1、页岩气压裂试气工程技术进展 曹明 中国地质大学(北京)能源学院 中石化石油工程技术服务有限公司 摘 要： 近年来, 北美页岩气勘探开发的快速发展使全球掀起了一场轰轰烈烈的“页岩气革命”。我国是除了美国和加拿大之外第三个商业开发页岩气的国家, 国内主要是学习借鉴美国在该领域以水平井钻完井及水平井分段压裂和试气为主体的技术并不断自我更新与完善, 压裂试气主要包括泵送桥塞及射孔、水平井分段压裂、连续油管钻桥塞、试气投产四个部分。随着我国页岩气开发的不断深入和页岩气井的不断加深, 页岩气压裂试气工艺技术和装备也在不断更新换代, 如:复合桥塞实现了国产化且价格不断降低, 压裂装备从 2 000hp 升级
2、到 3 000hp 并实现了井工厂压裂, 连续油管管径从 1-1/2升级到 2甚至更大, 测试管汇由 70 MPa 升级到 105 MPa, 这些工艺技术和装备工具的突破对于促进我国页岩气开发具有十分重要的意义。关键词： 页岩气; 泵送桥塞; 分段压裂; 连续油管; 试气; 作者简介：曹明 (1984-) , 男, 天津静海人, 2009 年毕业于中国石油大学 (北京) 石油工程学院油气井工程专业, 中国地质大学 (北京) 博士研究生, 现从事井下特种作业技术研究和管理工作, E-mail:。收稿日期：2017-08-19The development of fracturing and ga
3、s testing technology in shale gas resourcesCAO Ming School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing) ; Abstract： Recently, the rapid growth of exploration and development of north shale gas resources has motivated shale gas revolution globally.As the third commercially developin
4、g shale gas country after America and Canada, China has upgraded drilling, completion, staged fracturing and gas testing technology in horizontal wells by learning from North America.Fracturing and gas testing mainly include bridge plug pump pump bridge plug; staged fracturing; coiled tubing; gas te
5、sting; Received： 2017-08-19页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中, 以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气藏1-5。页岩气藏具备如下特征: (1) 赋存形式多样, 游离气、吸附气、溶解气共存; (2) 储存空间复杂, 纳米级有机质粒内孔隙, 纳米微米级粒间孔隙, 微米-毫米级微裂缝和厘米级裂缝发育, 具有多尺度特性; (3) 储层孔渗极低, 渗透率纳达西级别, 孔隙度小于 10%; (4) 页岩脆性大, 压裂裂缝扩展随机性强, 微裂缝发育。21 世纪以来, 随着页岩气地质勘探理论的创新和开发关键技术的不断进步, 制约页岩气开发的地质勘探和开发工程技术问题不断得到
