趙萬(wàn)福

(1．山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長(zhǎng)治046011;2．山西省煤層氣工程技術(shù)研究院，山西長(zhǎng)治046011)

0 引言

能源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類的生產(chǎn)和生活要素。日本大地震后核電危機(jī)的影響，加劇了全球?qū)鹘y(tǒng)能源的重視和依賴。美國(guó)在頁(yè)巖氣方面的成功開(kāi)發(fā)不但改善了本國(guó)天然氣供應(yīng)格局和能源安全狀況，也極大地刺激了全球范圍內(nèi)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)熱潮。中國(guó)境內(nèi)頁(yè)巖氣含氣面積廣泛，具有巨大的資源潛力和勘探開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景［1～3］，已經(jīng)作為一種獨(dú)立礦種進(jìn)行管理。大規(guī)模開(kāi)發(fā)可以改善中國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，緩解油氣資源的需求壓力，實(shí)現(xiàn)能源供給多元化，并向清潔能源模式轉(zhuǎn)變，也進(jìn)一步保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全。然而，頁(yè)巖氣為低滲透油氣藏，自然產(chǎn)能幾乎為零，必須改造才能產(chǎn)出。目前，世界上只有少數(shù)北美國(guó)家(主要是美國(guó))實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣的商業(yè)化開(kāi)采。美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)是:水平井加多段壓裂。目前中國(guó)僅施工100多口探井和少量試采井，還沒(méi)有完全掌握這項(xiàng)技術(shù)［2～6］。最簡(jiǎn)單的方式就是與國(guó)外公司合作，引進(jìn)、消化他們的技術(shù)。這種方式除了在能源外包方面存在的一些弊端，還存在外國(guó)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)中國(guó)復(fù)雜情況的適應(yīng)性問(wèn)題［2］。由于中國(guó)的頁(yè)巖氣地質(zhì)背景比北美地區(qū)復(fù)雜:地表、地下地質(zhì)條件差、維度高、可壓性差，如多分布在山區(qū)，儲(chǔ)層埋深大，多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加、改造，斷層、褶曲發(fā)育，楊氏模量低、泊松比高、巖石脆性指數(shù)低［2～5］等等，美國(guó)現(xiàn)有技術(shù)能否適用于中國(guó)有待驗(yàn)證。2012年6月，由于在波蘭東部頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中遭遇失利，石油巨頭埃克森美孚公司宣布暫停波蘭境內(nèi)的頁(yè)巖氣勘探工作［7］，此前在匈牙利，該公司的一口頁(yè)巖氣勘探井也因開(kāi)采出的幾乎全是水而被迫放棄，導(dǎo)致超過(guò)7500萬(wàn)美元的投資化為烏有。這些案例說(shuō)明美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)具有局限性，并非普適的。而且這種方法所帶來(lái)的高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境污染等問(wèn)題也沒(méi)有很好的解決［3，4，8］。美國(guó)的頁(yè)巖氣井場(chǎng)面積和井網(wǎng)密度遠(yuǎn)大于常規(guī)天然氣［3，8］，需要消耗大量的水和占用大量的土地。中國(guó)人均占有土地和水資源的數(shù)量遠(yuǎn)遜于美國(guó)，存在不可觸碰的18億畝耕地紅線，一些頁(yè)巖氣賦存區(qū)如云南、貴州等地連續(xù)多年出現(xiàn)大旱，鄂爾多斯、阿拉善、吐哈等盆地，水資源嚴(yán)重短缺?？傊?，中國(guó)大規(guī)模開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣困難重重。有沒(méi)有其它更簡(jiǎn)單、更環(huán)保、更節(jié)能、更低成本、更低風(fēng)險(xiǎn)，而且不大量依賴水源、不大量占用土地的方法?開(kāi)發(fā)非常規(guī)油氣藏就要有非常規(guī)思維，采用非常規(guī)的技術(shù)，本文提出一種頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的新井型，供探討。

