壓裂技術為油氣開發帶來了什么
發布時間：2013-08-15 新聞來源：中國石油報
目前，儲層品質由相對優質化向劣質化轉變已經不是一個區域、一個油田的問題，而是中國乃至全球油氣田開發共同面臨的難題。
低滲透、超低滲透油氣儲量正成為我國各主力油田的上產主體。如何可持續地把巨大的油氣資源從難動用儲層里“擠”出來？以壓裂為核心的儲層改造技術大顯身手。同時，世界在頁巖氣、致密油氣等非常規油氣儲量上尋求突破的迫切需求，也使壓裂技術的地位與日俱增，作用日益凸顯。
7月底，陜西定邊，國內首創叢式水平井工廠化大型體積壓裂施工在這里啟動。同一井場上，14輛主壓車對6口叢式水平井同時展開工廠化大型體積壓裂。一系列新技術和新工藝在這場效率高、速度快、規模大的工廠化壓裂施工中的應用，標志著中國石油致密油氣勘探開發獲得新突破。
在地球另一端，美國國內致密油產量正在以驚人的速度遠超其他國家，最大“功臣”正是用于開采頁巖氣的水力壓裂技術。先進的儲層改造技術給美國石油業帶來了意想不到的繁榮，并深刻改變著世界能源供需的格局。
“三維地震和水平井壓裂是目前油氣勘探開發的兩大‘撒手锏’技術。”勘探開發研究院副院長兼總地質師鄒才能介紹。前者負責準確預測地下油氣目標。后者則負責壓開地下目標形成空間裂縫，提高油氣層流動能力，是實現油氣田經濟規模開發的一柄利劍。
現狀：技術進步支撐油田上產
時勢造英雄。我國復雜、多樣的油藏為壓裂技術進步提供了土壤，中國石油油氣生產和工程技術服務企業立足油田，開展了卓有成效的壓裂技術攻關，形成了各具特色的壓裂技術，為油氣增儲上產提供了技術保障。
在大慶油田，致密薄互層水平井壓裂技術推進了大慶油田4000萬噸持續穩產；在長慶油田，直井多級壓裂、水平井分段壓裂等技術的大規模應用，使“井井有油、口口不流”的“三低”油氣藏不再“沉默”，產量箭頭持續向上，“西部大慶”呼之欲出；在吉林油田，套管內封隔器滑套分段壓裂技術可一次性射開多個層段，已有400多口井現場應用，黑H平2井分壓已達15段，為吉林油田扶楊油層有效開發動用提供了重要技術支撐；在塔里木油田，誕生了庫車凹陷超7000米超深層高壓致密砂巖氣工業化壓裂技術；在西南油氣田，壓裂技術推動了“三高”油氣藏的有效開發。
從1955年玉門油田進行首口單井壓裂施工到目前的大規模水平井分段、體積壓裂施工；從常規小規模加砂壓裂到如今的平臺式多井工廠化壓裂；從“百方砂、千方液”的單井次施工規模發展到“千方砂、萬方液”，50多年的時間，中國石油的壓裂技術實現了長足進步和革命性突破，成長之路走得穩、走得快。
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| 封隔器滑套分段壓裂示意圖 |
追趕：技術研發考驗重重
雖然我國在直井分層壓裂、水平井分段壓裂等關鍵技術攻關方面取得較大進展，但是與國際先進水平相比還存在一定差距。這使我國儲層改造技術研發與應用之路任重道遠。
目前，我國低滲透致密砂巖儲層的超深井壓裂已經超過7000米，碳酸鹽巖儲層酸壓及水力壓裂也超過5000米，施工壓力達到130兆帕，地層溫度不斷升高，達到目前的200攝氏度，有效動用儲量下限也在不斷延伸，儲層滲透率不斷下降。儲層改造對象越來越復雜，對壓裂設備、井下工具、壓裂酸化材料等提出更高要求。這些都意味著儲層改造技術需要不斷挑戰極限。
同時，我國致密砂巖油氣具有明顯的多薄層特點，儲層改造技術的研究思路及改造模式需要從低滲走向致密。這對如何實施細分小層壓裂提出了新的挑戰。連續油管水力噴射分層壓裂技術在我國尚未成為主流技術，多分支井及多分支水平井分段壓裂也剛剛起步。
由于無水壓裂技術在世界上還處于試驗階段，壓裂施工大多為大規模水力壓裂。根據美國生產實踐，頁巖氣壓裂單井所需水資源超過1萬立方米，特別是隨著水平段長度與分段壓裂分段級數的增加，用水量在較短時間內大幅增長。水資源的大量消耗以及對當地水生生物、捕魚業、城市和工業用水帶來的影響，使水力壓裂成為一柄雙刃劍。
