全球頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)綜述

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

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

3、(×1012m3)1中國31.572阿根廷22.713阿爾及利亞20.024美國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.頁巖氣資源分布從EIA發(fā)布的頁巖氣盆地分布圖（圖1）可以看出，世界上大型的頁巖氣盆地主要分布于北美、亞洲和南美等地區(qū)。圖1 全球頁巖氣盆地分布圖美國是最早開始研究頁巖氣勘探開發(fā)的國家，經(jīng)過多年的探索經(jīng)驗，美國目前已經(jīng)擁有世界領(lǐng)先的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù),進入了頁巖氣商業(yè)化開采的階段。美國的頁巖氣開發(fā)區(qū)塊主要分布于美國南部的Barnett頁巖、Woodford頁巖、Fayetteville頁巖、

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

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

6、我們得知水平井鉆完井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。1.鉆井技術(shù)頁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，了解頁巖氣藏特性，獲得鉆井壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗，并優(yōu)化水平井鉆井方案。水平井主要用于生產(chǎn)，可以獲得更大的儲層泄流面積，得到更高的天然氣產(chǎn)量 一般情況下，若頁巖儲層為水平裂縫，主要采用垂直井 若頁巖儲層為垂直裂縫，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會較少。根據(jù)美國開發(fā)頁巖氣的經(jīng)驗，水平井的產(chǎn)量是直井的3-5倍，成本只相當于直井的1.5倍。因此，水平井鉆井技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)。目前，國外頁巖氣鉆井技術(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 頁巖氣水平井井眼方位一般選擇在應力較低、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)大致平行的方位進行水平井鉆井，能夠生成大量的橫向誘導裂縫，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 頁巖氣鉆井普遍采用三級井身結(jié)構(gòu)。由于后期需要進行壓裂，因此對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，打開更多的儲層。 （3）軌跡控制 隨

8、著MWD技術(shù)、導向工具的發(fā)展，可基本實現(xiàn)對頁巖氣水平井軌跡的控制和實時優(yōu)化。 對于儲層均質(zhì)性良好，水平段長度較小的井，使用穩(wěn)定器鉆具組合和彎外殼螺桿鉆具與MWD組合。對于水平段較長，結(jié)構(gòu)復雜的井，使用旋轉(zhuǎn)導向鉆井技術(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)的應用，主要用于防漏、提高鉆速和儲層保護，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)在頁巖中鉆井。（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儲層的傷害，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。 作為國內(nèi)頁巖氣主要開發(fā)試驗區(qū)的長寧、威遠頁

9、巖氣區(qū)塊，上部井段多處出現(xiàn)了惡性井漏、機械鉆速偏低等難題，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。通過控制鉆進過程的壓力使得鉆井作業(yè)最優(yōu)化，縮短非生產(chǎn)時間、減少井涌、井漏、卡鉆等復雜情況。 目前威德福、哈里伯頓等公司已進行過該技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗應用，取得了較好的應用效果。3）旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)常用于位移大、水平段長、風險高的頁巖氣水平井鉆井。該技術(shù)可以有效解決施工中的摩阻扭矩偏大、機械鉆速低和井下事故頻繁等技術(shù)問題。 目前，世界上先進的旋轉(zhuǎn)導

10、向工具，主要有貝克休斯公司的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)AutoTrak、斯倫貝謝公司的動態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Power Drive以及哈里伯頓公司的靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)Geo-pilot。4）鉆井液技術(shù)由于頁巖地層裂縫發(fā)育、水敏性強，容易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等問題，因此，選擇頁巖氣水平井鉆井液的原則是強抑制、高封堵、高潤滑。油基鉆井液可以提高水潤濕性頁巖的毛細管壓力，防止鉆井液對頁巖的侵入，有效保持井壁穩(wěn)定，還具有良好的潤滑、防卡作用，是目前國內(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、在國外已經(jīng)成熟且廣泛應用。2.完井技術(shù)由于大部分頁巖氣是以吸附狀態(tài)存在于頁巖中，而儲層滲透率低，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級水泥等4種類型。 頁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，泡沫水泥具有高強度、低密度、低失水量、超穩(wěn)定性等特點，因此泡沫水泥具有良好的防竄效果，能解決低壓易漏長封固段復雜井的固井問題，而且短距離的水泥侵入，也可以降低儲層損害。 根據(jù)國外經(jīng)驗，泡沫水泥固井比