1 體積改造與整體改造

1．1 體積改造

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的一個(gè)重要區(qū)別就是滲透率特別低，必須通過(guò)人工制造裂縫，形成氣體通道。美國(guó)通過(guò)體積壓裂、同步壓裂對(duì)頁(yè)巖氣的增產(chǎn)方面應(yīng)用得比較多，在美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上中國(guó)學(xué)者提出體積改造［9］概念，是指通過(guò)壓裂的方式在井筒周圍頁(yè)巖儲(chǔ)層中形成各級(jí)裂縫，構(gòu)成相互交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積和泄氣面積，實(shí)現(xiàn)提高單井初始產(chǎn)量和最終采收率的壓裂改造技術(shù)［9～11］。水平井多段壓裂也被形象的稱為“拉鏈?zhǔn)健眽毫选?/p>

1．2 整體改造

和體積改造不是一類概念，目的是在生產(chǎn)井周圍形成一個(gè)全方位的大面積的滲流場(chǎng)，使儲(chǔ)層整體由低滲透變成高滲透，由非常規(guī)變?yōu)槌Ｒ?guī)，從而大大提高產(chǎn)量和采收率。整體改造與井網(wǎng)密度相聯(lián)系。其優(yōu)化設(shè)計(jì)是以低滲透儲(chǔ)層整體作為一個(gè)工作單元，充分考慮儲(chǔ)層垂向上和平面上的非均質(zhì)性，優(yōu)化設(shè)計(jì)改造面積、改造方式和施工成本之間的組合，同時(shí)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造實(shí)施后實(shí)際效果與設(shè)計(jì)吻合情況，為進(jìn)一步優(yōu)化改造設(shè)計(jì)方案提供實(shí)踐依據(jù)。要達(dá)到整體改造的效果，水力壓裂不是唯一的手段，更不是最佳的手段，尤其是針對(duì)厚度大、地應(yīng)力高、垂向和平面非均質(zhì)性強(qiáng)的儲(chǔ)層。

與局部的、被動(dòng)式的體積改造相比，整體改造是從儲(chǔ)層整體的角度全面的、主動(dòng)式的，不僅在平面上的，而且在垂向上進(jìn)行全方位改造。

從體積改造到整體改造變被動(dòng)為主動(dòng)，是理念上的轉(zhuǎn)變。要達(dá)到整體改造的效果必須建立新的技術(shù)體系。

2 新井型技術(shù)體系

2．1 井型結(jié)構(gòu)和完井方式

新井型不同于傳統(tǒng)的直井、斜井或水平井，由主井和主井周圍儲(chǔ)層內(nèi)的若干個(gè)輔助洞穴(見(jiàn)圖1)構(gòu)成。其中，主井用于生產(chǎn)排采，洞穴用于儲(chǔ)層改造，洞穴改造完成后保留洞穴并封井。儲(chǔ)層改造方式主要為聚能爆破(見(jiàn)圖2)。

圖1 新井型示意

圖2 儲(chǔ)層改造示意

主井的完井方式可為直井或斜井。輔助洞穴的完井方式可為分支定向井或叢式井或?yàn)閮烧叩慕M合。洞穴的分布樣式為矩形、菱形、圓形、橢圓形以及其它不規(guī)則形等。輔助洞穴直徑要達(dá)到一定的范圍，洞穴之間以及洞穴與主井之間設(shè)計(jì)一定的水平位移，以利于儲(chǔ)層整體改造和擴(kuò)大改造范圍。儲(chǔ)層改造還包括設(shè)計(jì)洞穴個(gè)數(shù)、洞穴靶區(qū)范圍、爆破藥量、重復(fù)爆破以及裂隙的監(jiān)測(cè)與評(píng)估。不同的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、地應(yīng)力方位及儲(chǔ)層情況進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的洞穴直徑、洞穴水平位移、洞穴間距、靶區(qū)范圍、爆破藥量和洞穴分部樣式、個(gè)數(shù)、改造洞穴的施工順序等等。

