頁巖氣壓裂技術進展及發展建議

張金發，管英柱，陳 菊，但植華，高 飛，紀國法

(長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

極細粒礦物與黏土經過堆集、固化成為頁巖，頁巖往往沉積在無擾動環境下的湖泊、海洋等地區，含大量有機物，是生油氣母巖[1]。頁巖氣大多以吸附、游離相態存在這樣孔隙度和滲透率極低的致密泥頁巖中，頁巖氣流動阻力比常規油氣大，裂縫網絡不發育的頁巖，很難成為有效儲層，要求具備一定的改造體積，才能滿足頁巖氣高效開發的要求[2]。

據中國礦產資源報告(2020)，截至2019年底，頁巖氣資源儲量增長77.8%，2019年頁巖氣新增探明地質儲量7 644.2×108m3，其中，新增探明技術可采儲量1 838.4×108m3。四川盆地頁巖氣勘探獲得重大進展，在長寧—威遠和太陽區塊新增探明頁巖氣地質儲量為7 409.71×108m3，技術可采儲量為1 784.45×108m3，累計探明10 610.30×108m3，形成了四川盆地萬億方頁巖氣大氣區；2019年，天然氣(含頁巖氣、煤層氣)產量1 761.7×108m3，增長10.0%，視消費量3 058×108m3，增長7.3%[3]。中國頁巖氣分布廣泛，開發潛力及市場潛力巨大。因此，加強頁巖氣的深入研究，實現頁巖氣大規模商業化開發，大力推動頁巖氣產業快速發展，將促進我國經濟發展、保障我國油氣能源安全。

美國是世界上首個掌握頁巖氣開發成熟技術的國家，早已實現頁巖氣大規模工業化開采。我國頁巖氣儲層及地面環境比北美地區更復雜，通過十余年的持續攻關研究，我國已經實現3 500 m以淺頁巖氣資源的大規模工業化開發，并已向深層頁巖氣開發[4]。但以壓裂為核心的頁巖氣開發仍面臨諸多挑戰，如壓裂液體系的優化，反排液的循環利用，深層頁巖氣的壓裂等。為此，筆者總結了各類壓裂改造技術的關鍵工藝，針對技術現狀及不足之處，提出了頁巖氣壓裂發展的建議。

1 頁巖氣儲層評價與壓裂改造

頁巖氣開發以儲層評價為基礎，壓裂改造為核心。只有對儲層特征精準地評價以及對壓裂改造有深刻地認識，才能提高產能、降低作業成本。

儲層評價主要目的是評價儲層是否能夠通過壓裂改造形成足夠大的有效裂縫體積。儲層的脆性、天然裂縫以及水平應力差等對儲層壓裂的可行性及其效果起著重要作用。脆性大的儲層，易實現脆性斷裂形成裂縫網絡，從而大幅度提高裂縫體積。泊松比小，楊氏模量大，則說明脆性指數大，拉伸實驗可獲得巖芯的泊松比及楊氏模量，另外，儲層中碳酸鹽巖礦物、硅質礦物含量高，也可說明頁巖儲層的脆性指數大，巖石礦物分析法可確定儲層的脆性[5-6]；天然裂縫可增加自由氣的儲集，天然裂縫發育程度越好，其和人工裂縫形成的裂縫網絡越復雜。天然裂縫的發育程度可通過鉆遇裂縫的巖芯和野外露頭分析得到；水平應力差越小，對于縫網的復雜性越好。地應力的獲取在實驗室、現場施工可分別采用巖石聲發射Kaiser效應法、水壓致裂法[7-8]。此外，預測儲量、孔滲條件、有機碳含量及成熟度、水敏感性也是頁巖氣儲層評價的指標。經過精準的儲層評價，具備較好富集規律的氣層，才能通過壓裂改造實現人工裂縫體系。

壓裂改造主要目的是增加裂縫網絡，提高裂縫導流能力。頁巖氣從地層流動至井底可分為3個階段：①吸附氣由于壓降發生解吸附成為自由氣[9]；②自由氣由于濃度差從基質系統向裂縫網絡系統擴散；③頁巖氣由于流動勢從裂縫網絡系統流至井底。頁巖儲層孔隙度和滲透率極低，流動阻力過大，基本無法運移到井底。因此，需要大規模壓裂改造，使人工裂縫和天然裂縫錯綜交雜，形成具有一定滲流能力的裂縫網絡，便于頁巖氣更好地通過裂縫網絡流向井底，以實現較高的商業開發價值[10]。

