页岩油气水平井压裂技术进展与展望

页岩油气水平井压裂技术进展与展望

张兵兵

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摘要：一般而言非常规油气主要指页岩油气、致密油气、煤层气、水合物、重油、油砂等。加大非常规低品位资源有效动用和效益开发已成为中国油气能源行业发展的重要保障之一，而水平井多段压裂技术可有效扩大渗流面积，提高采油速度和最终累计产量。因此，水平井压裂技术在页岩油气资源的勘探开发过程中起着核心作用。基于此，本文章对页岩油气水平井压裂技术进展与展望进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：页岩油气；水平井；压裂技术；进展展望

引言

非常规油气的开发通常需要实施水力压裂等储层改造工作。水力压裂通过将高压液体注入改造的目标地层，促成岩石内弱接触面滑动而形成裂缝，无论是页岩气还是致密油气的压裂改造效果，以及压裂裂缝的空间展布，均需用有效的方法来评估和确定。

1页岩油气水平井的市场前景

页岩气是指赋存于有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，我国页岩气分布最多的是西北地区和四川盆地，较多资源埋深超过3500m，最深超过了6000m。页岩气作为我国储量最丰富的非常规天然气被寄予厚望，为了鼓励页岩气的开发利用，财政部、国家能源局于2012年出台《页岩气开发利用补贴政策》，《天然气“十三五”规划》还明确将延长页岩气补贴政策，“十四五”我国页岩气勘探开发大有可为，截止2019年年底，我国页岩气累计探明地质储量约为1.8059万亿m3，可采资源量为31.6亿m3，由此可见我国页岩气的探明率仅有5.72%，显然处于勘探开发初期，近年来，我国页岩气探明地质储量呈井喷式增长，页岩气产量进入高速发展通道，预计2025年全国产量将达到392亿m3，据市场调查，目前页岩气固井工程年水泥需求量在30万t以上，并呈逐年增长之势。

2水平井压裂技术

水平井压裂技术，就是向油藏中注入高压液体，在油藏中制造人工裂缝以提高其渗透性，从而提高注采速度的技术。通常压裂都是分层压裂，各层段压裂结束后再一起返排，只能了解整体压裂效果，无法判断各层段压裂液返排情况，压裂液对各层段的压裂效果也就不得而知。

3岩油气水平井压裂技术进展与展望

3.1多层叠置页岩油气水平井立体压裂技术

该技术主要对多层分布储集层的储集层物性、地质力学、应力剖面等特征进行综合评价，并结合人工裂缝三维形态分析与人工裂缝动态模拟结果对施工参数进行优化，充分利用缝间、段间、井间和层间的渗透通道，提高裂缝复杂度和裂缝系统控制体积，实现油气藏的一次性立体式开发。主要包括3项关键技术：①低成本高效快速钻井技术，目前北美钻井速度普遍在1000～1600m/d，钻头一次入井钻进进尺最高可达5500m；钻井成本占建井成本的比例从早期的60%～80%降至21%～34%[8]；②立体交错布井优化设计技术，纵向上优选甜点和有利层系，模拟人工裂缝高度扩展参数，优化纵向水平井井间距；横向上模拟人工裂缝长度，结合生产历史拟合优化施工参数，确定水平井平面井间距，实现一次布井到位；③工厂化压裂作业技术应用三维应力场时空演化研究成果，压裂改造实施交错布缝，采用多层立体式拉链压裂，实现纵向油气储量的“全波及”。

3.2智能电控滑套

智能电控趾端滑套的结构由压裂液、滑套壳体、信号采集系统和锁定系统组成。该装置的工作原理为：在压裂环境下，信号采集系统中的压力传感器将实时监测锁定系统的压力（压力传感器型号ＨＫＭ－１８９－－３７５ＳＥＲＩＥＳ，工作温度０～１５０℃）。当压力传感器检测到压力完整性测试的高压时，单片机系统控制电磁铁开启，从而给推杆施加力，防止锁定系统中的压裂液外泄。此时，单片机系统控制时钟系统延时，当延时４０ｍｉｎ后（设定压力完整性测试时间为４０ｍｉｎ），控制电磁铁关闭，此时推杆处的平衡力被打破，导致推杆右移并释放压裂液。当压裂液被释放后，滑套右移，可完成剩余井段的压裂。

