頁巖氣井水力壓裂技術及其應用分析

摘 要

摘要：頁巖儲層孔隙度小、滲透率低，頁巖氣井完井后需要經過儲層改造才能獲得理想的產量，而水力壓裂是頁巖氣開發的核心技術之一。在研究水力壓裂技術開發頁巖氣原理的基礎上，剖析
摘要：頁巖儲層孔隙度小、滲透率低，頁巖氣井完井后需要經過儲層改造才能獲得理想的產量，而水力壓裂是頁巖氣開發的核心技術之一。在研究水力壓裂技術開發頁巖氣原理的基礎上，剖析了國外的應用實例，分析了各種水力壓裂技術(多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂以及同步壓裂技術)的特點和適用性，探討了天然裂縫系統和壓裂液配制在水力壓裂中的作用。研究表明，中國現階段頁巖氣勘探開發水力壓裂應從老井重復壓裂和新井水力壓裂兩個方面著手，對經過資料復查、具有頁巖氣顯示的老井可采用現代水力壓裂技術重復壓裂；埋深在1500m以淺的有利儲層或勘探淺井可采用氮氣泡沫壓裂，埋深在1500～3000m的井可采用清水壓裂，埋深超過3000m的儲層暫不考慮開發。
關鍵詞：頁巖氣；開發技術；儲層改造；水力壓裂；應用分析；埋藏深度；老井重復壓裂
1 頁巖氣井水力壓裂技術及其適用性
頁巖儲層厚度薄，滲透率低，水平井加多級壓裂是目前美國頁巖氣開發應用最廣泛的方式。目前常用的技術有多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂和同步壓裂等。在美國頁巖氣開發中使用過的儲層改造技術還有氮氣泡沫壓裂和大型水力壓裂，氮氣泡沫壓裂目前還使用在某些特殊條件的頁巖壓裂作業中，大型水力壓裂由于成本太高，對地層傷害大已經停止使用。頁巖氣水力壓裂技術特點及適用性見表1。
 
1.1 多級壓裂
    多級壓裂是利用封堵球或限流技術分隔儲層不同層位進行分段壓裂的技術。多級壓裂能夠根據儲層的含氣性特點對同一井眼中不同位置地層進行分段壓裂，其主要作業方式有連續油管壓裂和滑套完井兩種。多級壓裂技術是頁巖氣水力壓裂的主要技術，在美國頁巖氣生產井中，有85%的井是采用水平井和多級壓裂技術結合的方式開采，增產效果顯著。美國Newfield公司在Woodford頁巖中的部分開發井采用了5～7段式的分段壓裂，頁巖氣單井最大初始產量達到28.32×104m3/d，最大最終產量達16.99×104m3/d[1]。
    多級壓裂的特點是多段壓裂和分段壓裂，它可以在同一口井中對不同的產層進行單獨壓裂。多級壓裂增產效率高，技術成熟，適用于產層較多，水平井段較長的井(圖1)。頁巖儲層不同層位含氣性差異大，多級壓裂能夠充分利用儲層的含氣性特點使壓裂層位最優化。在常規油氣開發中，多級壓裂已經是一個成熟的技術，國內有很多成功應用的實例。多級壓裂技術用于我國的頁巖氣開發有一定的技術基礎，是可行的壓裂技術。
 

1.2 清水壓裂
    清水壓裂是利用大量清水注入地層誘導產生具有足夠幾何尺寸和導流能力的裂縫以實現在低滲的、大面積的凈產層里獲得天然氣工業產出的壓裂措施。清水壓裂利用儲層的天然裂縫注入壓裂液，使地層產生誘導裂縫，在壓裂過程中，巖石碎屑脫落并沉降在裂縫中，起到支撐作用，使裂縫在壓裂液退去之后仍保持張開。1997年，Mitchell能源公司首次將清水壓裂應用在Barnett頁巖的開發作業中，清水壓裂不但使壓裂費用較大型水力壓裂減少了65%，而且使頁巖氣最終采收率提高了20%[2]。事實上，清水壓裂的成功就在于它以較低的開支獲得了和凝膠壓裂相同甚至更好的增產效果[3]。目前的清水壓裂多是使用混合的清水壓裂液，它是在傳統的清水壓裂液中加入了減阻劑、凝膠、支撐劑等添加劑，又叫減阻水壓裂。
