页岩气开采压裂技术摘要：我国页岩气资源丰富但由于页岩地层渗透率很低,页岩气井完井后需要经过储层改造才能获得理想的产量,而水力压裂是页岩气开发的核心技术之一。

在研究水力压裂技术开发页岩气原理的基础上,剖析了国外的应用实例,分析了各种水力压裂技术( 多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂以及同步压裂技术)的特点和适用性, 探讨了天然裂缝系统和压裂液配制在水力压裂中的作用。

关键词：水力压裂页岩气开采压裂液0 前言自1947年美国进行第1次水力压裂以来,经过50多年的发展,水力压裂技术从理论研究到现场实践都取得了惊人的发展。

如裂缝扩展模型从二维发展到拟三维和全三维; 压裂井动态预测模型从电模拟图版和稳态流模型发展到三维三相不稳态模型,且可考虑裂缝导流能力随缝长和时间的变化、裂缝中的相渗曲线和非达西流效应及储层的应力敏感性等因素的影响; 压裂液从原油和清水发展到低、中、高温系列齐全的优质、低伤害、具有延迟交联作用的胍胶有机硼和清洁压裂液体系;支撑剂从天然石英砂发展到中、高强度人造陶粒,并且加砂方式从人工加砂发展到混砂车连续加砂;压裂设备从小功率水泥车发展到1000型压裂车和2000 型压裂车;单井压裂施工从小规模、低砂液比发展到超大型、高砂液比压裂作业;压裂应用的领域从特定的低渗油气藏发展到特低渗和中高渗油气藏(有时还有防砂压裂)并举。

同时, 从开发井压裂拓宽到探井压裂,使压裂技术不但成为油气藏的增产增注手段,如今也成为评价认识储层的重要方法。

1 国内外现状水力压裂技术自1947年在美国堪萨斯州试验成功至今近半个世纪了,作为油井的主要增产措施正日益受到世界各国石油工作者的重视和关注,其发展过程大致可分以下几个阶段:60 年代中期以前, 以研究适应浅层的水平裂缝为主这一时期我国主要以油井解堵为目的开展了小型压裂试验。

60 年代中期以后, 随着产层加深, 以研究垂直裂缝为主。

这一时期的压裂目的是解堵和增产, 通常称之为常规压裂。

这一时期,我国进入工业性生产实用阶段,发展了滑套式分层压裂配套技术。

70年代，进入改造致密气层的大型水力压裂时期。

这一时期,我国在分层压裂技术的基础上,发展了适应高含水量所需的蜡球选择性压裂工艺,以及化学堵水与压裂配套的综合改造技术。

80年代，进入对低渗油藏改造时期。

压裂规模从加液量只有1.9m3精确控制短小裂缝的小型压裂到加液量5830m3,用砂量2857t,裂缝长一公里多,耗资110万美元以上的大型水力压裂。

其工业技术在很多方面都得到了发展,除主要用于压裂低渗透油层来提高原油和天然气产量之外, 水力压裂还可用于包括水源井、注水井等辅助井。

还可对二次采油方案的生产井和注水井进行压裂;压裂干热岩层的生产井和注水井,从干热岩层中获得地热能量。

在进行大型压裂之前进行小型试验压裂, 确定被压裂层及周围地层的应力梯度。

这一时期我国发展了适用于低渗透、薄油层多层改造的限流法完井压裂和投球法多层压裂技术[1]。

20世纪90年代以来, 美国、加拿大等北美国家页岩气勘探取得成效, 开发技术趋于成熟。

据测算,全球页岩气资源量约为456×1012m3, 其中美国的页岩气资源量接近 30×1012m3。

页岩气的勘探开发使美国天然气储量增加了40%。

2010年美国页岩气产量接近1000×108m3, 约占美国当年天然气总产量的20% , 页岩气已经成为美国主力气源之一。

国内页岩气的勘探开发尚处于起步阶段,但是发展迅速。

目前已经在中国渤海湾及松辽、四川和吐哈等盆地发现了高含有机炭的页岩。

据预测,中国页岩气潜在资源量大于30×1012m3,开发潜力巨大。

页岩储层具有低孔特征和极低的基质渗透率,因此压裂是页岩气开发的主体技术。

目前, 北美页岩气逐渐形成了以水平井套管完井、分簇射孔、快速可钻式桥塞封隔、大规模滑溜水或“滑溜水+ 线性胶”分段压裂、同步压裂为主,以实现“体积改造”为目的的页岩气压裂主体技术。