2 頁巖氣壓裂技術進展

2.1 直井連續油管分層壓裂技術

較淺的頁巖氣儲層是早期頁巖氣開發重點集中的地層，工藝方式主要以直井為主。此技術借助高速、高壓流體的能量，先利用連續油管完成射孔作業，待開啟儲層和井筒的通道后，再環空加注攜砂液，最終在地層中顯現裂縫[11]。該技術具備施工周期短、井下工具簡單、成本較低等優勢。

2.2 水平井分段壓裂技術

隨著頁巖氣的不斷開發，為了提高生產效益、滿足商業開發要求，水平井壓裂隨之出現并廣泛應用，逐漸取代直井壓裂，成為頁巖氣儲層改造的一個重要技術。對比直井，水平井具備井筒與儲層之間的接觸區域大，裂縫交叉的機會大、設備占地面積較小，拓寬設備開采范圍的優勢[12]。同一口井的油層可能具有不同的儲層特征，水平井分段壓裂可以對其分級、單獨實施對應的壓裂，目標準確，適用于水平井段較長、油層多且特征不同的井。水平井分段壓裂技術主要有以下幾類[13-14]。

(1)裸眼封隔器投球滑套分段壓裂。該技術利用可膨脹封隔器或裸眼封隔器將水平井段分割成數干段，第1級壓差滑套被地面打壓打開后進行第1段壓裂作業，從第2級開始逐級投球打開滑套且管內已壓裂層段實現封堵，逐級壓裂施工[15]。該技術所有的壓裂施工可一趟管柱連續完成，無需使用橋塞封隔和多級射孔，壓裂設備僅需壓裂車，施工時間短、成本低。但入井工具多，壓裂級數受限，裂縫起裂位置不確定，壓后井筒通徑受限，難以滿足大規模體積壓裂改造要求。

(2)泵送橋塞與射孔聯作分段壓裂。該技術利用可鉆式橋塞作為分段工具，依據儲層特征優化分段水平段，在每段中進行多簇射孔，結合縫網壓裂技術進行大排量套管分段壓裂施工，在長水平井段形成復雜裂縫網絡，從而實現儲層的大規模體積壓裂改造，是頁巖氣水平井分段壓裂技術中應用最多的儲層改造技術。該技術壓裂級數不受限制，壓裂層位準確，壓后井筒通徑為全通徑，可進行大排量施工。但壓裂施工中需進行電纜作業逐級多次下入分段橋塞、射孔[16]，導致壓裂作業周期相對較長，施工人數及壓裂設備多，需要壓裂車、連續油管車、測井車，施工成本高，壓裂改造水平井長度受連續油管最大下深限制。

(3)套管預置滑套無限級分段壓裂。該技術利用連續油管坐封套管內封隔器且打開滑套，環空注入壓裂液進行分段壓裂施工。該技術對于壓裂級數沒有限制，能夠精準壓裂定位，壓裂設備需要壓裂車、連續油管車，壓后井筒通徑為全通徑，當最后一級壓裂施工完畢后，將工具串起出，鉆塞及磨銑球座作業均無需進行，可迅速投產[17]。

2.3 重復壓裂技術

產量衰減幅度大、遞減速度快是頁巖氣的生產特征，北美地區最初通過增加鉆井數量解決這一難題，但近年來國際油價持續震蕩，新增鉆井的經濟性較低，為尋求更加經濟的增產改造措施，頁巖氣重復壓裂隨之產生。選取合理的重復壓裂對象是該技術的關鍵，候選井的選取原則包括具備足夠的剩余可采儲量及儲層能量，具有較高初始產量；因初始壓裂設計或施工作業等工程因素造成頁巖氣井初始產量低于預期，如壓裂簇間距不合理、壓裂液體系不完善、由于時間關系使現有支撐劑破碎導致頁巖氣井產量大幅降低的頁巖氣井等；井身結構滿足重復壓裂作業的要求等[18-19]。重復壓裂有壓出新裂縫、延伸原有裂縫、轉向壓裂方式。作為當前主要的重復壓裂技術，暫堵轉向技術利用先暫堵然后轉向分流的方法，依據地層開啟壓力的先后完成頁巖儲層壓裂作業，裂縫暫堵控制體系結合實時監測、微地震技術，可提高頁巖儲層有效增產體積，同時還能有效開發原裂縫控制區之外的頁巖氣，進而增加了氣井產量[20-21]。雖然重復壓裂在部分頁巖氣井中改善效果很好，但總體而言，該技術仍處于探索試驗階段，存在技術的適應性、施工風險相對較高、成本問題[22]。

