雷群，管保山，才博，王欣，胥云，童征，王海燕，付海峰，劉哲，王臻

（1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣藏改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065007；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

1947年石油行業(yè)第1次嘗試水力壓裂儲(chǔ)集層改造獲得成功，從此儲(chǔ)集層改造作為一項(xiàng)持久發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，經(jīng)歷了70多年的發(fā)展歷史[1-3]。儲(chǔ)集層改造技術(shù)從基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)研究到裝備、工具、材料、軟件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐等都取得了迅猛的發(fā)展，并已與鉆井工程、地球物理勘探并列為勘探開(kāi)發(fā)三大關(guān)鍵工程技術(shù)[4]。特別是近年來(lái)，在全球進(jìn)入非常規(guī)油氣、難動(dòng)用儲(chǔ)量開(kāi)發(fā)時(shí)代的背景下，北美通過(guò)水平井多段改造技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，引發(fā)了“頁(yè)巖氣”和“致密油”的革命性突破，鉆完井與儲(chǔ)集層改造技術(shù)協(xié)同發(fā)展，納達(dá)西級(jí)滲透率儲(chǔ)集層均可得到有效動(dòng)用和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)，使得許多傳統(tǒng)的勘探禁區(qū)成為現(xiàn)實(shí)目標(biāo)，改變了全球能源格局[5-8]。儲(chǔ)集層改造技術(shù)目前是中國(guó)石油上游業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)低成本戰(zhàn)略、提高單井產(chǎn)量、有效動(dòng)用低品位儲(chǔ)量的關(guān)鍵技術(shù)。

本文通過(guò)追溯儲(chǔ)集層改造技術(shù)的發(fā)展歷史，總結(jié)儲(chǔ)集層改造技術(shù)的核心要素，分析國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)集層改造的技術(shù)特征，系統(tǒng)地闡述了儲(chǔ)集層改造技術(shù)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由直井到水平井分段壓裂，由傳統(tǒng)解堵壓裂到低滲透及非常規(guī)儲(chǔ)集層高效改造的三大變革。同時(shí)通過(guò)全面分析、總結(jié)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)集層改造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比、借鑒北美同類技術(shù)，精準(zhǔn)定位中國(guó)儲(chǔ)集層改造技術(shù)的現(xiàn)狀，剖析儲(chǔ)集層改造技術(shù)整體發(fā)展趨勢(shì)，為中國(guó)未來(lái)將長(zhǎng)期面對(duì)低滲、深層、海洋、非常規(guī)等為主體資源的油氣開(kāi)發(fā)提供儲(chǔ)集層改造需求方面的借鑒。

1 儲(chǔ)集層改造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展歷程

國(guó)外儲(chǔ)集層改造技術(shù)發(fā)展主要可概括為4個(gè)階段：①直井常規(guī)壓裂階段（1980年以前），主要以單層適度規(guī)模壓裂、解除地層污染為主[9]；②直井大型壓裂階段，為滿足北美致密氣壓裂需求，20世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)Wattenberg氣田開(kāi)展了大型壓裂技術(shù)攻關(guān)，加砂量100 m3以上，壓后縫長(zhǎng)400～600 m，壓后穩(wěn)產(chǎn)（2.0～3.5）×104m3/d[10]；③直井分層壓裂階段，以美國(guó)大綠河盆地Jonah氣田多級(jí)壓裂技術(shù)為代表，壓裂3～6層（段），縱向改造程度為常規(guī)分壓的2倍，產(chǎn)量較常規(guī)壓裂增加90%以上[11]；④水平井分段壓裂階段（2000年至今），為滿足致密油氣儲(chǔ)集層改造的需求，發(fā)展了水平井分段壓裂技術(shù)，并通過(guò)作業(yè)井?dāng)?shù)的規(guī)模化、批量化實(shí)現(xiàn)高效的工廠化壓裂，平臺(tái)布井從2011年8～16口上升到24～40口，如Marcellus的Cogar平臺(tái)達(dá)40口井、Encana公司在二疊盆地的超級(jí)平臺(tái)達(dá)64口井[12-14]。水平井分段壓裂技術(shù)引發(fā)了北美頁(yè)巖油氣二次革命，至2017年底，美國(guó)致密油年產(chǎn)量2×108t，頁(yè)巖氣年產(chǎn)量達(dá)4 200×108m3。