    清水壓裂用低黏度的減阻水替代通常使用的凝膠壓裂液，這樣既降低了壓裂成本，又減小了大量使用凝膠對地層的傷害，但由于壓裂液黏度小，清水壓裂相比凝膠壓裂液來說攜砂能力弱，壓裂半徑小。清水壓裂以巖石的天然裂縫為通道注入壓裂液，巖石楊氏模量越高裂越易形成粗糙的節理，保持裂縫的導流能力。因此適用于天然裂縫系統較發育，巖層楊氏模量高的地層。當頁巖層中水敏性礦物(如蒙脫石)含量高時，水敏性礦物溶解會堵塞裂縫通道，影響壓裂的效果。清水壓裂在國內有較多的理論研究和作業實踐，用于我國的頁巖氣開發有一定的技術基礎，是可行的壓裂技術。
1.3 水力噴射壓裂
    水力噴射壓裂是用高速和高壓流體攜帶砂體進行射孔，打開地層與井筒之間的通道后，提高流體排量，從而在地層中打開裂縫的水力壓裂技術(圖2)。當頁巖儲層發育較多的天然裂縫時，如果用常規的方式對裸眼井進行壓裂，大而裸露的井壁表面會使大量流體損失，從而影響增產效果。水力噴射壓裂能夠在裸眼井中不使用密封元件而維持較低的井筒壓力，迅速、準確地壓開多條裂縫。2005年，水力噴射壓裂技術第一次使用在美國Barnett頁巖中，作業者使用水力噴射環空壓裂工藝對Barnett頁巖中的53口井進行了壓裂，其中26口井取得了技術和經濟上的成功，有21口井被認定為技術成功[4]。
 

    水力噴射壓裂能夠用于水平井的分段壓裂，不受完井方式的限制，尤其適用在裸眼完井的井眼中，但是受到壓裂井深和加砂規模的限制。水力噴射壓裂在國內油氣開發中的應用時間不長，主要依靠國外公司提供技術服務，壓裂成本高。由于頁巖井眼井壁坍塌情況嚴重，一般使用套管完井，再加上水力噴射壓裂技術在國內的應用并不成熟，且成本較高。因此該技術在我國頁巖氣開發起步時期適用性不強，日后的推廣有待于技術的進步和經驗的成熟。
1.4 重復壓裂
    重復壓裂是指當頁巖氣井初始壓裂處理已經無效或現有的支撐劑因時間關系損壞或質量下降，導致氣體產量大幅下降時，采用壓裂工藝對氣井經行重新壓裂增產的工藝。頁巖氣井初始壓裂后，經過一段時間的生產，井眼周圍的應力會發生變化，重復壓裂能夠重新壓裂裂縫或使裂縫重新取向，使頁巖氣井產能恢復到初始狀態甚至更高(圖3)。美國Barnett頁巖在1995年前廣泛使用凝膠壓裂，1997年開始發展清水壓裂，作業者對先前使用凍膠壓裂增產產量下降的井使用清水壓裂重新改造，改進處理液回收工作流程，氣井產量明顯提高，部分井產量甚至超過了初次壓裂時的產量[5]。
 

    重復壓裂適用于天然裂縫發育、層狀和非均質地層，在頁巖氣開發后期當初始壓裂效果下降時或初始壓裂方式效果不理想的情況下對儲層重新壓裂，對產量相對較高的井同樣適用。重復壓裂不是一種新的壓裂技術，而是壓裂作業的一種工藝，其關鍵在于候選井的選擇。國內對重復壓裂工藝有較多的研究和實踐[7～9]，可以作為我國頁巖氣開發中后期儲層改造的措施。
1.5 同步壓裂
    同步壓裂指對2口或2口以上的配對井進行同時壓裂。同步壓裂采用的是使壓力液及支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運移距離最短的方法，來增加水力壓裂裂縫網絡的密度及表面積，利用井間連通的優勢來增大工作區裂縫的程度和強度，最大限度地連通天然裂縫。2006年，同步壓裂首先在美國Ft.Worth盆地的Barnett頁巖中實施。作業者對同一平臺上相隔10m，水平井段相隔305m大致平行的2口井9個層位進行同步壓裂。作業后，2口井均以相當高的速度生產，其中1口井以日產25.5×104m3的速度持續生產30d，而其他未壓裂的井日產速度在5.66×104～14.16×104m3之間[10]。
