頁巖氣壓裂增產技術

牛作剛

（華東油氣分公司采油氣工程服務中心，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，同時一些調查研究顯示，在我國僅陸地就有約133.44萬億立方米的頁巖氣地質資源，不僅包含青藏高原地區，同時其他地區的頁巖氣地質資源也十分豐富，可高達27.45萬億m3，在陸地頁巖氣地質資源總面積中約有88萬km2已經獲得評價單元，該單元面積約有92.33萬億m3的地質資源總量，其中約有16.78萬億立方米的可使用資源，該數據在目前具有較高的確定度和精準性，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

立足我國地質條件方面進行分析，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，同時我國的烴源巖具有良好發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，甚至一些局部地區約有超過30%的有機含碳量，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存在的成礦區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進行重點開發。

1.3 頁巖氣藏地質條件

從本質方面來看，頁巖氣不同于其他類型氣藏，主要特征體現在生物化學成因氣及熱成因氣、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理等特征較為普遍，同時具有極其復雜的貯存方式。我國一些研究學者通過大量研究發現，頁巖氣在泥頁巖地層中聚集的狀態是以吸附及游離等為主，而其中頁巖氣的一個重要機理就是吸附作用。立足頁巖氣藏特征進行分析，具體包含以下兩方面內容：第一，隊頁巖即烴源巖，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區域形式為主，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為頁巖氣藏開發面積。

2 頁巖氣勘探開發現狀分析

從目前頁巖氣藏開發實際情況來看，并未形成普遍開發的狀態，其開發主要是在美國及加拿大等國家集中，特別是對于美國來說，已經逐漸向快速開發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性頁巖氣井，始于1821年，到目前為止，其歷史已經有200余年，立足北美頁巖氣開發實際情況來看，一些經驗體現著通過鉆井及完井工程設計技術等的高效利用，加之在目的層段方面進行優先，進而基于鉆井速度的逐步加快，能使單井產能有效提高，同時也利于開采期限的有效延長。而在2002年，某能源公司試驗成功和推廣的水平鉆井技術，充分反映了頁巖氣開采跨時代的發展，主要原因在于2002年之前，美國開發頁巖氣時的鉆井方式主要為垂直井，應用垂直井鉆井方式開采頁巖氣的過程中，受長壁開采影響，覆巖運動情況極易引發，此時穿過采區的垂直頁巖氣井會出現各種變形情況，與此同時，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年水平鉆井優勢逐步凸顯之后，水平鉆井開始受到業內的大力推廣，并且逐步趨于頁巖氣開發的主要鉆井方式方面發展，自此之后迅速增加了大量頁巖氣水平井。

3 頁巖氣壓裂增產技術

3.1 水平井分段壓裂技術

為了能夠科學開采頁巖氣，在具體開采頁巖氣的環節，通常都會有機結合水平鉆井及分段壓裂技術，從水平井技術方面進行分析，主要是說以某一具體水平面的水平方向打井為出發點，借此來達到科學化開采頁巖氣目的，該技術是以鉆桿的利用為主，一些科學家在對比垂直鉆井和水平鉆井兩種方式的情況下發現，以結果為主要依據，能夠明確其中具有顯著優勢的為水平井，主要體現在以下幾方面：首先，通過水平井技術來開發頁巖氣，能有效加大井筒及儲存層，使裂縫相交機率逐步增加，所以該技術在低滲透率及小空隙的頁巖開采中十分適用。其次，應用該技術開采頁巖氣無需占據較大面積，主要體現在水平井技術使用的設備方面，因設備體積較小，所以地面對設備的限制性因素也大幅度減少，可使設備開采范圍逐步拓寬。立足分段壓裂技術方面進行分析，主要是在水平井筒內利用分隔器，進而以逐級的方式開展壓裂，一般是以三個階段為主：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合適濃度的調制；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域的頁巖氣開發。

