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頁巖層可以作為氣體的源巖和儲集巖，儲層具有連 續(xù)分布、低孔、特低滲、脆性較高等特性。頁巖中的天然 氣以三種形式存在：巖石孔隙中的游離氣、天然裂縫中 的游離氣和有機質(zhì)礦物表面的吸附氣吒這些不同的儲 集機理直接影響著頁巖氣開發(fā)的方式、速度和效率。

全球能源研究估計，大型頁巖氣資源主要分布在北美、拉丁美洲和亞太地區(qū)。2012年研究表明，美國的頁巖氣資源約為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(qū)的頁巖氣可采資源量大約為260 000乂108 V，而對其 它地區(qū)的資源狀況研究非常有限。

美國頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗表明：增產(chǎn)技術(shù)尤其是水平井壓裂技術(shù)，對于頁巖氣的開發(fā)是至關(guān)重要的，其它重 要的技術(shù)包括水平井定向井鉆井以及油藏描述技術(shù)。

頁巖氣完井

巴內(nèi)特頁巖是美國最先獲得成功開發(fā) 的頁巖氣層，也是當(dāng)前美國最高產(chǎn)的頁巖氣田，已成為美國甚至全球其它頁巖氣田開發(fā)的典范。巴內(nèi)特頁 巖開發(fā)初期采用直井開發(fā)，但生產(chǎn)效果并不理想， 2000年前后，轉(zhuǎn)向水平井開發(fā)，產(chǎn)量得到3-5倍的提 升。當(dāng)前，美國頁巖氣[1]  新井幾乎都采用水平井，深度通 常在1 200~2500米之間，并且采用長曲率半徑〈10。~ 15730 0〉造斜，便于后期措施改造。通常水平段長度 在600~1 500 0之間，隨著水平井作業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，最 新的水平段長度超過了 3000。多數(shù)83巾611頁巖井 水平段端部都比跟部略高15^450〉，這樣有利于壓 裂時返排和產(chǎn)水后產(chǎn)出水流向最低的跟部。

水平井完井方式經(jīng)歷了從套管完井向裸眼完井方 式的轉(zhuǎn)變，見圖1。早期的水平井通常采用114.3 00 (斗1//〉或139.7 00”1//〉套管完井，壓裂采用可鉆橋 塞實現(xiàn)多級壓裂。2012年國外更傾向于采用裸眼水平井 多級壓裂方式完井投產(chǎn)，壓裂級數(shù)也逐漸由5~7級， 提高到20級以上。巴內(nèi)特頁巖氣藏在水平井開發(fā)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(tǒng)壓裂

巴內(nèi)特頁巖早期典型的完井是在水平段采用不固井的套丨襯管，壓裂時不采用機械轉(zhuǎn)向，只在水平段 套管上射開特定數(shù)量的孔，并在施工中采用大排量 〈25-32 ^3/^；^)，以獲得限流效果。部分作業(yè)中還采用 了封堵球和巖鹽，以輔助流體在炮眼間轉(zhuǎn)向。然而，由 于流體可在套管和裸眼的環(huán)空間自由運動，在水平段 任一部位都可能生成裂縫?，F(xiàn)場微地震監(jiān)測也表明， 壓裂液在套管內(nèi)有時會發(fā)生轉(zhuǎn)向，但裂縫生成和傳播 是完全隨機的，并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(fā)生。

1.2套管十固井十射孔十限流壓裂

巴內(nèi)特頁巖初次使用固井套管是為了應(yīng)用限流 壓裂，以改善水平井全井段上的裂縫分布。限流技術(shù) 主要采用高排量和封堵球丨巖鹽實行轉(zhuǎn)向分流。對這些 井的監(jiān)測同樣顯示了裂縫傳播非常隨機，裂縫走向幾 乎不可預(yù)測。早期對上述兩種完井方式生產(chǎn)效果進(jìn)行 的對比表明，盡管固井水泥能在套管和地層間起到一 定程度的轉(zhuǎn)向作用，但通常裸眼（不固〉井產(chǎn)量和采收 率都要高于套管固井完井。

