壓裂技術

頁巖氣壓裂

一、百度詞條：頁巖氣壓裂

二、目錄：

1.頁巖氣壓裂簡介

2.頁巖氣壓裂的技術發展

3.頁巖氣壓裂體系

4.頁巖氣壓裂設備制造

三、頁巖氣壓裂簡介：

1.頁巖氣概況：頁巖氣在全球范圍內分布廣泛，且開發潛力巨大。20世紀90年代

以來，美國、加拿大等北美國家頁巖氣勘探取得成效，開發技術趨于成熟。據測算，全球頁

巖氣資源量約為456×1012m3。頁巖氣的勘探開發使美國天然氣儲量增加了40%。2010年美

國頁巖氣產量接近1000×108m3，約占美國當年天然氣總產量的20%，頁巖氣已經成為美國

主力氣源之一。國內頁巖氣的勘探開發尚處于起步階段，但是發展迅速。是繼美國、加拿大

之后，第三個勘探開發頁巖氣的國家。目前已經在中國渤海灣及松遼、四川和吐哈等盆地發

現了高含有機炭的頁巖。據預測，中國頁巖氣潛在資源量大于30×1012m3，開發潛力巨大。

2.頁巖氣壓裂技術概況：頁巖儲層具有低孔特征和極低的基質滲透率,因此壓裂

是頁巖氣開發的主體技術。目前,北美頁巖氣逐漸形成了以水平井套管完井、分簇射孔、快

速可鉆式橋塞封隔、大規模滑溜水或“滑溜水+線性膠”分段壓裂、同步壓裂為主,以實現

“體積改造”為目的的頁巖氣壓裂主體技術。了解北美地區頁巖氣儲層特點和開發技術,加

快技術研發和應用力度,盡快形成和配套適應我國頁巖氣壓裂技術應用的基礎理論與技術

系列,對于加快我國頁巖氣勘探開發步伐有著重要的現實意義。

四、頁巖氣壓裂的技術進展

頁巖氣儲層必須經壓裂才能形成工業氣流。頁巖氣儲層的壓裂改造工藝、加砂規模等都

與常規壓裂改造有明顯不同。不同區塊頁巖儲層特性各不相同,并不是所有的頁巖都適合滑

溜水、大排量壓裂施工[7]。脆性地層(富含石英和碳酸鹽巖)容易形成網絡裂縫,而塑性地

層(黏土含量高)容易形成雙翼裂縫,因此不同的頁巖氣儲層所采用的工藝技術和液體體系

是不一樣的,要根據實際地層的巖性、敏感性和塑性以及微觀結構進行選擇。經過30多年

的發展,國外已形成了多項頁巖氣壓裂技術,并且在多年的發展過程中總結出了一套壓裂液

選擇依據(如圖2所示)[5]。從圖2可以看出,液體類型、排量大小以及加砂濃度等與地層

特點有著緊密的聯系。對于塑性地層,壓裂時很難形成裂縫網絡,該類地層利用黏度更高的

凝膠或者泡沫更容易實現好的改造效果。同時,頁巖氣壓裂裂縫檢測技術在壓裂后期效果評

價方面有重要意義。

圖2頁巖氣儲層壓裂方案優化示意

1.直井連續油管分層壓裂技術

較早的頁巖氣開發主要是在淺層,以直井為主,其壓裂技術具有3個特征,即連續油管、

水力噴砂射孔、環空加砂。該技術是用高速和高壓流體通過連續油管進行射孔,打開地層與

井筒之間的通道后,環空加注攜砂液體,從而在地層中壓開裂縫。其技術要點為水力噴砂射孔,

環空加砂,然后填砂封堵已壓裂層段,上提連續油管至下一目的層段,重復上述步驟直至結

束施工,施工結束后用連續油管進行沖砂、返排。該技術具有作業周期短、成本低、排量選

擇范圍廣、連續油管磨損小、井下工具簡單和成功率高等特點,目前在頁巖氣直井開發中得

到了很好的應用。

2.水平井分段壓裂技術

隨著頁巖氣開發的深入,常規的直井已經無法滿足開發要求,水平井和水平井分段壓裂

技術目前已經成為了北美頁巖氣藏有效開發的主體技術。

2.1水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術

水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術的主要特點是套管壓裂、多段分簇射孔、可鉆

式橋塞(鉆時小于15min)封隔。該技術的施工步驟大致為：

①第一段采用油管或者連續油管傳輸射孔,提出射孔槍;

②從套管內進行第一段壓裂;

③用液體泵送電纜+射孔槍+可鉆橋塞工具入井;

④坐封橋塞,射孔槍與橋塞分離,試壓;

⑤拖動電纜帶射孔槍至射孔段,射孔,提出射孔槍;

⑥壓裂第二段;

