页岩气开发地质理论创新与钻完井技术进步

杨素红 齐文博

【摘要】地质认识的进步、天然气需求的增加和高价的耦合，促进了钻井和压裂技术革新。工程技术上的革新，包括滑溜水/轻砂压裂、水平井多级压裂、重复压裂、同步和顺序压裂等，及页岩储层改造中压裂液配方选择和水力压裂设计等

【关键词】页岩气；地质理论；页岩气开发；地质认识

1 前言

页岩气是三大主要非常规资源，成为近年来在北美地区广泛勘探开发的天然气新目标，在全球非常规油气勘探开发中异军突起，成为突破最晚、近期发展最快的非常规天然气资源、从2011年起，按照中国石化集团公司“在页岩油气开发上，中国石化要成为中国的代表，技术和评价要走在最前面”战略要求，中国石化石油工程技术研究院（下称工程院）作出重大决策，将页岩油气工程技术列入核心技术。

2 地质理论认识的进步

页岩气储集在裂缝、页岩颗粒问微孔隙、有机质内和粪球粒内微孔隙及纳米级孔隙中，吸附在页岩中有机质及部分矿物颗粒上，溶解于孔隙流体中。其中，页岩粒间孔隙和天然裂缝中的游离气和有机质吸附的气体为页岩气的主要组成部分。由于页岩看起来是黑色又比较单纯的细粒沉积，因此，虽然可以简单说有潜力的页岩分布于海相陆棚、深海及陆相的半深湖到深湖的沉积环境，但是通过页巖组分的定量分析和成分的结构可以把页岩进一步分为硅质页岩、钙质页岩、白云质页岩、富磷页岩和富化石页岩等_1：通过高精度显微仪器可以分析页岩组分特征、识别不同组分分布结构，从而划分不同页岩相并研究不同页岩相形成的环境、不同环境对应的地球化学特征、测井曲线的响应特征、岩石物理属性差别、力学性质的差异、地震响应等。岩气储量主要包括游离气体和吸附气体的含量。

中国富有机质泥页岩类型及其主要特征

3 水平井技术的进步

目前，用于页岩气水平钻井的技术有欠平衡钻井技术、控制压力钻井技术及旋转导向钻井技术。欠平衡钻井技术能很好地克服钻井作业过程中的卡钻、井漏和井塌等问题，能够提高钻井速度，减轻地层伤害，提高油气井产能。控制压力钻井的最终目的是使钻井作业最优化，缩短非生产时间和减少钻井事故，有效控制地层流体侵入井眼，减少井涌、井漏和卡钻等多种钻井复杂情况。

4 页岩气水力压裂技术

页岩常用的水力压裂技术包括清水压裂、多级压裂、同步压裂、水力喷射压裂及重复压裂技术，目前最常用的是多级压裂技术。多级压裂是利用封堵球或限流技术封隔页岩储层不同位置，对不同地质特点的页岩进行分段压裂的技术，其作业方式有连续油管压裂和滑套完井两种。这种多级压裂能够在横向上延长水平井段的生产段，同时在垂向上也可形成复杂的、连通的网络，增加泄气面积。以Bakken页岩为例：水平井压裂，特别是长水平井段压裂和小间距压裂，使水平井页岩油的最终采收率提高了至少6倍。。重复压裂可以处理压裂无效或者压裂效果下降的井段，通过再压裂能重建储层到井筒的通道，恢复或提高生产能力。在Barnett很多地方的经验表明，重复压裂后比初次压裂效果还好。水力喷射压裂不受完井方式限制，无需机械封隔，定位准确，尤其适用于裸眼完井的水平井，但受压裂井深和加砂规模的限制。

5 压裂液

页岩气压裂液的组成包括99.5的水、少量小颗粒砂子支撑剂（常用100目砂子）和一些化学剂，化学剂包括酸、降阻剂、表面活性剂、交联剂、防垢剂、pH值调节剂、除氧剂、破乳剂、胶凝剂、铁控制剂、防腐剂、黏土稳定剂和抗菌剂等。压裂液的成分和比例及其与地层的配伍性对压裂效果都很重要。