正因如此，一些環保組織和政府機構對采用大規模水力壓裂開發頁巖氣提出抗議，以法國為代表的一些歐洲國家甚至頒布法律，禁止采用大規模壓裂開采頁巖氣，并取消了多個頁巖氣項目。
此外，與國外相比，我國在低成本高效壓裂液、無限制選擇性壓裂工具等方面還存在較大發展空間。我國的分段壓裂分段級數較少，國外已超過50段。
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| 中國石油10段以上分段壓裂井數量 |
未來：技術發展不走常規路
壓裂技術的發展方向在哪里？什么樣的儲層更適合體積改造技術？儲層改造究竟要達到什么程度？用什么液體和工具壓裂效果更好？如何實現壓裂效果與環保的雙贏……一個個問題的解決，將推動儲層改造技術的進步以及難動用儲層和非常規油氣資源的有效開發。
經驗值得借鑒，理念需要創新。鄒才能認為：“我國油氣藏類型很多，巖性不同、厚薄不同、含水不同，壓裂技術就不一樣。壓裂技術的發展不能完全照搬國外模式，要有自己的非常規思路、非常規技術、非常規管理作為支撐。”
理論和工藝的創新以及綜合系統研發能力的提高，是目前中國壓裂技術亟待解決的首要問題。在借鑒國外先進技術的同時，應系統總結國內儲層改造技術特色，研究出真正適合我國實際情況的壓裂技術體系。“這就需要各大油氣生產企業進一步加強與工程技術研究單位的結合，實現共同規劃、共同研究、共同設計。各企業之間加強交流合作，實現資源共享、成果共享、效益共享。”工程技術分公司副總經理趙業榮指出。
高效益、低成本、環境友好型壓裂技術是未來重要發展方向。例如，已開始試驗的高速通道壓裂、體積改造、無水壓裂、平臺式多井工廠化壓裂等技術。同時，連續油管壓裂、小井眼壓裂等現有壓裂技術需要不斷發展與融合，還要發展針對不同巖石特性的壓裂液體系及配套技術。壓裂裝備應向大功率化、模塊化、小型化等方向發展，不但能夠減少設備使用數量，從而大幅縮小土地占用面積，而且便于在復雜地表條件下進行壓裂施工。壓裂工具應向超長水平段分段壓裂工具、選擇性分段壓裂工具等方向發展。壓裂液則可向低成本、無害化、可回收等方向發展，在實現壓裂效果最大化的同時，對環境的影響降到最小。
“平臺式多井工廠化壓裂作業是重大創新，對整個石油工業發展具有革命性意義，需要建立常規與非常規油氣協同發展的新模式。”鄒才能說。
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| 中國石油水平井分段壓裂數量 |
【專家訪談】
壓裂技術進步將促進儲層有效開發
——訪中國石油大學（華東）石油工程學院副教授 溫慶志
1.目前中國現有壓裂技術能否滿足低品位油藏開發需要？
近年來，我國的壓裂技術得到快速發展，特別是水力壓裂技術進步尤為明顯。主要體現在壓裂理論、壓裂工藝、施工材料、施工設備以及井下工具等領域。此外，壓裂技術在非常規油氣儲層的應用，比如頁巖氣、致密砂巖、煤層氣等也取得了很大進步。這些進步，為我國低滲透油氣藏以及非常規油氣儲層的壓裂改造奠定了良好基礎。在不斷完善和發展現有壓裂技術的前提下，同時引進、吸收和消化國外先進技術，可為我國低滲透油氣藏以及非常規油氣儲層的壓裂改造提供可靠保證。
2.壓裂技術將在中國今后油氣開發中發揮什么作用？
壓裂技術在油氣開發過程中發揮越來越重要的作用。壓裂過去是作為油井增產、水井增注的一項技術措施出現的，現在已發展成一項開發技術。例如整體壓裂技術，不僅要考慮單井的增產增注問題，而且要考慮提高整個區塊和油田的采收率。低滲透、超低滲透油氣藏的開發以及頁巖等非常油氣資源的開發，更離不開水力壓裂技術。從某種意義上講，水力壓裂在油氣田開發過程中所起的作用會越來越大，甚至在一些儲層開發中將起主導作用。
3.如果壓裂技術有較大突破，將對中國油氣生產帶來什么影響？