1.3套管十固井十多級壓裂

這是頁巖地層中最常用的一種方式（見圖^))。 完井時，先對水平井筒內(nèi)的套管注水泥，然后實施“橋 塞十射孔”多級壓裂改造，即通過電纜或連續(xù)油管坐封 橋塞實現(xiàn)套管內(nèi)的機械封隔，通過固井實現(xiàn)環(huán)空的機 械轉(zhuǎn)向。隨后多次重復(fù)這一工藝，在水平段上完成多 級壓裂改造。當(dāng)所有小段被處理完后，采用連續(xù)油管 鉆除復(fù)合橋塞，使水平井筒從跟部到端部重新連通并 投產(chǎn)。盡管這種方式可以實現(xiàn)水平段的分段轉(zhuǎn)向改 造，但每一級都要使用連續(xù)油管、射孔槍和壓裂裝備 進(jìn)行作業(yè)，生產(chǎn)費用非常高，而且作業(yè)效率低、費時。 研究表明，采用這種方法獲得的產(chǎn)量同樣不理想，因為固井水泥會封堵許多天然裂縫和節(jié)理，而這些裂縫 和節(jié)理對于提高氣井產(chǎn)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(yè)成本，提高系統(tǒng)可靠性和可重復(fù)作業(yè)能 力。裸眼多級壓裂系統(tǒng)用水力坐封的套管外封隔器代 替水泥固井來隔離各層段，封隔器通常采用彈性元件 密封裸眼井筒，生產(chǎn)時不需起出或鉆銑，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并打開通道。這些 球可以在兩級之間實現(xiàn)管內(nèi)封隔，因而無需使用橋 塞。裸眼多級壓裂系統(tǒng)的主要優(yōu)點是所有的壓裂處理 可以一趟管柱連續(xù)完成，無需使用橋塞，大大節(jié)省了 時間和成本。增產(chǎn)作業(yè)完成后，可以迅速返排并投產(chǎn)， 后期還可以鉆除球座，進(jìn)一步提高產(chǎn)量[“1。

國外對比了巴內(nèi)特頁巖固井和裸眼多級壓裂完 井的長期生產(chǎn)效果。研究表明：盡管在某些套管固井 占主流的地區(qū)，傳統(tǒng)觀念仍堅持采用套管井，但巴內(nèi) 特頁巖裸眼井的生產(chǎn)效果明顯要優(yōu)于固井生產(chǎn)效果， 031X611 ^0^06^61等人2010年對比了巴內(nèi)特兩口水平 井筒相互平行的鄰井，兩口井采用不同的完井方式： 井人采用裸眼多級完井（裸眼十滑套十投球壓裂〉；井8 采用套管固井十橋塞十射孔完井。兩口井的完井級數(shù)、 支撐劑和壓裂液量也比較接近；然而，在3年的生產(chǎn) 期間，井人的累積產(chǎn)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(chǎn)衰竭剖面，結(jié)果顯示，裸眼完井可以 更好地實現(xiàn)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(huán)空的生產(chǎn)；頁巖氣儲藏通常是天 然裂縫和節(jié)理發(fā)育，裸眼完井怡怡可以大大發(fā)揮這些 天然裂縫對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。

頁巖氣水力壓裂

頁巖屬于一種超低滲透率儲層，滲透率多在0.00。 0.01 ^0之間，因此屬于“納米達(dá)西”滲透率地層，所有 儲層必須經(jīng)過壓裂才能投產(chǎn)。通常美國頁巖氣壓裂的 單井成本在500萬美元以上，是水平井鉆井成本的2 倍。頁巖氣井多采用大規(guī)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(guī)模采用清水壓裂〈又稱減阻水壓裂〉，比 凝膠液壓裂成本更低，而增產(chǎn)效果更佳。許多經(jīng)營者將清水壓裂視為頁巖氣技術(shù)發(fā)展史上最重要的革命。

2.1壓裂液

美國頁巖氣壓裂中主要應(yīng)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(yōu)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(jìn)入更深的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而形成更大的裂縫 網(wǎng)絡(luò)和泄氣面積，目前（2012年）已成為壓裂作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)做法。

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 水解丙烯酰胺。聚丙烯酰胺通常與一種內(nèi)置轉(zhuǎn)相劑或 外加轉(zhuǎn)相劑〔可反轉(zhuǎn)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(yè)上的降阻劑產(chǎn)品都具有很高的分 子量，例如將聚丙烯酰胺與丙烯酸聚合形成聚合電解 質(zhì)，從而提高其減阻率。由于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(lián)液或泡沫液一樣長的導(dǎo)流裂縫。