1955年中國(guó)在玉門油田嘗試壓裂的第1口井獲得成功，隨后經(jīng)60多年的發(fā)展完善，儲(chǔ)集層改造技術(shù)基本滿足了中國(guó)石油工業(yè)發(fā)展的需求。同樣可具體概括為4個(gè)階段：①“八五”以前，主要為單井小規(guī)模改造，如玉門老君廟N-1井采用300型水泥車，以30 m3原油為壓裂液，加入0.5 m3石英砂，施工排量0.2 m3/min，壓后獲15.4 t/d的工業(yè)油流，開(kāi)啟了中國(guó)儲(chǔ)集層改造的新紀(jì)元；②“八五”至“十五”期間，為解決低滲透油藏人工裂縫與開(kāi)發(fā)井網(wǎng)的匹配問(wèn)題，形成了水力裂縫與開(kāi)發(fā)井網(wǎng)優(yōu)化組合的整體壓裂系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)[15-16]，如吐哈鄯善低滲透油田首次開(kāi)展整體壓裂實(shí)踐，促進(jìn)了吐哈油田100×104t產(chǎn)能的快速建成，長(zhǎng)慶靖安油田ZJ60開(kāi)發(fā)壓裂先導(dǎo)試驗(yàn)56口井，與鄰區(qū)相比，單井日產(chǎn)量平均提高1.7倍，采出程度提高7%，成為常規(guī)低滲透油藏產(chǎn)能建設(shè)的必備技術(shù)之一；③2000—2015年，針對(duì)低品位儲(chǔ)集層，開(kāi)展以復(fù)雜縫網(wǎng)為目標(biāo)的體積壓裂技術(shù)攻關(guān)[17-21]，以長(zhǎng)水平井段（大于1 000 m）、千方砂、萬(wàn)方液為標(biāo)志，助推了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通頁(yè)巖氣田商業(yè)開(kāi)發(fā)，使中國(guó)成為繼美國(guó)、加拿大之后第3個(gè)掌握頁(yè)巖氣成套工程技術(shù)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)的國(guó)家；④2015年至今，提出了縫控儲(chǔ)量改造的新技術(shù)[22]，將某一井控目標(biāo)區(qū)域劃分成若干單元，每個(gè)單元部署1組或多組相互連通的復(fù)雜裂縫，通過(guò)這組裂縫（縫網(wǎng)）控制和采出該單元內(nèi)的油氣儲(chǔ)量，大幅度降低井間平面范圍或?qū)娱g縱向范圍內(nèi)的“空白油氣區(qū)域”，油氣得到有效控制和采出，如2017年以來(lái)，新疆瑪湖砂礫巖儲(chǔ)集層采用該技術(shù)平均單井日產(chǎn)油提高到26 t，推動(dòng)了瑪湖致密油規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。

1.2 儲(chǔ)集層改造技術(shù)主要進(jìn)展

近幾年，儲(chǔ)集層改造技術(shù)主要在裂縫擴(kuò)展、全三維軟件及裂縫評(píng)估、大功率連續(xù)作業(yè)裝備、高效多段分壓工具、多功能及低成本材料、信息化及遠(yuǎn)程決策方面取得了突出進(jìn)步。

1.2.1 裂縫起裂模型及擴(kuò)展理論

水力壓裂理論模型發(fā)展于20世紀(jì)50年代，裂縫擴(kuò)展理論研究經(jīng)歷了從二維模型（PKN、KGD、徑向模型）到擬三維、全三維模型等過(guò)程[23]。以2004年Yamamoto等[24]開(kāi)發(fā)的全三維模型為代表，該模型建立了裂縫張性、剪切破壞及張-剪復(fù)合型破壞準(zhǔn)則，基于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)理論，采用包括有限元、擴(kuò)展有限元、不連續(xù)位移等方法模擬裂縫非平衡、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模式，可模擬水力裂縫與不同天然裂縫的接觸角、水平應(yīng)力差、裂縫膠結(jié)強(qiáng)度下的相互作用關(guān)系，并研究多條非平面裂縫的相互作用。其中離散裂縫網(wǎng)絡(luò)（DFN)、正交線網(wǎng)（Wire-Mesh Model）、非常規(guī)裂縫（UFM）等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫擴(kuò)展模型也在逐漸完善中，因此全三維模型可有效模擬非常規(guī)儲(chǔ)集層水力壓裂中天然裂縫及儲(chǔ)集層多段、多簇射孔的裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展行為，為非常規(guī)儲(chǔ)集層改造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新理論。

在裂縫擴(kuò)展物理實(shí)驗(yàn)研究方面，大型巖石人工裂縫物理模擬方法是直接掌握裂縫擴(kuò)展動(dòng)態(tài)特征、直觀分析裂縫形態(tài)的新興關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外早期的裂縫擴(kuò)展裝置的巖心尺寸為30 mm×30 mm×30 mm，測(cè)試巖心尺寸較小，加壓條件低，同時(shí)受邊界效應(yīng)影響明顯。2010年，Terretak公司提出一套1.0 m見(jiàn)方大巖塊全三維應(yīng)力加載水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝備（見(jiàn)圖1）。該套物模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大加載壓力69 MPa，最大應(yīng)力差14 MPa，巖樣尺寸762.0 mm×762.0 mm×914.4 mm，最大中心孔眼尺寸125 mm，孔隙壓力20 MPa，最大井眼流量12 L/min。同時(shí)具有24路傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[25-26]，裂縫的形態(tài)可通過(guò)實(shí)時(shí)聲波檢測(cè)。目前已經(jīng)完成了砂巖、煤巖、頁(yè)巖等共計(jì)50余塊巖心的大型物模實(shí)驗(yàn)，探索了頁(yè)巖脆性、地應(yīng)力差異、弱面（天然裂縫、層理）、施工縫內(nèi)凈壓力（與液體黏度、注入速率有關(guān)）對(duì)縫網(wǎng)形成的影響，同時(shí)初步研究了地應(yīng)力差異、誘導(dǎo)應(yīng)力、復(fù)合壓裂、暫堵轉(zhuǎn)向壓裂等對(duì)致密砂巖裂縫復(fù)雜化的影響程度，有力支撐了復(fù)雜裂縫（網(wǎng)縫）壓裂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也為復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模型研究奠定了基礎(chǔ)。

