1、    頁巖氣開發地質理論創新與鉆完井技術進步    楊素紅 齊文博【摘要】地質認識的進步、天然氣需求的增加和高價的耦合，促進了鉆井和壓裂技術革新。工程技術上的革新，包括滑溜水/輕砂壓裂、水平井多級壓裂、重復壓裂、同步和順序壓裂等，及頁巖儲層改造中壓裂液配方選擇和水力壓裂設計等【關鍵詞】頁巖氣；地質理論；頁巖氣開發；地質認識1 前言頁巖氣是三大主要非常規資源，成為近年來在北美地區廣泛勘探開發的天然氣新目標，在全球非常規油氣勘探開發中異軍突起，成為突破最晚、近期發展最快的非常規天然氣資源、從2011年起，按照中國石化集團公司“在頁巖油氣開發上，中國石化要成

2、為中國的代表，技術和評價要走在最前面”戰略要求，中國石化石油工程技術研究院（下稱工程院）作出重大決策，將頁巖油氣工程技術列入核心技術。2 地質理論認識的進步頁巖氣儲集在裂縫、頁巖顆粒問微孔隙、有機質內和糞球粒內微孔隙及納米級孔隙中，吸附在頁巖中有機質及部分礦物顆粒上，溶解于孔隙流體中。其中，頁巖粒間孔隙和天然裂縫中的游離氣和有機質吸附的氣體為頁巖氣的主要組成部分。由于頁巖看起來是黑色又比較單純的細粒沉積，因此，雖然可以簡單說有潛力的頁巖分布于海相陸棚、深海及陸相的半深湖到深湖的沉積環境，但是通過頁巖組分的定量分析和成分的結構可以把頁巖進一步分為硅質頁巖、鈣質頁巖、白云質頁巖、富磷頁巖和富化石頁

3、巖等_1：通過高精度顯微儀器可以分析頁巖組分特征、識別不同組分分布結構，從而劃分不同頁巖相并研究不同頁巖相形成的環境、不同環境對應的地球化學特征、測井曲線的響應特征、巖石物理屬性差別、力學性質的差異、地震響應等。巖氣儲量主要包括游離氣體和吸附氣體的含量。中國富有機質泥頁巖類型及其主要特征3 水平井技術的進步目前，用于頁巖氣水平鉆井的技術有欠平衡鉆井技術、控制壓力鉆井技術及旋轉導向鉆井技術。欠平衡鉆井技術能很好地克服鉆井作業過程中的卡鉆、井漏和井塌等問題，能夠提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產能。控制壓力鉆井的最終目的是使鉆井作業最優化，縮短非生產時間和減少鉆井事故，有效控制地層流體侵入井

4、眼，減少井涌、井漏和卡鉆等多種鉆井復雜情況。4 頁巖氣水力壓裂技術頁巖常用的水力壓裂技術包括清水壓裂、多級壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂及重復壓裂技術，目前最常用的是多級壓裂技術。多級壓裂是利用封堵球或限流技術封隔頁巖儲層不同位置，對不同地質特點的頁巖進行分段壓裂的技術，其作業方式有連續油管壓裂和滑套完井兩種。這種多級壓裂能夠在橫向上延長水平井段的生產段，同時在垂向上也可形成復雜的、連通的網絡，增加泄氣面積。以bakken頁巖為例：水平井壓裂，特別是長水平井段壓裂和小間距壓裂，使水平井頁巖油的最終采收率提高了至少6倍。重復壓裂可以處理壓裂無效或者壓裂效果下降的井段，通過再壓裂能重建儲層到井筒的通

