頁巖氣開發技術淺論

吳佳良

（中國海油上海分公司西湖作業公司 上海 200135）

美國的“頁巖氣革命”，對國際天然氣市場及世界能源格局產生了重大影響。近年來，中國頁巖氣年產量在逐年提高，2016年為78.8億立方米，2017年增加到90億立方米。產量提升的同時，頁巖氣開采技術研究也取得了較大的進展，但和北美等地區先進的開采能力相比，還存在一定的差距。因此，研究并提升頁巖氣的開采技術水平是十分必要的。

1 頁巖氣及其分布情況

1.1 什么是頁巖氣

頁巖氣是指賦存于以富有機質頁巖為主的儲集巖系中的非常規天然氣，是連續生成的生物化學成因氣、熱成因氣或二者的混合，以游離態存在于天然裂縫和孔隙中，以吸附態存在于干酪根、黏土顆粒表面，還有極少量以溶解狀態儲存于干酪根和瀝青質中，游離氣比例一般在20%～85%。

1.2 頁巖氣可采資源量

從全世界范圍看，頁巖氣資源主要分布在北美、拉美、中亞、中東、北非等地區和中國、俄羅斯等國家。世界頁巖氣資源量為457萬億立方米，其中頁巖氣技術可采資源量為187萬億立方米。全球頁巖氣技術可采資源量排名前5 位國家依次為：中國（36 萬億立方米，約占20%）、美國（24 萬億立方米，約占13%）、阿根廷、墨西哥和南非。

1.2 頁巖氣的特點

頁巖氣開發具有開采壽命長和生產周期長的優點——大部分產氣頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，使得頁巖氣井能夠長期地穩定產氣。但頁巖氣儲集層滲透率低，開采難度較大。

頁巖氣藏的儲層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比常規天然氣大，所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來。另一方面，頁巖氣采收率比常規天然氣低，常規天然氣采收率在60%以上，而頁巖氣僅為5%～60%。

中國頁巖氣藏的儲層與美國相比有所差異，如四川盆地的頁巖氣層埋深要比美國的大，美國的頁巖氣層深度在800～2600米，而四川盆地的頁巖氣層埋深在2000～3500米。頁巖氣層深度的增加無疑在我們本不成熟的技術上又增添了難度。

2 頁巖氣主要開采技術

頁巖氣的開發和利用有利于緩解油氣資源短缺，增加清潔能源供應，是常規能源的重要補充。目前，世界頁巖氣開采技術，主要有水平井分段壓裂技術、清水壓裂技術和同步壓裂技術等，這些先進的技術不斷提高著頁巖氣井的產量。

2.1 水平井分段壓裂技術

水平井的成本一般是垂直井的 1～1.5倍,800～1000m水平段的常規水平井鉆井及完井投資約為 700萬美元，而產量是垂直井的3倍左右。目前85%的頁巖氣開發井為水平井分段壓裂, 如美國新田公司在 Woodford 頁巖中的部分開發井就采用 5～7 段式壓裂。

2007年開始，水平井分段壓裂技術成為非常規油氣開發的主體技術，開始在北美大規模應用，并在國內塔里木、遼河、大慶、西南等多個油氣田得到了廣泛應用。前國內外水平井分段壓裂的工藝技術方法，主要分為四大類。

2.1.1 化學隔離技術

國內外在20世紀90年代初采用該技術，主要用于套管井。其基本做法是∶①射開第一段，油管壓裂；②用液體膠塞和砂子隔離已壓裂井段；③射開第二段，通過油管壓裂該段，再用液體膠塞和砂子隔離；④采用這種辦法，依次壓開所需改造的井段；⑤施工結束后沖砂沖膠塞合層排液求產。該技術工序繁雜，作業周期長，綜合成本高，在世界范圍內推廣應用較為緩慢。

2.1.2 機械械封隔技術

機械封隔隔技術也用于套管井，主要有機械橋塞與封隔器結合或雙封封隔器單卡分壓或環空封隔器分段壓裂等技術。主要有以下3種種：①機械橋塞+封隔器分段壓裂；②環空封隔器分段壓裂；；③雙封隔器單卡分壓。該技術在淺層油藏應用相對成熟，在在深井應用中還需改進與完善。