    同步壓裂在國外頁巖氣開發中是一個應用廣泛的工藝，特別是當區塊開發比較充分，井眼密集時，通過對多口井進行同步壓裂，能夠獲得比依次壓裂更好的效果。同步壓裂適用于2口或多口井眼位置相對較近，水平井段大致平行的頁巖氣井之間。同步壓裂目前在國內還是一個較新的概念，其在國內的技術可行性還有待進一步實踐，且在頁巖氣開發初期尤其是在勘探階段井眼稀疏，并不適用。即使如此，同步壓裂工藝仍然是頁巖氣開發水力壓裂的重要工藝。
2 頁巖氣井水力壓裂技術應用分析
2.1 水力壓裂關鍵因素
    頁巖氣開發水力壓裂原理是利用儲層的天然或誘導裂縫系統，使用含有各種添加劑成分的壓裂液在高壓下注入地層，使儲層裂縫網絡擴大，并依靠支撐劑使裂縫在壓裂液返回以后不會封閉，從而改善儲層的裂縫網絡系統，達到增產的目的。和砂巖相比，頁巖裂縫系統發育差，且不同地區儲層特點差異大，這是水力壓裂面臨的主要問題。裂縫系統既是壓裂液注入的通道，又是氣體溢出通道，壓裂液與儲層的配伍性直接關系到水力壓裂的成敗，因此裂縫系統和壓裂液配制是頁巖水力壓裂的關鍵因素。
2.1.1天然裂縫系統
    對頁巖儲層來說，裂縫系統既是氣體的主要儲存空間，也是滲流的主要通道，對頁巖氣開發來說，裂縫系統是壓裂液進入儲層的主要通道。天然裂縫的發育程度是影響頁巖氣開采效益的直接因素，因此頁巖氣水力壓裂應該盡量選擇天然裂縫發育程度高的層位。Bowker通過對Ft.Worth盆地Barnett頁巖天然裂縫的研究認為，充填的天然裂縫是力學上的薄弱環節，能夠增強壓裂作業的效果，開啟的天然裂縫對頁巖氣產能并不重要[11]；Gale研究認為盡管大多數小型裂縫都是封閉的，儲存能力較低，但是由于在距離相對較遠的裂縫群中存在大量開啟裂縫，因此也可以提高局部的滲透率[12]。Barnett頁巖不是裂縫性頁巖層帶，但由于其天然裂縫系統發育，使其成為一個可以被壓裂的頁巖層帶。
    天然裂縫系統在水力壓裂的中的作用還表現在其對誘導裂縫的影響上，天然裂縫對誘導裂縫既有促進作用，又有抑制作用。一方面，壓裂液通過天然裂縫注入儲層從而產生誘導裂縫，而當天然裂縫周圍富集誘導裂縫后，儲層滲透性發生改變，隨著氣體的產出地層壓力下降，原先開啟的裂縫又會發生閉合；另一方面，天然裂縫開啟效應導致的局部濾失增加，消耗誘導裂縫擴展的部分能量，從而抑制誘導裂縫的增長。在水力壓裂前，需要結合儲層的特點和壓裂參數來預測裂縫發育的寬度、長度和方向(如使用美國Meyer & Associates公司的Meyer Fracturing Simulators平臺[13])，在壓裂過程中通過微地震來隨時監測裂縫的方位和尺寸。
2.1.2壓裂液配制
    無論是在頁巖氣開發，還是在常規油氣開發的壓裂過程中，壓裂液及其性能都是影響壓裂最終效果的重要因素。壓裂液及其性能對能否造出一條足夠尺寸的、有足夠導流能力的裂縫有直接關系。清水壓裂液組成以水和砂為主，含量占總量的99%以上，其他添加劑成分占壓裂液總量的不足1%。添加劑在壓裂液中所占的比例很小，但對提高頁巖氣井的產量說卻是至關重要。頁巖水力壓裂常見添加劑類型及其作用見表2。