2.4 超高導流能力壓裂技術

該技術基于網絡壓裂技術，對比以往的網絡壓裂，超高導流能力壓裂技術在設計理念、選取材料及其泵注工藝上有很大創新[23]。在設計上，以往支撐劑本身提供導流能力，但該技術的導流能力是由各支撐劑堆間而形成的超高導流能力通道所提供；在材料上，將支撐劑用高黏壓裂液與可溶性纖維包裹起來；在泵注上，使用多段注入低黏隔離液的工藝。該技術不要求支撐劑具有較好的質量，作業安全性高且可操作性強，可獲得更高的導流能力，應用性廣泛。據統計，北美地區采用超高導流能力壓裂技術進行對比實驗，其單井初產、預計采收率對比使用其他壓裂作業分別提高23%、17%，這使得此項技術有良好得推廣應用前景[24]。

2.5 “工廠化”壓裂模式

“工廠化”壓裂模式于2005年哈里伯頓公司所提出，目前已廣泛地應用在北美頁巖氣的開采。連續性作業是該壓裂模式的最大特性，平臺上的壓裂液體系能反復利用、集中供給，該壓裂模式提高了壓裂設備的利用率，提升了施工效率，減少了土地占用及資源消耗，降低了施工成本[25-26]。

我國在頁巖氣開發中采用“工廠化”壓裂模式，生產效率和經濟效益顯著提升。據統計，威202H2平臺6口井進行“工廠化”壓裂作業實踐，壓裂作業時間為44 d，每天平均作業時效2.32段，施工效率達到國內外先進水平，平臺儲層改造體積達1.1×108m3，改造規模較大。與其他常規單井平臺相比，威202H2平臺采用“工廠化”壓裂模式，在平臺和蓄水池建設上的成本、壓裂機車組和配套裝置的搬遷、臨時分離器、輸氣管線、壓裂液的殘余損耗方面共計節省成本約1.8億元[27]。

2.6 深層壓裂技術

埋深在3 500～4 500 m的頁巖氣儲層被認為是深層頁巖氣，中國深層頁巖氣資源潛力大，主要集中在川南地區。據統計，深層頁巖氣資源量占該地區頁巖氣地質資源總量的86.5%[28]，是我國頁巖氣產業發展的重要方向。然而，隨著深度的增加，巖石塑性特征增強、兩向水平應力差大、構造復雜程度大、地層溫度升高、閉合壓裂變大，這導致裂縫導流能力降低且遞減快，難以形成復雜裂縫網絡。我國深層頁巖氣的開發已經取得初步技術進展，形成了密切割分段+短簇距布縫[29]、壓裂液變黏度多級交替注入[30]、變排量+混合粒徑及小粒徑支撐劑、大排量工藝和縫口暫堵轉向壓裂[31]等壓裂工藝，但從現場實踐來看，對于深層頁巖氣總體壓裂效果還不理想，在高溫、高應力條件下，如何準確預測破裂壓力、降低施工壓力，提高裂縫長期導流能力并實現復雜裂縫網絡[32]，是深層頁巖壓裂亟待解決的問題。

3 壓裂液體系

壓裂液體系是頁巖氣壓裂技術的“血液”，壓裂液的造縫、攜砂等性能的好壞直接決定整個壓裂作業的成敗。用途在于由地面設施產生的高壓借助壓裂液傳輸至頁巖儲層中，造成儲層分裂顯現裂縫并沿裂縫方向運送支撐劑。壓裂液應根據頁巖氣儲層特征來優選，不同儲層特征，壓裂液的選擇不同，性能優異的壓裂液要求摩阻低、濾失量少、熱穩定性好、懸砂性能強、防膨抑制性能好、配伍性好、反排好、地層傷害小等，同時，還應考慮貨源、配置難易程度、價格的影響。隨著壓裂液的大量研究與試驗，出現了凍膠、泡沫[33]、線性膠、滑溜水、復合壓裂液、纖維[34]、超臨界CO2[35-36]、液化石油氣壓裂液[37]，其中，應用最廣泛的是滑溜水壓裂液體系和復合壓裂液體系[38]。各類壓裂液的特點及適用性見表1。

表1 各類壓裂液特點及適用性Tab.1 Characteristics and applicability of various fracturing fluids

