頁(yè)巖層可以作為氣體的源巖和儲(chǔ)集巖，儲(chǔ)層具有連 續(xù)分布、低孔、特低滲、脆性較高等特性。頁(yè)巖中的天然 氣以三種形式存在：巖石孔隙中的游離氣、天然裂縫中 的游離氣和有機(jī)質(zhì)礦物表面的吸附氣吒這些不同的儲(chǔ) 集機(jī)理直接影響著頁(yè)巖氣開發(fā)的方式、速度和效率。

全球能源研究估計(jì)，大型頁(yè)巖氣資源主要分布在北美、拉丁美洲和亞太地區(qū)。2012年研究表明，美國(guó)的頁(yè)巖氣資源約為415 000x10^520 000乂 108 V，加拿大約 為140 000x10^170 000x10^ ^3，我國(guó)主要盆地和地區(qū)的頁(yè)巖氣可采資源量大約為260 000乂108 V，而對(duì)其 它地區(qū)的資源狀況研究非常有限。

美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)表明：增產(chǎn)技術(shù)尤其是水平井壓裂技術(shù)，對(duì)于頁(yè)巖氣的開發(fā)是至關(guān)重要的，其它重 要的技術(shù)包括水平井定向井鉆井以及油藏描述技術(shù)。

頁(yè)巖氣完井

巴內(nèi)特頁(yè)巖是美國(guó)最先獲得成功開發(fā) 的頁(yè)巖氣層，也是當(dāng)前美國(guó)最高產(chǎn)的頁(yè)巖氣田，已成為美國(guó)甚至全球其它頁(yè)巖氣田開發(fā)的典范。巴內(nèi)特頁(yè) 巖開發(fā)初期采用直井開發(fā)，但生產(chǎn)效果并不理想， 2000年前后，轉(zhuǎn)向水平井開發(fā)，產(chǎn)量得到3-5倍的提 升。當(dāng)前，美國(guó)頁(yè)巖氣[1]  新井幾乎都采用水平井，深度通 常在1 200~2500米之間，并且采用長(zhǎng)曲率半徑〈10。~ 15730 0〉造斜，便于后期措施改造。通常水平段長(zhǎng)度 在600~1 500 0之間，隨著水平井作業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，最 新的水平段長(zhǎng)度超過(guò)了 3000。多數(shù)83巾611頁(yè)巖井 水平段端部都比跟部略高15^450〉，這樣有利于壓 裂時(shí)返排和產(chǎn)水后產(chǎn)出水流向最低的跟部。

水平井完井方式經(jīng)歷了從套管完井向裸眼完井方 式的轉(zhuǎn)變，見圖1。早期的水平井通常采用114.3 00 (斗1//〉或139.7 00”1//〉套管完井，壓裂采用可鉆橋 塞實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓裂。2012年國(guó)外更傾向于采用裸眼水平井 多級(jí)壓裂方式完井投產(chǎn)，壓裂級(jí)數(shù)也逐漸由5~7級(jí)， 提高到20級(jí)以上。巴內(nèi)特頁(yè)巖氣藏在水平井開發(fā)中 曾試用過(guò)以下幾種完井方式。

1.1套管十不固井十射孔十籠統(tǒng)壓裂

巴內(nèi)特頁(yè)巖早期典型的完井是在水平段采用不固井的套丨襯管，壓裂時(shí)不采用機(jī)械轉(zhuǎn)向，只在水平段 套管上射開特定數(shù)量的孔，并在施工中采用大排量 〈25-32 ^3/^；^)，以獲得限流效果。部分作業(yè)中還采用 了封堵球和巖鹽，以輔助流體在炮眼間轉(zhuǎn)向。然而，由 于流體可在套管和裸眼的環(huán)空間自由運(yùn)動(dòng)，在水平段 任一部位都可能生成裂縫。現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)也表明， 壓裂液在套管內(nèi)有時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，但裂縫生成和傳播 是完全隨機(jī)的，并不一定是在套管射孔位置，在井筒 的任一點(diǎn)，各種裂縫事件都可能發(fā)生。