圖1 大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝備

1.2.2 儲(chǔ)集層改造模擬軟件及裂縫評(píng)估

壓裂設(shè)計(jì)軟件基本可以分為2大類：①傳統(tǒng)壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，基本功能包含一維分層建模、壓裂設(shè)計(jì)、酸壓設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單產(chǎn)能模擬、測(cè)試壓裂分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等。該類軟件基本以國(guó)外引進(jìn)為主，例如FracPro、Gohfer、StimPlan、Meyer等。②地質(zhì)工程一體化軟件，在非常規(guī)儲(chǔ)集層復(fù)雜地質(zhì)、非平面網(wǎng)絡(luò)裂縫擴(kuò)展等特殊條件下，只有強(qiáng)化地質(zhì)-工程有機(jī)結(jié)合才能更好地發(fā)揮儲(chǔ)集層改造的效果，因此近期國(guó)外在常規(guī)軟件基礎(chǔ)上，發(fā)展了地質(zhì)-工程一體化軟件，具備復(fù)雜的三維地質(zhì)建模、天然裂縫建模、地應(yīng)力建模、壓前評(píng)價(jià)、壓裂設(shè)計(jì)、微地震解釋、產(chǎn)能模擬（油藏?cái)?shù)值模擬）和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等一體化工作流功能。其建模功能、產(chǎn)能模擬功能較傳統(tǒng)壓裂軟件更先進(jìn)，與地質(zhì)和油藏工程結(jié)合更緊密。常見(jiàn)軟件有Mangrove、JewelSuite、Fracman等。近年來(lái)中國(guó)多家機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了地質(zhì)-工程一體化軟件的研發(fā)，主要依托研究項(xiàng)目開(kāi)展工作，以全三維雙翼對(duì)稱裂縫擴(kuò)展、單井產(chǎn)能模擬、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)3個(gè)模塊為主。

隨著非常規(guī)儲(chǔ)集層的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，微地震監(jiān)測(cè)、微變形測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)、分布式光纖溫度測(cè)試、噪音測(cè)試等各種新型的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷推出，其中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“頁(yè)巖氣革命”3大核心技術(shù)之一。微變形測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)采用微變形測(cè)斜儀，可建立注容比、體積分量差異率、裂縫復(fù)雜指數(shù)3個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水平、垂直裂縫的有效區(qū)分，為非常規(guī)儲(chǔ)集層裂縫形態(tài)的刻畫提供了支撐；分布式光纖溫度測(cè)試以及噪音測(cè)試技術(shù)可進(jìn)行流體流動(dòng)監(jiān)測(cè)、流體分布評(píng)價(jià)[27]，該技術(shù)在北美地區(qū)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，而中國(guó)對(duì)該技術(shù)還處于攻關(guān)研究階段。

此外，運(yùn)用示蹤劑法測(cè)量原理，開(kāi)展了示蹤劑測(cè)試優(yōu)化技術(shù)研究，形成了采用示蹤劑評(píng)價(jià)分段產(chǎn)液量貢獻(xiàn)的方法，可用于分析水平井多段改造后裂縫壓開(kāi)程度及壓裂產(chǎn)出效果，進(jìn)而評(píng)價(jià)分段水平井體積改造的整體效果。2013年Ghanbari建立了人工裂縫和基質(zhì)的含鹽濃度與累計(jì)返排量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，得出鹽濃度與人工裂縫寬度的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)人工裂縫、基質(zhì)流動(dòng)與鹽濃度變化特征，建立返排過(guò)程中裂縫寬度的數(shù)學(xué)表征模型，為裂縫復(fù)雜形態(tài)的分析提供新的理論模型與思路[28]；2018年北美又在二疊盆地開(kāi)展了水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)取心試驗(yàn)（HFTS）[29]，該方法通過(guò)在壓裂水平井的鄰井鉆大角度（一般60°，可分析不同井距下裂縫長(zhǎng)度和井間距的關(guān)系）水平井實(shí)現(xiàn)連續(xù)取心，用于在礦場(chǎng)實(shí)踐中監(jiān)測(cè)水力裂縫支撐劑的分布和裂縫擴(kuò)展形態(tài)，評(píng)價(jià)形成裂縫的有效性，分析井間干擾等現(xiàn)象，進(jìn)而指導(dǎo)井間距優(yōu)化、壓裂參數(shù)優(yōu)化等。該方法已成為目前的熱點(diǎn)，中國(guó)的長(zhǎng)慶、吉林、吐哈、新疆等油田正在開(kāi)展該類工作。