3.1 滑溜水壓裂液體系

滑溜水壓裂液體系主要應用于黏土含量低、脆性較強、天然裂縫較發育的頁巖氣儲層。該體系主要由水構成，并添加減阻劑、黏土穩定劑、表面活性劑等添加劑，其中減阻劑是該體系的核心添加劑，減阻劑能降低壓裂液在流動過程中的摩擦系數，進而降低施工壓力。該體系的優點在于低摩阻、低黏，造縫能力強，能夠大排量泵注形成復雜的裂縫網絡，且返排快，儲層殘渣少，對地層傷害小；同時，添加劑用量少，成本低。其缺點在于低黏度導致攜砂能力較低，大排量作業用水量較多，壓裂施工完畢后有大量返排液會污染環境。滑溜水作為國內外頁巖氣壓裂的主流壓裂液，為具備更好的性能要求，研究重點在于對減阻劑的優化[39]，以提高壓裂液攜砂性能與耐鹽性，及返排液的循環利用，如已經研制的高黏度減阻劑[40]、耐鹽減阻劑[41-42]、返排液循環利用減阻劑[43-44]，且在現場應用中取得較好的效果。

3.2 復合壓裂液體系

復合壓裂液體系主要應用于黏土含量高、塑性較強的頁巖氣儲層，為頁巖氣儲存提供了極大方便。高黏度凍膠與低黏度滑溜水是該體系的主要成分，高黏度凍膠既能確保產生縫寬，又能提高壓裂液的攜砂性能，低黏度滑溜水具有優異的造縫性能。該壓裂液體系的注入方式：交替注入前置液滑溜水、凍膠，支撐劑依次泵注小、中等粒徑，低黏度活性水攜砂在凍膠中發生黏滯指進現象，減緩了支撐劑的沉降速率，進而提高了裂縫的導流能力。復合壓裂液體系具備各種壓裂液的優點，相比滑溜水壓裂，該體系可獲得更長的有效裂縫，攜砂性能優異且濾失量更低，同時，解決了用水量大的問題[45]。據統計，Barnett地區在黏土含量高的頁巖氣儲層采用復合壓裂液體系，其單井產量相比采用其他壓裂液體系的鄰井提高了27.69%[24]。

4 裂縫監測技術

頁巖氣采出的通道主要是頁巖儲層經壓裂后形成的人工裂縫，利用裂縫監測技術可獲得裂縫的延伸情況，有效地評價壓裂效果，更好地了解壓裂施工和壓后產量情況，進行壓裂優化及產量經濟評價，實現頁巖氣藏管理的優化。因此，采取與壓裂施工相適應的裂縫監測技術是獲得裂縫擴展情況的有效舉措，采用裂縫監測技術能夠提高頁巖氣壓裂增產工藝的經濟性及有效性。目前，常用的裂縫監測技術主要有以下4種[46]。

4.1 井下微地震裂縫監測

井下微地震裂縫監測是在頁巖氣井壓裂過程中，由檢波器接收微地震信號，通過地面數據采集系統收集這些微地震信息，并對其進行處理和解釋，從而獲得裂縫的參數信息，如壓裂裂縫的縫長、縫寬、縫高及方位參數，達到壓裂過程實時監測的目的。

井下微地震裂縫監測可用來管理壓裂過程和壓裂后的分析，是目前判斷壓裂裂縫最準確、最廣泛的方法。該技術可以實時呈現裂縫網絡的擴展規模和形態，指導后續壓裂作業并評價壓裂效果[47-48]；該技術應用于老井的重復壓裂，可以獲得新裂縫的延伸情況、縫長等信息，從而實時改變排量、砂量、暫堵劑用量等作業參數，并優化暫堵劑的投放時間及檢查轉向劑是否有效，提高頁巖氣重復壓裂的改造效果[49]。

該監測技術要求儲層可形成并能傳遞可分析的微地震事件，對監測井要求高，條件苛刻。

4.2 測斜儀裂縫監測

測斜儀裂縫監測是在進行壓裂作業時，當地層出現裂縫，地表將發生微量位移，在地面壓裂井附近、鄰井井下放置2組測斜儀來測量這種微量位移，最后由地球物理反演法獲得壓裂的參數信息。放置在地面、鄰井井下的測斜儀可分別推算裂縫傾角、幾何形態。

測斜儀監測為遠井監測方法，此技術適用于“工廠化”壓裂模式，可一次性監測多口井采用分段壓裂工作時的裂縫參數信息，更好地了解平臺模式下裂縫的擴展規模和形態，可作為優化壓裂設計、評估壓裂成效的根據[50]；測斜儀監測可以測量因壓裂發生的地面變形情況，測量結果可以獲得裂縫的方向、傾斜狀況，同時，當多個平面出現裂縫增長時，可以確定注入到每個水平或垂直裂縫中的流體比例的尺寸。該監測技術應用也比較廣泛，但深井不適用，不能獲得1個及復雜裂縫的長短。