1.2套管十固井十射孔十限流壓裂

巴內(nèi)特頁(yè)巖初次使用固井套管是為了應(yīng)用限流 壓裂，以改善水平井全井段上的裂縫分布。限流技術(shù) 主要采用高排量和封堵球丨巖鹽實(shí)行轉(zhuǎn)向分流。對(duì)這些 井的監(jiān)測(cè)同樣顯示了裂縫傳播非常隨機(jī)，裂縫走向幾 乎不可預(yù)測(cè)。早期對(duì)上述兩種完井方式生產(chǎn)效果進(jìn)行 的對(duì)比表明，盡管固井水泥能在套管和地層間起到一 定程度的轉(zhuǎn)向作用，但通常裸眼（不固〉井產(chǎn)量和采收 率都要高于套管固井完井。

1.3套管十固井十多級(jí)壓裂

這是頁(yè)巖地層中最常用的一種方式（見圖^))。 完井時(shí)，先對(duì)水平井筒內(nèi)的套管注水泥，然后實(shí)施“橋 塞十射孔”多級(jí)壓裂改造，即通過(guò)電纜或連續(xù)油管坐封 橋塞實(shí)現(xiàn)套管內(nèi)的機(jī)械封隔，通過(guò)固井實(shí)現(xiàn)環(huán)空的機(jī) 械轉(zhuǎn)向。隨后多次重復(fù)這一工藝，在水平段上完成多 級(jí)壓裂改造。當(dāng)所有小段被處理完后，采用連續(xù)油管 鉆除復(fù)合橋塞，使水平井筒從跟部到端部重新連通并 投產(chǎn)。盡管這種方式可以實(shí)現(xiàn)水平段的分段轉(zhuǎn)向改 造，但每一級(jí)都要使用連續(xù)油管、射孔槍和壓裂裝備 進(jìn)行作業(yè)，生產(chǎn)費(fèi)用非常高，而且作業(yè)效率低、費(fèi)時(shí)。 研究表明，采用這種方法獲得的產(chǎn)量同樣不理想，因?yàn)楣叹鄷?huì)封堵許多天然裂縫和節(jié)理，而這些裂縫 和節(jié)理對(duì)于提高氣井產(chǎn)量都非常重要。

1.4裸眼十襯管十多級(jí)壓裂

2006年，一種新型裸眼井多級(jí)壓裂⑴只肥）完井 方式在德克薩斯06加0^縣運(yùn)用（見圖化）），該工藝最 初是在2001年提出的，旨在提高多級(jí)壓裂的時(shí)間效 率，降低作業(yè)成本，提高系統(tǒng)可靠性和可重復(fù)作業(yè)能 力。裸眼多級(jí)壓裂系統(tǒng)用水力坐封的套管外封隔器代 替水泥固井來(lái)隔離各層段，封隔器通常采用彈性元件 密封裸眼井筒，生產(chǎn)時(shí)不需起出或鉆銑，同時(shí)利用滑 套工具在封隔器間的井筒上形成通道，來(lái)代替套管射 孔。這些滑套工具可以通過(guò)液壓打開或通過(guò)投入（多 個(gè)〉特定尺寸的啟動(dòng)球來(lái)切換套筒并打開通道。這些 球可以在兩級(jí)之間實(shí)現(xiàn)管內(nèi)封隔，因而無(wú)需使用橋 塞。裸眼多級(jí)壓裂系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是所有的壓裂處理 可以一趟管柱連續(xù)完成，無(wú)需使用橋塞，大大節(jié)省了 時(shí)間和成本。增產(chǎn)作業(yè)完成后，可以迅速返排并投產(chǎn)， 后期還可以鉆除球座，進(jìn)一步提高產(chǎn)量[“1。

國(guó)外對(duì)比了巴內(nèi)特頁(yè)巖固井和裸眼多級(jí)壓裂完 井的長(zhǎng)期生產(chǎn)效果。研究表明：盡管在某些套管固井 占主流的地區(qū)，傳統(tǒng)觀念仍堅(jiān)持采用套管井，但巴內(nèi) 特頁(yè)巖裸眼井的生產(chǎn)效果明顯要優(yōu)于固井生產(chǎn)效果， 031X611 ^0^06^61等人2010年對(duì)比了巴內(nèi)特兩口水平 井筒相互平行的鄰井，兩口井采用不同的完井方式： 井人采用裸眼多級(jí)完井（裸眼十滑套十投球壓裂〉；井8 采用套管固井十橋塞十射孔完井。兩口井的完井級(jí)數(shù)、 支撐劑和壓裂液量也比較接近；然而，在3年的生產(chǎn) 期間，井人的累積產(chǎn)量幾乎是井8的2.5倍⑸。

