1、全球頁巖氣資源開發技術綜述譚 ?。ㄩL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”在全球范圍內掀起了頁巖氣勘探開發的熱潮，根據EIA最新發布的全球頁巖氣資源評價最新數據顯示，全球頁巖氣技術可采資源約為2071012m3。本文介紹了目前頁巖氣資源分布現狀以及頁巖氣勘探開發的關鍵技術，如鉆井技術、鉆井液技術、固井技術、完井技術和壓裂改造技術。關鍵詞： 頁巖氣 鉆井 完井 壓裂 鉆井液 一、全球頁巖氣資源現狀1.頁巖氣資源儲量情況以美國為首的“頁巖氣革命”推動了全球非常規油氣勘探開發的進程。其中，頁巖氣的勘探開發因其豐富的資源儲量，成為了全球各大能源行業關注的焦點。全

2、球范圍內，頁巖氣資源主要分布與北美、中亞、中國、北非等國家和地區。根據2013年6月美國能源信息署（EIA）發布的全球頁巖氣資源評價最新數據顯示，全球頁巖氣技術可采資源約為2071012m3。其中，中國以31.571012m3的頁巖氣技術可采資源儲量，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163.211012m3，占全球頁巖氣總資源量的79%（表1）。表1 2013年全球頁巖氣技術可采資源量排名前十位國家序號國家頁巖氣技術可采資源量(1012m3)1中國31.572阿根廷22.7

3、13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。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的國家，經過多年的探索經驗，美國目前已經擁有世界領先的頁巖氣勘探開發技術,進入了頁巖氣商業化開采的階段。美國的頁巖氣開發區塊主要分布于美國南部的Barnett頁巖、Woodford頁巖、Fayetteville頁巖、Marcellus頁巖和Haynesville頁巖氣區塊,以

4、及東部、中東部的Ohio頁巖、New Albany頁巖和Antrim頁巖氣區塊等。據EIA發布的2013年能源展望報告中預測，美國頁巖氣產量在2040年將達到4729108m3。加拿大作為頁巖氣開發的另一個重要國家, 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塊，可采資源量分別為0.91012m3和10.11012m3。目前，加拿大頁巖氣開發仍處于初級階段，尚未完全進行商業化開發。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的國家,我國頁巖氣資源豐富,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、

5、中國石化以及延長石油三家公司進行勘探開發。四川作為中國頁巖氣的主要生產區，目前已有中國石油和中國石化在此建設生產示范區。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，由于技術經驗的逐步成熟以及我國針對頁巖氣開發推出的補貼政策，全國頁巖氣正式進入大規模開發生產階段，產能及產量步入加速增長階段。二、頁巖氣勘探開發概況頁巖氣儲層與常規儲層的差異很大，因此頁巖氣的勘探開發必須采用先進的開發技術，才能實現經濟高效的開發。針對頁巖氣藏的特點，借鑒美國在頁巖氣開發方面的成功經驗，我們得知水平井鉆完井技術和壓裂改造技術是頁巖氣開發的關鍵技術。1.鉆井技術頁巖氣井鉆井主要包括直

6、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經驗，并優化水平井鉆井方案。水平井主要用于生產，可以獲得更大的儲層泄流面積，得到更高的天然氣產量 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。根據美國開發頁巖氣的經驗，水平井的產量是直井的3-5倍，成本只相當于直井的1.5倍。因此，水平井鉆井技術是頁巖氣開發的核心技術。目前，國外頁巖氣鉆井技術中主要采用的技術有：軌跡控制技術、欠平衡及控壓鉆井技術、旋轉導向鉆井技術以及鉆井液技術。1）軌跡控制技術（1）井眼方位選擇

7、 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、裂縫發育程度高、孔隙度較高的頁巖層區域，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絡系統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）井身結構設計 頁巖氣鉆井普遍采用三級井身結構。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，固井質量要好，水泥返高到地面。在井身結構設計中采用三維地震技術，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 隨著MWD技術、導向工具的發展，可基本實現對頁巖氣水平井軌跡的控制和實時優化。 對于儲層均質性良好

8、，水平段長度較小的井，使用穩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，結構復雜的井，使用旋轉導向鉆井技術，可以使井眼更加光滑。 2）欠平衡及控壓鉆井技術欠平衡及控壓鉆井技術的應用，主要用于防漏、提高鉆速和儲層保護，采用空氣作為循環介質在頁巖中鉆井。（1）欠平衡鉆井技術 欠平衡鉆井以空氣作為循環介質，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，提高油氣井產能，節省作業成本。 作為國內頁巖氣主要開發試驗區的長寧、威遠頁巖氣區塊，上部井段多處出現了惡性井漏、機械鉆速偏低等難題，改用充氣鉆井技術后，有效解決了以上難題

