页岩气开发现状及关键技术研究

王建国，徐能惠，杜学斌

(金属材料挤压/锻造国家重点实验室，中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032)

页岩气开发现状及关键技术研究

王建国，徐能惠，杜学斌

(金属材料挤压/锻造国家重点实验室，中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032)

介绍了国内外页岩气勘探开发的历史和现状，指出水平井钻井和水力压裂增产技术是提高页岩气的开采速率的两项最关键的技术。并分析了欠平衡钻井、控制压力钻井和旋转导向钻井等水平井钻井技术和清水压裂、泡沫压裂、分段压裂、水力喷射、重复压裂、同步压裂等水力压裂技术。提出现阶段我国应该借鉴国外页岩气开发的成功经验，开展页岩气开采技术攻关，逐步形成适合我国页岩气开发的自主的技术和装备体系。

页岩气;水平井;水力压裂

0 前言

页岩气是那些存在于泥页岩及其岩石夹层里面的非常规天然气，主要成分是甲烷。页岩气储层具有低孔、低渗特征。页岩气以游离态和吸附态为主，只有很小一部分以溶解态存在，在生产初期采出的大部分气体为游离态气体［1］。绝大多数可以产气的页岩的特征是分布范围广、厚度大，一般的页岩中都含有页岩气，这样页岩气井大多可以长期以比较稳定的速率产气［2］。

页岩气在全球范围内分布广泛，且具有很大的开发价值。根据预测，全世界总的页岩气资源量达到456万亿m3，主要分布区域有北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、俄罗斯等地区，储量是煤层气和致密气的总和，是常规天然气资源量的2倍［3］。

随着全世界天然气消费需求增长，页岩气作为一种新型的非常规天然气资源，在全球天然气产量中的比例不断增加，所以越来越受到关注。

20世纪90年代以来，美国和加拿大等国家在页岩气勘探方面先后取得成效，钻探开发技术逐渐成熟。不过由于页岩气开发工程复杂，难度较大，我国的页岩气开发技术刚处于起步和发展阶段，所以需要借鉴国外页岩气开发的成功经验，学习国外先进技术，以促进国内页岩气的开发和技术进步。

1 国内外页岩气开发历史和现状

1.1 国外页岩气开发历史和现状

美国是第一个对页岩气资源进行研究和勘探的国家，截止目前只有美国和加拿大对其国内的页岩气资源进行了比较有规模的开发。国际上在页岩气开发方面取得最大成就的是美国，其国内页岩气的成功开发已经对美国能源格局产生了极大影响，被称为“全球能源领域的一场革命”。

美国的页岩气研究和勘探开始于19世纪30年代，但是当时的单井产量较低，所以没有引起足够的重视。直到1976年，美国政府开始了东部页岩气工程(EGSP)，自此以后美国的页岩气勘探和开发技术快速发展，单井的产量也有了明显的提高。从1980年开始，美国政府对非常规燃料进行免税，这大大刺激了页岩气资源的开发。从此之后，美国对东部的页岩气资源进行了系统深入的研究，美国全面展开了页岩气的勘探开发和研究工作。

1992年，Mitchell能源公司在德克萨斯州北部Fort Worth盆地巴尼特(Barnett)页岩中对第一口页岩气水平井进行完井作业，从此以后水平钻井技术在页岩气的勘探开发中开始使用。从2002年开始，由于水平井技术在Devon公司的7口页岩气井开发中取得巨大成功，其开始广泛应用于页岩气开发中。Devon能源公司也使用双水平井钻完井技术和压裂增产技术来提高单井的页岩气产量，达到提高页岩气的采收率的目的。

近几年，美国的页岩气勘探开发迅速增长，其国内的页岩气水平井数量已经从2000年的1144口快速增至2012年的17721口，到2013年已经超过了两万口［4］。2000年到2010年的十年间，美国的页岩气产量也从122亿m3增长到1 380亿m3，十年间产量增长了十倍多。2013年，美国的页岩气产量接近3 000亿m3。