了解北美地区页岩气储层特点和开发技术, 加快技术研发和应用力度,尽快形成和配套适应我国页岩气压裂技术应用的基础理论与技术系列,对于加快我国页岩气勘探开发步伐有着重要的现实意义。

2 压裂技术的分类目前常用的压裂技术有清水压裂技术、重复压裂技术、水平井分段压裂技术以及同步压裂技术。

其中水平井分段压裂技术是目前美国页岩气快速发展最关键的技术，而清水压裂技术以其低成本等优势具有广阔的发展前景。

页岩储层厚度薄,渗透率低,水平井加多级压裂是目前美国页岩气开发应用最广泛的方式。

目前常用的技术有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等。

在美国页岩气开发中使用过的储层改造技术还有氮气泡沫压裂和大型水力压裂, 氮气泡沫压裂目前还使用在某些特殊条件的页岩压裂作业中,大型水力压裂由于成本太高, 对地层伤害大已经停止使用。

页岩气水力压裂技术特点及适用性见表 1。

表 1 水力压力技术特点及适用性表2.1水平井分段压裂技术水平井分段压裂技术广泛运用于页岩气开采中，水平井分段压裂利用封隔器或桥塞分隔各段，然后逐段压裂，在每个井筒中压开多条裂缝，它通常分为三个阶段:先将前置液(无支撑剂)泵入储层，然后将含有一定浓度支撑剂(通常为砂)的压裂液泵入储层，最后使用更高浓度的支撑剂压裂液进行压裂。

依此类推，相继泵入数量不定的压裂液到储层，同时泵入比之前浓度更高的支撑剂，直到达到要求。

通常还可以通过使用桥塞、封隔器以及连续管等工具辅助压裂，利用水平井分段压裂技术可以增大水平井的导流能力，提高水平井产能。

多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术。

多级压裂能够根据储层的含气性特点对同一井眼中不同位置地层进行分段压裂,其主要作业方式有连续油管压裂和滑套完井两种。

多级压裂技术是页岩气水力压裂的主要技术,在美国页岩气生产井中,有85%的井是采用水平井和多级压裂技术结合的方式开采,增产效果显著。

美国 New -field公司在 Woodford 页岩中的部分开发井采用了5～7段式的分段压裂,页岩气单井最大初始产量达到28.32×104m3/d,最大最终产量达16.99×104m3/d。

多级压裂的特点是多段压裂和分段压裂,它可以在同一口井中对不同的产层进行单独压裂。

多级压裂增产效率高,技术成熟,适用于产层较多,水平井段较长的井(图1)。

页岩储层不同层位含气性差异大,多级压裂能够充分利用储层的含气性特点使压裂层位最优化。

在常规油气开发中,多级压裂已经是一个成熟的技术,国内有很多成功应用的实例。

多级压裂技术用于我国的页岩气开发有一定的技术基础,是可行的压裂技术。

图1 滑套观井多级压裂作业图下面介绍一套水平井裸眼分段压裂酸化工具。

水平井裸眼分段压裂酸化工具是用于水平裸眼井分段压裂酸化作业的一种井下工具，它采用机械封隔的方式将水平裸眼井段各储层分隔开来，有效解决了水平井各层段均匀布液和改造的技术难题，从根本上解决了制约水平井规模化应用的关键技术瓶颈。

根据水平井裸眼完井分段改造工艺技术要求和工具管柱结构特点的需要，设计了分隔裸眼井段各储层的裸眼封隔器、在套管内悬挂管串的悬挂封隔器、防止发生井喷的回压阀、实现封隔器坐封和暂时封堵储层的自封式坐封球座，以及为第一施工井段提供通道的压差滑套、沟通油套环空的反打开循环滑套、用于分段施工转层的投球滑套和用于井筒的备用磨铣器等井下工具。