1.2.3 大功率連續(xù)作業(yè)裝備

2017年，美國(guó)壓裂車總功率為1 641×107W?；焐败嚪?種：①輸出排量為16 m3/min的混砂車，輸砂能力達(dá)到7.2 t/min；②輸出排量為20 m3/min的混砂車，輸砂能力達(dá)9.5 t/min。2種混砂車均配套了連續(xù)混配系統(tǒng)和連續(xù)供水系統(tǒng)。由于北美地區(qū)高壓力作業(yè)需求較少，壓裂機(jī)型以2300型壓裂車為主。

2017年，中國(guó)壓裂車總功率為239×107W。雖僅為美國(guó)的14.5%，但儲(chǔ)集層改造裝備已向大功率、自動(dòng)化方向快速發(fā)展。目前大規(guī)模應(yīng)用的2500型、3000型系列壓裂泵車及其配套的混砂車、系列管匯、儀表車等設(shè)備[30]，最高耐壓140 MPa，單車最大排出流量16 m3/min，可實(shí)現(xiàn)水、粉料、砂按比例自動(dòng)添加，240桶閉式混砂車最大排量的輸砂能力達(dá)38 m3/min。2015年中國(guó)試驗(yàn)研發(fā)了4500型渦輪式壓裂泵車，相當(dāng)于2500型壓裂車和2000型常規(guī)壓裂車輸出功率的總和。其搭載的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)僅重0.7 t，全車總重和底盤長(zhǎng)度與2000型壓裂車相當(dāng)，十分適合對(duì)分布在崎嶇地帶的頁(yè)巖氣井實(shí)施高難度、高壓大型壓裂作業(yè)。另外為實(shí)現(xiàn)大型壓裂裝備“電代油”、低噪音與節(jié)能環(huán)保的綠色發(fā)展需求，2018年6000型電驅(qū)壓裂泵車也在頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功，噪音由115 dB降到95 dB，預(yù)計(jì)可減少碳排放量100 t/a，應(yīng)用前景廣闊。

塔里木庫(kù)車山前油氣藏埋深超過(guò)7 000 m，為此研發(fā)出7 000 m深層變徑式連續(xù)管作業(yè)配套裝備，提升力達(dá)680 kN，為塔里木超深井的解堵作業(yè)提供了保障。而鄂爾多斯、松遼等盆地的儲(chǔ)集層具有低壓水敏性特點(diǎn)，同樣針對(duì)該儲(chǔ)集層地質(zhì)條件研制出CO2干法壓裂裝備[31]，目前最大單層加砂量達(dá)30 m3，最高砂比達(dá)25%，適用最大井深3 454 m、最高井溫104 ℃。

1.2.4 水平井高效多段分壓工具

在水平井及體積壓裂成為國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)主體技術(shù)的背景下，水平井分段壓裂改造工具逐步向多段、低成本、高效發(fā)展。以中國(guó)為例，經(jīng)過(guò)“十一五”和“十二五”計(jì)劃的持續(xù)攻關(guān)，已經(jīng)形成了多套壓裂工具，并逐步由研發(fā)初期的套內(nèi)封隔器、水力噴砂、裸眼封隔器為主發(fā)展到以速鉆橋塞為主體的新階段，速鉆橋塞分段壓裂工具耐溫120 ℃，耐壓差70 MPa，施工壓力最高90 MPa，可滿足大規(guī)模儲(chǔ)集層改造的要求。至2017年12月底，中國(guó)石油實(shí)施水平井改造累計(jì)達(dá)6 178口井，速鉆橋塞占比達(dá)48.3%（見(jiàn)圖2）。

此外，可溶性球、可開(kāi)關(guān)滑套、單球打開(kāi)多滑套、電控滑套、機(jī)械編碼滑套、平衡滑套、可伸縮式預(yù)制孔道等先進(jìn)壓裂工具也處在攻關(guān)研究階段，這必將進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)水平井分段壓裂技術(shù)的發(fā)展。

圖2 2011—2017年不同水平井改造工藝占比

1.2.5 儲(chǔ)集層改造材料

為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外油氣勘探開(kāi)發(fā)向非常規(guī)、超深與超高溫等儲(chǔ)集層的轉(zhuǎn)變，壓裂液圍繞“低傷害、低成本、可回收、超高溫”方向發(fā)展且進(jìn)展顯著，而支撐劑逐步向石英砂替代陶粒的方向發(fā)展。

①低傷害壓裂液。目前性能優(yōu)良的羥丙基瓜膠、羧甲基瓜膠以及羧甲基羥丙基瓜膠已經(jīng)能夠?qū)⒉蝗芪锖拷档偷?%左右，同時(shí)聚合物清潔壓裂液也取得了明顯進(jìn)展。蘇里格東區(qū)致密氣儲(chǔ)集層具有物性差、孔隙連通性差、儲(chǔ)集層敏感性和吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)以往改造效果不理想主要是因?yàn)轲ね僚蛎浐蜌堅(jiān)挠绊憽?012年段瑤瑤等[32]有針對(duì)性地研制出了新型無(wú)殘?jiān)w維素壓裂液，該體系破膠液表面張力22.68 mN/m，能在2 min內(nèi)達(dá)到其最高黏度的97.5%，基本無(wú)殘?jiān)瑤r心損害率僅為13%，極大降低了對(duì)儲(chǔ)集層和裂縫導(dǎo)流能力的傷害?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井壓后平均日產(chǎn)氣量是鄰井的5倍，為蘇里格致密氣的開(kāi)發(fā)提供了新的高效壓裂液體系。