美国页岩气资源丰富，在其本土的48个州均有分布。据美国能源信息署的资料，美国页岩气技术可采储量为18.8万亿m3，位居世界第四［2］。目前，美国具有商业开发价值的页岩气矿藏主要包括:Fort Worth盆地密西西比系巴尼特页岩、Appalachian盆地泥盆系Ohio页岩、Michigan盆地泥盆系Antrim页岩、Illinois盆地的泥盆系New Albany页岩和San Juan盆地白垩系Lewis页岩［5］。

近些年来，美国页岩气勘探技术实现重大的突破，产量随之迅速增长，这明显地影响了全世界天然气市场和世界能源格局。而且，页岩气的成功开发明显地改善了美国国内的天然气资源的供应格局和能源保障的安全状况。美国能源信息署2013年末发布的数据显示，2005年美国60%的能源需求依靠进口，但目前美国的能源自给率已经达到了72%［2］。根据测算，美国预计可在2017年左右超越沙特阿拉伯成为全球最大的石油产出国家，至2035年将会实现其国内能源的自给自足。

跟随在美国之后进行页岩气商业化开发的是加拿大。数据显示，加拿大西部的页岩气资源储量大约有550万至860万亿立方英尺［2］。加拿大西部页岩气矿区地质结构与美国的类似，美国发展起来的成熟技术很方便的移地植和应用到了当地，这是加拿大页岩气开发发展的一个重要原因。

目前，除了美国和加拿大以外，德国、法国和乌克兰等也开始了这方面的研究，页岩气勘探和开发的热潮开始从北美地区向全球其他区域扩展。欧洲地区的可采页岩气资源量比较低，且分布范围广泛，其中主要较多的地区包括波兰、瑞典、乌克兰和挪威等。英国、西班牙和德国等开始对页岩气进行相关研究和初步开发。

拉丁美洲页岩气资源分布的主要地区有巴西、墨西哥和阿根廷等。近几年，壳牌、道达尔等世界主要能源公司已经开始在拉丁美洲地区与相关国家石油公司合作，参与其国内矿区页岩气的开发。

1.2 国内页岩气开发历史及现状

我国是页岩气资源非常丰富的国家，据测算约有32万亿m3的技术可采资源量，居世界第一位。页岩气在我国广泛分布，目前国土资源部根据地理位置大致将页岩气矿区分为五个区块:西北区、华北及东北区、青藏区、上扬子滇黔桂区、中下扬子及东南区。其中，四川盆地、鄂尔多斯盆地、黔湘地区、渝东鄂西地区、塔里木盆地等将是将来勘探和开发的主要区域。与北美的页岩气勘探开发进程相比较，我国的页岩气勘探开发起步较晚。

从2004年开始，我国开始关注国外页岩气开发的情况。后来，国土资源部联合部分高校和科研院所做了许多前期工作，为国内页岩气的进一步开发奠定了基础。2009年10月，国内第一个页岩气资源勘查项目在重庆市綦江县正式启动，这标志着，在美国和加拿大之后，中国正式开始对页岩气进行勘探和开发。2009年12月18日我国的第一口页岩气水平井——威201井在四川威远县正式开钻，2011年4月，实行完井。2011年底，页岩气被正式批准为我第172个独立矿种。

2011年3月13日，《页岩气发展规划(2011 -2015年)》发布，根据规划，我国的页岩气产量将在2015年达到65亿m3，至2020年，产量将达到600亿～1 000亿m3。2014全国地质调查工作会议的消息显示，截至2013年年底全国已经有页岩气钻井285口，2013年国内的页岩气产量已经达到2亿m3。

2014年3月，中国石化在重庆市涪陵区的国内第一个整装页岩气田提前投入商业化生产，标志着我国首次成功大规模商业开发页岩气。

近几年，国内的各大石油公司加快了页岩气开发的国际合作，通过对外合作，引进、消化、吸收国外的先进技术，在此基础上进行科技攻关，取得了突破性的进步［6］。

2 页岩气开发关键技术

要实现页岩气开发在我国的蓬勃发展，对先进开采技术的研究是必不可少的。由于页岩孔隙度和渗透率极低，气流的阻力比传统天然气大得多，从而难以开采。开采页岩气需要采取一些增产措施和特殊的钻完井方法，水平井和水力压裂增产技术是页岩气开发中的两项最关键的技术，这两项技术的应用不但可以极大地提高页岩气的开采速率，还可以提高单井最终采收率［7］。

