全球頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)綜述

1、全球頁(yè)巖氣資源開發(fā)技術(shù)綜述譚 巍（長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井二公司，遼寧 盤錦 124010）摘 要 “頁(yè)巖氣革命”在全球范圍內(nèi)掀起了頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的熱潮，根據(jù)EIA最新發(fā)布的全球頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)最新數(shù)據(jù)顯示，全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源約為207×1012m3。本文介紹了目前頁(yè)巖氣資源分布現(xiàn)狀以及頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，如鉆井技術(shù)、鉆井液技術(shù)、固井技術(shù)、完井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)。關(guān)鍵詞： 頁(yè)巖氣 鉆井 完井 壓裂 鉆井液 一、全球頁(yè)巖氣資源現(xiàn)狀1.頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量情況以美國(guó)為首的“頁(yè)巖氣革命”推動(dòng)了全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的進(jìn)程。其中，頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)因其豐富的資源儲(chǔ)量，成為了全球各大能源行業(yè)關(guān)

2、注的焦點(diǎn)。全球范圍內(nèi)，頁(yè)巖氣資源主要分布與北美、中亞、中國(guó)、北非等國(guó)家和地區(qū)。根據(jù)2013年6月美國(guó)能源信息署（EIA）發(fā)布的全球頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)最新數(shù)據(jù)顯示，全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源約為207×1012m3。其中，中國(guó)以31.57×1012m3的頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源儲(chǔ)量，占全球頁(yè)巖氣資源總量的15%，排名世界第一。除中國(guó)外，其他頁(yè)巖氣資源豐富的國(guó)家還包括阿根廷、阿爾及利亞、美國(guó)和加拿大等。排名前十位的國(guó)家頁(yè)巖氣資源量總和達(dá)163.21×1012m3，占全球頁(yè)巖氣總資源量的79%（表1）。表1 2013年全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量排名前十位國(guó)家序號(hào)國(guó)家頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量

3、(×1012m3)1中國(guó)31.572阿根廷22.713阿爾及利亞20.024美國(guó)18.835加拿大16.236墨西哥15.437澳大利亞12.378南非11.049俄羅斯8.0710巴西6.942.頁(yè)巖氣資源分布從EIA發(fā)布的頁(yè)巖氣盆地分布圖（圖1）可以看出，世界上大型的頁(yè)巖氣盆地主要分布于北美、亞洲和南美等地區(qū)。圖1 全球頁(yè)巖氣盆地分布圖美國(guó)是最早開始研究頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的國(guó)家，經(jīng)過多年的探索經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)目前已經(jīng)擁有世界領(lǐng)先的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù),進(jìn)入了頁(yè)巖氣商業(yè)化開采的階段。美國(guó)的頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊主要分布于美國(guó)南部的Barnett頁(yè)巖、Woodford頁(yè)巖、Fayetteville頁(yè)巖、

4、Marcellus頁(yè)巖和Haynesville頁(yè)巖氣區(qū)塊,以及東部、中東部的Ohio頁(yè)巖、New Albany頁(yè)巖和Antrim頁(yè)巖氣區(qū)塊等。據(jù)EIA發(fā)布的2013年能源展望報(bào)告中預(yù)測(cè)，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量在2040年將達(dá)到4729×108m3。加拿大作為頁(yè)巖氣開發(fā)的另一個(gè)重要國(guó)家, 其頁(yè)巖氣資源主要分布在東部和西部，包括Montney頁(yè)巖和Utica頁(yè)巖等九大頁(yè)巖氣區(qū)塊，可采資源量分別為0.9×1012m3和10.1×1012m3。目前，加拿大頁(yè)巖氣開發(fā)仍處于初級(jí)階段，尚未完全進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。中國(guó)是除美國(guó)和加拿大之外,正式開始頁(yè)巖氣資源勘探開發(fā)的國(guó)家,我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐

5、富,主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地，由中國(guó)石油、中國(guó)石化以及延長(zhǎng)石油三家公司進(jìn)行勘探開發(fā)。四川作為中國(guó)頁(yè)巖氣的主要生產(chǎn)區(qū)，目前已有中國(guó)石油和中國(guó)石化在此建設(shè)生產(chǎn)示范區(qū)。截止到2013年12月，全國(guó)累計(jì)完成頁(yè)巖氣鉆井285口，其中水平井86口。目前，由于技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟以及我國(guó)針對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)推出的補(bǔ)貼政策，全國(guó)頁(yè)巖氣正式進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)生產(chǎn)階段，產(chǎn)能及產(chǎn)量步入加速增長(zhǎng)階段。二、頁(yè)巖氣勘探開發(fā)概況頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層的差異很大，因此頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)必須采用先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的開發(fā)。針對(duì)頁(yè)巖氣藏的特點(diǎn)，借鑒美國(guó)在頁(yè)巖氣開發(fā)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，