②低成本、可回收滑溜水。2011年以來(lái)，為滿足致密油氣、頁(yè)巖氣大規(guī)模體積壓裂要求，研發(fā)了低黏、低摩阻、低損害、可回收滑溜水體系。長(zhǎng)慶油田EM30、EM50型滑溜水體系得到廣泛應(yīng)用，在0.03%～0.08%濃度下液體的摩阻降低率可達(dá)70%～80%[33]?；锼部蛇m應(yīng)塔里木超深、高溫、高壓儲(chǔ)集層的壓裂需求。

③超高溫壓裂液。目前中國(guó)壓裂施工最高溫度達(dá)210 ℃，楊振周等[34]、Wang等[35]通過(guò)聚合物壓裂液耐溫機(jī)理及流變性研究，合成耐溫能力達(dá)到230 ℃的聚合物壓裂液，濃度為0.6%的聚合物交聯(lián)凍膠在溫度230 ℃、170 s-1條件下剪切2 h后黏度仍保持為170 mPa·s（見(jiàn)圖3）。該壓裂液體系應(yīng)用于渤海灣盆地牛東深層，壓后獲得日產(chǎn)油60 m3、日產(chǎn)氣10.3×104m3、降低經(jīng)濟(jì)成本45.6%的良好效果，對(duì)推動(dòng)渤海灣盆地及中國(guó)深層勘探具有里程碑意義[36]。另外深層儲(chǔ)集層具有高溫的同時(shí)還伴隨著高破裂壓力的問(wèn)題，面對(duì)塔里木7 000 m超深、高壓、高應(yīng)力儲(chǔ)集層，提高壓裂液密度是降低井口施工壓力的有效方法。程興生等[37]研發(fā)出添加KCl、NaNO3的有機(jī)硼壓裂液加重體系，密度分別為1.15，1.35 g/cm3，NaNO3加重壓裂液體系耐溫160 ℃。該壓裂液加重體系在塔里木油田成功應(yīng)用26井次，最大改造深度7 430 m（克深13井），成本比溴鹽加重體系降低400×104元/井。

近期，支撐劑的研究及應(yīng)用以石英砂替代陶粒為主，大幅降低壓裂材料的費(fèi)用。2014年以來(lái)，北美增加石英砂在壓裂施工中所占比例，有效降低了成本，推動(dòng)了低油氣價(jià)條件下頁(yè)巖油氣的效益開(kāi)發(fā)[38]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年北美石英砂的用量比例已超過(guò)90%（見(jiàn)表1），當(dāng)年需求量高達(dá)1.0×108t。北美11個(gè)常規(guī)油氣主要盆地中，二疊盆地用砂量最大，單季度超過(guò)360×104t，預(yù)計(jì)年用量將超過(guò)1 500×104t。小粒徑石英砂成為主流：二疊盆地0.150 mm（100目）壓裂砂用量從2015年開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位；2016年已超過(guò)50%；0.425～0.850 mm（20～40目）的壓裂砂占比急劇降低。

圖3 230 ℃超高溫壓裂液體系流變特性曲線

表1 北美地區(qū)石英砂用量統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)Bakken油田頁(yè)巖氣井累計(jì)產(chǎn)量可知，采用100%石英砂、55%覆膜石英砂+45%石英砂、55%陶粒+45%石英砂3種支撐劑壓裂施工，其中采用55%覆膜石英砂+45%石英砂支撐劑施工的井初期產(chǎn)量最大。生產(chǎn)1年后，3種支撐劑施工的井產(chǎn)量逐步趨于穩(wěn)定，并較為接近，說(shuō)明使用陶粒支撐劑裂縫導(dǎo)流能力較高，但成本高；使用石英砂支撐劑裂縫導(dǎo)流能力雖然較低，但成本低，同樣可以滿足頁(yè)巖氣井長(zhǎng)期生產(chǎn)的需求。

中國(guó)目前使用的支撐劑仍以陶粒為主，石英砂為輔，借鑒美國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)，正在開(kāi)展石英砂的評(píng)價(jià)和篩選工作，并在西南的頁(yè)巖氣區(qū)、新疆和鄂爾多斯的致密油區(qū)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。西南頁(yè)巖氣2個(gè)平臺(tái)的典型井應(yīng)用效果表明，將石英砂比例從約30%提高到70%～80%，單段產(chǎn)氣量無(wú)明顯變化[39]。新疆瑪湖油田在風(fēng)南4等區(qū)塊實(shí)施9口水平井的石英砂替代陶粒試驗(yàn)，結(jié)果表明在生產(chǎn)制度相近的情況下，采用石英砂替代陶粒，兩者日產(chǎn)油量基本相當(dāng)，但成本降低了20%～30%，效果十分明顯。

