張蔚紅，熊林芳，王春艷，楊 紅，蘇效民

(1.西北大學 地質(zhì)學系 大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069;2.延長油田股份有限公司，陜西 延安716000;3.川慶鉆探國際工程公司，四川 成都 610051)

頁巖氣是指泥巖或頁巖在各種地質(zhì)條件下生成且尚未完全排出的天然氣，屬于非常規(guī)天然氣資源，往往以吸附、游離、溶解等多種形式殘留于盆地內(nèi)厚度較大、分布較廣的泥頁巖內(nèi)部。

作為新能源之一，與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長和生產(chǎn)時間長的優(yōu)點，大部分可產(chǎn)氣的頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含有頁巖氣，這使得頁巖氣井能夠長期以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣。世界頁巖氣資源很豐富，但目前還沒有廣泛地勘探與開發(fā)，其根本原因是頁巖基質(zhì)滲透率很低，勘探開發(fā)困難。

1 國內(nèi)外勘探開發(fā)現(xiàn)狀

據(jù)預測，世界頁巖氣資源量為456.24×1012m3，主要分布區(qū)域為:北美、中亞和中國、中東和北非、拉丁美洲、蘇聯(lián)等地區(qū)，相當于煤層氣和致密氣的總和，是常規(guī)天然氣資源量的2倍［1］。我國頁巖氣資源量保守估算有30萬億 m3。

美國頁巖氣資源豐富，在其本土的48個州均有分布。據(jù)美國能源信息署的資料，美國頁巖氣技術可采儲量為24.39×1012m3［2］。目前，美國主要有5套具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣系統(tǒng)，即:FortWorth盆地密西西比系 Barnett頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Michigan盆地泥盆系 Ant－rim頁巖、Illinois盆地的泥盆系 New Albany頁巖和 San Juan盆地白堊系Lewis頁巖。其中，F(xiàn)ortWorth盆地以密西西比系 Barnett頁巖為儲層的 Newark East頁巖氣田，勘探開發(fā)程度較高，目前產(chǎn)量已超過300×108m3，已是美國第二大氣田。美國頁巖氣的成功開發(fā)改變了美國能源格局，被譽為“全球能源領域的一場革命”。

與北美的頁巖氣勘探開發(fā)成就相比，我國的頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，而與全球其他地區(qū)相比，我國的頁巖氣勘探開發(fā)則處于領先地位，為全球除北美以外地區(qū)率先進入頁巖氣勘探評價突破和工業(yè)化開發(fā)先導性試驗的國家［3，4，5］。

對于我國的頁巖氣資源發(fā)展前景，國內(nèi)不少學者對此做出了較為樂觀的預測。預測顯示我國頁巖氣資源豐富，其中地質(zhì)資源量為(30～166)×1012m3，技術可采資源量為(7～45)×1012m3。無論是從地質(zhì)資源量還是技術可采資源量上看，我國頁巖氣資源都具備良好發(fā)展基礎。已有預測認為我國未來5年將實現(xiàn)頁巖氣規(guī)?；a(chǎn)，頁巖氣產(chǎn)量將達到65×108m3，至2020年前后，能夠突破頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術，頁巖氣產(chǎn)量有望達到(600 ～1000)×108m3［6］。其中，四川盆地、渝東鄂西地區(qū)、黔湘地區(qū)、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等將是未來重點勘探開發(fā)和產(chǎn)量增長區(qū)域。我國已在富有機質(zhì)頁巖地質(zhì)特征、頁巖氣形成與富集地質(zhì)條件、頁巖氣遠景區(qū)帶優(yōu)選等基礎地質(zhì)理論與認識上取得重要了進展;在四川盆地南部古生界、四川盆地北部中生代、鄂爾多斯盆地三疊系等多個地區(qū)和多個時代的海相、陸相富有機質(zhì)頁巖中取得重要頁巖氣突破和發(fā)現(xiàn)。這預示著中國的頁巖氣具有巨大的開發(fā)潛力。

我國已經(jīng)加快了頁巖氣的勘探開發(fā)步伐，近年來開展了我國頁巖氣地質(zhì)條件評價與勘探開發(fā)先導性試驗，例如，南方海相地層中頁巖氣評價井FS1井頁巖氣井的壓裂施工，W201井寒武系也發(fā)現(xiàn)了較好的頁巖氣顯示，并對其進行了壓裂改造。與國際合作方面，我國石油公司積極與國外油氣企業(yè)在頁巖氣勘探開發(fā)方面尋求合作，我國石油與康菲、殼牌、?？松梨?、挪威石油等跨國石油公司開展聯(lián)合研究，探索頁巖氣開發(fā)的國際合作方式;我國石化也積極同BP、Chevron、Newfield等國外石油公司展開交流合作，這些表明頁巖氣勘探開發(fā)將會在我國蓬勃發(fā)展。

