二氧化碳的物理—化學(xué)雙重作用，在充分造縫的同時(shí)提高吸附氣的動(dòng)用程度。探索深層頁(yè)巖氧化致裂、液氮致裂工藝，進(jìn)而建立從頁(yè)巖納微孔隙到填砂裂縫的跨尺度導(dǎo)流通道。此外，建議挖掘壓裂施工數(shù)據(jù)，建立基于施工數(shù)據(jù)反演壓裂裂縫參數(shù)的理論和方法，豐富裂縫監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)手段，降低壓裂監(jiān)測(cè)成本。在老井挖潛方面，建議加強(qiáng)頁(yè)巖氣水平井重復(fù)壓裂選井選層和造縫工藝等方面的研究[41]，為恢復(fù)和提高老井產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

3.3.3 研發(fā)深層長(zhǎng)水平井高效排采技術(shù)

研發(fā)高性?xún)r(jià)比的水平井流入剖面測(cè)試技術(shù)、井下積液監(jiān)測(cè)技術(shù)，揭示壓后水平井不同階段的井底流入動(dòng)態(tài)和水平段氣液兩相流動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，考慮水平段井眼軌跡結(jié)構(gòu)優(yōu)化油管下深，發(fā)展平臺(tái)壓縮機(jī)整體氣舉、泡排輔助氣舉或氣舉輔助柱塞等復(fù)合工藝技術(shù)。

3.3.4 研發(fā)環(huán)保、安全的鉆井、壓裂配套技術(shù)

攻克油基鉆屑制備壓裂支撐劑的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)瓶頸，構(gòu)建從地面到地下的油基鉆屑資源化利用新途徑。研發(fā)適合高山深谷環(huán)境下的輕量化、模塊化、智能化鉆井、壓裂裝備（系統(tǒng)），減少鉆井、壓裂對(duì)自然和人居環(huán)境的不利影響；研發(fā)基于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)你@井、壓裂大數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)，為工程施工優(yōu)化和應(yīng)急事件及時(shí)處置提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

3.4 健全頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制

政府是頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)規(guī)制的主體，必須通過(guò)深化產(chǎn)業(yè)規(guī)制改革提升其服務(wù)產(chǎn)業(yè)建設(shè)和發(fā)展的能力，同時(shí)應(yīng)注重調(diào)動(dòng)和發(fā)揮行業(yè)規(guī)制、社會(huì)規(guī)制對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的積極作用。

深化規(guī)制機(jī)構(gòu)改革。集中分散的規(guī)制權(quán)力，簡(jiǎn)化行政審批流程，提高配套政策適用性。

繼續(xù)完善頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的相關(guān)法律法規(guī)。以環(huán)境保護(hù)為例，應(yīng)該根據(jù)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)制定排污權(quán)建議、水資源保護(hù)、油基泥漿無(wú)害化處理等法律法規(guī)，提高企業(yè)環(huán)境違法成本。

繼續(xù)優(yōu)化頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性規(guī)制。進(jìn)一步推進(jìn)天然氣產(chǎn)業(yè)價(jià)格市場(chǎng)化改革，放開(kāi)氣源準(zhǔn)入和出廠價(jià)格，由政府定價(jià)向市場(chǎng)發(fā)揮價(jià)格決定作用過(guò)渡；加大財(cái)政補(bǔ)貼和稅收減免對(duì)企業(yè)開(kāi)發(fā)新區(qū)塊的支持力度，鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新。

完善頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)信息強(qiáng)制披露和數(shù)據(jù)共享制度。特別對(duì)有重大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的信息必須強(qiáng)制披露；構(gòu)建勘探開(kāi)發(fā)共享數(shù)據(jù)平臺(tái)，提升開(kāi)發(fā)效率和減少重復(fù)成本。

建立公眾參與制度。不斷加大頁(yè)巖氣科普宣傳工作力度，通過(guò)普及頁(yè)巖氣的能源安全戰(zhàn)略意義以及頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)等相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)公眾正確對(duì)待頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)。增強(qiáng)公眾的環(huán)保意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別能力，以便有效處理和規(guī)避。

4 結(jié)束語(yǔ)

四川盆地已經(jīng)并將繼續(xù)成為中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)。未來(lái)5～10年，四川盆地頁(yè)巖氣將從規(guī)模開(kāi)采階段發(fā)展到大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)階段。大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)必須以中淺層頁(yè)巖氣持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和深層頁(yè)巖氣規(guī)模建產(chǎn)為基礎(chǔ)。針對(duì)勘探開(kāi)發(fā)理論技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)制方面的挑戰(zhàn)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)，需要堅(jiān)持頁(yè)巖氣甜點(diǎn)區(qū)“體積開(kāi)發(fā)”理念，攻克深層頁(yè)巖氣地質(zhì)—工程甜點(diǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)，建立“地質(zhì)—工程—開(kāi)發(fā)—經(jīng)濟(jì)”一體化的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)優(yōu)化方法，研發(fā)降本增效的鉆井、壓裂和排采工程技術(shù)，構(gòu)建政府規(guī)制、社會(huì)規(guī)制、行業(yè)規(guī)制和間接規(guī)制有機(jī)協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)規(guī)制體系，實(shí)現(xiàn)技術(shù)要素與非技術(shù)要素對(duì)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同促進(jìn)。

致謝：本文選題和謀篇布局期間得到了在四川盆地從事頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的相關(guān)企業(yè)和頁(yè)巖氣資源地基層政府大力支持，在撰寫(xiě)過(guò)程中得到了西南石油大學(xué)劉永輝、劉宇程等的幫助，在此一并致謝。