6、我們得知水平井鉆完井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)是頁(yè)巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。1.鉆井技術(shù)頁(yè)巖氣井鉆井主要包括直井和水平井兩種方式。直井主要目的用于試驗(yàn)，了解頁(yè)巖氣藏特性，獲得鉆井壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并優(yōu)化水平井鉆井方案。水平井主要用于生產(chǎn)，可以獲得更大的儲(chǔ)層泄流面積，得到更高的天然氣產(chǎn)量 一般情況下，若頁(yè)巖儲(chǔ)層為水平裂縫，主要采用垂直井 若頁(yè)巖儲(chǔ)層為垂直裂縫，多采用水平井，形式包括單支多分支和羽狀水平井等，直井與垂直裂縫相交的機(jī)會(huì)較少。根據(jù)美國(guó)開發(fā)頁(yè)巖氣的經(jīng)驗(yàn)，水平井的產(chǎn)量是直井的3-5倍，成本只相當(dāng)于直井的1.5倍。因此，水平井鉆井技術(shù)是頁(yè)巖氣開發(fā)的核心技術(shù)。目前，國(guó)外頁(yè)巖氣鉆井技術(shù)中主要采用的技術(shù)有：軌跡控

7、制技術(shù)、欠平衡及控壓鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)以及鉆井液技術(shù)。1）軌跡控制技術(shù)（1）井眼方位選擇 頁(yè)巖氣水平井井眼方位一般選擇在應(yīng)力較低、脆性礦物和干酪根富集、裂縫發(fā)育程度高、孔隙度較高的頁(yè)巖層區(qū)域，以便為后期壓裂提供有利條件。 一般情況下選擇與主要裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大致平行的方位進(jìn)行水平井鉆井，能夠生成大量的橫向誘導(dǎo)裂縫，增大裂縫與氣體接觸的表面積，提高采收率。 （2）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 頁(yè)巖氣鉆井普遍采用三級(jí)井身結(jié)構(gòu)。由于后期需要進(jìn)行壓裂，因此對(duì)套管及套管頭承壓能力要求較高，固井質(zhì)量要好，水泥返高到地面。在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用三維地震技術(shù)，增加井筒與裂縫相交的可能性，打開更多的儲(chǔ)層。 （3）軌跡控制 隨

8、著MWD技術(shù)、導(dǎo)向工具的發(fā)展，可基本實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖氣水平井軌跡的控制和實(shí)時(shí)優(yōu)化。 對(duì)于儲(chǔ)層均質(zhì)性良好，水平段長(zhǎng)度較小的井，使用穩(wěn)定器鉆具組合和彎外殼螺桿鉆具與MWD組合。對(duì)于水平段較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的井，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，可以使井眼更加光滑。 2）欠平衡及控壓鉆井技術(shù)欠平衡及控壓鉆井技術(shù)的應(yīng)用，主要用于防漏、提高鉆速和儲(chǔ)層保護(hù)，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)在頁(yè)巖中鉆井。（1）欠平衡鉆井技術(shù) 欠平衡鉆井以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，能夠克服井壁坍塌和液體鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害，克服鉆井作業(yè)過程中的卡鉆、井漏、井塌等問題，提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產(chǎn)能，節(jié)省作業(yè)成本。 作為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣主要開發(fā)試驗(yàn)區(qū)的長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)頁(yè)

9、巖氣區(qū)塊，上部井段多處出現(xiàn)了惡性井漏、機(jī)械鉆速偏低等難題，改用充氣鉆井技術(shù)后，有效解決了以上難題，快速順利鉆至固井井深。（2）控壓鉆井技術(shù) 控制壓力鉆井是一種用于精確控制整個(gè)井筒環(huán)空壓力的鉆井技術(shù)，目的是確定井底壓力，并以此控制井筒環(huán)空壓力剖面。通過控制鉆進(jìn)過程的壓力使得鉆井作業(yè)最優(yōu)化，縮短非生產(chǎn)時(shí)間、減少井涌、井漏、卡鉆等復(fù)雜情況。 目前威德福、哈里伯頓等公司已進(jìn)行過該技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)常用于位移大、水平段長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高的頁(yè)巖氣水平井鉆井。該技術(shù)可以有效解決施工中的摩阻扭矩偏大、機(jī)械鉆速低和井下事故頻繁等技術(shù)問題。 目前，世界上先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)

