頁岩氣水平井壓裂技術

頁岩層可以作為氣體的源岩和儲集岩，儲層具有連續分布、低孔、特低滲、脆性較高等特性。頁岩中的天然氣以三種形式存在：岩石孔隙中的游離氣、天然裂縫中的游離氣和有機質礦物表面的吸附氣吒這些不同的儲 集機理直接影響著頁岩氣開發的方式、速度和效率。

前言

全球能源研究估計，大型頁岩氣資源主要分布在北美、拉丁美洲和亞太地區。2012年研究表明，美國的頁岩氣資源約為415 000x10^520 000乂 108 V，加拿大約 為140 000x10^170 000x10^ ^3，我國主要盆地和地區的頁岩氣可采資源量大約為260 000乂108 V，而對其 它地區的資源狀況研究非常有限。

美國頁岩氣開發的經驗表明：增產技術尤其是水平井壓裂技術，對於頁岩氣的開發是至關重要的，其它重要的技術包括水平井定向井鑽井以及油藏描述技術。

1頁岩氣完井

巴內特頁岩是美國最先獲得成功開發 的頁岩氣層，也是當前美國最高產的頁岩氣田，已成為美國甚至全球其它頁岩氣田開發的典範。巴內特頁 岩開發初期採用直井開發，但生產效果並不理想，2000年前後，轉向水平井開發，產量得到3-5倍的提升。當前，美國頁岩氣新井幾乎都採用水平井，深度通常在1 200~2500米之間，並且採用長曲率半徑〈10~ 15730 0〉造斜，便於後期措施改造。通常水平段長度在600~1 500 0之間，隨著水平井作業技術的進步，最新的水平段長度超過了3000。多數83巾611頁岩井水平段端部都比跟部略高15^450〉，這樣有利於壓裂時返排和產水後產出水流向最低的跟部。

水平井完井方式經歷了從套管完井向裸眼完井方式的轉變，見圖1。早期的水平井通常採用114.3 00 (斗1//〉或139.7 00”1//〉套管完井，壓裂採用可鑽橋塞實現多級壓裂。2012年國外更傾向於採用裸眼水平井多級壓裂方式完井投產，壓裂級數也逐漸由5~7級， 提高到20級以上。巴內特頁岩氣藏在水平井開發中曾試用過以下幾種完井方式。

1.1套管十不固井十射孔十籠統壓裂

巴內特頁岩早期典型的完井是在水平段採用不固井的套丨襯管，壓裂時不採用機械轉向，只在水平段套管上射開特定數量的孔，並在施工中採用大排量 〈25-32 ^3/^；^)，以獲得限流效果。部分作業中還採用了封堵球和岩鹽，以輔助流體在炮眼間轉向。然而，由於流體可在套管和裸眼的環空間自由運動，在水平段 任一部位都可能生成裂縫。現場微地震監測也表明， 壓裂液在套管內有時會發生轉向，但裂縫生成和傳播是完全隨機的，並不一定是在套管射孔位置，在井筒的任一點，各種裂縫事件都可能發生。

1.2套管十固井十射孔十限流壓裂

巴內特頁岩初次使用固井套管是為了套用限流壓裂，以改善水平井全井段上的裂縫分布。限流技術主要採用高排量和封堵球丨岩鹽實行轉向分流。對這些井的監測同樣顯示了裂縫傳播非常隨機，裂縫走向幾乎不可預測。早期對上述兩種完井方式生產效果進行 的對比表明，儘管固井水泥能在套管和地層間起到一定程度的轉向作用，但通常裸眼（不固〉井產量和採收率都要高於套管固井完井。

1.3套管十固井十多級壓裂

這是頁岩地層中最常用的一種方式（見圖^))。 完井時，先對水平井筒內的套管注水泥，然後實施“橋塞十射孔”多級壓裂改造，即通過電纜或連續油管坐封 橋塞實現套管內的機械封隔，通過固井實現環空的機械轉向。隨後多次重複這一工藝，在水平段上完成多級壓裂改造。當所有小段被處理完後，採用連續油管鑽除複合橋塞，使水平井筒從跟部到端部重新連通並 投產。儘管這種方式可以實現水平段的分段轉向改造，但每一級都要使用連續油管、射孔槍和壓裂裝備進行作業，生產費用非常高，而且作業效率低、費時。 研究表明，採用這種方法獲得的產量同樣不理想，因為固井水泥會封堵許多天然裂縫和節理，而這些裂縫和節理對於提高氣井產量都非常重要。

