压裂技术为油气开发带来了什么(图)

　　[中国石油报2013-08-15]

　　编者按：

　　目前，储层品质由相对优质化向劣质化转变已经不是一个区域、一个油田的问题，而是中国乃至全球油气田开发共同面临的难题。

　　低渗透、超低渗透油气储量正成为我国各主力油田的上产主体。如何可持续地把巨大的油气资源从难动用储层里“挤”出来？以压裂为核心的储层改造技术大显身手。同时，世界在页岩气、致密油气等非常规油气储量上寻求突破的迫切需求，也使压裂技术的地位与日俱增，作用日益凸显。

　　7月底，陕西定边，国内首创丛式水平井工厂化大型体积压裂施工在这里启动。同一井场上，14辆主压车对6口丛式水平井同时展开工厂化大型体积压裂。一系列新技术和新工艺在这场效率高、速度快、规模大的工厂化压裂施工中的应用，标志着中国石油致密油气勘探开发获得新突破。

　　在地球另一端，美国国内致密油产量正在以惊人的速度远超其他国家，最大“功臣”正是用于开采页岩气的水力压裂技术。先进的储层改造技术给美国石油业带来了意想不到的繁荣，并深刻改变着世界能源供需的格局。

　　“三维地震和水平井压裂是目前油气勘探开发的两大‘撒手锏’技术。”勘探开发研究院副院长兼总地质师邹才能介绍。前者负责准确预测地下油气目标。后者则负责压开地下目标形成空间裂缝，提高油气层流动能力，是实现油气田经济规模开发的一柄利剑。

　　现状：技术进步支撑油田上产

　　时势造英雄。我国复杂、多样的油藏为压裂技术进步提供了土壤，中国石油油气生产和工程技术服务企业立足油田，开展了卓有成效的压裂技术攻关，形成了各具特色的压裂技术，为油气增储上产提供了技术保障。

　　在大庆油田，致密薄互层水平井压裂技术推进了大庆油田4000万吨持续稳产；在长庆油田，直井多级压裂、水平井分段压裂等技术的大规模应用，使“井井有油、口口不流”的“三低”油气藏不再“沉默”，产量箭头持续向上，“西部大庆”呼之欲出；在吉林油田，套管内封隔器滑套分段压裂技术可一次性射开多个层段，已有400多口井现场应用，黑H平2井分压已达15段，为吉林油田扶杨油层有效开发动用提供了重要技术支撑；在塔里木油田，诞生了库车凹陷超7000米超深层高压致密砂岩气工业化压裂技术；在西南油气田，压裂技术推动了“三高”油气藏的有效开发。

　　从1955年玉门油田进行首口单井压裂施工到目前的大规模水平井分段、体积压裂施工；从常规小规模加砂压裂到如今的平台式多井工厂化压裂；从“百方砂、千方液”的单井次施工规模发展到“千方砂、万方液”，50多年的时间，中国石油的压裂技术实现了长足进步和革命性突破，成长之路走得稳、走得快。

　　封隔器滑套分段压裂示意图

　　追赶：技术研发考验重重

　　虽然我国在直井分层压裂、水平井分段压裂等关键技术攻关方面取得较大进展，但是与国际先进水平相比还存在一定差距。这使我国储层改造技术研发与应用之路任重道远。

　　目前，我国低渗透致密砂岩储层的超深井压裂已经超过7000米，碳酸盐岩储层酸压及水力压裂也超过5000米，施工压力达到130兆帕，地层温度不断升高，达到目前的200摄氏度，有效动用储量下限也在不断延伸，储层渗透率不断下降。储层改造对象越来越复杂，对压裂设备、井下工具、压裂酸化材料等提出更高要求。这些都意味着储层改造技术需要不断挑战极限。

　　同时，我国致密砂岩油气具有明显的多薄层特点，储层改造技术的研究思路及改造模式需要从低渗走向致密。这对如何实施细分小层压裂提出了新的挑战。连续油管水力喷射分层压裂技术在我国尚未成为主流技术，多分支井及多分支水平井分段压裂也刚刚起步。

　　由于无水压裂技术在世界上还处于试验阶段，压裂施工大多为大规模水力压裂。根据美国生产实践，页岩气压裂单井所需水资源超过1万立方米，特别是随着水平段长度与分段压裂分段级数的增加，用水量在较短时间内大幅增长。水资源的大量消耗以及对当地水生生物、捕鱼业、城市和工业用水带来的影响，使水力压裂成为一柄双刃剑。