1.2.6 儲(chǔ)集層改造數(shù)據(jù)信息化及遠(yuǎn)程決策

隨著國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)集層改造井?dāng)?shù)的爆發(fā)性增加，建立了大數(shù)據(jù)、云處理等信息化平臺(tái)，及時(shí)掌握和分析壓裂動(dòng)態(tài)及效果。2011年美國(guó)水資源保護(hù)協(xié)會(huì)（GWPC）創(chuàng)建了FracFocus數(shù)據(jù)庫(kù)[40-41]，第1批有17家公司上傳了444口井壓裂數(shù)據(jù)，通過(guò)逐步完善目前已發(fā)展到3.0版。其中的化學(xué)試劑、添加劑數(shù)據(jù)庫(kù)（CAS），要求石油公司必須將壓裂過(guò)程中的化學(xué)添加劑情況實(shí)時(shí)上傳至該系統(tǒng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)向公眾發(fā)布（見(jiàn)圖4），便于用戶隨時(shí)調(diào)用。該系統(tǒng)已收集了美國(guó)本土超過(guò)600家石油公司、5.5×104口井的壓裂數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)平臺(tái)的共享。

圖4 美國(guó)FracFocus數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展歷程

國(guó)際大型石油公司正在大力研發(fā)遠(yuǎn)程控制專家決策平臺(tái)（RTOC），并取得初步成效。如殼牌公司在俄羅斯實(shí)現(xiàn)了莫斯科、薩雷姆等4個(gè)地點(diǎn)的遠(yuǎn)程協(xié)同工作，隨時(shí)對(duì)壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指揮操作[42]。中國(guó)也逐步開(kāi)展了信息化建設(shè)工作，中國(guó)石油建立了采氣工程與地面工程生產(chǎn)運(yùn)行管理和決策支持系統(tǒng)，具有管理規(guī)范、統(tǒng)一、高效、安全等特點(diǎn)，下屬部分企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始了遠(yuǎn)程控制專家決策平臺(tái)的建設(shè)。

1.3 儲(chǔ)集層改造技術(shù)應(yīng)用成效

近10年來(lái)，中國(guó)石油每年新鉆井約1.6×104口，超過(guò)70%的井需進(jìn)行儲(chǔ)集層改造，2000年至今，累計(jì)改造超過(guò)22×104井次，儲(chǔ)集層改造工作量保持在1.5×104井次/a。儲(chǔ)集層改造技術(shù)的快速發(fā)展，有力推動(dòng)了中國(guó)低滲透、頁(yè)巖氣、致密油、深層4大領(lǐng)域油氣資源的勘探和油（氣）產(chǎn)量的飛躍發(fā)展：①有效支撐了長(zhǎng)慶5 000×104t大油氣田的建成，目前已具備年產(chǎn)2 500×104t原油、350×108m3天然氣的生產(chǎn)能力；②高效建成了中國(guó)川渝地區(qū)首個(gè)頁(yè)巖氣基地，使中國(guó)成為繼美國(guó)、加拿大之后第3個(gè)掌握頁(yè)巖氣成套工程技術(shù)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)的國(guó)家；③快速推進(jìn)了新疆準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖10×108t級(jí)大油田的勘探發(fā)現(xiàn)，為新疆地區(qū)5 000×104t上產(chǎn)提供了重要支撐；④確保了塔里木、四川盆地兩個(gè)300×108m3深層大氣田的持續(xù)勘探發(fā)現(xiàn)與高效開(kāi)發(fā)。

2 儲(chǔ)集層改造技術(shù)發(fā)展方向

2.1 儲(chǔ)集層改造面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外油氣資源勘探開(kāi)發(fā)逐步向非常規(guī)油氣、高溫、深層等領(lǐng)域發(fā)展，儲(chǔ)集層改造是油氣勘探開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。新的領(lǐng)域中，該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)、難點(diǎn)更復(fù)雜：①面對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)集層（致密油、頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等）的復(fù)雜地質(zhì)條件，必須進(jìn)一步提高儲(chǔ)集層改造工程的品質(zhì)，進(jìn)一步推進(jìn)地質(zhì)與工程一體化的深度融合，才能有效提高改造效果，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)；②非常規(guī)儲(chǔ)集層中采用水平井體積改造，多裂縫的擴(kuò)展形態(tài)及影響因素目前認(rèn)識(shí)不清，特別是多條裂縫受天然裂縫的弱面、應(yīng)力、水平兩向應(yīng)力差等的影響，裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究需要進(jìn)一步深化，模擬方法需要改進(jìn)；③在低成本、環(huán)保的大環(huán)境下，目前降本空間在變小，環(huán)保壓力越來(lái)越大，石英砂替代陶粒支撐劑形成商業(yè)化應(yīng)用仍需開(kāi)展理論研究和大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；④高含水后期穩(wěn)油控水工藝、原位支撐等新技術(shù)缺乏室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝備；⑤以瓜爾膠、聚合物為主體的壓裂液材料環(huán)保仍存在技術(shù)難題，滑溜水在頁(yè)巖中的吸附傷害及控制[43]、超深超高溫（8 000 m、200 ℃）壓裂液體系的抗高溫-交聯(lián)-破膠等關(guān)鍵技術(shù)還需大力攻關(guān)；⑥工廠化壓裂目前設(shè)備功效低、作業(yè)周期長(zhǎng)。如頁(yè)巖氣工廠化壓裂作業(yè)時(shí)效為每12 h完成2～3段，壓裂周期平均30 d，時(shí)效已提高超過(guò)1倍，但設(shè)備噪音大、作業(yè)功率低；⑦儲(chǔ)集層改造大數(shù)據(jù)、云處理信息化數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)剛起步，存在數(shù)據(jù)采集難、共享基礎(chǔ)薄弱等問(wèn)題，同時(shí)全過(guò)程遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送-接受、壓裂動(dòng)態(tài)效果分析、系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)的兼容性均有許多問(wèn)題亟待解決。