    在壓裂作業中，應該根據儲層的實際情況選擇合適的添加劑類型和比重。據國外的經驗，壓裂液添加劑選擇要考慮泵速及壓力，黏土含量，硅質和有機質碎屑的生成潛力，微生物活動以及壓裂液返回等因素[16]。當儲層水敏性礦物含量高時，應該提高防塌劑的比重以防止礦物溶解堵塞裂縫；在一些淺井中，由于微生物較發育，應當適當增加抗菌劑的比重，從而減少微生物對裂縫的封堵以及清除細菌產生的腐蝕性產物；在一些充填裂縫發育的層位，增加酸的比重有助于溶解礦物和造縫。
2.2 中國頁巖氣開發水力壓裂探討
    中國頁巖氣資源豐富，主要盆地和地區的頁巖氣資源量約為26×1012m3[15]。中國在低滲透氣藏儲集層改造、裂縫性油藏壓裂以及常規油氣藏水力壓裂等方面積累了較為豐富的經驗[16～19]，但現代意義的頁巖氣開發還是一個新課題。水力壓裂是頁巖氣開發的關鍵步驟，其技術要求高，壓裂成本大，在我國頁巖氣勘探開發起步階段，可以分別從老井壓裂和新井壓裂兩個方面入手。
李新景等通過對川南、川西南下寒武統筇竹寺組威5、威18等井及下志留統龍馬溪組陽63、太15、陽深1、陽深2等老井的資料復查，認為在這些老井中存出現頁巖氣顯示。陽63井3505～3518m井段黑色碳質頁巖段射孔后，經土酸酸化處理，獲得天然氣3500m3/d[20]。對于像這些在鉆井中存在良好的頁巖氣顯示，特別是經過初次酸化壓裂改造后在頁巖層段獲得較好的天然氣產出的老井，在現階段，采用現代的水力壓裂技術，對非頁巖層封堵后重新壓裂頁巖層段，改善儲層的滲透性能，是獲得頁巖氣產量突破的最佳辦法。重復壓裂候選井選擇方法有產量統計法、模式識別技術(尤其是神經網絡、虛擬智能和模糊邏輯)以及產量標準曲線法。在頁巖儲層中，虛擬智能模擬得出的結論最有效，其次是標準曲線法，單獨使用生產數據的方法效果最差[5]。在選擇候選井時，應該綜合3種方法優選的結果選擇最合適的井進行壓裂(圖4)。
 

    對于新完鉆的頁巖氣井，要獲得工業性氣流，必須采用水力壓裂改善儲層的滲透能力，在進行壓裂作業時，應該結合完井方式，儲層特點選擇合適的壓裂工藝。根據國外頁巖氣開發的經驗，深度較淺(低于1500m)或壓力較低的頁巖儲層一般使用氮氣泡沫壓裂，中等深度(1500～3000m)的儲層則適宜使用清水壓裂開采。氮氣泡沫壓裂對頁巖儲層無傷害，成本低，收益快，是我國頁巖氣勘探開發初期淺井開發比較合適的壓裂方式，美國頁巖氣開發早期曾使用氮氣泡沫壓裂，在當時取得了良好的效果，現在在某些特殊儲層壓裂仍然使用[23～24]。我國頁巖氣儲層除少數地區埋深較淺外，大多數埋深大于1500m，對于埋深小于1500m的有利儲層或開發前期的勘探淺井，可以嘗試使用氮氣泡沫壓裂；對于埋深在1500～3000m的有利儲層，清水壓裂是最適宜的壓裂方式。對于開采長度(厚度)大的頁巖氣井，可以結合儲層的特點，嘗試使用清水壓裂與多級壓裂相結合的水力壓裂技術；對于埋深在3000m以下的儲層，考慮到開采成本和技術的可行性，可暫時不用開發。2009年完鉆的渝頁1井是我國第一口勘探淺井，通過對渝頁1井的巖心分析，我國上揚子地區龍馬溪組頁巖天然裂縫系統較發育，蒙脫石含量少，水敏性弱，不同深度含氣性各異，因此可采用清水分段壓裂(圖5)。
 

    隨著勘探開發的深入，單一的壓裂技術難以滿足作業的需求。清水分段壓裂是我國現階段頁巖氣勘探開發比較適用的壓裂技術，對產量高的生產井來說，生產初期沒有重復壓裂的必要，但在生產中后期產量下降時可以通過重新壓裂恢復產能，并且，隨著我國開發技術的進步，井眼密度的增大，發展同步壓裂技術是頁巖氣開發的客觀的需要。當然，任何一種技術都是不斷發展的，中國的頁巖氣開發要在借鑒國外頁巖氣水力壓裂的基礎上，結合儲層特點和技術條件發展適用于中國頁巖氣開發的水力技術。
