页岩气井水力压裂技术的研究进展

张鑫　金立平　董建安

摘要：世界页岩气资源丰富，近几十年来，随着勘探和开发技术的不断提高，各个国家也越来越重视页岩气的利用。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一，并广泛应用于页岩储层改造。文章通过对美国和加拿大应用实例的分析，列出了各种水力压裂技术的特点和适用性，并介绍了页岩气井水力压裂的相关问题。

关键词：页岩气；水力压裂技术；天然气资源；清水压裂技术；重复压裂技术；水力喷射压裂技术 文献标识码：A

中图分类号：P618 文章编号：1009-2374（2016）02-0157-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.077

页岩气又称致密气层气，是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态聚集于泥页岩中。它以游离相态（大约50%）存在于裂缝、孔隙及其他储集空间，以吸附状态（大约50%）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、瀝青质及石油中。全球页岩气技术可采资源量为203.78万亿m3，其中海相页岩气占94%，陆相占6%。我国页岩气资源丰富，其中海相页岩气居全球第1位，在中国页岩气中的占比达到91%。中国陆相页岩气占全球陆相的22%。页岩气气藏具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔隙度、低渗透率等特征，一般无自然产能或低产，需要水平井技术和大型水力压裂才能进行经济开采。随着水力压裂技术的发展和进步，美国兴起了页岩气开发热潮，成功开采页岩气使美国跃居全球第一产气大国。加拿大是继美国之后世界上第二个对页岩气进行勘探开发的国家，本文主要介绍了美国和加拿大页岩气井水力压裂技术及其应用情况。

1 页岩气的开发状况

1.1 美国页岩气开发状况

美国是世界上页岩气起步最早、发展最快、年产量最大的国家，其页岩气的开采最早可以追溯到1821年。1947年在美国诞生了第一口页岩气井，页岩气也在20世纪70年代开始大规模的工业开发。

美国页岩气地质资源量131.28万亿m3（占全球总量的13%）、技术可采资源量为32.85万亿m3（占全球总量的15%）。主要分布在东北部（63%）、墨西哥湾岸区（13%）、西南地区（10%）。主要的页岩区块为Marcellus（3.36万亿m3）、Haynesville（2.11万亿m3）及Barnett（1.23万亿m3）。2013年页岩气产量达到0.309万亿m3；约占其国内天然气产量38.6%，占全球页岩气产量的比例超过90%。2014年12月达到0.373万亿m3，环比增幅33%。美国页岩气开发技术历程可分为4个阶段：第一阶段：2000年以前为试验开发阶段，主要进行页岩气地质理论研究、页岩气地球化学研究和页岩气开发工程研究；第二阶段：2000～2003年为商业开发初期阶段，页岩气开发技术逐渐成熟，压裂技术和水平井技术进行应用；第三阶段：2004～2007年为大规模商业化开发阶段，水平井多段压裂技术和水平井重复压裂技术进行应用；第四阶段：2007年至今为继续发展阶段：正在开展多分支井技术和3D压裂技术的研究工作。

1.2 加拿大页岩气开发状况

加拿大页岩气资源丰富，其页岩气技术可采资源量为15.2万亿m3，其页岩气资源主要集中在西加拿大沉积盆地的白垩系、侏罗系、三叠系和泥盆系地层。主要分布在Montney页岩区带、阿尔伯塔省中东部Wildmere地区的Colorado、Horn River盆地、Utica和Horton Bluff等区域，已有多家油气生产商在加拿大西部地区进行页岩气的开采或开发试验，目前Montney页岩已大规模开发，Wildmere地区Colorado页岩已投入小规模开发，Horn River盆地内页岩气处于开发早期，加拿大阿尔伯塔省页岩气产量呈递增趋势，2013年约为300万m3。

2 页岩气井水力压裂技术及其适用性

页岩气储层具有渗透率极低的特点，孔隙度多小于8%，渗透率一般为0.001～0.000001md，所以开发过程中必须采用适当的技术，需要对储层进行改造才能形成经济的生产能力，所有储层必须经过压裂才能投产。在页岩气开发方面面临三个关键技术问题：（1）如何准确预测甜点，为井眼轨迹设计提供依据；（2）如何安全、优质、高效、低成本完成水平井，为压裂提供合格的井眼；（3）如何有效地进行压裂，保证水力压裂的有效性。目前常用的水力压裂技术包括水力喷射压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术、同步压裂技术和多级压裂技术等。

2.1 清水压裂技术

清水压裂技术是当前页岩气开发主要的增产措施。该技术是指在清水中添加少量的减阻剂、黏土稳定剂和表面活性剂作为压裂液而开展压裂作业的技术。该项技术利用大量的带有少量粗砂支撑剂的清水注入地层产生具有足够几何尺寸和导流能力的裂缝，该技术利用储层中的天然裂缝，将压裂液注入裂缝使地层产生诱导裂缝，在压裂过程中，岩石碎屑脱落到裂缝中，与注入的粗砂一起起到支撑剂的作用，使裂缝在冲刷之后仍保持张开。技术特点为减阻水为压裂液的主要成分，其成本低且很少需要清理，是一种清洁压裂技术，但是携砂能力有限。1997年，Barnett页岩开发作业中首次使用该技术，该技术是Barnett页岩气田的主要开采手段。该技术可使压裂费用较大型水力压裂减少65%，最终采收率提高20%。该技术主要适用于天然裂缝发育的井。