4.3 直接近井筒裂縫監測

直接近井筒裂縫監測是在井筒周圍區域，對壓裂施工完畢的氣井的流體物理特征進行測井，從而得到近井筒范圍裂縫的參數信息。一般包括以下幾種技術。直接近井筒裂縫監測技術的各自評價方法和局限性見表2。

表2 直接近井筒裂縫監測技術對比Tab.2 Comparison of direct near-wellbore fracture monitoring techniques

該監測技術往往是選擇應用技術的補充，需要在壓裂施工完畢后馬上測量，無法進行實時監測；大多數技術僅能獲取近井筒范圍內裂縫的參數信息。

4.4 分布式聲傳感裂縫監測

該技術采用傳感光纖作為聲音傳播的載體，通過實時檢測沿光纖傳遞的聲音狀況，從而得到裂縫的參數信息，如壓裂裂縫的方位及傾角。

分布式聲傳感裂縫監測用于診斷壓裂設計，可確定并改善支撐劑與壓裂液的作用位置，壓裂作業成本得到優化的同時，提高了井筒導流能力和最終采收率。該監測技術在2009年第1次用于現場壓裂監測和診斷，基礎薄弱，無法確定復雜裂縫的尺寸[46]。

除了上述4種常見的裂縫監測，還有一些其他監測裂縫信息的技術，如電位法監測技術[51]、過套管交叉偶極橫波測井監測技術[52]。每種監測技術都有其自身的優點和局限性，在現場施工中，可以綜合考慮施工和成本要求，結合選擇最佳的監測技術或結合多種監測技術。

5 頁巖氣壓裂技術發展建議

(1)頁巖氣壓裂技術用水量大，壓裂液體系中添加許多化學試劑，壓裂施工完畢后產生大量反排廢水，若處理不當，會對地下水及周邊的環境造成一定破壞。反排液的循環利用、無水壓裂技術等研究對于確保頁巖油氣的綠色開發至關重要。

(2)重復壓裂處于總體上處于探索試驗時期，今后應進一步優化目標區塊的選井標準、研發有效且低成本的新型支撐劑、建立精準的油氣藏描述與模擬技術。

(3)深層頁巖氣總體壓裂效果還不理想，在高溫、高應力條件下，應揭示深層頁巖非線性斷裂的機制；解決天然裂縫與層理弱面力學性質表征困難的問題；優選合適的支撐劑體系；建立深層頁巖的人工裂縫擴展模型。

(4)壓裂液正朝著低傷害、低成本、清潔環保的趨勢發展，新型壓裂液解決了傳統壓裂液地層污染大、成本高等缺點，但仍存在部分性能問題。滑溜水壓裂液要進一步優化減阻劑，以提高壓裂液攜砂性能和耐鹽性，尤其對返排液的循環利用；纖維壓裂液要進一步優選纖維材料及改進形成可降解纖維，以解決難交聯，降解難問題；此外，也應加強纖維與其他壓裂液的復合配用；加強泡沫復配體系的研究；少水、無水壓裂液解決了用水量大的問題，將是未來重點發展方向之一。

6 結語

(1)頁巖氣壓裂技術類型多，但不同頁巖儲層特征具有很大差異，頁巖氣壓裂工藝技術要根據儲層特征和現場實踐來選擇，以達到預期的壓裂效果。

(2)我國對于頁巖氣的開發，時間相對較短，開發模式多為新增鉆井，但伴隨理論研究的成果、現場開發的推進，加上近年油價震蕩，我國對于頁巖氣的開發也會重點關注于老井的增產，重復壓裂將成為頁巖氣增產的重要舉措。

(3)我國對于頁巖氣的開發經過十余年的理論研究和現場施工，目前已經實現3 500 m以淺頁巖氣資源的大規模工業化開發，并已向深層頁巖氣開發，深層頁巖氣將成為中國頁巖氣開發的重要接替領域。

(4)壓裂液作為頁巖氣壓裂技術的“血液”，壓裂液體系的優化備受關注。隨著纖維材料、清潔壓裂液及無水壓裂液的出現，未來壓裂液體系發展呈低成本、低傷害、清潔環保、適應苛刻環境的趨勢。

(5)通過裂縫監測技術，優化壓裂設計、提高壓裂效果，是頁巖氣壓裂優化設計的導向。采用“工廠化”壓裂模式，可提高施工效率，是頁巖氣壓裂降低成本的有效途徑。