常壓頁巖氣低成本高效壓裂技術對策

劉建坤，蔣廷學，卞曉冰，蘇瑗，劉世華，魏娟明

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101）

0 引言

美國是最早實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家，目前已陸續(xù)在7 個盆地中實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，其中既有以Haynesville、Woodford、Eagleford 等地區(qū)為代表的超壓頁巖氣（單井產量9.0×104～20.3×104m3/d），又 有Marcellus、Fayetteville、Barnett等地區(qū)為代表的常壓頁巖氣（單井產量2.8×104～6.5×104m3/d）[1-3]。常壓頁巖氣在我國渝東南地區(qū)廣泛分布，主要分布在彭水、武隆、丁山及白濤等地區(qū)[4-5]，可采資源量達到9×1012m3以上，資源潛力巨大。與國外常壓頁巖氣相比，渝東南常壓頁巖氣具有TOC 低，楊氏模量高，水平應力差大等典型特征；與國內超壓頁巖氣相比，渝東南常壓頁巖氣含氣性降低50%以上，吸附氣比例明顯增加，壓后初期日產氣量普遍低于6×104m3/d，穩(wěn)產后日產氣量小于3×104m3/d，大部分不具經濟開發(fā)價值。近年來國內針對超壓頁巖氣壓裂，在可壓性評價[6]、甜點優(yōu)選評價[7-8]、水平井分段壓裂優(yōu)化設計[9-10]、裂縫復雜程度表征[11]、壓后排采規(guī)律[12-13]、壓裂評估方法[14]、新型液體體系研發(fā)[15]等方面進行了理論研究和現(xiàn)場實驗，取得了較好的應用效果。何希鵬、方志雄等[4-5]對常壓頁巖氣形成演化及富集主控因素進行了分析，卞曉冰等[12]對常壓頁巖氣水平井壓后排采控制參數(shù)進行了優(yōu)化研究，而對常壓頁巖氣壓裂工程及低成本壓裂方面的報道尚未見報道。從壓裂工程角度出發(fā)，在對渝東南常壓頁巖氣儲層特征、開發(fā)特性分析以及國內超壓頁巖氣壓裂情況對比分析基礎上，提出常壓頁巖氣低成本高效壓裂技術對策，以期最大限度地挖掘常壓頁巖儲層的潛力，降低工程投入成本，實現(xiàn)常壓頁巖氣的高效開發(fā)。

1 壓裂改造難點分析及對策

常壓頁巖氣由于其特殊的地質特性、儲層條件及開發(fā)特征，決定了對其實現(xiàn)經濟有效壓裂，需要綜合考慮多方面因素（見表1），對壓裂改造的各個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)地評估及精細地優(yōu)化，以提高改造效果為前提，以降低壓裂工程成本為目標，達到壓裂增產增效和綜合降本雙贏目的。

通過壓裂增產增效，最大限度地挖掘頁巖儲層增產潛力；通過綜合降本，最大限度地降低壓裂工程投入成本（見表2）。

2 壓裂增效技術

2.1 平面射孔技術

常壓頁巖氣體積壓裂中分段及分簇方式、裂縫的延伸擴展、壓裂改造體積及壓后增產效果都與所采用的射孔方式緊密相關。目前，采用較多的是螺旋式射孔方式，采用該射孔方式下實施壓裂時，裂縫易多個孔眼處起裂，單簇內易形成多條不等長的裂縫，每簇內裂縫間誘導應力干擾嚴重，從而影響每簇內縫長的有效延伸及改造體積；另外，由于各簇裂縫延伸擴展情況層次不齊，導致每段的壓裂改造體積及改造效率大打折扣，影響全井的增產改造效果。

表1 常壓頁巖氣壓裂改造難點分析

表2 常壓頁巖氣高效壓裂技術對策

平面射孔技術是在垂直于最小主應力的平面上進行射孔（圖1），孔眼排布可形成沿井筒橫向的應力集中，能夠有效控制裂縫走向。采用平面射孔方式，可以增加單段內射孔簇數(shù)（脆性好，利于段內多簇設計），提高改造強度及有效改造體積。①平面射孔方式下每簇內只有一條裂縫起裂延伸，段內每簇裂縫都能得到充分延伸擴展（圖2），且誘導應力只存在于簇間，提高了每簇的改造強度；數(shù)值模擬表明：在總液量1800 m3及排量12 m3/min 條件下，平面射孔方式比起螺旋射孔方式可使縫高增加6.3%，縫寬增加7.8%，縫長增加18.5%，SRV 提高18.6%；在總液量2200 m3及排量14 m3/min 條件下，可使縫高增加6.3%，縫寬增加4.6%，縫長增加7.2%，SRV 提高19.8%。②平面射孔方式下，每段內各簇裂縫都能得到充分擴展延伸，每段改造體積得到進一步提升，裂縫復雜程度得到有效提升；另外，平面射孔方式可有效提高誘導應力作用范圍，且縫內凈壓力越高，這種作用效果越顯著（圖2）。③平面射孔方式可有效提高壓后產量（圖3），在按15 段分段，每段5 簇條件下，平面射孔方式穩(wěn)產及累積產量明顯高于螺旋射孔方式，三年累積產量提高28.5%。