3 結論
    1) 水力壓裂是頁巖氣開發的核心技術之一。天然裂縫發育是水力壓裂成功的重要條件，應根據儲層特征配制合適的壓裂液。常用的頁巖氣水力壓裂技術有多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂和同步壓裂等。
    2) 多級壓裂技術特點是分段壓裂，多段壓裂，適用于產層較多，水平井段較長的生產井；清水壓裂成本低，對地層傷害小，適用于黏土含量適中，天然裂縫發育的儲層；水力噴射壓裂不受完井方式限制，尤其適用于裸眼完井的水平井，但受壓裂井深和加砂規模的限制；重復壓裂多用于氣井開發中后期，初始壓裂效果下降時，對于初次壓裂效果不理想的井同樣適用；同步壓裂適用于兩口或多口距離相近，水平井段大致平行的井。
    3) 現階段中國頁巖氣開發水力壓裂可以從兩個方面著手：一是老井的重復壓裂，二是新井的清水壓裂。對那些先前鉆井過程中有良好的頁巖氣顯示，經過儲層改造獲得了一定產量的老井的頁巖層段使用現代的水力壓裂技術重新壓裂。對于新鉆的頁巖氣井，考慮到水力壓裂的技術特點和成本，對埋深在1500m以淺的儲層或勘探淺井，適宜使用氮氣泡沫壓裂，對埋深介于1500～3000m之間的儲層，適宜使用清水壓裂，對埋深超過3000m的儲層暫時不用考慮開發。
    本文在寫作過程中曾得到國土資源部油氣資源戰略研究中心李玉喜研究員，中國地質大學(北京)能源學院唐玄老師，中國石油大學(北京)韓雙彪以及GoMarcellusshale部分會員的幫助，在此致謝。
參考文獻
[1] JOHN WHITE，ROGER READ.The shale shaker：an investor’s guide to shale gas[J].Oil and Gas Investor，2007(1)：2-9.
[2] CHARLES BOYER，JOHN KIESCHNICK，RICHARD E LEWIS，et al.Producing gas from its source [J/OL].Oil field Review.Autumn 2006[2010-03-29].http：∥www.slb. com/media/services/resources/oilfieldreview/ors06 / aut06/producing_gas.pdf.
[3] MAYERHOFER M J，RICHARDSON M F，WALKERJr R N，et al.Proppants？we don’t need no proppants[C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition.San Antonio，5-8 0ctober 1997，Texas：SPE，1997.
[4] MCDANLELB W，SURJATMDJA J B，SUTHERLAND R L，et al.Evolving new stimulation process proves highly effective in level 1 Dual-Lateral Completion[C]∥SPE Eastern Regional Meeting，23-26 0ctcber 2002，Lexington.Kentucky：SPE，2002，SPE 78697.
