頁巖氣開發現狀及關鍵技術研究

王建國，徐能惠，杜學斌

(金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室，中國重型機械研究院股份公司，陜西西安 710032)

頁巖氣開發現狀及關鍵技術研究

王建國，徐能惠，杜學斌

(金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室，中國重型機械研究院股份公司，陜西西安 710032)

介紹了國內外頁巖氣勘探開發的歷史和現狀，指出水平井鉆井和水力壓裂增產技術是提高頁巖氣的開采速率的兩項最關鍵的技術。并分析了欠平衡鉆井、控制壓力鉆井和旋轉導向鉆井等水平井鉆井技術和清水壓裂、泡沫壓裂、分段壓裂、水力噴射、重復壓裂、同步壓裂等水力壓裂技術。提出現階段我國應該借鑒國外頁巖氣開發的成功經驗，開展頁巖氣開采技術攻關，逐步形成適合我國頁巖氣開發的自主的技術和裝備體系。

頁巖氣;水平井;水力壓裂

0 前言

頁巖氣是那些存在于泥頁巖及其巖石夾層里面的非常規天然氣，主要成分是甲烷。頁巖氣儲層具有低孔、低滲特征。頁巖氣以游離態和吸附態為主，只有很小一部分以溶解態存在，在生產初期采出的大部分氣體為游離態氣體［1］。絕大多數可以產氣的頁巖的特征是分布范圍廣、厚度大，一般的頁巖中都含有頁巖氣，這樣頁巖氣井大多可以長期以比較穩定的速率產氣［2］。

頁巖氣在全球范圍內分布廣泛，且具有很大的開發價值。根據預測，全世界總的頁巖氣資源量達到456萬億m3，主要分布區域有北美、中亞和中國、中東和北非、拉丁美洲、俄羅斯等地區，儲量是煤層氣和致密氣的總和，是常規天然氣資源量的2倍［3］。

隨著全世界天然氣消費需求增長，頁巖氣作為一種新型的非常規天然氣資源，在全球天然氣產量中的比例不斷增加，所以越來越受到關注。

20世紀90年代以來，美國和加拿大等國家在頁巖氣勘探方面先后取得成效，鉆探開發技術逐漸成熟。不過由于頁巖氣開發工程復雜，難度較大，我國的頁巖氣開發技術剛處于起步和發展階段，所以需要借鑒國外頁巖氣開發的成功經驗，學習國外先進技術，以促進國內頁巖氣的開發和技術進步。

1 國內外頁巖氣開發歷史和現狀

1.1 國外頁巖氣開發歷史和現狀

美國是第一個對頁巖氣資源進行研究和勘探的國家，截止目前只有美國和加拿大對其國內的頁巖氣資源進行了比較有規模的開發。國際上在頁巖氣開發方面取得最大成就的是美國，其國內頁巖氣的成功開發已經對美國能源格局產生了極大影響，被稱為“全球能源領域的一場革命”。

美國的頁巖氣研究和勘探開始于19世紀30年代，但是當時的單井產量較低，所以沒有引起足夠的重視。直到1976年，美國政府開始了東部頁巖氣工程(EGSP)，自此以后美國的頁巖氣勘探和開發技術快速發展，單井的產量也有了明顯的提高。從1980年開始，美國政府對非常規燃料進行免稅，這大大刺激了頁巖氣資源的開發。從此之后，美國對東部的頁巖氣資源進行了系統深入的研究，美國全面展開了頁巖氣的勘探開發和研究工作。

1992年，Mitchell能源公司在德克薩斯州北部Fort Worth盆地巴尼特(Barnett)頁巖中對第一口頁巖氣水平井進行完井作業，從此以后水平鉆井技術在頁巖氣的勘探開發中開始使用。從2002年開始，由于水平井技術在Devon公司的7口頁巖氣井開發中取得巨大成功，其開始廣泛應用于頁巖氣開發中。Devon能源公司也使用雙水平井鉆完井技術和壓裂增產技術來提高單井的頁巖氣產量，達到提高頁巖氣的采收率的目的。

近幾年，美國的頁巖氣勘探開發迅速增長，其國內的頁巖氣水平井數量已經從2000年的1144口快速增至2012年的17721口，到2013年已經超過了兩萬口［4］。2000年到2010年的十年間，美國的頁巖氣產量也從122億m3增長到1 380億m3，十年間產量增長了十倍多。2013年，美國的頁巖氣產量接近3 000億m3。