　　正因如此，一些环保组织和政府机构对采用大规模水力压裂开发页岩气提出抗议，以法国为代表的一些欧洲国家甚至颁布法律，禁止采用大规模压裂开采页岩气，并取消了多个页岩气项目。

　　此外，与国外相比，我国在低成本高效压裂液、无限制选择性压裂工具等方面还存在较大发展空间。我国的分段压裂分段级数较少，国外已超过50段。

　　中国石油10段以上分段压裂井数量

　　未来：技术发展不走常规路

　　压裂技术的发展方向在哪里？什么样的储层更适合体积改造技术？储层改造究竟要达到什么程度？用什么液体和工具压裂效果更好？如何实现压裂效果与环保的双赢……一个个问题的解决，将推动储层改造技术的进步以及难动用储层和非常规油气资源的有效开发。

　　经验值得借鉴，理念需要创新。邹才能认为：“我国油气藏类型很多，岩性不同、厚薄不同、含水不同，压裂技术就不一样。压裂技术的发展不能完全照搬国外模式，要有自己的非常规思路、非常规技术、非常规管理作为支撑。”

　　理论和工艺的创新以及综合系统研发能力的提高，是目前中国压裂技术亟待解决的首要问题。在借鉴国外先进技术的同时，应系统总结国内储层改造技术特色，研究出真正适合我国实际情况的压裂技术体系。“这就需要各大油气生产企业进一步加强与工程技术研究单位的结合，实现共同规划、共同研究、共同设计。各企业之间加强交流合作，实现资源共享、成果共享、效益共享。”工程技术分公司副总经理赵业荣指出。

　　高效益、低成本、环境友好型压裂技术是未来重要发展方向。例如，已开始试验的高速通道压裂、体积改造、无水压裂、平台式多井工厂化压裂等技术。同时，连续油管压裂、小井眼压裂等现有压裂技术需要不断发展与融合，还要发展针对不同岩石特性的压裂液体系及配套技术。压裂装备应向大功率化、模块化、小型化等方向发展，不但能够减少设备使用数量，从而大幅缩小土地占用面积，而且便于在复杂地表条件下进行压裂施工。压裂工具应向超长水平段分段压裂工具、选择性分段压裂工具等方向发展。压裂液则可向低成本、无害化、可回收等方向发展，在实现压裂效果最大化的同时，对环境的影响降到最小。

　　“平台式多井工厂化压裂作业是重大创新，对整个石油工业发展具有革命性意义，需要建立常规与非常规油气协同发展的新模式。”邹才能说。

　　中国石油水平井分段压裂数量

　　【专家访谈】

　　压裂技术进步将促进储层有效开发

　　——访中国石油大学（华东）石油工程学院副教授温庆志

　　1.目前中国现有压裂技术能否满足低品位油藏开发需要？

　　近年来，我国的压裂技术得到快速发展，特别是水力压裂技术进步尤为明显。主要体现在压裂理论、压裂工艺、施工材料、施工设备以及井下工具等领域。此外，压裂技术在非常规油气储层的应用，比如页岩气、致密砂岩、煤层气等也取得了很大进步。这些进步，为我国低渗透油气藏以及非常规油气储层的压裂改造奠定了良好基础。在不断完善和发展现有压裂技术的前提下，同时引进、吸收和消化国外先进技术，可为我国低渗透油气藏以及非常规油气储层的压裂改造提供可靠保证。

　　2.压裂技术将在中国今后油气开发中发挥什么作用？

　　压裂技术在油气开发过程中发挥越来越重要的作用。压裂过去是作为油井增产、水井增注的一项技术措施出现的，现在已发展成一项开发技术。例如整体压裂技术，不仅要考虑单井的增产增注问题，而且要考虑提高整个区块和油田的采收率。低渗透、超低渗透油气藏的开发以及页岩等非常油气资源的开发，更离不开水力压裂技术。从某种意义上讲，水力压裂在油气田开发过程中所起的作用会越来越大，甚至在一些储层开发中将起主导作用。