[5] GEORGE DOZIER，J ACK ELBEL，EUGENE FIELDER.Refracturing works[J/OL].Oilfield Review.Autumn 2003[2010-03-29].http：∥WWW.slb.com/～/media/Files/resources/oilfield_review/ors03/aut03/p38_53.ashx.
[6] SIEBRITS E，ELBEL J L，DETOUMAY F，et al.Parameters affecting azimuth and length of a secondary fracture during a refracture treatment [C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition，27-30 September 1998，New Orleans，Louisiana：SPE，1998，SPE 48928.
[7] 葉芳春，李紅.重復壓裂技術綜述[J].鉆采工藝，1997，20(6)：27-33.
[8] 胡永全.重復壓裂技術研究[J].天然氣工業，2004，24(3)：72-75.
[9] 唐海軍，胡永全，景步宏.等.SN油田重復壓裂技術界限研究[J].西南石油大學學報，2007，29(5)：94-96.
[10] GARY W，SCHEIN，STEPHANIE WEISS.Simultaneousfracturing takes off：enormous muhiwell fracs maximize exposure to shale reservoirs，achieving more production sooner[J].E&P，2008，81(3)：55-58.
[11] KENT A BOWKER.Barnett shale gas production，Fort worth Basin issues and discussion[J].AAPG Bulletin，2007，91(4)：523-533.
[12] JULIA F W GALE，ROBERT M REED，JON HOLDER. Natural fractures in the Barnett shale and their importance for hydraulic fracture treatments[J].AAPG Bulletin，2007，91(4)：603-622.
[13] MEYER & ASSOCIATES，Inc.User’s guide for the Meyer fracturing simulators[EB/OL].Seventh Edition[2010-03-29].http：∥downloads.mfrac.com/pdfs/2009/Meyer%20User's%20Guide.pdf.
[14] P KAUFMAN，G S PENNY，J PAKTINAT.Critical eval uations of additives used in shale Slickwater Fracs[C]∥SPE Shale Gas Production Conference，16-18 November 2008，FortWorth，Texas：SPE，2008，SPE 119900.
[15] 張金川，姜生玲，唐玄，等.我國頁巖氣富集類型及資源特點[J].天然氣工業，2009，29(12)：109-114.
[16] 袁士義，宋新民，冉啟全.裂縫性油藏開發技術[M].北京：石油工業出版社，2004.
[17] 何生厚.水力壓裂學術研討會論文集[M].北京：中國石化出版社，2004.
[18] 李勇明，郭建春，趙金洲，等.裂縫性油藏酸液濾失模型研究[J].西南石油學院學報，2004，26(2)：50-53.
[19] 張士誠.低滲透油氣藏增產技術新進展——2008年油氣藏增產改造學術研討會論文集[M].北京：石油工業出版社，2008.
[20] 李新景，胡素云，程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發的啟示[J].石油勘探與開發，2007，34(4)：392-400.
[21] CHESAPEAKE ENERGY.Fact Sheet：hydraulic fracturing[EB/OL].March 2010[2010-03-29].http：∥www.chk.com/Media/CorpMediaKits/Hydraulic_Fracturing_Fact_Sheet.pdf.
[22] ARTHUR J D，BOHM BRIAN，LAYNE MARK.Evaluating implications of hydraulic fracturing in shale gas reservoirs[C]∥SPE Americas E&P Environmental and Safety Conference，23-25 March 2009，San Antonio，Texas：SPE，2009，SPE 121038.
[23] GOTTSCHLIN J C，ROYCE T N，SHUCK L Z.Nitrogen gas and sand a new technique for stimulation of Devonian shale[J].Journal of Petroleum Technology.1985，37(5)：901-907.
[24] BRANNON H D，KENDICK D E，LUCKEY E，et al. Multi-stage fracturing of horizontal wells using ninety-five quality foam provides improved shale gas production[C]∥SPE Eastern Regional Meeting，23-25 September 2009，Charleston，West Virginia：SPE，2009，SPE 124767.
 
(本文作者：唐穎 張金川 張琴 龍鵬宇 中國地質大學(北京)“海相儲層演化與油氣富集機理”教育部重點實驗室)