1.4裸眼十襯管十多級壓裂

2006年，一種新型裸眼井多級壓裂⑴只肥）完井方式在德克薩斯06加0^縣運用（見圖化）），該工藝最初是在2001年提出的，旨在提高多級壓裂的時間效率，降低作業成本，提高系統可靠性和可重複作業能力。裸眼多級壓裂系統用水力坐封的套管外封隔器代 替水泥固井來隔離各層段，封隔器通常採用彈性元件密封裸眼井筒，生產時不需起出或鑽銑，同時利用滑套工具在封隔器間的井筒上形成通道，來代替套管射 孔。這些滑套工具可以通過液壓打開或通過投入（多 個〉特定尺寸的啟動球來切換套筒並打開通道。這些 球可以在兩級之間實現管內封隔，因而無需使用橋塞。裸眼多級壓裂系統的主要優點是所有的壓裂處理可以一趟管柱連續完成，無需使用橋塞，大大節省了時間和成本。增產作業完成後，可以迅速返排並投產， 後期還可以鑽除球座，進一步提高產量[“1。

國外對比了巴內特頁岩固井和裸眼多級壓裂完井的長期生產效果。研究表明：儘管在某些套管固井占主流的地區，傳統觀念仍堅持採用套管井，但巴內特頁岩裸眼井的生產效果明顯要優於固井生產效果， 031X611 ^0^06^61等人2010年對比了巴內特兩口水平井筒相互平行的鄰井，兩口井採用不同的完井方式：井人採用裸眼多級完井（裸眼十滑套十投球壓裂〉；井8 採用套管固井十橋塞十射孔完井。兩口井的完井級數、 支撐劑和壓裂液量也比較接近；然而，在3年的生產期間，井人的累積產量幾乎是井8的2.5倍⑸。

最近，03^611等人還模擬了 6級裸眼和6級套管 固井完井的生產衰竭剖面，結果顯示，裸眼完井可以更好地實現全水平段的泄油丨氣 '這是因為水平段上的水泥固井阻礙了環空的生產；頁岩氣儲藏通常是天然裂縫和節理髮育，裸眼完井怡怡可以大大發揮這些天然裂縫對產量的貢獻。

2頁岩氣水力壓裂

頁岩屬於一種超低滲透率儲層，滲透率多在0.00。 0.01 ^0之間，因此屬於“納米達西”滲透率地層，所有儲層必須經過壓裂才能投產。通常美國頁岩氣壓裂的單井成本在500萬美元以上，是水平井鑽井成本的2倍。頁岩氣井多採用大規模水力壓裂，通常會加入45~ 4501支撐劑，壓裂用液通常在10000以上。2000 年，開始大規模採用清水壓裂〈又稱減阻水壓裂〉，比凝膠液壓裂成本更低，而增產效果更佳。許多經營者將清水壓裂視為頁岩氣技術發展史上最重要的革命。

2.1壓裂液

美國頁岩氣壓裂中主要套用了三種液體體系：液氮直接注入、注氮氣泡沫和減阻水。除了成本優勢外，減阻水能在高排量下泵入大量水和少量支撐劑，可攜 帶支撐劑進入更深的裂縫網路，從而形成更大的裂縫網路和泄氣面積，目前（2012年）已成為壓裂作業的標準做法。

頁岩氣壓裂液組成

減阻水組成中清水占絕大部分〔99.5 ^〉，故又被稱為清水壓裂，見圖2。在諸多添加劑中，兩種必須添加的藥劑為降阻劑和殺菌劑。最常用的降阻劑是部分水解丙烯醯胺。聚丙烯醯胺通常與一種內置轉相劑或外加轉相劑〔可反轉乳化液或水化聚合物〉用作油外相乳化液，同時能提供一定的粘度和降低摩阻。為了提高減阻效果，工業上的降阻劑產品都具有很高的分子量，例如將聚丙烯醯胺與丙烯酸聚合形成聚合電解質，從而提高其減阻率。由於在壓裂的湍流條件下支撐劑傳送不需高粘度，因此能以更低的成本生成與交聯液或泡沫液一樣長的導流裂縫。