2．2 工藝流程

主要工藝有:直井和定向斜井設(shè)計(jì)、鉆井、建造洞穴、爆破、架橋、斜井固井、裂隙監(jiān)測(cè)與評(píng)估、主井完井及固井、射孔及壓裂等。爆破方式主要為聚能爆破，聚能方向?yàn)閮?chǔ)層延伸方向;對(duì)于厚層儲(chǔ)層采用自下而上方式依次進(jìn)行;對(duì)于多儲(chǔ)層，先完成下部?jī)?chǔ)層改造并固井后，再對(duì)上部?jī)?chǔ)層完成建造洞穴及聚能爆破;對(duì)于不易垮塌的儲(chǔ)層進(jìn)行兩次或兩次以上重復(fù)爆破。聚能爆破可通過(guò)油管或電纜進(jìn)行。聚能爆破的同時(shí)，根據(jù)洞穴情況、爆破效果及儲(chǔ)層物理化學(xué)性質(zhì)，確定是否需要高能氣體壓裂、層內(nèi)爆破、水力壓裂、酸化壓裂等其它改造方式。裂隙的監(jiān)測(cè)與評(píng)估方面可采用示蹤劑或其它方式。鉆井技術(shù)方面，開(kāi)展井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井液優(yōu)化，隨鉆測(cè)量等技術(shù)。

新井型結(jié)合了中國(guó)復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，集鉆井設(shè)計(jì)、鉆井、完井、整體改造、井網(wǎng)優(yōu)化于一體。主要改造工序?yàn)?分支定向鉆井(側(cè)鉆)→測(cè)井→建造洞穴→聚能爆破→監(jiān)測(cè)→架橋→固井，集約化流水線作業(yè)。分支定向鉆井都直接固井，不下套管。

施肥器主要采用不銹鋼材料制成，料倉(cāng)等部件采用ABS工程塑料，保證產(chǎn)品強(qiáng)度的同時(shí)也使得產(chǎn)品質(zhì)量較輕易于攜帶。施肥器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)實(shí)耐用，易于維修維護(hù)，大大降低了產(chǎn)品成本。下料量、踏板高度均可進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以滿足不同作業(yè)需求。把手加設(shè)軟性膠墊，使手部操作更加舒適。其工作效率明顯高于無(wú)專項(xiàng)農(nóng)具輔助的手工作業(yè)，作業(yè)成本又大幅度低于大型機(jī)器，而且適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，造型簡(jiǎn)潔大方，價(jià)格低廉，多數(shù)農(nóng)戶都可以接受，此設(shè)計(jì)方案應(yīng)有較好的市場(chǎng)前景。

2．3 儲(chǔ)層整體改造機(jī)理

(1)聚能爆破過(guò)程能產(chǎn)生平行于儲(chǔ)層延伸方向的拉張裂隙，這些裂隙可以有效地溝通所通過(guò)的原生裂隙，而破裂的巖石裂隙一般具有自支撐功能，它們共同形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。自下而上爆破和重復(fù)爆破能使裂隙發(fā)育更加全面，且不具有方向性。

(2)多點(diǎn)建造洞穴、重復(fù)爆破能保持裂縫系統(tǒng)的連續(xù)性和連通性。相鄰穴之間易形成干擾裂隙，以波及更大的范圍。

(3)由于洞穴頂部被封閉，內(nèi)部存在一定空間，后期應(yīng)力均衡和儲(chǔ)層巖石流變過(guò)程中，會(huì)繼續(xù)發(fā)生張性與剪切破壞、錯(cuò)斷、滑移。張性和剪切破壞可以橫切多組裂隙系統(tǒng)，增大了儲(chǔ)層的裂隙網(wǎng)絡(luò)和比表面積，最終在主井眼周圍形成大面積全方位滲流通道，并使裂隙與主井相互溝通，達(dá)到整體改造儲(chǔ)層的效果。

(4)多點(diǎn)建造洞穴形成大面積卸壓區(qū)，儲(chǔ)層地應(yīng)力得以釋放有利于吸附氣的解吸、擴(kuò)散和滲流。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證地下巖層通過(guò)建造洞穴、爆破產(chǎn)生裂隙、改造儲(chǔ)層的效果，選用液壓鑿巖機(jī)在堅(jiān)硬的混凝土路面進(jìn)行試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)準(zhǔn)備維修的路面，由道路維修人員操作。液壓鑿巖機(jī)采用高壓油作為動(dòng)力，工作原理是沖擊破碎。工作時(shí)高壓油推動(dòng)活塞，高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷沖擊釬尾。圖3為在堅(jiān)硬混凝土路面的沖擊試驗(yàn)情況。圖3(a)為單孔沖擊試驗(yàn)，機(jī)械振動(dòng)在孔的周圍產(chǎn)生裂隙;圖3(b)為雙孔沖擊試驗(yàn)，兩孔之間產(chǎn)生了相互連通的裂隙;圖3(c)為多孔沖擊試驗(yàn)，路面被整體改造。