⑦重復③~⑥,實現多級壓裂。

一般目的層水平井段被分成8~15段,每段水平段長度為100~150m,每段射孔4~6簇，

每射孔簇跨度為0.46~0.77m,簇間距20~30m,壓裂施工結束后快速鉆掉橋塞進行測試、生

產。

可鉆橋塞分段多級壓裂技術的關鍵工具是可鉆橋塞。目前,國外復合材料可鉆橋塞比較

成熟,BakerHughes公司的QUICKDrill橋塞、Halliburton公司的FasDrill橋塞等都是非常

成熟的復合材料橋塞。這種復合材料橋塞可鉆性強,耐壓耐溫都比較高:QUICKDrill橋塞

耐壓可達86MPa,耐溫達到232℃;FasDrill橋塞耐壓可達70MPa,耐溫達到177℃。由于國

內材料發展水平滯后,復合材料可鉆橋塞的水平低于國外產品,目前,大慶油田、華北油田

都不同程度地開展了復合材料橋塞的研究。由于該技術射孔坐封橋塞聯作,壓裂結束后能在

很短時間內鉆掉所有橋塞,大大節省了時間和成本,同時減小了液體在地層中的滯留時間,

降低了外來液體對儲層的傷害。通過該種射孔方式每段可以形成4~6條裂縫,裂縫間的應力

干擾更加明顯,壓裂后形成的縫網更加復雜。水平井水平段被分成多段壓裂,改造完成

后可形成8~15段的裂縫簇,改造體積更大,壓裂后的效果也更好。

2.2水平井封隔器分段壓裂技術

水平井多級滑套封隔器分段壓裂技術

該技術通過井口落球系統操控滑套,其原理與直井應用的投球壓差式封隔器相同,具有

施工時間短和成本低的優點。關鍵在于每一級滑套的掉落以及所控制的級差,級數越多,滑

套控制要求越精確,施工風險也越高。該技術采用機械式封隔器,主要適用于套管完井。該

類封隔器需要壓力坐封或者工具坐封,因此工藝過程復雜,下入工具串次數較多,對于水平

井施工風險較大,任何一個環節處理不當就會導致施工失敗,造成大修。目前由于可鉆式橋

塞分隔技術的應用,該技術的應用逐年減少。

水平井膨脹式封隔器分段壓裂技術

由于水平井開發的特殊性,部分水平井裸眼完井,常規封隔器難以滿足后期壓裂施工的

需要,為此研制開發了遇油(遇水)膨脹封隔器。膨脹式封隔器,也稱反應式封隔器,將一種

特殊的可膨脹橡膠材料直接硫化在套管外壁上,其工作原理為封隔器下入井底預定位置后,

遇到油氣或水后可膨脹橡膠即可快速膨脹,橡膠膨脹至井壁位置后繼續膨脹而產生接觸應

力,從而實現密封。膨脹膠筒在井下遇油或遇水自動膨脹坐封,膠筒膨脹后能適應不規則井

眼的形狀,緊貼井壁,實現分層分段。膠筒膨脹完畢后不收縮,始終緊貼井壁,保證坐封質量

合格。因為該技術具有可靠性高、成本和作業風險低、壓裂后能很快轉入試油投產等優點,所

以目前在國外已經得到大規模的應用,已在120多口井上應用,改造層段超過850段。

近年來,國內油田引進國外公司的遇油膨脹封隔器技術,已成功下井40多口,并取得

較好的應用效果。在引進產品推廣的同時,國內不少科研院所和石油工具研發公司開展了自

膨脹封隔器的自主開發研究,并初步應用于現場,取得了良好的效果。但是與國外產品相比，

目前還存在著密封壓力低、使用溫度低等問題。

水平井水力噴射分段壓裂技術

該技術是集射孔、壓裂、封隔于一體的新型增產改造技術。利用水力噴射工具實施分段

壓裂,不需封隔器和橋塞等封隔工具,自動封堵,封隔準確。水力噴射分段壓裂技術可以選

用油管或連續油管作為作業管柱,使用范圍廣,套管完井、篩管完井和裸眼完井都適用。其

施工工藝分為拖動管柱式和不動管柱式。不動管柱式使用噴射器為滑套式噴射器,可實現多

級壓裂。托動管柱式的優點在于,連續拖動施工管柱可以節省很多時間,降低施工成本,另

外由于依靠水力噴射射孔定位準確,因此壓裂針對性強,對于改造層段控制性高。在全世界

范圍內,該項技術迅速發展,由美國開始逐漸擴展到加拿大、巴西、哈薩克斯坦、俄羅斯和

中國等國家。

水平井多井同步壓裂技術

同步壓裂技術是頁巖氣儲層改造的另一項重要技術。將兩口或者更多的相鄰井之間同時