2.2 重复压裂技术

当页岩气井初始压裂已经无效，导致气体产量大幅下降时，对气井进行重新压裂增产的工艺称为重复压裂技术。该技术用于在不同方向上诱导产生新裂缝，增加裂缝网络，以提高生产能力（图1）。其技术特点是通过重新打开裂缝或裂缝重新取向增产。影响重复压裂成败的重要因素：（1）85/15法则：油气田85%的重复压裂潜力存在于占总井数15%的井中。重复压裂成功的关键是找出占总井数15%的潜能最大的重复压裂候选井；（2）重复压裂施工工艺水平：在初次压裂裂缝失败或失效后，裂缝、地层流体情况都发生了变化，重新压裂的难度就更大、更复杂，须针对处理井段的地质情况、岩石力学性质、初压裂缝的状态、初压工艺存在的问题制定相应的工艺措施；（3）重复压裂裂缝起裂和延伸：重复压裂时，地应力的改变会引起裂缝的重定向，需要重新确定裂缝的起裂时机和延伸轨迹，这对重复压裂效果有重要影响。美国Barnett的大部分页岩气井都进行了二次压裂，气井产量明显提高。重复压裂技术适用于天然裂缝发育、层状和非均质地层，在页岩气开发后期当初始压裂效果下降或初始压裂效果不明显的情况下对储层重新压裂，对产量相对较高的井同样适用。

2.3 水力喷射压裂技术

水力喷射压裂技术依据伯努利原理，将油管柱内液体的压能转化为喷嘴出口处的高速动能，根据水动力学动量-冲量原理，射穿套管、沟通地层。压裂是采用油、套混注的方式，通过控制喷射工具准确地选择裂缝起裂的位置与方向；形成裂缝后，高速流体喷射进入裂缝和孔道，由于喷嘴出口处高速低压，环空中的流体在压差作用下被吸入地层，维持裂缝延伸，实现水力封隔。水力喷射压裂技术是集水力射孔、压裂、隔离一体化的技术。水力喷射压裂技术具有广泛的适用性，能用于水平井、大斜度井和垂直井，能在裸眼井和套管井内使用，根据需要可使用钻杆、油管或连续油管作业。水力喷射压裂技术不使用密封元件而维持较低的井筒压力，迅速準确地压开多条裂缝，但该技术受压裂井深和加砂规模的限制。2005年，水力喷射压裂技术第一次在美国Barnett页岩中使用，作业了53口井，其中26口井取得了技术和经济上的成功。

2.4 多级压裂技术

国外水平井多级分段压裂完井技术主要形成了水平井裸眼封隔器分段压裂完井和泵送桥塞射孔分段压裂联作两大主导技术，以两大主导技术的突破为核心，配套形成了优化设计、裂缝监测、设备配套等技术系列。该技术可针对储层特点而进行有针对性的施工，目标准确，效果明显。美国85%的页岩气生产井采用水平井和多级压裂技术结合的方式开采，增产效果比较明显。2006年，Woodfood部分井采用5～7段式分段压裂，与早期压裂的水平井相比，新压裂的井由于压裂井段增加，取得了较大成功。多段压裂的技术特点是多段压裂，其技术成熟、使用广泛，适用于产层较多、水平井段较长的井。

2.5 同步压裂技术

该技术指同时对两口或两口以上邻近平行井进行压裂，压裂液及支撑剂在高压下从一口井沿最短距离向另一口井运移，增加了裂缝网格的密度和表面积，快速提高页岩气井的产量。该技术可以促使水力裂缝扩展过程中相互作用，产生更复杂的缝网，增加改造体积，提高气井产量和最终采收率。美国Barnett页岩气田使用该技术，相隔150～300m范围内两口平行的水平井同时进行压裂作业，目前已发展到多口井同时进行压裂作业。该技术特点是多口井同时作业，节省作业时间且效果好于依次压裂。该技术适用于两口或者两口以上井眼位置相对较近，水平井段大致平行的页岩气井。

3 页岩气井水力压裂技术应用分析

在岩气开发中，水力压裂技术不断发展优化和改进，最初为大型水力压裂，现在以清水加减阻剂为压裂液的混合清水压裂，在水平井中多级压裂，较大地降低了压裂成本，增产效果得到极大突破。页岩裂缝系统发育差，不同地区储层特点差异大，单一的压裂技术很难满足开发的需要，在页岩气开采过程中往往要结合实际情况，同时使用几种压裂技术。

4 结论与认识

美国和加拿大页岩气开发的高速发展表明，水平井和水力压裂技术为页岩气开发的主流技术之一。但是以下方面的问题也需要进一步完善：（1）工程技术要求非常高。页岩气资源的客观存在、储层特性差，工程改造建设“人造气藏”等特点，决定了工程技术比任何时候更具重要性，页岩气开发包含了钻井、完井、测井、录井、压裂、酸化等技术。（2）环境因素制约。页岩气规模开发阶段返排水总量大、污染物种类多、成分复杂，处理不当会造成污染，需要监测和评估其污染风险。为防止页岩气开采对周边居民健康带来损害，美国和加拿大的页岩气开采主要集中在人口密度较低地区。（3）市场机制需要完善。美国和加拿大能源市场体系较为成熟，为鼓励开发页岩气，政府采取降低准入门槛、减税措施和对页岩气供应商无歧视准入等政策，使得大量中小企业进行页岩气开发勘探，激发了它们投资及技术研发热情，最终使页岩气开采实现了经济性。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）