2.1.3 限流流壓裂技術

限流壓裂技術是在壓裂過程中，當壓裂液高速通過射孔孔眼進入儲層時會產生孔眼摩阻且隨泵注排量的增加而增大，帶動井底壓力的上升，當井底壓力一旦超過多個壓裂層段的破裂壓力，即在每一個層段上壓開裂縫，它要求各個段破裂壓力基本接近，可用孔眼摩阻來調節。該技術多用于形成縱向裂縫的水平井，分段的針對性相對較差。

2.2 水力噴砂技術

水力噴砂射孔壓裂聯作技術是集射孔、壓裂、水力封隔一體化的新型增產措施，適用于多種完井方式的油氣井增產，施工周期短、安全可靠性高、作業成本低，是目前國際上低滲透油氣儲層改造的研究熱點之一。

根據伯努利（Bernoulli）方程原理，將壓能轉變為動能，射流增壓與環空壓力疊加超過破裂壓力并維持裂縫延伸。采用一種特殊的噴射/壓裂工具，通過兩個步驟將地層裂縫打開（圖1）。水力噴砂射孔壓裂技術原理是采用攜砂高壓前置液，將套管、水泥環、地層射穿，并實施壓裂或酸化。

該技術的優點：①無需單獨射孔，直接噴砂壓裂完成射孔壓裂作業，射孔、壓裂一次完成；②施工時只需下一次管柱，可解決多層射孔壓裂作業；③實現一套工具完成多層施工；④不動管柱一次噴砂射孔兩層；⑤施工時間短。

圖1 水力噴砂射孔切割巖石原理示意圖

2.3 清水壓裂技術

清水壓裂技術也稱為減阻水壓裂技術，是指在清水中添加很少量的減阻劑、黏土穩定劑和表面活性劑作為壓裂液來進行壓裂的技術。該技術是用清水添加適當的減阻劑作為壓裂液來替代通常使用的凝膠壓裂液, 可以在不減產的前提下節約 30% 的成本, 在低滲透油氣藏儲層改造中取得很好的效果。

2.3.1 清水壓裂技術的主要特點

清水壓裂主要有以下特點∶①較大的施工間隔段；②工作液效率低、用量大；③工作液粘度低、形成的裂縫寬度較窄；④攜砂能力差；⑤要求較高的泵注排量,以補償工作液的高濾失；⑥形成的裂縫幾何形狀較復雜。

2.3.2 該技術提高巖石滲透率的依據

天然的縫面不吻合和產生粗糙縫面,剪切應力使縫面偏移，同時在裂縫擴展時，水力裂縫將開啟早已存在的天然裂縫，提高巖層的滲透率；若用其他壓裂液進行壓裂處理，往往不能對進入氣層中的壓裂液進行徹底清洗，而水壓裂采用的壓裂液主要為清水，是一種清潔壓裂技術，這也是提高巖層滲透率的重要因素之一。該技術已經成為美國德克薩斯Barnett頁巖氣田的主要開采手段。

2.4 同步壓裂技術

同步壓裂技術是指同時對2口或2口以上的鄰近平行井進行壓裂。在同步壓 裂中，壓裂液及支撐劑在高壓下從一口井沿最短距離向另一口井運移，這樣就增 加了裂縫網格的密度和表面積，從而快速提高頁巖氣井的產量。

同步壓裂一方面可以促使水力裂縫擴展過程中相互作用，產生更復雜的縫網，增加改造體積，提高氣井產量和最終采收率；另一方面它是2口或2口以上相鄰且平行的水平井交互作業，逐段實施分段壓裂。采用這種技術在短期內增產效果很明顯。

這項技術是近幾年在沃斯堡盆地Barnett頁巖氣開發中成功應用的最新壓裂技術。目前已從兩口互相接近且深度大致相同水平井間同時壓裂,發展到3口、甚至4口井間同時壓裂。

3 結論

中國可采頁巖氣儲量雖然巨大，但中國的頁巖地層更深、斷層更多，且位于人口密集的山區，導致開采成本高、鉆探難度大。因此，借鑒外國先進技術的同時，更要立足本國實際，研究、發展更適合國情的開采技術，并逐步形成科學有效的工廠化作業方式，才有可能更好地促進中國頁巖氣的生產。