2.2 國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)集層改造技術(shù)的差距

非常規(guī)儲(chǔ)集層地質(zhì)甜點(diǎn)、力學(xué)特征、礦物組分、敏感性等方面與常規(guī)儲(chǔ)集層相比具有較大的特殊性，從理論研究、軟件研發(fā)、壓裂裝備研發(fā)、支撐劑選擇等幾個(gè)方面對(duì)比，中國(guó)與國(guó)外同類技術(shù)均存在一定的差距：①儲(chǔ)集層改造裂縫擴(kuò)展機(jī)理，國(guó)外主要考慮多場(chǎng)耦合、多裂縫擴(kuò)展模型，中國(guó)則多以簡(jiǎn)化的模型為主，兼顧多場(chǎng)耦合因素；②中國(guó)軟件整體以引進(jìn)為主，自主研發(fā)了產(chǎn)能預(yù)測(cè)、支撐劑優(yōu)選、多層多段裂縫優(yōu)化等軟件模塊，但其穩(wěn)定性、功能性、可持續(xù)開(kāi)發(fā)性仍不完善，同時(shí)與地質(zhì)結(jié)合不夠緊密，商業(yè)化程度低，后期持續(xù)升級(jí)完善工作仍較薄弱；③國(guó)產(chǎn)壓裂車裝備目前基本可以滿足生產(chǎn)需求，但核心部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤）仍以進(jìn)口為主，新型環(huán)保高效的雙燃料驅(qū)動(dòng)（或電驅(qū)動(dòng)）、橇裝式、智能化壓裂設(shè)備的研發(fā)目前處于探索、嘗試階段；④工具的耐高溫、耐高壓、多次使用和成熟配套與國(guó)外相比也有一定差距；⑤石英砂替代陶粒已證實(shí)可大幅降低成本并可滿足生產(chǎn)需求，但有關(guān)這方面的基礎(chǔ)研究需要加強(qiáng)；⑥儲(chǔ)集層改造大數(shù)據(jù)、云處理信息化數(shù)據(jù)庫(kù)及遠(yuǎn)程決策系統(tǒng)與北美更是存在明顯的差距。

2.3 未來(lái)主要技術(shù)發(fā)展方向

為實(shí)現(xiàn)“中國(guó)國(guó)內(nèi)原油穩(wěn)產(chǎn)2×108t，天然氣快速發(fā)展”的重要目標(biāo)，結(jié)合未來(lái)中國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)集層對(duì)象、儲(chǔ)集層改造的技術(shù)需求，經(jīng)梳理儲(chǔ)集層改造現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)及差距，認(rèn)為中國(guó)儲(chǔ)集層改造技術(shù)今后的工作重點(diǎn)應(yīng)集中在非常規(guī)儲(chǔ)集層改造機(jī)理研究、地質(zhì)-工程一體化軟件研發(fā)、提高采收率改造工藝升級(jí)、低成本多功能壓裂液研制、高效壓裂裝備配備、信息化建設(shè)6個(gè)方面。

①繼續(xù)加強(qiáng)儲(chǔ)集層改造基礎(chǔ)理論研究及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，豐富非常規(guī)儲(chǔ)集層壓裂理論：深化復(fù)雜地質(zhì)和工況條件下的裂縫起裂、延伸機(jī)理研究；加強(qiáng)儲(chǔ)集層地質(zhì)可采性與工程可壓性評(píng)價(jià)；深化大型物理、數(shù)值模擬和復(fù)雜縫網(wǎng)的形成條件及可控因素研究。國(guó)外非常規(guī)儲(chǔ)集層改造普遍采用滑溜水壓裂液，北美多選用0.075～0.150 mm（100～200目）石英砂作為支撐劑，通過(guò)大型攜砂平行板模型研究滑溜水?dāng)y砂運(yùn)移、充填剖面規(guī)律以及分析真實(shí)有效閉合應(yīng)力下支撐劑受力與導(dǎo)流能力關(guān)系也是目前要開(kāi)展的工作。

②以一體化的理念和方法，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)-工程一體化壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件國(guó)產(chǎn)化，形成地質(zhì)-工程-信息一體化的壓裂軟件平臺(tái)。