工具管柱结构如图 2 所示，管柱分两次下入，首先用钻杆带悬挂封隔器、裸眼封隔器、投球滑套、压差滑套、自封式坐封球座、回压阀等工具管串下到预定位置，坐封丢手后起出送入钻杆；再下入油管带反打开循环滑套、水力锚和回接密封插管，将回接密封插管插入悬挂封隔器回接筒内，组成水平井分段压裂完井管柱。

直接憋压打开压差滑套对第一段进行改造施工，第二段及以后施工井段通过投球憋压开启投球滑套进行施工。

图 2 水平井裸眼完分段改造工具管柱结构示意图1 —引鞋；2 —筛管；3 —回压阀；4 —自封式坐封球座；5 —压差滑套；6 —裸眼封隔器；7 — 31/2in 油管；8 —投球滑套Ⅰ；9 —投球滑套Ⅱ；10 —投球滑套Ⅲ；11 —投球滑套Ⅳ；12 —悬挂封隔器；13 —水力锚；14 —反打开循环滑套2.2清水压裂技术清水压裂技术水力压裂是一种储层增产技术用于产生更密集的裂缝网络形成额外的渗透率使气体能更容易流向井中从而生产出大量地层天然气，水力压裂技术的不断改进使之成为一项在特殊地层区域布置裂缝网络的非常复杂的工程过程，水力压裂处理方法针对目标页岩设置了专门的参数，包括：厚度局部应力条件压缩性和刚性局部条件，用于计算机模型来设计具体地点的水力压裂处理过程，并优化新裂缝页岩气藏和它们之间要进行压裂的间隔都很厚，所以将水力压裂分为几个阶段往往更加有效每一个阶段都重点对储层的一个连贯部分进行处理每个工作阶段都孤立于井内，从而使压裂设备的所有容量可用于单个储层单元，这可以在垂直或水平井中收到良好效果，在对一口井不论是水平井还是直井实施压裂措施之前通常会进行一系列的测试，以确保井井口设备和压裂设备的正常工作，并经得起压裂措施的压力和泵率表面设备经过测试后，水力压裂过程便首先开始泵入岩石酸常常是用盐酸来清理，可能被钻井泥浆和水泥封堵的近井地带，下一步是清水压裂即采用添加一定减阻剂的清水作为压裂液，这种压裂液的主要成分是水以及很少量的减阻剂黏土稳定剂和表面活性剂。

清水压裂在低渗透气藏中能取得更好的效果，而且该技术已经成为开发如得克萨斯州页岩气田等的主要开采手段，该技术在不减产的前提下，能节约左右的成本，而且清水压裂也很少需要清理且可提供更长的裂缝，并将压裂支撑剂运到远至裂缝网络，经过第一次水栓后，作业者将大量带有少许细砂的清水压入井中开始压裂过程，随后使用大量带粗砂支撑剂的清水使裂缝靠近井筒开窗处，最后一步是冲刷过程将支撑剂从设备和井筒开窗处移除出去冲刷，之后下一步的处理阶段就从新的孔洞开始，这些孔洞都具有其自身特定的储层参数，包括：厚度局部应力压缩性和刚度这个阶段的压裂，需严密监控通过压裂井与井，不论是水平井还是直井之间的间隔区域作业者能够进行调整，从而适应页岩气储层的局部变化，其中包括：岩性自然分裂刚度的变化和应力状态的变化。

压裂的具体过程是通过模拟设备来确定的工程师和地质学家可以操纵模拟器并评估其对裂缝高度长度和定位方向的影响从模拟系统获得的推测数据，可以用于监测和评价压裂工作的结果，同时，还可以通过微地震测绘的方式来进行实时控制这种技术可以在孔洞的东西和南北方向上找到断裂终端进而沿着轨迹找到它们开始的源头，尤其重要的是在垂直方向上的裂缝的增长，作业者会格外关注这种裂缝以确保这些裂缝没有偏移出页岩储层和邻近水域，因为这种裂缝会降低页岩气井的经济效益在压裂处理过程中，作业者会在水砂混合物中加入大量化学剂，每一种化合物都会起到一定的工程作用，例如，降低黏度或细菌的生长或储层表面的生物污染不同的盆地、不同的工程承包商所用的压裂液的组成都是不同的任何成分的毒性，例如，酸都会因泵入液体的稀释和酸与地下岩石的反应而大大降低。