5、道，恢復或提高生產能力。在barnett很多地方的經驗表明，重復壓裂后比初次壓裂效果還好。水力噴射壓裂不受完井方式限制，無需機械封隔，定位準確，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。5 壓裂液頁巖氣壓裂液的組成包括99.5的水、少量小顆粒砂子支撐劑（常用100目砂子）和一些化學劑，化學劑包括酸、降阻劑、表面活性劑、交聯劑、防垢劑、ph值調節劑、除氧劑、破乳劑、膠凝劑、鐵控制劑、防腐劑、黏土穩定劑和抗菌劑等。壓裂液的成分和比例及其與地層的配伍性對壓裂效果都很重要。在常用的滑溜水壓裂液中，減阻劑是滑溜水壓裂液的主體，常用陰離子聚合物，有時用低濃度瓜膠，比如氯化鉀、聚丙烯酰胺或其

6、他的化學品。這些化學品加入水中可以降低壓裂液的泵人壓力，管路摩阻降低約50，同時也可用低聚合物壓裂液或纖維提高支撐劑懸浮時間。硼酸鹽交聯凝膠壓裂液利用硼酸鹽粒子去交聯含水聚合物從而提高黏度，這種交聯液的性質可隨壓裂液的ph值改變，是可逆的，且其具有較好的支撐劑運輸功能、有穩定的流變性及濾失量小的特點。人們可以利用其可逆的特點進行有效的壓裂，從而獲得好的頁巖層滲透率和連通性。6 壓裂設計壓裂設計包括壓裂前、壓裂后、地質研究、微裂縫編圖和用于改善未來模擬的數據積累。利用準確的地質模型和前期壓裂的數據可改進壓裂設計，使目標層內裂縫系統更加優化，從而提高頁巖氣產量和確保裂縫不擴展到頁巖氣層外。北美地區

7、目前的壓裂設計基本上是從含氣頁巖的基本區域和頁巖地質情況人手，結合已鉆井的資料和地震解釋，設計壓裂地質模型，然后模擬壓裂裂縫在地層中擴展及最終三維裂縫的幾何形體，通過壓裂效果分析以及油藏模擬并結合微地震檢測裂縫擴展情況修正模型，以更好地用于未來的壓裂設計。7 地質和工程結合成功的頁巖氣地質評價取決于盡可能地了解頁分布面積、側向連續度、凈厚度、深度、原地頁、氣儲量、天然裂縫、壓力、有機質含量、成熟度、成巖作用、礦物、脆性、游離氣體、吸附氣、深度、當前產能、干酪根類型、足夠的基質滲透率、水管理、壓裂隔擋層、地質構造演化、構造復雜程度、地層壓力和頁巖敏感性等。只有通過這些詳細的地質研究，才能找到地質

8、的甜點。地質甜點確定并完成鉆井后，壓裂是關鍵。只有通過詳細的巖石物理、巖石力學、區域構造應力及礦物組分等研究，才能確定工程壓裂的甜點，而地質和工程甜點疊合的地帶是頁巖氣開發的首選區域。目前石油地質和地球物理的結合比較緊密，尤其是高精度的地震和測井等資料可以用來預測巖性和沉積環境等。利用很多地震屬性能預測頁巖氣藏分布和脆性分布，同時，利用地震速度和振幅隨方位角的變化可以預測裂縫的密度及方位。井深、巖心、生產等數據經校正后，可以與地震資料結合預測頁巖氣地質和工程上的甜點。未來將會有更多的溝通地質、地球物理和工程的工具，通過地質和工程結合，用最優化的鉆井、完井技術搭建通道將頁巖氣從致密的儲集空間中釋放出來。8 結束語頁巖氣系統是復雜地質形成的復雜系統，是大量沉積、構造、應力場演化疊加的結果。非均質的沉積、構造和應力場形成的非均質的頁巖分布、巖石的物理和力學性質決定了頁巖氣形成、分布及開發的復雜性。要想有效開發頁巖氣，必須從本質上研究頁巖的地質屬性，只有這樣才能找到最優的水力壓裂方式和參數。對中國而言，該項工作目前沒有國外經驗可以借鑒，需要靠扎實的工作去實踐、創新，并將地質和工程結合，以找到真正的頁巖氣甜點區和最合適的增產措施。參考文獻：1大偉.加速我國頁巖氣資源調查和勘探開發戰略構想u1.石油與天然氣地質，2010