圖3 堅(jiān)硬混凝土路面的沖擊試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多點(diǎn)建造洞穴、震動(dòng)可以產(chǎn)生相互聯(lián)通的裂隙，進(jìn)而改變儲(chǔ)層的滲流特性。

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是可視化，實(shí)際的儲(chǔ)層深埋于地下，地應(yīng)力高，改造過(guò)程極復(fù)雜，改造效果只能通過(guò)檢測(cè)手段來(lái)評(píng)估。

4 新井型的優(yōu)勢(shì)與不足

如果采用美國(guó)水平井加多段壓裂技術(shù)，由于單井體積改造范圍有限，只有靠多打井，增加生產(chǎn)井?dāng)?shù)［2，3］，才能擴(kuò)大改造體積。更多的生產(chǎn)井?dāng)?shù)則意味著更高的作業(yè)成本、工程風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境污染等問(wèn)題。

4．1 新井型的優(yōu)勢(shì)

(1)工程風(fēng)險(xiǎn)低，且具有可控性。上天容易，入地難。水平井技術(shù)本身風(fēng)險(xiǎn)較高。相對(duì)于砂巖、碳酸鹽巖儲(chǔ)層，煤層、頁(yè)巖層等非常規(guī)儲(chǔ)層的抗壓、抗剪強(qiáng)度低，長(zhǎng)水平井段鉆井過(guò)程中井壁易垮塌。中國(guó)已施工的水平段常遭遇鉆井液漏失，縮徑、憋泵、糊鉆、卡鉆、埋鉆等工程事故［3，6，12］，影響鉆井周期和增產(chǎn)改造效果，若處理不好會(huì)導(dǎo)致價(jià)值不菲的水平井鉆具埋葬于地下。同時(shí)，壓裂本身屬于大型工程，使用車輛、人員較多，風(fēng)險(xiǎn)、成本高。在一些水平井鉆、完井設(shè)備還不能完全國(guó)產(chǎn)化的背景下，采用現(xiàn)有成熟工藝，常規(guī)設(shè)備，能大大降低工程風(fēng)險(xiǎn);不必在頁(yè)巖層段進(jìn)行水平鉆進(jìn)，避免了很多工程事故。即使某處洞穴改造失敗，也不會(huì)影響其它洞穴改造效果，更不會(huì)造成全井報(bào)廢。聚能爆破施工是在距離主井眼一定范圍內(nèi)進(jìn)行，避免主井眼受傷害，保障后期生產(chǎn)排采。

(2)克服技術(shù)偏見(jiàn)，改變儲(chǔ)層改造理念。常規(guī)水力壓裂的過(guò)程中，壓裂裂隙的擴(kuò)展方向受巖石地層主應(yīng)力方向影響比較嚴(yán)重［11］，在主應(yīng)力垂直方向則裂隙少，分布不均勻。從下往上以及多次重復(fù)聚能爆破，可以使裂隙發(fā)育更全面，更廣泛，改造更徹底，避免了壓裂裂隙發(fā)育的片面性;克服了水平段固井、壓裂對(duì)儲(chǔ)層的損害;采用多點(diǎn)建造洞穴，造成地層的缺失，洞穴周圍形成應(yīng)力集中區(qū)，有利于裂縫的擴(kuò)展，避開(kāi)了水力壓裂過(guò)程中局部?jī)?chǔ)層被壓開(kāi)，相鄰區(qū)塊卻被擠緊的傷害，避開(kāi)了水平井固井、完井、射孔的技術(shù)難題，也避免了水平段固井、完井對(duì)儲(chǔ)層的損害;由于較少采用水力壓裂，避免了一些巖層遇水膨脹堵塞油氣通道的問(wèn)題;由于儲(chǔ)層改造是在距離主井眼一定距離的范圍內(nèi)進(jìn)行，能避免主井坍塌影響排采，可以保護(hù)主井眼，減少主井維修。在儲(chǔ)層改造理念上變被動(dòng)為主動(dòng)，克服了開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏必須打水平井、多段壓裂等現(xiàn)有技術(shù)偏見(jiàn)。

