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页岩气井水力压裂技术及其应用分析.天然气工业

作者：易忠炬 尹国勇

来源：《中国科技博览》2015年第33期

[摘 要]页岩储层孔隙度小、渗透率低，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。研究表明，中国现阶段页岩气勘探开发水力压裂应从老井重复压裂和新井水力压裂两个方面着手，对经过资料复查、具有页岩气显示的老井可采用现代水力压裂技术重复压裂；埋深在1 500 m以浅的有利储层或勘探浅井可采用氮气泡沫压裂，埋深在1 500～3 000 m的井可采用清水压裂，埋深超过3 000 m的储层暂不考虑开发。

[关键词]页岩气 开发技术 储层改造 水力压裂 应用分析 埋藏深度 老井重复压裂 中图分类号：TE325 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0045-01 1 页岩气井水力压裂技术及其适用性

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。

1.1 多级压裂

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。

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。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。

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1.2 清水压裂

清水压裂是利用大量清水注入地层诱导产生具有足够几何尺寸和导流能力的裂缝以实现在低渗的、大面积的净产层里获得天然气工业产出的压裂措施。清水压裂利用储层的天然裂缝注入压裂液，使地层产生诱导裂缝，在压裂过程中，岩石碎屑脱落并沉降在裂缝中，起到支撑作用，使裂缝在压裂液退去之后仍保持张开。1997 年，Mitchell 能源公司首次将清水压裂应用在Barnett 页岩的开发作业中，清水压裂不但使压裂费用较大型水力压裂减少了65%，而且使页岩气最终采收率提高了20%。事实上，清水压裂的成功就在于它以较低的开支获得了和凝胶压裂相同甚至更好的增产效果。目前的清水压裂多是使用混合的清水压裂液，它是在传统的清水压裂液中加入了减阻剂、凝胶、支撑剂等添加剂，又叫减阻水压裂。

清水压裂用低黏度的减阻水替代通常使用的凝胶压裂液，这样既降低了压裂成本，又减小了大量使用凝胶对地层的伤害，但由于压裂液黏度小，清水压裂相比凝胶压裂液来说携砂能力弱，压裂半径小。清水压裂以岩石的天然裂缝为通道注入压裂液，岩石杨氏模量越高裂越易形成粗糙的节理，保持裂缝的导流能力，因此适用于天然裂缝系统较发育，岩层杨氏模量高的地层。当页岩层中水敏性矿物（如蒙脱石）含量高时，水敏性矿物溶解会堵塞裂缝通道，影响压裂的效果。清水压裂在国内有较多的理论研究和作业实践，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。 1.3 水力喷射压裂

水力喷射压裂是用高速和高压流体携带砂体进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，提高流体排量，从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术。当页岩储层发育较多的天然裂缝时，如果用常规的方式对裸眼井进行压裂，大而裸露的井壁表面会使大量流体损失，从而影响增产效果。水力喷射压裂能够在裸眼井中不使用密封元件而维持较低的井筒压力，迅速、准确地压开多条裂缝。水力喷射压裂能够用于水平井的分段压裂，不受完井方式的限制，尤其适用在裸眼完井的井眼中，但是受到压裂井深和加砂规模的限制。水力喷射压裂在国内油气开发中的应用时间不长，主要依靠国外公司提供技术服务，压裂成本高。由于页岩井眼井壁坍塌情况严重，一般使用套管完井，再加上水力喷射压裂技术在国内的应用并不成熟，且成本较高，因此该技术在我国页岩气开发起步时期适用性不强，日后的推广有待于技术的进步和经验的成熟。 1.4 重复压裂

重复压裂是指当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，采用压裂工艺对气井经行重新压裂增产的工艺。页岩气井初始压裂后，经过一段时间的生产，井眼周围的应力会发生变化，重复压裂能够重新压裂裂缝或使裂缝重新取向，使页岩气井产能恢复到初始状态甚至更高。 1.5 同步压裂

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同步压裂指对2 口或2 口以上的配对井进行同时压裂。同步压裂采用的是使压力液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法，来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面积，利用井间连通的优势来增大工作区裂缝的程度和强度，最大限度地连通天然裂缝。结论： 同步压裂在国外页岩气开发中是一个应用广泛的工艺，特别是当区块开发比较充分，井眼密集时，通过对多口井进行同步压裂，能够获得比依次压裂更好的效果。同步压裂适用于2 口或多口井眼位置相对较近，水平井段大致平行的页岩气井之间。同步压裂目前在国内还是一个较新的概念，其在国内的技术可行性还有待进一步实践，且在页岩气开发初期尤其是在勘探阶段井眼稀疏，并不适用。即使如此，同步压裂工艺仍然是页岩气开发水力压裂的重要工艺。