10、向工具，主要有貝克休斯公司的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)AutoTrak、斯倫貝謝公司的動(dòng)態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Power Drive以及哈里伯頓公司的靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Geo-pilot。4）鉆井液技術(shù)由于頁(yè)巖地層裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)，容易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等問題，因此，選擇頁(yè)巖氣水平井鉆井液的原則是強(qiáng)抑制、高封堵、高潤(rùn)滑。油基鉆井液可以提高水潤(rùn)濕性頁(yè)巖的毛細(xì)管壓力，防止鉆井液對(duì)頁(yè)巖的侵入，有效保持井壁穩(wěn)定，還具有良好的潤(rùn)滑、防卡作用，是目前國(guó)內(nèi)外采用最多的鉆井液體系。油基鉆井液自1920年開始使用至今，先后經(jīng)歷了原油鉆井液、柴油基鉆井液、白油基鉆井液、氣制油基鉆井液、全油基鉆井液。目前，該技術(shù)

11、在國(guó)外已經(jīng)成熟且廣泛應(yīng)用。2.完井技術(shù)由于大部分頁(yè)巖氣是以吸附狀態(tài)存在于頁(yè)巖中，而儲(chǔ)層滲透率低，因此，施工的關(guān)鍵是既要通過完井技術(shù)提高其滲透率，又要避免地層損害。因此，在固井、完井方面都有其特殊的處理技術(shù)。1）固井技術(shù) 頁(yè)巖氣固井技術(shù)的核心是水泥漿體系，所涉及的水泥漿包括泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H級(jí)水泥等4種類型。 頁(yè)巖氣井普遍使用的是泡沫水泥固井技術(shù)，與常規(guī)固井水泥漿相比，泡沫水泥具有高強(qiáng)度、低密度、低失水量、超穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此泡沫水泥具有良好的防竄效果，能解決低壓易漏長(zhǎng)封固段復(fù)雜井的固井問題，而且短距離的水泥侵入，也可以降低儲(chǔ)層損害。 根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，泡沫水泥固井比

12、常規(guī)固井的產(chǎn)氣量平均高23%，我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)多個(gè)生產(chǎn)區(qū)塊取得了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用成功。 2）完井技術(shù)頁(yè)巖氣的完井方式主要包括水力噴射射孔完井、組合式橋塞完井和機(jī)械式組合完井。（1）水力噴射射孔完井該完井方式適用于直井或水平套管井，在套管固井后，從工具噴嘴噴射出的高速流體射穿套管和巖石，達(dá)到射孔的目的，通過拖動(dòng)管柱可進(jìn)行多層作業(yè)，免去下封隔器或橋塞，縮短完井時(shí)間。美國(guó)大多數(shù)頁(yè)巖氣水平井都采用此完井方式。（2）組合式橋塞完井套管中用組合式橋塞分隔各段，分別進(jìn)行射孔或壓裂，這是頁(yè)巖氣水平井最常用的完井方法。其工藝是下套管、固井、射孔、分離井筒，但因需要在施工中射孔、坐封橋塞、鉆橋塞，也是最耗時(shí)的一種

13、方法。（3）機(jī)械式組合完井機(jī)械式組合完井是目前國(guó)外應(yīng)用的一種新技術(shù)，采用特殊的滑套機(jī)構(gòu)和膨脹封隔器，適用于水平裸眼井段限流壓裂，一趟管柱即可完成固井和分段壓裂施工。如Halliburton 公司的Delta Stim 完井技術(shù)。3.壓裂技術(shù)由于頁(yè)巖儲(chǔ)層低孔低滲的物性特征導(dǎo)致裂縫的發(fā)育程度成為頁(yè)巖氣運(yùn)移聚集、經(jīng)濟(jì)開采的主要控制因素之一。僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁(yè)巖氣井可直接投入生產(chǎn)，大約90%的頁(yè)巖氣完井后需要實(shí)施壓裂改造才能獲得產(chǎn)量。1）水平井分段壓裂水平井分段壓裂技術(shù)可以有效的產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，最大程度低提高最終采收率，同時(shí)還可以節(jié)約成本。目前水平井的壓裂階段已從最初的單段或兩段，發(fā)展到7段甚