最近，03^611等人還模擬了 6級(jí)裸眼和6級(jí)套管 固井完井的生產(chǎn)衰竭剖面，結(jié)果顯示，裸眼完井可以 更好地實(shí)現(xiàn)全水平段的泄油丨氣 '這是因?yàn)樗蕉紊?的水泥固井阻礙了環(huán)空的生產(chǎn)；頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏通常是天 然裂縫和節(jié)理發(fā)育，裸眼完井怡怡可以大大發(fā)揮這些 天然裂縫對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。

頁(yè)巖氣水力壓裂

頁(yè)巖屬于一種超低滲透率儲(chǔ)層，滲透率多在0.00。 0.01 ^0之間，因此屬于“納米達(dá)西”滲透率地層，所有 儲(chǔ)層必須經(jīng)過(guò)壓裂才能投產(chǎn)。通常美國(guó)頁(yè)巖氣壓裂的 單井成本在500萬(wàn)美元以上，是水平井鉆井成本的2 倍。頁(yè)巖氣井多采用大規(guī)模水力壓裂，通常會(huì)加入45~ 4501支撐劑，壓裂用液通常在10000—以上。2000 年，開始大規(guī)模采用清水壓裂〈又稱減阻水壓裂〉，比 凝膠液壓裂成本更低，而增產(chǎn)效果更佳。許多經(jīng)營(yíng)者將清水壓裂視為頁(yè)巖氣技術(shù)發(fā)展史上最重要的革命。

2.1壓裂液

美國(guó)頁(yè)巖氣壓裂中主要應(yīng)用了三種液體體系：液氮直接注入、注氮?dú)馀菽蜏p阻水。除了成本優(yōu)勢(shì)外， 減阻水能在高排量下泵入大量水和少量支撐劑，可攜 帶支撐劑進(jìn)入更深的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而形成更大的裂縫 網(wǎng)絡(luò)和泄氣面積，目前（2012年）已成為壓裂作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)做法。

減阻水組成中清水占絕大部分〔99.5 ^〉，故又被 稱為清水壓裂，見圖2。在諸多添加劑中，兩種必須添 加的藥劑為降阻劑和殺菌劑。最常用的降阻劑是部分 水解丙烯酰胺。聚丙烯酰胺通常與一種內(nèi)置轉(zhuǎn)相劑或 外加轉(zhuǎn)相劑〔可反轉(zhuǎn)乳化液或水化聚合物〉用作油外 相乳化液，同時(shí)能提供一定的粘度和降低摩阻。為了 提高減阻效果，工業(yè)上的降阻劑產(chǎn)品都具有很高的分 子量，例如將聚丙烯酰胺與丙烯酸聚合形成聚合電解 質(zhì)，從而提高其減阻率。由于在壓裂的湍流條件下支 撐劑傳送不需高粘度，因此能以更低的成本生成與交 聯(lián)液或泡沫液一樣長(zhǎng)的導(dǎo)流裂縫。

2.2支撐劑

對(duì)于減阻水壓裂液，通常采用小直徑〔40/70目〕 支撐劑，對(duì)于天然裂縫發(fā)育的頁(yè)巖地層需考慮更小粒 徑〔100目〉支撐劑。這是因?yàn)樵跍p阻水丨清水中支撐劑 的傳送性能較差，采用小直徑會(huì)在一定程度上改善懸 浮性能，同時(shí)也能得到較高的導(dǎo)流能力。生成裂縫中 將有很大一部分得不到支撐，但由于頁(yè)巖巖石脆性破 碎、地層滑移和支撐劑的橋堵丨嵌入作用，裂縫體系內(nèi) 仍會(huì)形成“無(wú)限”的導(dǎo)流區(qū)，這即是國(guó)外學(xué)者提出的 “無(wú)支撐”裂縫導(dǎo)流能力。