③繼續(xù)開(kāi)展“縫控儲(chǔ)量”改造技術(shù)的攻關(guān)研究，提高裂縫控藏程度，大幅提高采收率。降低非達(dá)西流動(dòng)、啟動(dòng)壓力等對(duì)致密油氣滲流的影響，實(shí)現(xiàn)裂縫壁面與儲(chǔ)集層基質(zhì)的接觸面積最大化，儲(chǔ)集層流體從基質(zhì)流至裂縫的距離最短，基質(zhì)中流體向裂縫滲流所需壓差最小，進(jìn)而有效提高裂縫控藏程度。通過(guò)超長(zhǎng)水平段、密切割、多簇射孔、縮小井距等技術(shù)方法突破傳統(tǒng)井控儲(chǔ)量的定義與開(kāi)發(fā)固有的思路，建立多井聯(lián)動(dòng)的井群式壓裂改造新模式。

④開(kāi)展低成本多功能壓裂液體系研發(fā)，在壓裂液大規(guī)模造裂縫網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，利用低滲透—致密儲(chǔ)集層具超高毛細(xì)管壓力、滲吸作用強(qiáng)的特點(diǎn)，壓裂液減排或緩排，延長(zhǎng)油水置換時(shí)間，可提升壓裂液的滲吸置換功能，達(dá)到提高采收率的目的。針對(duì)超深、超高溫（8 000 m，200 ℃）儲(chǔ)集層，完善適合230 ℃溫度條件、低成本、加重壓裂液體系等攻關(guān)，探索綠色化學(xué)壓裂液體系。同時(shí)根據(jù)中國(guó)儲(chǔ)集層特點(diǎn)、應(yīng)力加載條件，加大低成本石英砂支撐劑的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及推廣力度，加快石英砂砂源本地化、經(jīng)濟(jì)化評(píng)價(jià)，培育石英砂產(chǎn)業(yè)基地，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂支撐劑成本的有效控制。

⑤繼續(xù)強(qiáng)化壓裂泵車、分段工具研制，大幅度提高設(shè)備保障能力。根據(jù)中國(guó)壓裂泵車裝備的缺陷，須研發(fā)3項(xiàng)核心部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤）及5大裝備（雙燃料驅(qū)動(dòng)壓裂、電驅(qū)動(dòng)壓裂、橇裝式壓裂、智能化壓裂、深層連續(xù)油管作業(yè)配套）。特別是發(fā)展5 220×107W大型電驅(qū)動(dòng)撬裝式壓裂裝備，該裝備可實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化，已在西南地區(qū)頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中取得階段成果，與現(xiàn)有設(shè)備相比，可降低采購(gòu)成本20%～30%，降低燃料成本25%～40%，減少碳排放約100 t/a，大幅度提高工作效率并滿足環(huán)保需求。改造工具方面重點(diǎn)攻關(guān)5項(xiàng)新型高效壓裂工具，分別為耐高溫可溶橋塞、深層分段壓裂、老井重復(fù)壓裂、小井眼壓裂、智能化改造工具。利用可分解材料制作的可溶橋塞工具具有可消除磨銑對(duì)地層的污染、降低鉆銑作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)全通徑等提高作業(yè)效率的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)分段改造工具研發(fā)的重要方向。

⑥完善儲(chǔ)集層改造信息化系統(tǒng)建設(shè)，在“互聯(lián)網(wǎng)+”快速發(fā)展的新機(jī)遇下，以油田數(shù)字化為契機(jī)，加快壓裂信息化平臺(tái)、遠(yuǎn)程控制專家決策平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用，充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的集群效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)成果高度共享。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)儲(chǔ)集層改造技術(shù)基本滿足不同歷史時(shí)期儲(chǔ)集層改造的生產(chǎn)需求，有效支撐了中國(guó)多個(gè)大型油氣田的產(chǎn)能建設(shè)，其作用和地位不斷提升。伴隨中國(guó)油氣資源品質(zhì)劣質(zhì)化、目標(biāo)復(fù)雜化的特點(diǎn)，中國(guó)未來(lái)低滲、深層、海洋、非常規(guī)等4大油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中儲(chǔ)集層改造需求更大，技術(shù)難度更高。有理由相信，做好非常規(guī)儲(chǔ)集層改造機(jī)理研究、地質(zhì)-工程一體化軟件研發(fā)、提高采收率改造工藝升級(jí)、低成本多功能壓裂液研制、高效壓裂裝備配備、信息化建設(shè)6個(gè)方面的技術(shù)攻關(guān)，一定可以實(shí)現(xiàn)“中國(guó)原油穩(wěn)產(chǎn)2×108t，天然氣快速發(fā)展”的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。

致謝：本文是中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院研究團(tuán)隊(duì)的集體成果，何春明、修乃領(lǐng)、鄭偉、梁天成、李帥等參與了該項(xiàng)工作，同時(shí)中國(guó)石油天然氣股份有限公司的管理層給予了關(guān)心與指導(dǎo)，相關(guān)油田單位在技術(shù)試驗(yàn)中給予了大力支持，在此一并表示感謝。