壓裂技術的不斷進步和發展，提高了油氣產量，而且也使更多的油氣資源得到有效開發。比如超低滲油氣藏、頁巖儲層（滲透率為納達西級別），過去沒有很好的技術手段，基本上沒有得到有效開發。現在壓裂技術進步了，新的理論和技術不斷出現，例如水平井分段壓裂技術、體積改造技術等，這類儲層也逐漸得到有效開發。因此，隨著壓裂技術的不斷進步，不僅能大幅提高傳統油氣的產量，而且可能在頁巖氣儲層、致密砂巖等非常規儲層獲得突破，進一步豐富我國油氣資源的來源。
4.中國壓裂技術與國外先進技術的差距在哪？
近年來，我國壓裂技術得到迅猛發展，水力壓裂技術為我國低滲透油氣資源的開發做出了重要貢獻。與國外先進技術相比，我國的壓裂技術在某些領域還存在一定差距，比如在壓裂新理論、新材料等領域。加強壓裂技術基礎理論、新工藝和新型材料的研究，是進一步提高我國水力壓裂技術的重要方向。 （記者 劉爽）
【延伸閱讀】
壓裂技術的前世今生
1947年，美國Stanolind石油天然氣公司在堪薩斯州西南部的Hugoton油田進行了首次水力壓裂試驗。此后，這種油氣藏增產技術被廣泛采用，成為提高或延長油井產能的重要技術手段。
經過60余年的發展，壓裂技術從壓裂液、支撐劑、壓裂工藝到現場應用都有了迅速發展。
壓裂液從早期的原油、凝膠油、黏性乳化液，發展到目前的水基、油基、酸基、泡沫、乳狀壓裂液五大類，低、中、高溫系列齊全的胍膠有機硼“雙變”壓裂液體系和清潔壓裂液體系。
支撐劑從早期以天然石英砂為主，發展到不同強度系列的人造陶粒支撐劑。加砂方式從人工加砂發展到混砂車連續加砂，加砂能力大幅提高。壓裂工藝技術從單純的水力壓裂發展到高能氣體壓裂、震動壓裂、爆破壓裂和超聲壓裂等多種類型。
壓裂規模從小型化向大型化發展，壓裂層數從單層向多層發展，壓裂井型從直井向水平井發展，形成了直井分層壓裂、水平井分段壓裂、重復壓裂、同步壓裂等多種壓裂技術及配套工藝，儲層改造效果大大加強。應用領域由最初主要用于低滲透油氣藏，發展到超低滲-致密儲層油氣及煤層氣、頁巖氣、頁巖油等非常規油氣領域。特別是近年來，美國在頁巖地層中大規模采用水平井多級壓裂，助推了美國的“頁巖氣革命”。
我國1955年在玉門油田進行首口井（老君廟油田N－1井）壓裂施工。50多年中，我國的壓裂技術得到了長足進步，大致可以分為解堵壓裂、單井壓裂、整體壓裂、開發壓裂、直井分層壓裂、水平井分段體積壓裂六個階段。目前，我國在體積壓裂方面與國外還有一定差距。
【技術前沿】
高速通道壓裂技術（HiWAY）是壓裂工藝的革新。脈沖式注入支撐劑，通過纖維改變支撐劑段塞的流變性，延緩支撐劑的分散和沉降，建立起以支撐劑墩柱支撐的非連續鋪置的大通道，流體不再流經支撐劑充填層，而是流經由支撐柱形成的通道，消除了支撐劑充填層中存在的多相流、支撐劑破碎、高分子濾餅、凝膠及其他因素影響，大大提升了油氣導流能力。這一技術主要是通過提高支撐劑的韌性和圓度、降低支撐劑的破碎和凝膠滯留、改善破膠劑產生裂縫通道，革新了常規水力壓裂技術，是一場壓裂設計理念的革命。
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| HiWAY壓裂與常規壓裂比較示意圖 |
在常規支撐劑填充層（圖左）中，所有支撐劑顆粒都相互接觸，流體流動局限于支撐劑顆粒之間的空隙。而不連續支撐劑填充層（圖右）由支撐劑聚合塊或段組成，形成離散的高速通道網絡，允許流體順利通過。
【壓裂技術家族】
體積改造技術（SRV）：
無水壓裂技術:連續油管+環空加砂分層壓裂技術：套管滑套完井分層壓裂技術：
是在形成一條或者多條主裂縫的同時，通過分段多簇射孔，高排量、大液量、低黏液體，以及轉向材料與技術等應用，實現對天然裂縫、巖石層理的溝通，以及在主裂縫的側向強制形成次生裂縫，并在次生裂縫上繼續分支形成二級次生裂縫，以此類推。這項技術讓主裂縫與多級次生裂縫交織形成裂縫網絡系統，使裂縫壁面與儲層基質的接觸面積最大，使得油氣從任意方向的基質向裂縫滲流距離最短，極大地提高儲層整體滲透率，實現對儲層在長、寬、高三維方向的全面改造。