9、，快速順利鉆至固井井深。（2）控壓鉆井技術 控制壓力鉆井是一種用于精確控制整個井筒環空壓力的鉆井技術，目的是確定井底壓力，并以此控制井筒環空壓力剖面。通過控制鉆進過程的壓力使得鉆井作業最優化，縮短非生產時間、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研究和現場試驗應用，取得了較好的應用效果。3）旋轉導向技術旋轉導向技術常用于位移大、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問題。 目前，世界上先進的旋轉導向工具，主要有貝克休斯公司的靜態推靠式旋轉導向系統AutoTrak、斯倫貝謝公司的動態推靠式旋轉

10、導向系統Power Drive以及哈里伯頓公司的靜態指向式旋轉導向系統Geo-pilot。4）鉆井液技術由于頁巖地層裂縫發育、水敏性強，容易發生井漏、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，有效保持井壁穩定，還具有良好的潤滑、防卡作用，是目前國內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，該技術在國外已經成熟且廣泛應用。2.完井技術由于大部分頁巖氣是以吸附狀態存在于頁巖中，而儲層滲透率低，

11、因此，施工的關鍵是既要通過完井技術提高其滲透率，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。1）固井技術 頁巖氣固井技術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，與常規固井水泥漿相比，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。 根據國外經驗，泡沫水泥固井比常規固井的產氣量平均高23%，我國該項技術目前在國內多個生產區塊取得了實驗性應用成功。 2）完井

12、技術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，免去下封隔器或橋塞，縮短完井時間。美國大多數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，采用特殊的滑套機構和膨脹封隔

13、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。3.壓裂技術由于頁巖儲層低孔低滲的物性特征導致裂縫的發育程度成為頁巖氣運移聚集、經濟開采的主要控制因素之一。僅有少數天然裂縫十分發育的頁巖氣井可直接投入生產，大約90%的頁巖氣完井后需要實施壓裂改造才能獲得產量。1）水平井分段壓裂水平井分段壓裂技術可以有效的產生裂縫網絡，最大程度低提高最終采收率，同時還可以節約成本。目前水平井的壓裂階段已從最初的單段或兩段，發展到7段甚至更多。美國頁巖氣生產井中，85%的井均采用水平井多級分段壓裂技術，增產效果明顯。2）同步壓裂同

14、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絡的密度及表面積。其優勢是短期內增產效果明顯，作業時間短，節省成本。目前，已發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無效或現有的支撐劑因時間關系損壞或質量下降，導致氣體產量大幅下降時，采用壓裂工藝對氣井經行重新壓裂增產的工藝。 美國Barnett頁巖1997年使用清水壓裂對產量下降的井進行重復壓裂，改進處理液回收工作流程，氣井產量明顯提高，部分井產量甚至超過了初次壓裂時的產量。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，連續不斷的泵注壓裂液和支撐

15、劑。其優勢是可以縮短區塊的整體建設周期，降低單位采氣成本；可以大幅提高壓裂設備的利用率，減少設備動遷和安裝，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、我國頁巖氣開發技術現狀及與國外差距國內自2009年8月17日，國土資源部油氣資源戰略中心在綦江縣啟動中國首個頁巖氣資源勘探項目以來，頁巖氣勘探開發技術迅速發展，取得了良好的開發效果。經過多年的探索實踐，我國針對頁巖氣勘探開發，主要形成了頁巖氣水平井鉆完井技術，壓前評價、壓裂設計和壓后評估等技術，并圍繞“工廠化”作業，初步形成了鉆井、壓裂等一體化設計和優化。2013年，在前期探索實踐的基礎

16、上，我國頁巖氣開發順利完成一批鉆井和大型壓裂施工作業，開發技術逐步成熟。盡管我國目前已經基本掌握了頁巖氣開發的相關技術，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技術對比美國中國勘探技術三維地震技術、微地震監測技術尚未掌握核心技術鉆完井技術旋轉導向技術、欠平衡鉆井技術、控壓鉆井技術、泡沫固井技術等頁巖氣水平井鉆完井技術成熟先進。我國頁巖氣開發水平井鉆井技術與欠平衡鉆井技術相對比較成熟，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，水平井還處于試驗階段。壓裂改造技術技術成熟，主要有多級壓裂、同步壓裂、重復壓裂等壓裂技術。常規水力壓裂技術已在國內成功應用，但頁巖氣壓裂才剛剛起步。小結中國頁巖氣開發處于探索階段，經驗匱乏，技術尚不成熟。四、結語頁巖氣作為一種非常規能源，在全球范圍內分布非常廣泛，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是促進我國能源發展的必經之路。盡管目前我國已基本掌握頁巖氣勘探開發的技術，但與美國等國相比，還存在一定差距。如何能在保持自主創新的前提下，學習借鑒國外先進的開發技術和經驗，結果本國頁巖氣資源開發的實際情況，探索出更高效的開發模式，仍是我們今后要面對的一大