　　3.如果压裂技术有较大突破，将对中国油气生产带来什么影响？

　　压裂技术的不断进步和发展，提高了油气产量，而且也使更多的油气资源得到有效开发。比如超低渗油气藏、页岩储层（渗透率为纳达西级别），过去没有很好的技术手段，基本上没有得到有效开发。现在压裂技术进步了，新的理论和技术不断出现，例如水平井分段压裂技术、体积改造技术等，这类储层也逐渐得到有效开发。因此，随着压裂技术的不断进步，不仅能大幅提高传统油气的产量，而且可能在页岩气储层、致密砂岩等非常规储层获得突破，进一步丰富我国油气资源的来源。

　　4.中国压裂技术与国外先进技术的差距在哪？

　　近年来，我国压裂技术得到迅猛发展，水力压裂技术为我国低渗透油气资源的开发做出了重要贡献。与国外先进技术相比，我国的压裂技术在某些领域还存在一定差距，比如在压裂新理论、新材料等领域。加强压裂技术基础理论、新工艺和新型材料的研究，是进一步提高我国水力压裂技术的重要方向。（记者刘爽）

　　【延伸阅读】

　　压裂技术的前世今生

　　1947年，美国Stanolind石油天然气公司在堪萨斯州西南部的Hugoton油田进行了首次水力压裂试验。此后，这种油气藏增产技术被广泛采用，成为提高或延长油井产能的重要技术手段。

　　经过60余年的发展，压裂技术从压裂液、支撑剂、压裂工艺到现场应用都有了迅速发展。

　　压裂液从早期的原油、凝胶油、黏性乳化液，发展到目前的水基、油基、酸基、泡沫、乳状压裂液五大类，低、中、高温系列齐全的胍胶有机硼“双变”压裂液体系和清洁压裂液体系。

　　支撑剂从早期以天然石英砂为主，发展到不同强度系列的人造陶粒支撑剂。加砂方式从人工加砂发展到混砂车连续加砂，加砂能力大幅提高。压裂工艺技术从单纯的水力压裂发展到高能气体压裂、震动压裂、爆破压裂和超声压裂等多种类型。

　　压裂规模从小型化向大型化发展，压裂层数从单层向多层发展，压裂井型从直井向水平井发展，形成了直井分层压裂、水平井分段压裂、重复压裂、同步压裂等多种压裂技术及配套工艺，储层改造效果大大加强。应用领域由最初主要用于低渗透油气藏，发展到超低渗-致密储层油气及煤层气、页岩气、页岩油等非常规油气领域。特别是近年来，美国在页岩地层中大规模采用水平井多级压裂，助推了美国的“页岩气革命”。

　　我国1955年在玉门油田进行首口井（老君庙油田N－1井）压裂施工。50多年中，我国的压裂技术得到了长足进步，大致可以分为解堵压裂、单井压裂、整体压裂、开发压裂、直井分层压裂、水平井分段体积压裂六个阶段。目前，我国在体积压裂方面与国外还有一定差距。

　　【技术前沿】

　　高速通道压裂技术（HiWAY）是压裂工艺的革新。脉冲式注入支撑剂，通过纤维改变支撑剂段塞的流变性，延缓支撑剂的分散和沉降，建立起以支撑剂墩柱支撑的非连续铺置的大通道，流体不再流经支撑剂充填层，而是流经由支撑柱形成的通道，消除了支撑剂充填层中存在的多相流、支撑剂破碎、高分子滤饼、凝胶及其他因素影响，大大提升了油气导流能力。这一技术主要是通过提高支撑剂的韧性和圆度、降低支撑剂的破碎和凝胶滞留、改善破胶剂产生裂缝通道，革新了常规水力压裂技术，是一场压裂设计理念的革命。

　　HiWAY压裂与常规压裂比较示意图

　　在常规支撑剂填充层（图左）中，所有支撑剂颗粒都相互接触，流体流动局限于支撑剂颗粒之间的空隙。而不连续支撑剂填充层（图右）由支撑剂聚合块或段组成，形成离散的高速通道网络，允许流体顺利通过。

　　【压裂技术家族】

　　体积改造技术（SRV）：

　　无水压裂技术:连续油管+环空加砂分层压裂技术：套管滑套完井分层压裂技术：

　　是在形成一条或者多条主裂缝的同时，通过分段多簇射孔，高排量、大液量、低黏液体，以及转向材料与技术等应用，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推。这项技术让主裂缝与多级次生裂缝交织形成裂缝网络系统，使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大，使得油气从任意方向的基质向裂缝渗流距离最短，极大地提高储层整体渗透率，实现对储层在长、宽、高三维方向的全面改造。