2.2支撐劑

對于減阻水壓裂液，通常采用小直徑〔40/70目〕 支撐劑，對于天然裂縫發(fā)育的頁巖地層需考慮更小粒 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，采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(dǎo)流能力。生成裂縫中 將有很大一部分得不到支撐，但由于頁巖巖石脆性破 碎、地層滑移和支撐劑的橋堵丨嵌入作用，裂縫體系內(nèi) 仍會形成“無限”的導(dǎo)流區(qū)，這即是國外學(xué)者提出的 “無支撐”裂縫導(dǎo)流能力。

在早期減阻水壓裂中，一些頁巖氣井實施不加砂壓 裂同樣獲得了很好的生產(chǎn)效果，因此對于壓裂時是否必 須加支撐劑，目前業(yè)界尚存在爭議，但更普遍的認(rèn)識是， 加砂能提高地層導(dǎo)流能力，有助于提高增產(chǎn)效果。

2.3壓裂工藝

通常頁巖氣藏都很厚，而且頁巖開發(fā)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，每次泵注針對頁巖氣儲層的一個層段進(jìn)行，每兩 段間都進(jìn)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(nèi)形成更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

地面設(shè)備試壓后，先泵入一種“巖石酸”〔通常為 只口），以清洗近井污染；第二步是注入“減阻水”段塞， 由于添加了降阻劑，水能以大排量快速地進(jìn)入地層；之 后，開始注入大量的減阻水和低濃度的細(xì)砂，其間逐漸 提高加砂濃度；加砂即將結(jié)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(dǎo)流能力；最后采用 減阻水洗井返排，清除設(shè)備和井筒內(nèi)的砂。洗井后，將 井下工具移到另一層段，開始下一級壓裂施工。

為了進(jìn)一步提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，國外最近在頁巖氣開發(fā)中提出了 “井工廠”的理念，即將井場或平臺做為一個聯(lián)合作業(yè)的“工廠”，將鉆井、固井、 射孔、多級壓裂等施工視為流水線作業(yè)上的一個個工 序，在同一井場完成多口井的鉆井、完井和投產(chǎn)。據(jù)報 導(dǎo)，國外已實現(xiàn)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(yè)模式不僅極大地提高 了設(shè)備和車組的利用率，同時還使地下生成的裂縫網(wǎng) 絡(luò)更加復(fù)雜，現(xiàn)場應(yīng)用也表明，生產(chǎn)效果比單井壓裂 產(chǎn)量高75 ^~130知6：。

壓裂中還可采用微地震成像和數(shù)字模擬器來監(jiān) 測每一級頁巖儲層內(nèi)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(yè)者尤其 要注意裂縫垂向生長，以確保水力裂縫不會穿透頁巖 儲層并延伸至鄰近水層。

結(jié)論

（1）水平井鉆完井和壓裂技術(shù)已成為頁巖氣開發(fā)的 主流技術(shù)。

頁巖氣水平井壓裂完井應(yīng)用較多的是固井射孔橋塞壓裂和裸眼多級滑套壓裂，后者一次可以處 理20級以上，提高了作業(yè)效率，且長期生產(chǎn)效果更佳。

（2）減阻水壓裂能提高頁巖儲層內(nèi)裂縫的復(fù)雜程度， 降低了成本，提高了增產(chǎn)效果，成為頁巖氣壓裂的首 選液體體系。

幻減阻水壓裂中通常采用小直徑支撐劑，生成裂 縫中將有很大一部分得不到支撐，但由于頁巖的脆性、巖層滑移，以及支撐劑橋堵丨嵌入作用，裂縫體系仍 會提供較高的“無支撐”裂縫導(dǎo)流能力。

幻我國頁巖氣開發(fā)目前處于起步階段，應(yīng)整合現(xiàn)有技術(shù)力量，加強攻關(guān)，著力解決頁巖氣開發(fā)中與裸 眼水平井多級壓裂技術(shù)相關(guān)的井下工具、施工液體和 施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)，推動和實現(xiàn)頁巖氣這種“非常氣”向“常規(guī)氣”的轉(zhuǎn)變。