美國頁巖氣資源豐富，在其本土的48個州均有分布。據美國能源信息署的資料，美國頁巖氣技術可采儲量為18.8萬億m3，位居世界第四［2］。目前，美國具有商業開發價值的頁巖氣礦藏主要包括:Fort Worth盆地密西西比系巴尼特頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Michigan盆地泥盆系Antrim頁巖、Illinois盆地的泥盆系New Albany頁巖和San Juan盆地白堊系Lewis頁巖［5］。

近些年來，美國頁巖氣勘探技術實現重大的突破，產量隨之迅速增長，這明顯地影響了全世界天然氣市場和世界能源格局。而且，頁巖氣的成功開發明顯地改善了美國國內的天然氣資源的供應格局和能源保障的安全狀況。美國能源信息署2013年末發布的數據顯示，2005年美國60%的能源需求依靠進口，但目前美國的能源自給率已經達到了72%［2］。根據測算，美國預計可在2017年左右超越沙特阿拉伯成為全球最大的石油產出國家，至2035年將會實現其國內能源的自給自足。

跟隨在美國之后進行頁巖氣商業化開發的是加拿大。數據顯示，加拿大西部的頁巖氣資源儲量大約有550萬至860萬億立方英尺［2］。加拿大西部頁巖氣礦區地質結構與美國的類似，美國發展起來的成熟技術很方便的移地植和應用到了當地，這是加拿大頁巖氣開發發展的一個重要原因。

目前，除了美國和加拿大以外，德國、法國和烏克蘭等也開始了這方面的研究，頁巖氣勘探和開發的熱潮開始從北美地區向全球其他區域擴展。歐洲地區的可采頁巖氣資源量比較低，且分布范圍廣泛，其中主要較多的地區包括波蘭、瑞典、烏克蘭和挪威等。英國、西班牙和德國等開始對頁巖氣進行相關研究和初步開發。

拉丁美洲頁巖氣資源分布的主要地區有巴西、墨西哥和阿根廷等。近幾年，殼牌、道達爾等世界主要能源公司已經開始在拉丁美洲地區與相關國家石油公司合作，參與其國內礦區頁巖氣的開發。

1.2 國內頁巖氣開發歷史及現狀

我國是頁巖氣資源非常豐富的國家，據測算約有32萬億m3的技術可采資源量，居世界第一位。頁巖氣在我國廣泛分布，目前國土資源部根據地理位置大致將頁巖氣礦區分為五個區塊:西北區、華北及東北區、青藏區、上揚子滇黔桂區、中下揚子及東南區。其中，四川盆地、鄂爾多斯盆地、黔湘地區、渝東鄂西地區、塔里木盆地等將是將來勘探和開發的主要區域。與北美的頁巖氣勘探開發進程相比較，我國的頁巖氣勘探開發起步較晚。

從2004年開始，我國開始關注國外頁巖氣開發的情況。后來，國土資源部聯合部分高校和科研院所做了許多前期工作，為國內頁巖氣的進一步開發奠定了基礎。2009年10月，國內第一個頁巖氣資源勘查項目在重慶市綦江縣正式啟動，這標志著，在美國和加拿大之后，中國正式開始對頁巖氣進行勘探和開發。2009年12月18日我國的第一口頁巖氣水平井——威201井在四川威遠縣正式開鉆，2011年4月，實行完井。2011年底，頁巖氣被正式批準為我第172個獨立礦種。

2011年3月13日，《頁巖氣發展規劃(2011 -2015年)》發布，根據規劃，我國的頁巖氣產量將在2015年達到65億m3，至2020年，產量將達到600億～1 000億m3。2014全國地質調查工作會議的消息顯示，截至2013年年底全國已經有頁巖氣鉆井285口，2013年國內的頁巖氣產量已經達到2億m3。

2014年3月，中國石化在重慶市涪陵區的國內第一個整裝頁巖氣田提前投入商業化生產，標志著我國首次成功大規模商業開發頁巖氣。

近幾年，國內的各大石油公司加快了頁巖氣開發的國際合作，通過對外合作，引進、消化、吸收國外的先進技術，在此基礎上進行科技攻關，取得了突破性的進步［6］。

2 頁巖氣開發關鍵技術

要實現頁巖氣開發在我國的蓬勃發展，對先進開采技術的研究是必不可少的。由于頁巖孔隙度和滲透率極低，氣流的阻力比傳統天然氣大得多，從而難以開采。開采頁巖氣需要采取一些增產措施和特殊的鉆完井方法，水平井和水力壓裂增產技術是頁巖氣開發中的兩項最關鍵的技術，這兩項技術的應用不但可以極大地提高頁巖氣的開采速率，還可以提高單井最終采收率［7］。