用多套車組進行分段多簇壓裂,或者相鄰井之間進行拉鏈式交替壓裂,讓儲層的頁巖承受更

高的壓力,增強鄰井之間的應力干擾,從而產生更加復雜的裂縫網絡,最終改變近井地帶的

應力場。這種復雜的裂縫網絡依靠增加裂縫密度和裂縫壁面表面積而形成“三維裂縫網絡”,

增加壓裂改造的波及體積,從而提高產量和最終采收率。該技術在北美Woodford頁巖和

Barnett頁巖改造中應用廣泛,并取得了較好的效果。可知,St1H和St2H井進行了同步壓

裂(SF),壓后第1月累計產量和第2月累計產量均高于其他未同步壓裂井(NSF),產量增幅21%

~55%。

五、頁巖氣壓裂體系

頁巖氣儲層特點不同,其選擇的壓裂液也不同。目前所使用的壓裂液有滑溜水、線性膠、

交聯液和泡沫等,而滑溜水和復合壓裂液是目前主要壓裂液體系。

1.滑溜水壓裂體系

滑溜水壓裂液體系是針對頁巖氣藏改造發展起來的一項新技術。該液體體系主要適用于

無水敏、儲層天然裂縫較發育、脆性較高地層。其主要特點為:適用于裂縫性地層;提高形

成剪切縫和網狀縫的概率;使用少量稠化劑降阻,對地層傷害小,支撐劑用量少;成本低,

在相同作業規模下,滑溜水壓裂比常規凍膠壓裂其成本可以降低40%~60%。

2.復合壓裂體系

復合壓裂或混合壓裂主要是針對黏土含量高、塑性較強的頁巖氣儲層[14]。注入復合壓

裂液既可保證形成一定的縫寬,又保證有一定的攜砂能力。復合壓裂液的注入順序一般為:

前置液滑溜水與凍膠交替注入,支撐劑先為小粒徑,后為中等粒徑,低黏度活性水攜砂在凍

膠液中發生粘滯指進現象,從而減緩支撐劑沉降,確保裂縫的導流能力。

3.頁巖氣超高導流能力壓裂新技術

頁巖氣超高導流能力壓裂新技術是在頁巖氣網絡壓裂技術的基礎上演變而來的,與常

規網絡壓裂技術相比,該技術在設計思路、應用材料及泵注工藝上有很大區別。在設計思路

上,提供導流能力的不是支撐劑本身,而是各個支撐劑堆間無支撐劑充填的超高導流能力的

通道;在應用材料上,用高黏度的壓裂液及可溶性纖維把支撐劑緊緊包裹在一起。由于支撐

劑的作用不是簡單地提供導流能力,因此對支撐劑的質量無過高要求;在泵注工藝上,采取

多段注入低黏隔離液以形成超高導流的通道。同時,還具有低裂縫凈壓力的優勢,在施工可

操作性及安全性等方面具有優越性。因此,該技術具有很好的推廣應用前景。

4.裂縫檢測技術

裂縫監測在頁巖氣壓裂中占有重要地位。通過裂縫監測,可以預測裂縫方位、計算改造

體積及泄流面積,為后期的產量預測以及新井布井提供參考。

監測裂縫的方法包括化學示蹤劑法、物理示蹤劑法、微地震監測以及測斜儀監測,應用

較廣泛的是微地震監測。微地震監測又分為同井監測和鄰井監測,其原理主要是通過鄰井放

置多個檢波器,記錄在裂縫起裂和閉合過程中所發生的微地震事件,計算壓裂改造所得到的

改造體積及預測壓后產量。

六、頁巖氣壓裂設備制造

由于頁巖氣市場的潛力巨大，世界主要鉆采裝備供應商紛紛瞄準了壓裂市場。在國內，

江漢油田第四石油機械廠、煙臺杰瑞石油裝備有限公司、蘭州通用機器制造有限公司、大港

中成裝備制造公司都在研制壓裂裝備。此外，吉艾科技等企業也開始進軍壓裂設備市場。

發展到近幾年，國內生產的壓裂設備迅速替代了進口，國產壓裂設備占據了國內市場的

主體，并逐步進入國際市場。

煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司副總裁姜曉寶表示，他們較早進行了頁巖氣技術儲

備和先期應用，積累了一定的經驗，比照美國每年新增700-800臺壓裂車的需求量來看，

預計中國未來頁巖氣大規模開發后壓裂車的需求量將十分可觀。他們在2012年年產100多

臺壓裂車的基礎上，2013年已經進行了產能儲備。

中國石油集團咨詢中心專家馬家驥認為，壓裂成套裝備是繼成套鉆機之后需求高峰的又

一個品種，從長遠看，很有發展前景，但從目前來看，最現實的市場在北美，潛力市場是歐

洲，而中國市場相對滯后。