6、突破6, 尤其随着水平井钻完井以及分段压裂和试气技术的不断发展, 北美页岩气的开发进入了迅速推广阶段, 我国页岩气的勘探开发也在不断摸索中快速发展。1 页岩气勘探开发进展1.1 全球页岩气勘探开发进展在全球, 美国和加拿大是页岩气资源勘探开发最为成功的地区, 美国页岩气勘探开发历程说明进行页岩气规模开发是工业化成功的关键7, 20002010 年的十年间北美地区的页岩气年产量从 10010m 迅速增加到 1 50010m, 增长了15 倍以上8-10。国际石油界普遍认为, 水平井钻完井工艺和水平井分段压裂及试气技术的应用是美国页岩气取得成功的主要推动因素。据美国 EIA 统计, 2015 年美
7、国页岩气产量约合 15.210ft (4 30010m) , 是其 2010 年产量的3 倍, 预计到 2035 年页岩气产量将占到美国天然气总产量的 46%。1.2 我国页岩气勘探开发进展我国拥有丰富的页岩气资源, 但与北美相比, 我国的页岩气勘探开发起步较晚, 自 2000 年开始跟踪国际页岩气勘探开发进展, 2004 年启动国内调查, 2008 年国土资源部设立了页岩气项目“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选”, 2009 年完成第一口页岩气评价井威 201 井, 正式开启了我国页岩气勘探开发的序幕11-12。2012 年中国石化自涪陵页岩气开发以来, 在借鉴国外工程技术的基础上,
8、 压裂试气立足国内技术攻关13, 累计完成了水平井大规模分段压裂和试气工艺技术、配套工具和材料的研究应用, 实现了页岩气压裂试气技术的跨越式发展, 为我国页岩气的开发提供了重要的技术保障。2 页岩气压裂试气工程技术进展近年来以中国石油和中国石化为主的页岩气勘探开发得到了迅速发展, 其中2015 年底中国石化涪陵页岩气田已经完成一期 5010m/a 的产能建设, 目前正在进行二期建设预计 2017 年底将累计实现产能 10010m/a。涪陵页岩气田的压裂试气技术在摸索中得到了不断发展, 压裂试气技术主要包括泵送桥塞射孔联作、水平井分段压裂、连续油管钻桥塞以及试气求产四个部分13-14, 在页岩气
9、井钻完井结束后, 压裂试气技术作为获得产能前的重要环节有序衔接。2.1 泵送桥塞射孔由于页岩气是超低孔超低渗气藏, 在开发过程中需要对其进行体积压裂从而形成立体缝网, 因此选择合适层段进行射孔是技术关键, 结合北美页岩气开发实例, 通过对国内页岩气的地层进行综合评价分析, 采用“水平井多段压裂+每段数簇+每簇数孔”结合的方式进行射孔。涪陵页岩气田在初期采用每口井 20 段左右进行压裂的前提下, 结合地质甜点+工程甜点分析15, 通过参数优化采用每段 23 簇的方式进行射孔, 射孔孔眼即为压裂液造缝注入点, 压裂液进入孔眼并随着压裂的进行逐渐延伸形成压裂裂缝主通道并逐步形成多级的次生裂缝。2.1
10、.1 通井连续油管连接通井工具串并通井至人工井底, 计数器记录连续油管深度且做好标记并循环洗井, 洗井结束后起连续油管通井工具串至井口, 通井结束。2.1.2 连续油管射孔由于目前涪陵地区以 5-1/2套管为主, 优选外径为 89mm、相位角为 60的射孔枪进行射孔, 孔密 20 个/m。以单段三簇射孔段为例, 由于没有液体泄流通道, 首段采用连续油管携带射孔工具进行射孔, 连续油管连接射孔工具串下至人工井底, 上提连续油管使射孔枪底移动至射孔井段进行多簇射孔施工, 射孔结束后上提连续油管至井口。在进行射孔时, 每段的簇间距、簇长度和方位角是影响后气压裂效果的关键因素, 根据国外大量长水平井段
11、页岩气开发经验范例, 以高杨氏模量、低泊松比、高孔隙度和高渗透率、高有机碳含量和良好的固井位置等方面选择射孔位置, 因此, 选择每段簇长控制在 2030m、簇间距0.460.77m 的设计下有利于建立好的初始射孔通道并形成网状裂缝。2.2 水平井分段压裂随着我国页岩气勘探开发的不断深入, 分段压裂工艺走了一条引进消化吸收再创新的道路。随着页岩气井的加深, 水平井段越来越长和造缝越来越困难等问题和矛盾越来越突出, 这对压裂工艺、压裂工具、压裂液和支撑剂的选择也带来了极大的挑战。分段压裂包括前期压裂设计、数值模拟、压裂改造施工和压后评价等多个阶段。目前, 页岩气单井压裂规模已达到一千方压裂支撑剂以