12、常規(guī)固井的產(chǎn)氣量平均高23%，我國該項技術(shù)目前在國內(nèi)多個生產(chǎn)區(qū)塊取得了實驗性應用成功。 2）完井技術(shù)頁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，達到射孔的目的，通過拖動管柱可進行多層作業(yè)，免去下封隔器或橋塞，縮短完井時間。美國大多數(shù)頁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，分別進行射孔或壓裂，這是頁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，也是最耗時的一種

13、方法。（3）機械式組合完井機械式組合完井是目前國外應用的一種新技術(shù)，采用特殊的滑套機構(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)由于頁巖儲層低孔低滲的物性特征導致裂縫的發(fā)育程度成為頁巖氣運移聚集、經(jīng)濟開采的主要控制因素之一。僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁巖氣井可直接投入生產(chǎn)，大約90%的頁巖氣完井后需要實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。美國頁巖氣生產(chǎn)井中，85%的井均采用水平井多級分段壓裂技術(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)勢是短期內(nèi)增產(chǎn)效果明顯，作業(yè)時間短，節(jié)省成本。目前，已發(fā)展為四口井同時壓裂。3）重復壓裂 重復壓裂是指當頁巖氣井初始壓裂處理已經(jīng)無效或現(xiàn)有的支撐劑因時間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降，導致氣體產(chǎn)量大幅下降時，采用壓裂工藝對氣井經(jīng)行重新壓裂增產(chǎn)的工藝。 美國Barnett頁巖1997年使用清水壓裂對產(chǎn)量下降的井進行重復壓裂，改進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，在一個固定場所，連續(xù)不斷的泵注壓裂液和支撐劑。其優(yōu)勢是可以縮短區(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)備動遷和安裝，減少壓裂罐拉運、清洗，降低工人勞動強度；方便回收和集中處理壓裂殘液，減少污水排放、重復利用水資源。三、我國頁巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及與國外差距國內(nèi)自2009年8月17日，國土資源部油氣資源戰(zhàn)略中心在綦江縣啟動中國首個頁巖氣資源勘探項目以來，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)迅速發(fā)展，取得了良好的開發(fā)效果。經(jīng)過多年的探索實踐，我國針對頁巖氣勘探開發(fā)，主要形成了頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)，壓前評價、壓裂設(shè)計和壓后評估等技術(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)計和優(yōu)化。2013年，在前期探索實踐的基礎(chǔ)上，我國頁巖氣開發(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。盡管我國目前已經(jīng)基本掌握了頁巖氣開發(fā)的相關(guān)技術(shù)，但整體上與國外相比還存在一定差距（表2）表2 我國與國外頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)對比美國中國勘探技術(shù)三維地震技術(shù)、微地震監(jiān)測技術(shù)尚未掌握核心技術(shù)鉆完井技術(shù)旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)、控壓鉆井技術(shù)、泡沫固井技術(shù)等頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)成熟先進。我國頁巖氣開發(fā)水平井鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)相對比較成熟，但在完井、固井方面相對滯后。主要井型90%以上為水平井，10%以下為直井。大部分是直井，

17、水平井還處于試驗階段。壓裂改造技術(shù)技術(shù)成熟，主要有多級壓裂、同步壓裂、重復壓裂等壓裂技術(shù)。常規(guī)水力壓裂技術(shù)已在國內(nèi)成功應用，但頁巖氣壓裂才剛剛起步。小結(jié)中國頁巖氣開發(fā)處于探索階段，經(jīng)驗匱乏，技術(shù)尚不成熟。四、結(jié)語頁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。我國作為頁巖氣資源大國，開展頁巖氣勘探開發(fā)是促進我國能源發(fā)展的必經(jīng)之路。盡管目前我國已基本掌握頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)，但與美國等國相比，還存在一定差距。如何能在保持自主創(chuàng)新的前提下，學習借鑒國外先進的開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗，結(jié)果本國頁巖氣資源開發(fā)的實際情況，探索出更高效的開發(fā)模式，仍是我們今后要面對的