　　体积改造技术的效果取决于富含脆性矿物的储层、发育良好的天然裂缝和层理、分段多簇射孔技术三个前提条件。

　　无水压裂技术:

　　主要有泡沫压裂、纯气体（二氧化碳/氮气）、液化石油气（LPG）压裂等，目前国外已开始规模试验LPG压裂技术。

　　与传统水基压裂液相比，LPG压裂液能产生更为有效的裂缝导流能力。这项技术不需要消耗水，具有理想的黏度和携砂性能；无水锁、无聚合物残留、无黏土膨胀，压后仅有支撑剂留在地层中，对地层伤害极小；可以极大降低泵送压力，产生较长裂缝；压后不需返排，可直接投产。

　　连续油管+环空加砂分层压裂技术：

　　特别适合对具有多个薄油层或气层的井进行逐层压裂作业，是20世纪90年代以来发展最快的技术之一。

　　这项技术起下压裂管柱快，移动封隔器总成位置快，大大缩短作业时间；能在欠平衡条件下作业，减轻或避免油气层伤害；能使每个小层都得到合理的压裂改造，使整口井的压裂增产效果更好；一次下管柱逐层压裂的层数多，可以多达十几个小层。

　　套管滑套完井分层压裂技术：

　　以斯伦贝谢公司的套管滑套完井分层压裂技术为代表，可以实现直井不限层数的改造。滑套是实现这项技术的核心部件，滑套可以通过投球进行开关，通过投入一系列尺寸不同的球连续地将不同尺寸滑套打开、关闭，实现多个油层生产。

　　这项技术压裂级数不受限制，工序简单高效，标枪可钻、滑套可关，完井周期短，能实现增产措施的正确定位和封隔。

　　水力喷砂压裂技术：

　　是一种集水力喷砂射孔、水力压裂和水力隔离等多种工艺于一体的新型水力压裂技术。

　　水力喷砂压裂技术不用封隔器与桥塞等隔离工具实现自动封隔。一方面先进行水力喷砂射孔，在地层中形成孔洞，接着提高排量，高速流体直接作用于孔洞底部，产生高于地层破裂压力的压势，使地层发生破裂形成裂缝；另一方面高速射流在孔眼的上下部井眼中产生负压，形成隔离，达到分段压裂施工的目的。通过拖动管柱，将喷嘴放到下一个需要改造的层段，可以依次压开所需改造井段。

　　裸眼封隔器分段压裂技术：

　　是使用一定的裸眼封隔器将水平井段按压裂设计，分为许多不同层段，在每一层段进行单独压裂。这样可以增强压裂目的性，且可使用封隔器隔开地层中的不稳定部分，取得较好压裂效果。这一技术又可以分为逐级上提管柱分段压裂、不动管柱多级分段压裂两种类型。

　　这种方法可以保证分段压裂的针对性，但是工具能否顺利通过弯曲段、压裂后封隔器胶筒回收、管柱卡砂处理等问题是制约因素。

　　限流法分段压裂技术：

　　是通过控制各层的射孔孔眼数及孔眼直径的办法，在大排量供液时，依靠各段射孔数不同产生的摩阻差异，实现一次压裂对最多5个破裂压力相近的油层进行改造。限流法需在完井射孔时按照压裂要求设计射孔方案，包括孔眼位置、孔眼密度及孔径。压裂施工一开始就形成最高压力、最大排量，压裂层段很快相继压开。

　　同步压裂技术：

　　是指对两口及以上有一定距离的井，采用两套甚至多套车组同步压裂施工，或采用一套车组进行两口井配合射孔等交叉施工、交叉压裂。

　　同步压裂大多是在相近或相同的深度，沿着最小主应力方向钻进的水平井中相对井段进行同时压裂，通常先在分支端部同时压裂，然后从端部到根部多级依次同步压裂，目的是通过利用裂缝周围的张性应力区域，使邻井诱导水力裂缝充分接近。

　　同步压裂的操作效率很高。相对常规单井压裂来说，同步压裂能让被压裂的两口井裂缝都能达到最大化。

　　平台式多井工厂化压裂技术:

　　这项技术将单井压裂与丛式水平井结合，按工厂流水线、批量化生产模式进行压裂施工，可以实现一个平台井场控制范围内地层整体压裂形成更加复杂的裂缝网络系统，还可以大幅度降低成本，将成为未来非常规油气资源实现经济有效开发的核心技术。