(3)成本低。新井型單井有效排采面積大，能減少生產(chǎn)井眼，不采用大型壓裂及眾多的壓裂車，從而減少井場(chǎng)和占地面積，降低井網(wǎng)密度，降低鉆前工程(如修路、占地等)、設(shè)備搬遷、地面管線等，也便于后期管理;不受環(huán)境地形影響，能避開(kāi)有地質(zhì)問(wèn)題的地層鉆進(jìn);工藝簡(jiǎn)單，建造洞穴中靶精度要求低;不大量依賴水源，無(wú)壓裂返排廢水的處理費(fèi)用;炸藥成本遠(yuǎn)比壓裂成本低，如百噸炸藥的成本僅五六十萬(wàn)元人民幣，而且高效;不用大量消耗水力壓裂用的陶粒、石英砂等資源。

(4)有利于環(huán)境保護(hù)，提高綜合效益。井網(wǎng)密度低，占地面積少，修路少，對(duì)地表環(huán)境破壞少;壓裂規(guī)模小，壓裂次數(shù)少，甚至不需要，減少了對(duì)地下水的污染、壓裂返排的廢水和環(huán)境噪聲污染;避免大量人造液體進(jìn)入地層;鉆井及完井過(guò)程中，不像水平井多段壓裂那樣造成大量天然氣泄漏，對(duì)大氣污染少。

(5)應(yīng)用范圍廣。新井型除了可用于提高低滲透的頁(yè)巖氣藏的滲透率，從而提高采收率外，還可用于其它諸如致密砂巖氣、碳酸鹽巖氣、盆地中心氣、煤層氣、水源井、地?zé)峋偷蜐B透油藏;可用于改造一些已完工但產(chǎn)能比較低或不產(chǎn)油氣的生產(chǎn)井;不僅能顯著提高低滲透油氣藏的采收率，還有可能把一些目前還不可采的低滲透油氣藏改造成可采資源;不僅可用于陸面，更可用于水上;可用于井場(chǎng)范圍受限，水平井大規(guī)?！肮S化”作業(yè)難以施工的地區(qū)。

4．2 存在的不足

(1)新井型缺乏小型化鉆井工程實(shí)驗(yàn)研究，如優(yōu)先在儲(chǔ)層埋深較淺的地區(qū)實(shí)施小面積整體改造工程實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其效果。

(2)新井型雖然避開(kāi)了美國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)所產(chǎn)生的大部分氣體、液體以及壓裂噪聲的污染，但整體改造對(duì)固體地層的破壞會(huì)加重。雖可避免大量人造液體進(jìn)入地層，但該生產(chǎn)井需用大量炸藥，會(huì)產(chǎn)生一些新的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)大位移斜井會(huì)多次穿越上部含水層段，應(yīng)注意評(píng)估鉆井液對(duì)上部含水層的傷害。

只有通過(guò)有效的手段，降低勘探開(kāi)發(fā)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)，走向市場(chǎng)化，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)才有出路。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)中國(guó)缺水少地、人口眾多的現(xiàn)實(shí)和復(fù)雜的地表、地下地質(zhì)條件確定了不能全盤照抄、照搬北美的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)。從原理上推演創(chuàng)新，建立全新的低成本、低污染、低風(fēng)險(xiǎn)、少占地、少用水的開(kāi)發(fā)技術(shù)，是必由之路。

(2)提出了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的新井型，儲(chǔ)層改造機(jī)理、工藝流程、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)途徑。新井型克服了開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏必須打水平井、多段壓裂等技術(shù)偏見(jiàn)，改變了儲(chǔ)層改造理念，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)，為全面推進(jìn)低滲透油氣的產(chǎn)業(yè)化，提供了一種施工簡(jiǎn)單，對(duì)技術(shù)設(shè)備要求低，不大量依賴水源，占地面積小，應(yīng)用面廣的新方法。具有原理性、原型性、原創(chuàng)性的特征。

(3)應(yīng)開(kāi)展頁(yè)巖氣新井型優(yōu)化設(shè)計(jì)、藥量設(shè)計(jì)與實(shí)施工藝技術(shù)、改造裂縫監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)等研究。優(yōu)先在儲(chǔ)層埋深較淺的地區(qū)實(shí)施小面積整體改造工程實(shí)驗(yàn)，最終建立匹配客觀條件的高效低成本開(kāi)發(fā)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

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