2.1 水平井技术

垂直井和水平井是页岩气钻井中的两种主要的形式，直井多用作探井使用，是为了了解气藏的特征，获取钻井、压裂和生产阶段需要的数据信息，从而来优化水平钻完井的方案。生产井的主要形式是钻探水平井，这是因为水平井可以增加储层的泄流面积，进而提高单井的产量。

水平井与页岩层中裂缝相交几率比直井要大，可以更好地利用天然裂缝。直井与垂直裂缝相交的几率总是很小的，而采用水平井能尽可能多地穿过储层和储层中的天然裂缝。数据显示，在水平井时假如水平段长度可以达到200 m，水平井钻穿裂缝的概率比直井要高出数十倍［8］。

根据国外的页岩气开发经验数据，钻水平井的成本大约是垂直井的2倍，产量却可以达到直井的3倍［9］，水平井的初期采气速率、控制储量以及评价可采储量明显高于垂直井。美国巴尼特页岩2010年的直井产量仅为50×108m3，而同时期的水平井的产气量却有近480×108m3，其产量可以达到直井的近10倍。

20世纪30年代之前，美国页岩气钻探的主要方式是钻垂直井。在2002年Devon能源公司在巴尼特页岩的水平井探索取得巨大成功后，在这以后巴尼特页岩水平井数量快速增加，水平井技术也逐渐成为美国页岩气开发主要钻井方式。目前，在国内的页岩气开发中，水平井技术也已经积累了丰富的经验，技术已经趋于成熟。

水平井钻井常用技术有欠平衡钻井技术、控制压力钻井技术、旋转导向钻井技术。

欠平衡钻井的原理是，在钻井过程中，当设计的钻井液柱压力小于所钻地层压力时，地层的流体进入井筒，通过将其循环到地面，对钻井过程中的压力进行有效控制。欠平衡钻井技术能很好地克服钻井作业过程中的卡钻、井漏、井塌等问题，提高钻井速度，减轻地层伤害，提高油气井产能。控制压力钻井技术是通过控制钻井过程中的压力使钻井作业达到最优，减少非生产时间和卡钻事故，其目的是确定井下压力的环境限制，并以此控制环空液压剖面。威德福、哈里伯顿等公司已进行了相关的控制压力钻井技术研究和现场试验应用，取得了较好的应用效果。

旋转导向钻井技术基于旋转导向系统而发展，它可以自动控制井眼轨迹，适用超深井、高难度定向井和大位移井等。

2.2 水力压裂技术

页岩气开发中的另一项关键技术就是水力压裂技术。水力压裂增产是目前用于页岩储层改造的主要技术。水力压裂的原理是用地面的高压泵通过井筒向储层注入高粘度高压力的压裂液使储层的岩石破裂并产生裂缝。当继续向储层注入压裂液时裂缝会继续向更深的储层扩张，接下来向储层注入带有支撑剂的混砂液，在裂缝中填充支撑剂。最后，由于支撑剂对裂缝壁面的支撑作用，在储层中留下一条或多条长、宽、高不等的裂缝，使储层与井筒之间建立起一条新的流体通道。压裂之后，油气井的产量一般会大幅度增长［10］。

水力压裂的关键因素是裂缝系统和压裂液的配置。在页岩气储层中，裂缝不但是页岩气的主要存储空间，也是气体流通的主要通道。由于裂缝系统的发育状况对页岩气的产量非常重要，所以在进行压裂作业时应该首先考虑怎样得到更多的储层裂缝。此外，如何正确合理地配置压裂液是压裂技术中的关键环节，不同的页岩气储层需要采用不同的压裂方式，压裂液的配置也会不同。

经过近30年的发展，在不断的进步中，国内外形成了多种压裂增产技术。常用的水力压裂技术包括以下几种。

(1)清水压裂技术。是在清水中加入适量的减阻剂、稳定剂、表面活性剂或线性凝胶作为压裂液，以少量的砂体等颗粒物作为支撑剂的压裂增产作业方法。早期清水压裂使用清水作为压裂液，产生的裂缝导流能力较差，添加了支撑剂的清水压裂效果更为明显，支撑剂能够在压裂液返回后使裂缝保持开启［11］。清水压裂成本低，地层伤害小，清水压裂技术在低渗透气藏中能取得更好的效果，该技术已经成为开发如德克萨斯州巴尼特等页岩气田的主要开采手段，能节约成本30%左右。1997年，Mithell能源公司第一次利用清水压裂技术进行巴尼特页岩的开发，清水压裂技术不仅可以使压裂费用较大的水力压裂技术减少近65%，而且可以使页岩气的最终采收率提高近20%。