12、上和数万方压裂液的规模。压裂完成后应用微地震裂缝监测技术对压裂效果进行压后评价, 可以掌握压裂缝的延展方向、空间几何形态和页岩储层改造效果, 明确各产层的贡献率16, 对后期的压裂优化具有指导意义。2.2.1 压裂工艺目前国内外目前主流的水平井压裂工艺主要有: (1) 泵送桥塞+射孔联作分段压裂; (2) 裸眼封隔器预置管柱+投球滑套/大通径滑套分段压裂; (3) 裸眼封隔器预置管柱+连续油管带底封分段压裂; (4) 套管预置滑套无极限分段压裂技术。在我国涪陵页岩气田, 使用更多的是泵送桥塞射孔联作分段压裂工艺, 其主要工艺为:第一阶段是连续油管对第一压裂段进行射孔并完成压裂;第二阶段是从第二
13、压裂段开始使用水力泵送桥塞+射孔联作完成剩余井段的压裂, 第三阶段是压裂完成后通过连续油管连接钻塞工具串自上而下依次钻磨桥塞并清洗井筒, 为页岩气生产提供全通径的生产通道。近年来, 压裂工艺的施工规模和技术装备有了明显提升, 压裂装备从 2 000hp升级到 3 000hp, 压裂规模从最早的单井单独压裂-拉链式压裂-井工厂同步压裂 (图 1) 。拉链式压裂是指一口井压裂作业的同时, 另一口配对井进行射孔、下桥塞等作业, 二口井交互施工、逐段压裂。井工厂同步压裂是指二套压裂机组对两口或两口以上的配对井同时进行大规模压裂施工, 大规模压裂的优点是增产效果好、提高压裂设备利用率、重复利用水资源、减
14、少污水排放、缩短投产周期、加快生产开发和降低成本17-19。图 1 页岩气井工厂压裂模式演变 下载原图2.2.2 压裂液压裂液是页岩气井压裂的重要组成部分, 其重要作用是破岩压开裂缝、携砂支撑裂缝并使压裂裂缝得到有效延伸, 由于页岩储层的超低孔低渗特性, 压裂液返排率低且用量大, 压裂液的性能至关重要。压裂液应满足降磨阻效果好、悬砂强、滤失量小、热稳定性好、低残渣易返排、货源广易复配和价格低廉等。近年来我国常规和非常规油气压裂液走了一条线性胶-交联液-滑溜水压裂液的道路, 页岩气储层由于需要建立网状裂缝, 以低粘度的滑溜水压裂液为主进行了工业化应用。此外, 泡沫压裂液由于可以大幅降低水的使用量
15、也在开展技术攻关和现场试验, 在未来有广阔的市场空间。2.2.3 支撑剂支撑剂的主要作用是由压裂液携带进入裂缝, 当压裂泵注停止后压裂液返排, 支撑剂能够有效停留在裂缝不破碎、维持裂缝张开的状态不闭合, 为页岩气提供长时间的生产通道。目前国内外压裂工艺所用的支撑剂主要以石英砂、陶粒和树脂覆膜支撑剂为主。石英砂具有价格低廉、来源广泛等优点, 但其抗压强度低, 破碎率高, 在高闭合压力作用下易降低导流能力;陶粒抗压强度高、破碎率低, 但比重大, 对压裂液要求高;覆膜砂是采用覆膜工艺在石英砂表面包覆一层固态树脂膜制备的支撑剂, 覆膜砂颗粒具有受热不软化、在高闭合压力下有韧性、支撑剂表面光滑圆整、导流
16、能力强、抗破碎能力高、低成本等优点。由于页岩气田主要使用滑溜水作为主压裂液, 滑溜水具有粘度低和携砂性差等, 与覆膜砂两者复配使用能有效对页岩储层进行改造。2.3 连续油管钻磨桥塞压裂施工结束后, 由于在水平井段分段压裂是从第一段压裂结束后通过水力泵送的形式泵送桥塞和射孔工具串进行连作作业20, 通过点火座封桥塞并丢手后进行下一段的射孔及压裂作业, 因此在压裂结束后每个压裂井段之间是通过桥塞进行封隔的, 为了后期的排液测试以及投产, 需要用专门的工具对桥塞进行钻磨作业。连续油管钻磨桥塞是目前页岩气钻磨桥塞的主要工艺技术, 是通过 2“连续油管携带井下钻磨工具串下至第一个桥塞的顶部, 通过地面泵