3.3水力喷砂射流压裂技术

水力喷砂射孔压裂技术是利用贝努利原理，通过喷嘴的节流，将高压射孔液转化为高速射孔液对套管进行喷射冲蚀，将流体的动能转化为压能，在喷孔附近产生水力裂缝，在套管环空进行补液的情况下实现压裂作业，压裂液通过套管射开的孔道进入地层。水力喷射射孔方式穿透更深、射孔孔径更大，具备射孔和解堵的双重目的，并且能够在孔眼周围形成清洁通道，没有射孔弹造成的破碎带和压实带，对井筒附近有一定的应力松弛作用，可变相降低储层破裂压力，提高储层的连通性能。

3.4水平井分段分簇压裂缝间干扰和段间干扰建模

对于压裂裂缝扩展特征的研究分为物理实验和数值模拟2种。室内物理实验可以有效表征压裂裂缝在实验室尺度的扩展和造缝机理，三向应力状态、岩石塑性、压裂工作介质等都会对裂缝的起裂和扩展造成影响。借助CT和声发射技术并配合示踪剂，可以在实验过程中监测裂缝起裂位置，描述裂缝空间形态，为缝网形成的规律提供了定量表征。在室内物理实验的基础上，开展水平井和油藏现场数值模拟研究，定量表征现场尺度下的压裂裂缝起裂和扩展规律。在建立压裂裂缝扩展数值模型时，需要综合考虑裂缝起裂、扩展和应力干扰的机制，其中，应力干扰是裂缝破裂和延伸过程中诱发的地应力场扰动，这种干扰会进一步影响裂缝的后续延伸，使缝网呈现非平面、复杂化的空间形态特征，也需要考虑排量和液量对缝网复杂程度和造缝效果的影响。建立数值模型时，扩展有限元法可以较好地表征裂缝的起裂和断裂作用以及裂缝尖端的塑性应变和应力阴影，计算压裂液流动与岩石破裂过程。对于裂缝发育的地层，进行压裂模拟时还需考虑压裂裂缝与天然裂缝的作用关系，根据不同的判定准则预测裂缝是否被天然结构弱面捕获。

3.5分布式光纤温度测量分布

式光纤温度传感器基于光纤内部光的散射现象和温度特性，利用光时域反射测试技术，将较高功率窄带光脉冲送入光纤，然后探测出返回的散射光强度随时间的变化。分布式光纤温度传感器基于背向散射或前向散射机理，其中背向散射具有温度测量的实际意义。光在不均匀的介质中传播时，一部分光偏离原传播方向的现象称为光的散射。

3.6连续油管底封拖动压裂技术

连续油管底封拖动压裂技术首先通过高速水流射开套管和地层并形成一定的喷孔，沟通套管和地层后，套管环空进行主压裂，压裂液通过套管射开的孔道进入地层。连续油管能够在井筒带压的情况下进行拖动，避免“压裂—放喷—压裂—放喷”模式对储层造成的震荡和伤害，实现了快速连续的水平井多级压裂，有效保证了压裂和排采的快速衔接，避免压裂后的二次伤害，可以起到保护压裂效果的作用。

结束语

总之，水平井开发井型和水力压裂储层改造是当前普遍认可的煤层气开发提产两大关键技术，其中分段水力加砂压裂能够提高煤层气大面积解吸通道，起到增产增效的作用，同时，深部煤储层低孔、低渗、高温、高地应力等特性决定了煤储层压裂改造势在必行。

参考文献

[1]程强.关于页岩油气的思辨[N].中国石化报,2020-12-07(005).

[2]罗佐县.技术创新撑起页岩油气[J].中国石油石化,2020(22):30.

[3]苏子开.对于页岩油气开发中存在的几点疑问[N].中国石油报,2020-09-08(008).

[4]蒋云箭,刘惠民,柴春艳,辛忠斌.页岩油油气可动性测井响应特征分析及应用[J].油气地质与采收率,2020,27(05):44-52.

[5]李强,马淑蕊,万刚,李亚凯,周盈盈,马超.页岩油气低碳烃无水压裂液体系性能研究[J].广东石油化工学院学报,2020,30(03):15-18+29.