2.1 水平井技術

垂直井和水平井是頁巖氣鉆井中的兩種主要的形式，直井多用作探井使用，是為了了解氣藏的特征，獲取鉆井、壓裂和生產階段需要的數據信息，從而來優化水平鉆完井的方案。生產井的主要形式是鉆探水平井，這是因為水平井可以增加儲層的泄流面積，進而提高單井的產量。

水平井與頁巖層中裂縫相交幾率比直井要大，可以更好地利用天然裂縫。直井與垂直裂縫相交的幾率總是很小的，而采用水平井能盡可能多地穿過儲層和儲層中的天然裂縫。數據顯示，在水平井時假如水平段長度可以達到200 m，水平井鉆穿裂縫的概率比直井要高出數十倍［8］。

根據國外的頁巖氣開發經驗數據，鉆水平井的成本大約是垂直井的2倍，產量卻可以達到直井的3倍［9］，水平井的初期采氣速率、控制儲量以及評價可采儲量明顯高于垂直井。美國巴尼特頁巖2010年的直井產量僅為50×108m3，而同時期的水平井的產氣量卻有近480×108m3，其產量可以達到直井的近10倍。

20世紀30年代之前，美國頁巖氣鉆探的主要方式是鉆垂直井。在2002年Devon能源公司在巴尼特頁巖的水平井探索取得巨大成功后，在這以后巴尼特頁巖水平井數量快速增加，水平井技術也逐漸成為美國頁巖氣開發主要鉆井方式。目前，在國內的頁巖氣開發中，水平井技術也已經積累了豐富的經驗，技術已經趨于成熟。

水平井鉆井常用技術有欠平衡鉆井技術、控制壓力鉆井技術、旋轉導向鉆井技術。

欠平衡鉆井的原理是，在鉆井過程中，當設計的鉆井液柱壓力小于所鉆地層壓力時，地層的流體進入井筒，通過將其循環到地面，對鉆井過程中的壓力進行有效控制。欠平衡鉆井技術能很好地克服鉆井作業過程中的卡鉆、井漏、井塌等問題，提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產能?？刂茐毫︺@井技術是通過控制鉆井過程中的壓力使鉆井作業達到最優，減少非生產時間和卡鉆事故，其目的是確定井下壓力的環境限制，并以此控制環空液壓剖面。威德福、哈里伯頓等公司已進行了相關的控制壓力鉆井技術研究和現場試驗應用，取得了較好的應用效果。

旋轉導向鉆井技術基于旋轉導向系統而發展，它可以自動控制井眼軌跡，適用超深井、高難度定向井和大位移井等。

2.2 水力壓裂技術

頁巖氣開發中的另一項關鍵技術就是水力壓裂技術。水力壓裂增產是目前用于頁巖儲層改造的主要技術。水力壓裂的原理是用地面的高壓泵通過井筒向儲層注入高粘度高壓力的壓裂液使儲層的巖石破裂并產生裂縫。當繼續向儲層注入壓裂液時裂縫會繼續向更深的儲層擴張，接下來向儲層注入帶有支撐劑的混砂液，在裂縫中填充支撐劑。最后，由于支撐劑對裂縫壁面的支撐作用，在儲層中留下一條或多條長、寬、高不等的裂縫，使儲層與井筒之間建立起一條新的流體通道。壓裂之后，油氣井的產量一般會大幅度增長［10］。

水力壓裂的關鍵因素是裂縫系統和壓裂液的配置。在頁巖氣儲層中，裂縫不但是頁巖氣的主要存儲空間，也是氣體流通的主要通道。由于裂縫系統的發育狀況對頁巖氣的產量非常重要，所以在進行壓裂作業時應該首先考慮怎樣得到更多的儲層裂縫。此外，如何正確合理地配置壓裂液是壓裂技術中的關鍵環節，不同的頁巖氣儲層需要采用不同的壓裂方式，壓裂液的配置也會不同。

經過近30年的發展，在不斷的進步中，國內外形成了多種壓裂增產技術。常用的水力壓裂技術包括以下幾種。

(1)清水壓裂技術。是在清水中加入適量的減阻劑、穩定劑、表面活性劑或線性凝膠作為壓裂液，以少量的砂體等顆粒物作為支撐劑的壓裂增產作業方法。早期清水壓裂使用清水作為壓裂液，產生的裂縫導流能力較差，添加了支撐劑的清水壓裂效果更為明顯，支撐劑能夠在壓裂液返回后使裂縫保持開啟［11］。清水壓裂成本低，地層傷害小，清水壓裂技術在低滲透氣藏中能取得更好的效果，該技術已經成為開發如德克薩斯州巴尼特等頁巖氣田的主要開采手段，能節約成本30%左右。1997年，Mithell能源公司第一次利用清水壓裂技術進行巴尼特頁巖的開發，清水壓裂技術不僅可以使壓裂費用較大的水力壓裂技術減少近65%，而且可以使頁巖氣的最終采收率提高近20%。