17、车提供水力动力驱动井下马达旋转带动井下磨鞋高速旋转将钻塞钻磨成碎屑, 并随着连续油管与套管的环空将钻屑上返到地面, 直至最后一个桥塞被钻除的过程。2017 年 9 月, 由中石化石油工程公司的队伍在中国地质调查局鄂阳页 1HF 井成功钻除了 32 支复合桥塞, 创国内页岩气水平井连续油管钻塞数量最多纪录。2.4 试气求产页岩气试气投产是录取压裂井资料、能否获得产能的重要环节, 页岩气井在经过了泵送桥塞和射孔联作、水平井分段压裂及连续油管钻桥塞施工之后, 进入了试气投产阶段。涪陵页岩气田以套管固井为准, 随着页岩气井的不断加深, 试气工艺流程和设备也在不断升级。试气地面设备主要包括:采气和压裂井
18、口、两相分离器、热交换器和锅炉、地面放喷管线、碎屑捕集器、燃烧筒、临界速度流量计、高压法兰管线和节流管汇等。试气投产工序主要包括: (1) 安装采气树及试压; (2) 套管放喷排液; (3) 带压下完井管柱; (4) 油管放喷排液; (5) 测试投产; (6) 地面关井等工序。3 结论与建议1) 页岩气是我国未来清洁能源的重要支撑。随着页岩气勘探开发的不断深入, 通过集中优化资源、科学模式队伍管理和优选现场工具材料有效降低页岩气开发成本是当务之急。2) 随着页岩气井的不断加深, 井深已经从 3 500m 增加到 5 500m 以深, 高温高压高风险不断显现, 这对压裂试气技术装备提出了新的挑战
19、, 如压裂管汇已经从 105MPa 升级到 140 MPa, 建议不断完善压裂试气装备的安全等级, 降低施工风险。3) 现阶段我国页岩气开发可以从两个方面着手:一是优化压裂试气工艺满足数年后可能出现的老井枯竭复产并增加最终产能;二是研究新的压裂试气工艺技术在未来深层页岩气井中得到规模化应用。参考文献1张金川, 薛会, 张德明, 等.页岩气及其成藏机理J.现代地质, 2003, 17 (4) :466. 2李治平, 等.页岩气纳米级孔隙渗流动态特征J.天然气工业, 2012, 32 (4) :50-53. 3董大忠, 邹才能, 杨桦, 等.中国页岩气勘探开发进展与发展前景J.石油钻探技术, 20
20、12, 33 (S1) :107-108. 4邹才能, 董大忠, 王社教, 等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力J.石油勘探与开发, 2010, 37 (6) :641-653. 5董大忠, 邹才能, 李建忠, 等.页岩气资源潜力与勘探开发前景J.地质通报, 2011, 30 (2) :324-336. 6陈勉, 葛洪魁, 赵金洲, 等.页岩油气高效开发的关键基础理论与挑战J.石油钻探技术, 2015, 43 (5) :7-14. 7黄玉珍, 黄金亮, 葛春梅, 等.技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键J.天然气工业, 2009, 29 (5) :7-10. 8EIA.Shale ga
21、s and the outlook for U.S.natural gas markets and global gas resourcesJ/OL.2011.https: 9EIA.World shale gas resources:an initial assessment of 14regions outside the United StatesJ/OL.2011.http:www.stop-gaz.fr/pdf/rap/eia.pdf. 11郑军卫, 孙德强, 李小燕, 等.页岩气勘探开发技术进展J.天然气地球科学, 2011, 22 (3) :511-517. 12张大伟.加快中国
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