在常用的滑溜水压裂液中，减阻剂是滑溜水压裂液的主体，常用阴离子聚合物，有时用低浓度瓜胶，比如氯化钾、聚丙烯酰胺或其他的化学品。这些化学品加入水中可以降低压裂液的泵人压力，管路摩阻降低约50，同时也可用低聚合物压裂液或纤维提高支撑剂悬浮时间。硼酸盐交联凝胶压裂液利用硼酸盐粒子去交联含水聚合物从而提高黏度，这种交联液的性质可随压裂液的pH值改变，是可逆的，且其具有较好的支撑剂运输功能、有稳定的流变性及滤失量小的特点。人们可以利用其可逆的特点进行有效的压裂，从而获得好的页岩层渗透率和连通性。

6 压裂设计

压裂设计包括压裂前、压裂后、地质研究、微裂缝编图和用于改善未来模拟的数据积累。利用准确的地质模型和前期压裂的数据可改进压裂设计，使目标层内裂缝系统更加优化，从而提高页岩气产量和确保裂缝不扩展到页岩气层外。

北美地区目前的压裂设计基本上是从含气页岩的基本区域和页岩地质情况人手，结合已钻井的资料和地震解释，设计压裂地质模型，然后模拟压裂裂缝在地层中扩展及最终三维裂缝的几何形体，通过压裂效果分析以及油藏模拟并结合微地震检测裂缝扩展情况修正模型，以更好地用于未来的压裂设计。

7 地质和工程结合

成功的页岩气地质评价取决于尽可能地了解页分布面积、侧向连续度、净厚度、深度、原地页、气储量、天然裂缝、压力、有机质含量、成熟度、成岩作用、矿物、脆性、游离气体、吸附气、深度、当前产能、干酪根类型、足够的基质渗透率、水管理、压裂隔挡层、地质构造演化、构造复杂程度、地层压力和页岩敏感性等。只有通过这些详细的地质研究，才能找到地质的甜点。地质甜点确定并完成钻井后，压裂是关键。只有通过详细的岩石物理、岩石力学、区域构造应力及矿物组分等研究，才能确定工程压裂的甜点，而地质和工程甜点叠合的地带是页岩气开发的首选区域。

目前石油地质和地球物理的结合比较紧密，尤其是高精度的地震和测井等资料可以用来预测岩性和沉积环境等。利用很多地震属性能预测页岩气藏分布和脆性分布，同时，利用地震速度和振幅随方位角的变化可以预测裂缝的密度及方位。井深、岩心、生产等数据经校正后，可以与地震资料结合预测页岩气地质和工程上的甜点。未来将会有更多的沟通地质、地球物理和工程的工具，通过地质和工程结合，用最优化的钻井、完井技术搭建通道将页岩气从致密的储集空间中释放出来。

8 结束语

页岩气系统是复杂地质形成的复杂系统，是大量沉积、构造、应力场演化叠加的结果。非均质的沉积、构造和应力场形成的非均质的页岩分布、岩石的物理和力学性质决定了页岩气形成、分布及开发的复杂性。要想有效开发页岩气，必须从本质上研究页岩的地质属性，只有这样才能找到最优的水力压裂方式和参数。对中国而言，该项工作目前没有国外经验可以借鉴，需要靠扎实的工作去实践、创新，并将地质和工程结合，以找到真正的页岩气甜点区和最合适的增产措施。

参考文献：

[1]大伟.加速我国页岩气资源调查和勘探开发战略构想U1.石油与天然气地质，2010，3（2）：135-139.

[2]董大忠，邹才能，李建忠，等.页岩气资源潜力与勘探开发前景地质通报，2011，30f2/3）：324-336.

[3]李世臻，乔德武，冯志刚，等.世界页岩气勘探开发现状及对中国的启示U1.地质通报，2010，29（6）：918—924.