3.2 重復壓裂技術

應用重復壓裂技術開采頁巖氣的過程中，主要是多次壓裂同一地層，借此有效優化已經存在的裂紋，逐步達到重建儲層和井眼間線性流的目的，此時能夠成功且直接開采未能采集的頁巖氣。但是，要想確保該技術預期開采目標得以有效達成，應深入分析該技術應用時能獲得成功的具體原因，基于獲得成功原因的充分了解，進而優化技術的應用。此外，在開采頁巖氣的過程中，要想對重復壓裂技術進行科學了解和切實掌握，還應注意失敗原因的充分明確，綜合評估各方面因素，如導流能力有效性及長度等參數，借此切實掌握重復壓裂技術的科學運用，基于技術優勢作用的充分發揮，為頁巖氣預期開采目標的良好實現奠定基礎。

3.3 同步分裂技術

同步分裂技術主要是說在同一時間壓裂多個井，通過此技術的應用，會產生一種高壓作用，使兩井間壓裂液運移距離向最短方面降低，增加水力壓裂裂縫網絡表面積和密度。此外，通過該技術應用還能使操作區域逐步擴大，但值得注意的是，該技術應用環節往往會高要求技術水平，同時開采成本也會在一定程度上增加，因此需將后勤保障及協調等方面工作做好。同步分裂技術的顯著優勢為能保障頁巖氣井快速增產目標得以良好實現。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

在科技迅猛發展的背景下，頁巖氣開采技術也開始逐漸趨于成熟方向發展，而在頁巖氣壓裂增產中應用大量新工藝及新技術，利于頁巖氣增產目標的實現。（1）新型重復壓裂技術。該技術能夠融合微地震解釋技術，同時也能使實時監控及裂縫攢肚等技術有機結合，借此嚴密控制頁巖氣開采區域，為有效開發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。開采頁巖氣時，多數頁巖地層縫網壓裂十分必要，而僅有少數的天然裂縫無需開展縫網壓裂操作。但值得注意的是，縫網壓裂過程，因液體不具備較強的攜砂能力，同時開采效率較低，大排量壓裂目標很難實現，此時為保障上述問題有效解決，減阻水壓力技術得到了有效研發，通過此技術應用，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 電動壓裂和泵送橋塞與射孔聯作技術

該技術用于開采頁巖氣中具備的顯著特征體現在降本、綠色、環保、施工周期短及24 h連續施工等方面，技術實現的主要流程如下：將傳統柴油機壓裂模式轉變成純電動壓裂模式，降低了施工時噪音的影響，實現了24 h連續施工的目標，實現了頁巖氣快速、高效的開發。電動壓裂配合泵送橋塞與射孔聯作技術，第一段采用爬行器或連續油管射孔后進行電動壓裂改造，通過套管串中短套管的預置，使各壓裂層段所在位置得到標記，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預定位置進行坐封，實現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，對第二段進行電動壓裂改造，重復上述步驟，實現對頁巖氣井全井筒壓裂改造的目的，該技術的順利實施，實現了頁巖氣低成本、綠色環保、高效開發的目標。

4 頁巖氣勘測開發新技術

傳統頁巖氣開采方式應用時，通常都會在采收率和生產周期方面進行充分考慮，我國進行頁巖氣開采時，采收率變動情況較大，一些情況下很難達到高效開采目的，主要原因在于開采頁巖氣層時周期較長。通常來說，頁巖往往是以暗色泥巖或淺色粉砂巖為主，同時部分頁巖還會在巖石顆粒或有機質表面吸附，受頁巖氣層地質及環境等多種因素影響，使開采難度逐漸增加，對此，就需要通過先進開采技術的應用，保障頁巖氣順利開采及增產目標的逐步實現，具體技術包含：地質儲量評估、壓裂增產、射孔優化、水平井增產、欠平衡鉆井等。

5 結語

屬于重要資源之一的頁巖氣，發展前景十分廣闊。開采頁巖氣的過程中，使用頁巖氣井壓裂技術的優勢十分顯著，如開采規模大、排量大等，可借助大型壓裂進行復雜網絡縫的有效改造，使整體改造面積逐步擴大，促進增產目標的實現。在地區不同的情況下，頁巖氣差異也往往十分顯著，加之海陸間差異也較大，因此開采技術應用過程，避免出現盲目照搬其他地區技術的現象，應根據地區實際情況優化技術應用，針對性進行壓裂改造。