(2)泡沫壓裂技術。主要應用在低壓、低滲透水的頁巖儲層，這項技術不但可以減輕壓裂液體對地層的損害，而且返排效果比較好。

(3)分段壓裂技術。利用封堵球或限流技術來分隔開儲層的不同層位進行壓裂增產，這種方法的實施目標明確，壓裂的增產效果好。目前有2種方式分段壓裂，一是滑套封隔器分段壓裂，二是可鉆式橋塞分段壓裂。水平井多級滑套封隔器分段壓裂技術通過井口落球系統操控滑套，其原理與直井應用的投球壓差式封隔器基本相同。該技術能夠顯著減少施工時間、降低施工成本。

(4)水力噴射壓裂。是一種用攜帶砂的高速和高壓流對巖石進行射孔作業的技術，是為了打開巖層和井筒中間的氣體流動通道，最終達到提高氣體排量的目的，這項技術適合用于天然裂縫系統比較發達的頁巖儲層。

(5)重復壓裂技術。是對已經開發的老井進行再一次的水力壓裂。對直井進行重復壓裂時可以在以前的生產層進行再次射孔，但它需要的壓裂液體積卻要比其最初的壓裂作業多25%左右，同時，也可以使最終采收率提高30%～80%。對水平井進行重復壓裂時，需要隔離最初壓裂的巖層。當前的壓裂層位必須未進行壓裂作業。

(6)同步壓裂。是指對2口或2口以上的配對井同時進行壓裂，促進裂縫在擴展的過程中進行相互作用。同步壓裂的作用是通過更大的壓裂壓力和更復雜的裂縫系統來壓裂泥頁巖，來達到提高初始產量和最終采收率的目的。同步壓裂對頁巖氣井短期內增產效果明顯，而且對工作區環境影響小，完井速度快，節省壓裂成本，是頁巖氣開發中后期比較常用的壓裂技術。

3 結論與建議

頁巖氣儲集層通常呈低孔、低滲透率的特點，生產周期長，因而具有其特殊的開發方式。水平井和水力壓裂增產技術是頁巖氣開發中的兩項關鍵技術。水平井技術是頁巖氣鉆井的主要方式，它結合旋轉導向鉆井、隨鉆測井、控壓鉆井等先進的鉆井技術可以更高效、更合理的開發頁巖氣。壓裂增產技術是頁巖氣開采的另一種關鍵技術。先進的壓裂技術使頁巖氣開發具有更大的潛力。

美國是全球頁巖氣開發最早和最成功的國家，也是頁巖氣開發技術最先進的國家。近幾年，美國頁巖氣勘探開發技術突破，產量快速增長，對美國天然氣供應格局和能源安全狀況產生了積極作用，同時也對國際天然氣市場及世界能源格局產生重大影響。

目前我國頁巖氣開發處于起步階段，尚未達到規模開發的發展階段?？碧介_發經驗缺乏，核心技術尚未完全掌握，關鍵裝備有待研制。建議開展頁巖氣開采技術攻關，以頁巖氣勘探開發核心技術突破為先導，形成適合我國的頁巖氣開發裝備體系，促進頁巖氣開發，補充我國的日益增長的油氣需求，為國家的能源安全提供保障。

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Research on status and key technology of shale gas development

WANG Jian-guo，XU Neng-hui，DU Xue-bin
(State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

This paper introduces development status of shale gas exploration and production.horizontal drilling and hydraulic fracturing are considered two key technologies to improve shale gas exploitation rate.horizontal drilling technology includes underbalanced drilling，pressure control drilling，rotary steering drilling system，and hydraulic fracturing technique consist of water-fracs，foam fracturing，subsection fracturing，hydrajet fracturing，multiple fracturing，synchronous fracturing，and so on.These technologies are analyzed.It is proposed that our country should follow foreign experience of shale gas development，then formed gradually own technology and equipment of suitable for ours.

shale gas;horizontal drilling;hydraulic fracturing

TE93

A

1001-196X(2014)06-0031-05

2014-07-02;

2014-08-15

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2014KTCL01-01);中國重型機械研究院股份公司科研項目(K1305410)

王建國(1987-)，男，中國重型機械研究院股份公司工程師，現從事油氣輸送裝備及相關冶金機械設備的設計與研究。

設計計算