2 鉆采技術及進展

2.1 水平井技術

頁巖氣是存在于頁巖裂縫等空隙中的天然氣，要使其易于流入井筒，就必須合理利用儲層中的裂縫，使井筒盡可能多的穿過儲層。目前業(yè)界多利用水平鉆井技術來進行頁巖氣的開采，該技術對于頁巖氣開采具有重大意義，水平鉆井可以獲得更大的儲層泄流面積，得到更高的天然氣產(chǎn)量。水平井形式包括單支、多分支和羽狀水平井。水平井的成本一般是垂直井的1～1.5倍，例如800～1 000 m水平段的常規(guī)水平井鉆井及完井投資約700萬美元，產(chǎn)量是垂直井的3倍左右［7］。一般來說，水平段越長，最終采收率就越高。但水平段不能無限長，因為水平段越長，成本就越高，在實際生產(chǎn)中需要根據(jù)具體地質(zhì)實際和成本效益等來確定最佳的水平段程度。

有效的井身設計決定著水平鉆井能否取得成功，采用三維地震解釋技術能夠更好地設計水平井軌跡?，F(xiàn)代鉆井技術已發(fā)展到了允許鉆機轉(zhuǎn)彎，采用旋轉(zhuǎn)鉆井導向工具，可以形成光滑的井眼，獲得較好的地層評價。水平井技術的應用可以使無裂縫或少裂縫通道的頁巖氣藏得到有效的經(jīng)濟開發(fā)。水平井需要進行壓裂施工，否則不能產(chǎn)出工業(yè)氣流。

2.2 完井技術

頁巖氣大部分以吸附態(tài)賦存于頁巖中，其儲層滲透率低，完井技術的選擇直接關系到頁巖氣的采收率。頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術，泡沫水泥具有漿體穩(wěn)定、密度低、滲透率低、失水小、抗拉強度高等特點，因此泡沫水泥有較好的防竄效果，而且水泥侵入距離短，可以減小儲層傷害。據(jù)國外經(jīng)驗，泡沫水泥固井比常規(guī)固井產(chǎn)氣量平均高出23%［8］。泡沫水泥固井技術從 20世紀80年代就已在我國部分油氣田進行應用，目前在青海油田花土溝、吐哈油田巴喀、河南油田氣井中均取得了較好的應用效果，該技術已相對成熟。

頁巖氣井的完井方式主要包括組合式橋塞完井、水力噴射射孔完井和機械式組合完井。組合式橋塞完井是在套管井中用組合式橋塞分隔各段，分別進行射孔或壓裂，是頁巖氣水平井最常用的完井方法，但施工中需要射孔、坐封橋塞、鉆橋塞，此方法比較耗時。水力噴射射孔方法從工具噴嘴噴射出的高速流體可射穿套管和巖石，達到射孔的目的，通過拖動管柱可進行多層作業(yè)，免去下封隔器或橋塞，能夠縮短完井時間。機械式組合完井采用特殊的滑套機構和膨脹封隔器，適用于水平裸眼井段限流壓裂，一趟管柱即可實現(xiàn)固井和分段壓裂施工連作［7］。目前主要技術是 Haliburton公司的Delta Stim完井技術，施工時將完井工具串下入水平井段，懸掛器坐封后，注入酸溶性水泥固井，從井口泵入壓裂液，逐段依次進行壓裂。

2.3 壓裂增產(chǎn)技術

頁巖氣儲層必須經(jīng)過壓裂才能形成工業(yè)氣流。頁巖氣儲層的壓裂改造工藝與常規(guī)壓裂改造有明顯不同。經(jīng)過30多年的發(fā)展，國內(nèi)外形成了多項頁巖氣壓裂增產(chǎn)技術。

2.3.1 清水壓裂

清水壓裂是在清水中加入少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑、表面活性劑等添加劑作為壓裂液進行的壓裂作業(yè)，又叫做減阻水壓裂。早期清水壓裂使用清水作為壓裂液，產(chǎn)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［9］。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(jīng)成為開發(fā)如德克薩斯州Barnett等頁巖氣田的主要開采手段，能節(jié)約成本30%左右［7］。2010年5月，中國石化使用清水壓裂技術對方深1井頁巖層段進行施工，歷時5 h，共注入壓裂液2 121 m3，加砂270 t，壓裂作業(yè)取得成功。

2.3.2 水力噴射壓裂

水力噴射壓裂是集水力射孔、壓裂、隔離一體化的水力壓裂技術。該技術通過地面拖動施工管柱，利用水力噴射工具進行施工，不需要封隔器或橋塞等工具，自動封堵，封隔準確，適應于儲層初期改造。壓裂分為三個過程:水力噴砂射孔、水力壓裂和環(huán)空擠壓。