(2)泡沫压裂技术。主要应用在低压、低渗透水的页岩储层，这项技术不但可以减轻压裂液体对地层的损害，而且返排效果比较好。

(3)分段压裂技术。利用封堵球或限流技术来分隔开储层的不同层位进行压裂增产，这种方法的实施目标明确，压裂的增产效果好。目前有2种方式分段压裂，一是滑套封隔器分段压裂，二是可钻式桥塞分段压裂。水平井多级滑套封隔器分段压裂技术通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井应用的投球压差式封隔器基本相同。该技术能够显著减少施工时间、降低施工成本。

(4)水力喷射压裂。是一种用携带砂的高速和高压流对岩石进行射孔作业的技术，是为了打开岩层和井筒中间的气体流动通道，最终达到提高气体排量的目的，这项技术适合用于天然裂缝系统比较发达的页岩储层。

(5)重复压裂技术。是对已经开发的老井进行再一次的水力压裂。对直井进行重复压裂时可以在以前的生产层进行再次射孔，但它需要的压裂液体积却要比其最初的压裂作业多25%左右，同时，也可以使最终采收率提高30%～80%。对水平井进行重复压裂时，需要隔离最初压裂的岩层。当前的压裂层位必须未进行压裂作业。

(6)同步压裂。是指对2口或2口以上的配对井同时进行压裂，促进裂缝在扩展的过程中进行相互作用。同步压裂的作用是通过更大的压裂压力和更复杂的裂缝系统来压裂泥页岩，来达到提高初始产量和最终采收率的目的。同步压裂对页岩气井短期内增产效果明显，而且对工作区环境影响小，完井速度快，节省压裂成本，是页岩气开发中后期比较常用的压裂技术。

3 结论与建议

页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率的特点，生产周期长，因而具有其特殊的开发方式。水平井和水力压裂增产技术是页岩气开发中的两项关键技术。水平井技术是页岩气钻井的主要方式，它结合旋转导向钻井、随钻测井、控压钻井等先进的钻井技术可以更高效、更合理的开发页岩气。压裂增产技术是页岩气开采的另一种关键技术。先进的压裂技术使页岩气开发具有更大的潜力。

美国是全球页岩气开发最早和最成功的国家，也是页岩气开发技术最先进的国家。近几年，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，对美国天然气供应格局和能源安全状况产生了积极作用，同时也对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响。

目前我国页岩气开发处于起步阶段，尚未达到规模开发的发展阶段。勘探开发经验缺乏，核心技术尚未完全掌握，关键装备有待研制。建议开展页岩气开采技术攻关，以页岩气勘探开发核心技术突破为先导，形成适合我国的页岩气开发装备体系，促进页岩气开发，补充我国的日益增长的油气需求，为国家的能源安全提供保障。

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Research on status and key technology of shale gas development

WANG Jian-guo，XU Neng-hui，DU Xue-bin
(State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology，China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

This paper introduces development status of shale gas exploration and production.horizontal drilling and hydraulic fracturing are considered two key technologies to improve shale gas exploitation rate.horizontal drilling technology includes underbalanced drilling，pressure control drilling，rotary steering drilling system，and hydraulic fracturing technique consist of water-fracs，foam fracturing，subsection fracturing，hydrajet fracturing，multiple fracturing，synchronous fracturing，and so on.These technologies are analyzed.It is proposed that our country should follow foreign experience of shale gas development，then formed gradually own technology and equipment of suitable for ours.

shale gas;horizontal drilling;hydraulic fracturing

TE93

A

1001-196X(2014)06-0031-05

2014-07-02;

2014-08-15

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2014KTCL01-01);中国重型机械研究院股份公司科研项目(K1305410)

王建国(1987-)，男，中国重型机械研究院股份公司工程师，现从事油气输送装备及相关冶金机械设备的设计与研究。

设计计算