在早期減阻水壓裂中，一些頁(yè)巖氣井實(shí)施不加砂壓 裂同樣獲得了很好的生產(chǎn)效果，因此對(duì)于壓裂時(shí)是否必 須加支撐劑，目前業(yè)界尚存在爭(zhēng)議，但更普遍的認(rèn)識(shí)是， 加砂能提高地層導(dǎo)流能力，有助于提高增產(chǎn)效果。

2.3壓裂工藝

通常頁(yè)巖氣藏都很厚，而且頁(yè)巖開發(fā)中水平段長(zhǎng) 度逐漸加大，水力壓裂施工會(huì)在水平段上分多級(jí)7段實(shí)

施，每次泵注針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的一個(gè)層段進(jìn)行，每?jī)?段間都進(jìn)行分隔。另外每一層段的壓裂液在泵送時(shí)也 會(huì)分成多個(gè)段塞完成，旨在地層內(nèi)形成更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

地面設(shè)備試壓后，先泵入一種“巖石酸”〔通常為 只口），以清洗近井污染；第二步是注入“減阻水”段塞， 由于添加了降阻劑，水能以大排量快速地進(jìn)入地層；之 后，開始注入大量的減阻水和低濃度的細(xì)砂，其間逐漸 提高加砂濃度；加砂即將結(jié)束時(shí)注入減阻水和粗砂，以 保持近井裂縫張開和獲得近井高導(dǎo)流能力；最后采用 減阻水洗井返排，清除設(shè)備和井筒內(nèi)的砂。洗井后，將 井下工具移到另一層段，開始下一級(jí)壓裂施工。

為了進(jìn)一步提高作業(yè)效率，降低作業(yè)成本，國(guó)外最近在頁(yè)巖氣開發(fā)中提出了 “井工廠”的理念，即將井場(chǎng)或平臺(tái)做為一個(gè)聯(lián)合作業(yè)的“工廠”，將鉆井、固井、 射孔、多級(jí)壓裂等施工視為流水線作業(yè)上的一個(gè)個(gè)工 序，在同一井場(chǎng)完成多口井的鉆井、完井和投產(chǎn)。據(jù)報(bào) 導(dǎo)，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)在一個(gè)井場(chǎng)上完成了 16 口水平井、共 400多級(jí)的壓裂完井。這種作業(yè)模式不僅極大地提高 了設(shè)備和車組的利用率，同時(shí)還使地下生成的裂縫網(wǎng) 絡(luò)更加復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也表明，生產(chǎn)效果比單井壓裂 產(chǎn)量高75 ^~130知6：。

壓裂中還可采用微地震成像和數(shù)字模擬器來(lái)監(jiān) 測(cè)每一級(jí)頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)的裂縫特性，觀察裂縫的生長(zhǎng)軌 跡，評(píng)價(jià)裂縫高度、長(zhǎng)度和方位。施工中，作業(yè)者尤其 要注意裂縫垂向生長(zhǎng)，以確保水力裂縫不會(huì)穿透頁(yè)巖 儲(chǔ)層并延伸至鄰近水層。

結(jié)論

（1）水平井鉆完井和壓裂技術(shù)已成為頁(yè)巖氣開發(fā)的 主流技術(shù)。

頁(yè)巖氣水平井壓裂完井應(yīng)用較多的是固井射孔橋塞壓裂和裸眼多級(jí)滑套壓裂，后者一次可以處 理20級(jí)以上，提高了作業(yè)效率，且長(zhǎng)期生產(chǎn)效果更佳。

（2）減阻水壓裂能提高頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)裂縫的復(fù)雜程度， 降低了成本，提高了增產(chǎn)效果，成為頁(yè)巖氣壓裂的首 選液體體系。

幻減阻水壓裂中通常采用小直徑支撐劑，生成裂 縫中將有很大一部分得不到支撐，但由于頁(yè)巖的脆性、巖層滑移，以及支撐劑橋堵丨嵌入作用，裂縫體系仍 會(huì)提供較高的“無(wú)支撐”裂縫導(dǎo)流能力。

幻我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)目前處于起步階段，應(yīng)整合現(xiàn)有技術(shù)力量，加強(qiáng)攻關(guān)，著力解決頁(yè)巖氣開發(fā)中與裸 眼水平井多級(jí)壓裂技術(shù)相關(guān)的井下工具、施工液體和 施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣這種“非常氣”向“常規(guī)氣”的轉(zhuǎn)變。