水力噴射壓力技術有多種工藝，如水力噴射輔助壓裂、水力噴射環(huán)空壓裂、水力噴射酸化壓裂等［10］。目前水力噴射技術已經(jīng)在美國、加拿大等多個國家和地區(qū)應用效果良好。2005年，水力噴射壓裂技術第一次在美國 Barnett頁巖中使用，作業(yè)者使用水力噴射環(huán)空壓裂工藝對 Barnett頁巖中的53口井進行了壓裂，通過對增產(chǎn)效果評價，其中26口井取得了成功，壓裂后頁巖氣井的產(chǎn)量比壓裂前產(chǎn)量明顯增加，并且能夠持續(xù)較長生產(chǎn)時間。

2.3.3 重復壓裂

重復壓裂技術是相對于初次壓裂而進行的再次壓裂施工，重復壓裂增產(chǎn)措施對處理低滲、天然裂縫發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層效果明顯，特別是頁巖氣藏，重復壓裂能重建儲層到井眼的線性流，產(chǎn)生的支撐裂縫導流能力更高，目的是恢復或增加產(chǎn)能。據(jù)資料統(tǒng)計，重復壓裂能夠以(3.53～7.06)美元/103m3的儲量成本增加頁巖氣產(chǎn)量，可使頁巖氣井最終采收率提高8% ～10%，可采儲量增加60%［9］。重復壓裂對產(chǎn)能較高的井同樣適用。

重復壓裂的重要增產(chǎn)機理之一是裂縫的重新取向，裂縫重新取向能夠繞開地層傷害區(qū)，避開壓實作用和滲透率下降區(qū)，從而得到更好的生產(chǎn)條件，經(jīng)過重復壓裂的井能夠達到更高的生產(chǎn)水平。

2.3.4 同步壓裂

同步壓裂指對2口或2口以上的配對井進行同時壓裂。同步壓裂采用使壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運移的方法，來增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡的密度和表面積，利用井間連通的優(yōu)勢增大工作區(qū)裂縫的程度和強度，最大限度地連通天然裂縫［9］。同步壓裂最初是2口互相接近且深度大致相同的水平井間的同時壓裂，目前已發(fā)展到4口井同時壓裂。

同步壓裂對頁巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)效果明顯，而且對工作區(qū)環(huán)境影響小，完井速度快，節(jié)省壓裂成本，是頁巖氣開發(fā)中后期比較常用的壓裂技術。在壓裂井位置接近的情況下，如果依次對2口井進行壓裂，可能導致只在第二口井中產(chǎn)生流體通道而切斷第一口井的流體通道。同步壓裂能夠讓被壓裂的2口井的裂縫都達到最大化，相對依次壓裂能夠獲得更好的收益。2006年，同步壓裂首先在美國 Barnett頁巖中實施成功。

2.3.5 分段壓裂

目前頁巖氣井以水平井完井為主，在投產(chǎn)之前要對水平段進行大規(guī)模分段壓裂施工。水平井壓裂由于其應力場的不同可以產(chǎn)生縱向縫、斜交縫和橫截縫，其中，橫截縫有利于提高水平段整體滲流能力，擴大改造體積。

分段壓裂是利用封堵球或限流技術分隔儲層不同層位進行壓裂的技術，該方法目標準確，壓裂效果明顯。目前有2種方式，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(tǒng)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。但該施工過程入井工具多，導致施工風險增加，該技術在頁巖氣開發(fā)中的應用正在逐年降低［11］。

水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術的主要特點為套管壓裂、多段分簇射孔、快速可鉆式橋塞封隔(鉆時小于15 min)。壓裂施工結(jié)束后快速鉆掉橋塞進行測試、生產(chǎn)。由于該技術射孔和座封橋塞連作，壓裂結(jié)束之后直接鉆掉所有橋塞，節(jié)省了時間和成本，同時縮短了液體在地層中的滯留時間，減小對儲層的傷害。目前該技術已經(jīng)成為美國頁巖氣開發(fā)的主體技術。

3 結(jié)語

頁巖氣藏屬于典型的非常規(guī)氣藏，其成藏規(guī)律、儲集空間、滲流規(guī)律以及后期開發(fā)模式有其自身特點。天然裂縫系統(tǒng)是頁巖氣重要的儲集空間和運移通道，水平井技術是頁巖氣藏開發(fā)的主要方式之一，頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術和組合式橋塞完井方法。頁巖氣儲層必須經(jīng)過壓裂才能形成工業(yè)氣流，頁巖氣儲層的壓裂改造工藝與常規(guī)壓裂改造有明顯不同，人工壓裂是目前頁巖氣開采的核心技術，多采用清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂、同步壓裂，分段壓裂等工藝技術，以實現(xiàn)體積改造，獲得更大的工業(yè)產(chǎn)能。

頁巖氣作為天然氣的接替能源，具有規(guī)模大、生產(chǎn)周期長的優(yōu)點，但同時又面臨藏存隱蔽、采收率不穩(wěn)定、開發(fā)技術要求高、成本高的不利因素。頁巖氣勘探開發(fā)首先在北美取得成功，相比之下我國頁巖氣開發(fā)將經(jīng)歷漫長的引進、消化、吸收，最后自主創(chuàng)新的過程。

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