页岩气水平井水力压裂技术

文强 韩志伟

【摘要】中国的页岩气资源量非常丰富，但页岩气的開发起步比较晚，目前还处于最初阶段。本文详细的介绍了页岩气压裂改造机理，以及目前页岩气开发中常用水平井压裂工艺的原理和主要做法，包括水平井复合桥塞多段分簇压裂技术、连续油管水力喷射分段压裂技术、水平井多井同步体积压裂技术，通过对各种工艺详细分析，在页岩气开发上又取得了一些新的认识。

【关键词】页岩气 水平井 缝网压裂 体积压裂

页岩气赋存于富含有机质的泥页岩及其夹层状的泥质粉砂岩、砂岩、灰岩、白云岩混合岩相地层中，主要由吸附气和游离气两部分组成。页岩气藏的烃源岩多为沥青质或富含有机质的暗色泥页岩和高碳的泥页岩类，储层厚度一般为15～100m，孔渗条件差，通常需要压裂改造才能获得工业产量。我国页岩气十分发育，资料显示，中国的页岩气资源量约为（21.5～45）×1012 m3，中值为30.7×1012 m3。

1 压裂机理

页岩气资源丰度低，最大限度增加储层的改造体积是压裂的主要目的。为达到储量的体积动用，主要采用“缝网压裂”技术，机理为：当裂缝延伸净压力大于两个水平主应力的差值与岩石的抗张强度之和时，容易产生分叉缝，多个分叉缝就会形成“缝网”系统，其中以主裂缝为“缝网”系统的主干，分叉缝在距离主缝延伸一定长度后，又恢复到原来的裂缝方位，最终形成以主裂缝为主干的纵横“网状缝”系统。

页岩气储层要实现体积动用，主要取决于页岩的可压性。页岩的脆性越大，越容易形成网状裂缝；而脆性越小，则形成网状裂缝的可能性越小。脆性指数主要由矿物成分[2]和埋藏深度决定。水力压裂在富含硅质、钙质的页岩中要比在富含粘土质页岩中更容易形成缝网，一般要求石英、长石、方解石矿物含量大于30%，粘土含量<25%。脆性指数与埋深呈负相关关系，埋深变浅，脆性增加。

2 水平井复合桥塞多段分簇体积压裂

体积压裂通过优化段间距，采用“分段多簇”射孔、加密布缝，利用缝间应力干扰，促使裂缝转向，形成缝网。缝间距的优化是水平井体积压裂技术的关键，若缝间距离过大，影响页岩气单井产量，缝间距离过小，裂缝延伸困难，当缝间干扰恰当时，才能实现天然微裂缝大量开启、人工裂缝转向延伸与穿过延伸，实现页岩气的体积开发。

水平井套管固井后，第一级使用连续油管传输带射孔，后续各段采用泵入式电缆传输桥塞与射孔联作工艺。桥塞与射孔枪的下入过程主要分为两个阶段，直井段工具串依靠自重下入，水平段采用泵注方式推到指定位置。通过分级点火装置，座封桥塞，再上提射孔枪到达上段射孔位置进行射孔作业。在分段压裂过程中通过逐级下入桥塞、射孔枪，实现水平井分段压裂改造。分层压裂改造完成后用连续油管快速钻磨桥塞。

压裂时采用“大液量、大排量、小粒径、低砂比、段塞式”滑溜水注入方式。前期使用酸液溶解矿物质来沟通裂缝，与大排量滑溜水构建远井复杂裂缝网络，后期采用低浓度胍胶，提高近井主缝导流能力。

压裂液主要为滑溜水和低浓度胍胶液，滑溜水成本低，可以在不减产的前提下节约30%的成本。同时，滑溜水是一种低粘度流体，表现为剪切特性，剪切力使2个裂缝粗糙面产生剪切滑移，停泵后粗糙面使它们不能再滑回到原来的位置，保持裂缝较高的导流能力。

3 水平井连续油管水力喷射分段压裂

水力喷射压裂是集水力射孔、压裂、隔离一体化的水力压裂技术，适用于套管、衬管、裸眼等完井方式，主要用于需要定点压裂的水平井分段压裂。利用连续油管进行水力喷砂射孔，然后再通过油套合压提高施工排量，实现射孔-压裂联作。连续油管压后上提进行多层压裂，大大提高了工作效率，降低了施工成本。理论上不受完井方式限制，可实施定点、分段、分簇改造，改造后井内无工具残留。

管柱结构主要有安全接头、不同形式的水力锚、喷枪、封隔器、单流阀、筛管和导向头构成。压裂时油管、套管同时注液增压，喷射处的孔眼内裂缝最先起裂、扩展，通过油套环空加砂，支撑剂将沿起裂的裂缝进入地层，实现裂缝仅在水力喷射形成的孔眼位置处破裂和扩展，而在其它层位处的环空压力低于地层起裂压力，裂缝不再扩展，达到分簇射孔体积压裂效果。

4 水平井多井同步体积压裂

同时对配对井进行压裂，使压裂液及支撑剂在高压下从1口井向另1口井运移距离最短，促使水力裂缝扩展过程中相互作用相互影响，以产生更复杂的缝网，增加裂缝密度，增加改造体积，提高单井产量。同步压裂最初是两口距离小，且深度大致相同的水平井的同时压裂，目前已发展到3口、甚至4口井的同时压裂。

5 结论

（1）压裂增产技术是开发成功的关键，针对页岩气储层特性采用了水平井复合桥塞多段分簇体积压裂、连续油管水力喷射分段压裂、同步压裂等，且北美已普遍应用套管阀分段压裂、“快速压裂系统”、多种分段工艺组合压裂等，应加快技术的引进与转化。

（2）工厂化压裂模式可加快施工进程、降低压裂成本，大规模改造技术对压裂材料低成本、高性能、储层的良好配伍性及回收利用提出了更高需求，应针对大规模改造研发新型压裂材料及添加剂。

参考文献

[1] Dan Jarvie.Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett shale，Ft.Worth basin，Texas[R].Texas：Humble Geochemical Services Division，2004

[2] BOWKER K A.Recent development of the Barnett Shale play，Fort Worth basin[J].West Texas Geological Society Bulletin，2003，42（6）：1-11

[3] 刘洪林，王红岩，刘人和等.中国页岩气资源及勘探潜力分析[J].地质学报，2010，84（9）：1374-1377

[4] 陈守雨，杜林麟，贾碧霞等.多井同步体积压裂技术研究[J].石油钻采工艺，2011，33（6）：59-65

作者简介

文强，1985年生。主要从事压裂增产改造技术研究及现场应用工作。