14、至更多。美國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)井中，85%的井均采用水平井多級(jí)分段壓裂技術(shù)，增產(chǎn)效果明顯。2）同步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(yùn)移距離最短的方法，來增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度及表面積。其優(yōu)勢(shì)是短期內(nèi)增產(chǎn)效果明顯，作業(yè)時(shí)間短，節(jié)省成本。目前，已發(fā)展為四口井同時(shí)壓裂。3）重復(fù)壓裂 重復(fù)壓裂是指當(dāng)頁(yè)巖氣井初始?jí)毫烟幚硪呀?jīng)無效或現(xiàn)有的支撐劑因時(shí)間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時(shí)，采用壓裂工藝對(duì)氣井經(jīng)行重新壓裂增產(chǎn)的工藝。 美國(guó)Barnett頁(yè)巖1997年使用清水壓裂對(duì)產(chǎn)量下降的井進(jìn)行重復(fù)壓裂，改進(jìn)處理液回收工作流程，氣井產(chǎn)量明顯提高，部分井產(chǎn)量甚至超過了初次壓裂時(shí)的

15、產(chǎn)量。4）工廠化壓裂 工廠化壓裂就是要象普通工廠一樣，在一個(gè)固定場(chǎng)所，連續(xù)不斷的泵注壓裂液和支撐劑。其優(yōu)勢(shì)是可以縮短區(qū)塊的整體建設(shè)周期，降低單位采氣成本；可以大幅提高壓裂設(shè)備的利用率，減少設(shè)備動(dòng)遷和安裝，減少壓裂罐拉運(yùn)、清洗，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；方便回收和集中處理壓裂殘液，減少污水排放、重復(fù)利用水資源。三、我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及與國(guó)外差距國(guó)內(nèi)自2009年8月17日，國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略中心在綦江縣啟動(dòng)中國(guó)首個(gè)頁(yè)巖氣資源勘探項(xiàng)目以來，頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)迅速發(fā)展，取得了良好的開發(fā)效果。經(jīng)過多年的探索實(shí)踐，我國(guó)針對(duì)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)，主要形成了頁(yè)巖氣水平井鉆完井技術(shù)，壓前評(píng)價(jià)、壓裂設(shè)計(jì)和壓后評(píng)估等技術(shù)

16、，并圍繞“工廠化”作業(yè)，初步形成了鉆井、壓裂等一體化設(shè)計(jì)和優(yōu)化。2013年，在前期探索實(shí)踐的基礎(chǔ)上，我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)順利完成一批鉆井和大型壓裂施工作業(yè)，開發(fā)技術(shù)逐步成熟。盡管我國(guó)目前已經(jīng)基本掌握了頁(yè)巖氣開發(fā)的相關(guān)技術(shù)，但整體上與國(guó)外相比還存在一定差距（表2）表2 我國(guó)與國(guó)外頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)對(duì)比美國(guó)中國(guó)勘探技術(shù)三維地震技術(shù)、微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)尚未掌握核心技術(shù)鉆完井技術(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)、控壓鉆井技術(shù)、泡沫固井技術(shù)等頁(yè)巖氣水平井鉆完井技術(shù)成熟先進(jìn)。我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)水平井鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)相對(duì)比較成熟，但在完井、固井方面相對(duì)滯后。主要井型90%以上為水平井，10%以下為直井。大部分是直井，

17、水平井還處于試驗(yàn)階段。壓裂改造技術(shù)技術(shù)成熟，主要有多級(jí)壓裂、同步壓裂、重復(fù)壓裂等壓裂技術(shù)。常規(guī)水力壓裂技術(shù)已在國(guó)內(nèi)成功應(yīng)用，但頁(yè)巖氣壓裂才剛剛起步。小結(jié)中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)處于探索階段，經(jīng)驗(yàn)匱乏，技術(shù)尚不成熟。四、結(jié)語(yǔ)頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)能源，在全球范圍內(nèi)分布非常廣泛，并逐步被人們重視，成為了一種重要的油氣資源。我國(guó)作為頁(yè)巖氣資源大國(guó)，開展頁(yè)巖氣勘探開發(fā)是促進(jìn)我國(guó)能源發(fā)展的必經(jīng)之路。盡管目前我國(guó)已基本掌握頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)，但與美國(guó)等國(guó)相比，還存在一定差距。如何能在保持自主創(chuàng)新的前提下，學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果本國(guó)頁(yè)巖氣資源開發(fā)的實(shí)際情況，探索出更高效的開發(fā)模式，仍是我們今后要面對(duì)的