體積改造技術的效果取決于富含脆性礦物的儲層、發育良好的天然裂縫和層理、分段多簇射孔技術三個前提條件。
無水壓裂技術:
主要有泡沫壓裂、純氣體（二氧化碳/氮氣）、液化石油氣（LPG）壓裂等，目前國外已開始規模試驗LPG壓裂技術。
與傳統水基壓裂液相比，LPG壓裂液能產生更為有效的裂縫導流能力。這項技術不需要消耗水，具有理想的黏度和攜砂性能；無水鎖、無聚合物殘留、無黏土膨脹，壓后僅有支撐劑留在地層中，對地層傷害極小；可以極大降低泵送壓力，產生較長裂縫；壓后不需返排，可直接投產。
連續油管+環空加砂分層壓裂技術：
特別適合對具有多個薄油層或氣層的井進行逐層壓裂作業，是20世紀90年代以來發展最快的技術之一。
這項技術起下壓裂管柱快，移動封隔器總成位置快，大大縮短作業時間；能在欠平衡條件下作業，減輕或避免油氣層傷害；能使每個小層都得到合理的壓裂改造，使整口井的壓裂增產效果更好；一次下管柱逐層壓裂的層數多，可以多達十幾個小層。
套管滑套完井分層壓裂技術：
以斯倫貝謝公司的套管滑套完井分層壓裂技術為代表，可以實現直井不限層數的改造。滑套是實現這項技術的核心部件，滑套可以通過投球進行開關，通過投入一系列尺寸不同的球連續地將不同尺寸滑套打開、關閉，實現多個油層生產。
這項技術壓裂級數不受限制，工序簡單高效，標槍可鉆、滑套可關，完井周期短，能實現增產措施的正確定位和封隔。
水力噴砂壓裂技術：
是一種集水力噴砂射孔、水力壓裂和水力隔離等多種工藝于一體的新型水力壓裂技術。
水力噴砂壓裂技術不用封隔器與橋塞等隔離工具實現自動封隔。一方面先進行水力噴砂射孔，在地層中形成孔洞，接著提高排量，高速流體直接作用于孔洞底部，產生高于地層破裂壓力的壓勢，使地層發生破裂形成裂縫；另一方面高速射流在孔眼的上下部井眼中產生負壓，形成隔離，達到分段壓裂施工的目的。通過拖動管柱，將噴嘴放到下一個需要改造的層段，可以依次壓開所需改造井段。
裸眼封隔器分段壓裂技術：
是使用一定的裸眼封隔器將水平井段按壓裂設計，分為許多不同層段，在每一層段進行單獨壓裂。這樣可以增強壓裂目的性，且可使用封隔器隔開地層中的不穩定部分，取得較好壓裂效果。這一技術又可以分為逐級上提管柱分段壓裂、不動管柱多級分段壓裂兩種類型。
這種方法可以保證分段壓裂的針對性，但是工具能否順利通過彎曲段、壓裂后封隔器膠筒回收、管柱卡砂處理等問題是制約因素。
限流法分段壓裂技術：
是通過控制各層的射孔孔眼數及孔眼直徑的辦法，在大排量供液時，依靠各段射孔數不同產生的摩阻差異，實現一次壓裂對最多5個破裂壓力相近的油層進行改造。限流法需在完井射孔時按照壓裂要求設計射孔方案，包括孔眼位置、孔眼密度及孔徑。壓裂施工一開始就形成最高壓力、最大排量，壓裂層段很快相繼壓開。
同步壓裂技術：
是指對兩口及以上有一定距離的井，采用兩套甚至多套車組同步壓裂施工，或采用一套車組進行兩口井配合射孔等交叉施工、交叉壓裂。
同步壓裂大多是在相近或相同的深度，沿著最小主應力方向鉆進的水平井中相對井段進行同時壓裂，通常先在分支端部同時壓裂，然后從端部到根部多級依次同步壓裂，目的是通過利用裂縫周圍的張性應力區域，使鄰井誘導水力裂縫充分接近。
同步壓裂的操作效率很高。相對常規單井壓裂來說，同步壓裂能讓被壓裂的兩口井裂縫都能達到最大化。
平臺式多井工廠化壓裂技術:
這項技術將單井壓裂與叢式水平井結合，按工廠流水線、批量化生產模式進行壓裂施工，可以實現一個平臺井場控制范圍內地層整體壓裂形成更加復雜的裂縫網絡系統，還可以大幅度降低成本，將成為未來非常規油氣資源實現經濟有效開發的核心技術。
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