2.2支撐劑

對於減阻水壓裂液，通常採用小直徑〔40/70目〕支撐劑，對於天然裂縫發育的頁岩地層需考慮更小粒徑〔100目〉支撐劑。這是因為在減阻水丨清水中支撐劑 的傳送性能較差，採用小直徑會在一定程度上改善懸浮性能，同時也能得到較高的導流能力。生成裂縫中 將有很大一部分得不到支撐，但由於頁岩岩石脆性破 碎、地層滑移和支撐劑的橋堵丨嵌入作用，裂縫體系內仍會形成“無限”的導流區，這即是國外學者提出的 “無支撐”裂縫導流能力。

在早期減阻水壓裂中，一些頁岩氣井實施不加砂壓裂同樣獲得了很好的生產效果，因此對於壓裂時是否必須加支撐劑，目前業界尚存在爭議，但更普遍的認識是，加砂能提高地層導流能力，有助於提高增產效果。

2.3壓裂工藝

通常頁岩氣藏都很厚，而且頁岩開發中水平段長度逐漸加大，水力壓裂施工會在水平段上分多級7段實施，每次泵注針對頁岩氣儲層的一個層段進行，每兩段間都進行分隔。另外每一層段的壓裂液在泵送時也會分成多個段塞完成，旨在地層內形成更加複雜的裂縫網路。

地面設備試壓後，先泵入一種“岩石酸”〔通常為 只口），以清洗近井污染；第二步是注入“減阻水”段塞， 由於添加了降阻劑，水能以大排量快速地進入地層；之後，開始注入大量的減阻水和低濃度的細砂，其間逐漸提高加砂濃度；加砂即將結束時注入減阻水和粗砂，以保持近井裂縫張開和獲得近井高導流能力；最後採用減阻水洗井返排，清除設備和井筒內的砂。洗井後，將井下工具移到另一層段，開始下一級壓裂施工。

為了進一步提高作業效率，降低作業成本，國外最近在頁岩氣開發中提出了 “井工廠”的理念，即將井場或平台做為一個聯合作業的“工廠”，將鑽井、固井、 射孔、多級壓裂等施工視為流水線作業上的一個個工序，在同一井場完成多口井的鑽井、完井和投產。據報導，國外已實現在一個井場上完成了16口水平井、共 400多級的壓裂完井。這種作業模式不僅極大地提高 了設備和車組的利用率，同時還使地下生成的裂縫網路更加複雜，現場套用也表明，生產效果比單井壓裂產量高75 ^~130知6：。

壓裂中還可採用微地震成像和數字模擬器來監測每一級頁岩儲層內的裂縫特性，觀察裂縫的生長軌跡，評價裂縫高度、長度和方位。施工中，作業者尤其要注意裂縫垂向生長，以確保水力裂縫不會穿透頁岩儲層並延伸至鄰近水層。

3結論

（1）水平井鑽完井和壓裂技術已成為頁岩氣開發的主流技術。

頁岩氣水平井壓裂完井套用較多的是固井射孔橋塞壓裂和裸眼多級滑套壓裂，後者一次可以處理20級以上，提高了作業效率，且長期生產效果更佳。

（2）減阻水壓裂能提高頁岩儲層內裂縫的複雜程度， 降低了成本，提高了增產效果，成為頁岩氣壓裂的首 選液體體系。

減阻水壓裂中通常採用小直徑支撐劑，生成裂縫中將有很大一部分得不到支撐，但由於頁岩的脆性、岩層滑移，以及支撐劑橋堵嵌入作用，裂縫體系仍 會提供較高的“無支撐”裂縫導流能力。

我國頁岩氣開發目前處於起步階段，應整合現有技術力量，加強攻關，著力解決頁岩氣開發中與裸眼水平井多級壓裂技術相關的井下工具、施工液體和施工工藝等關鍵技術，推動和實現頁岩氣這種“非常氣”向“常規氣”的轉變。