圖1 螺旋射孔與平面射孔裂縫延伸特征對比

圖2 螺旋射孔與平面射孔誘導應力特征對比

圖3 射孔方式與壓后產量關系

2.2 多尺度壓裂造縫技術

通過村規(guī)民約的進村入戶，有效推動了基層治理的規(guī)范化。過去由于缺乏明確標準，一些村民為了申請村里的困難救助，經常到村委會“一哭二鬧三上吊”，給村委會出難題。村規(guī)民約修訂后，明確困難救助的范圍和標準并嚴格執(zhí)行，使得那些村民沒有借口再來鬧了，而讓真正困難的村民能夠得到及時幫助。村規(guī)民約的進村入戶，還有效推動了基層治理的制度化。金山區(qū)金門村村規(guī)民約中制定了對喪事簡辦給予相關優(yōu)惠的政策，鼓勵村民破除喪葬陋俗，倡導文明風尚，現(xiàn)在村民基本都能做到喪事簡辦。張堰鎮(zhèn)建農村廣泛建立“民主議事堂”，讓群眾從“旁觀者”變?yōu)橹卫淼摹坝懻撜摺薄皡⑴c者”“決策者”。有了村規(guī)民約的規(guī)范，基層治理中的諸多難題都得以有效化解。

壓裂裂縫參數(shù)正交模擬表明，在前置液造縫階段，當造縫液體注入量達到總液量的25%～30%，此時造縫縫長已達到設計總縫長的70%左右（圖4），此后隨著壓裂液的持續(xù)注入，液體造縫效率下降；此時，可以通過提高注入排量等方式提高裂縫內的凈壓力，讓更多的分支縫及天然裂縫系統(tǒng)張開并得到充分延伸擴展。由于裂縫的多尺度特征，若造縫液體黏度過大，則尺度較小的天然裂縫無法得到開啟或有效延伸；所以在造縫過程中，在主裂縫得到充分延伸基礎上，可分階段泵注不同類型的造縫液體及采用不同的泵注工藝參數(shù)；如先注入黏度較低的低黏度滑溜水并提高排量來提高縫內靜壓力，讓尺度較小裂縫得到開啟和延伸，然后再注入黏度稍高的中黏度滑溜水并繼續(xù)增大排量，使得尺度較大的微裂縫及分支縫系統(tǒng)得到開啟和有效延伸。通過分階段的造縫方式，既實現(xiàn)主裂縫的充分延伸擴展，又達到與主裂縫相連的次級裂縫及天然裂縫的開啟及延伸，實現(xiàn)大面積的多尺度裂縫系統(tǒng)，提高壓裂造縫體積。

引進來——讓兼職導師走進學校、走進課堂，企業(yè)家、創(chuàng)業(yè)者、風險投資人、天使投資人、孵化機構、工商管理部門、稅務部門等相關部門的負責人如果具有相應的教學能力、樂于創(chuàng)業(yè)教育的都可以經過考察聘為固定的兼職教師。他們的授課可以是講座、專題報告、互動訪談或者與專任教師共同講授某門課程，形式靈活多樣。但這種形式一般師生接觸時間較短，不能夠形成系統(tǒng)的教學。

圖4 壓裂縫長延伸與施工參數(shù)關系

2.3 多級交替注酸技術

精細造縫工藝通過壓裂裂縫參數(shù)正交模擬方法，模擬裂縫幾何尺寸的變化規(guī)律并對裂縫變化情況進行精細劃分，減少低效造縫或無效施工，減少造縫液體使用量，降低液體成本。模擬表明（圖4）裂縫縫長延伸分為快速增加階段（階段縫長占設計總縫長的65%～75%）、穩(wěn)步增加階段（階段縫長占設計總縫長的15%～23%）及緩慢增加階段（階段縫長占設計總縫長的10%～13%）；快速增加階段液體造縫效率最高，設計總縫長的70%主要是在該階段完成的；隨壓裂液持續(xù)注入，裂縫延伸速率明顯減慢，設計總縫長的20%是在裂縫穩(wěn)步增加階段完成的；隨后縫長延伸出現(xiàn)明顯拐點進入緩慢增加階段，此時縫長已達到設計縫長的90%左右。所以縫長快速增加階段可作為最佳的前置液造縫階段，裂縫穩(wěn)步增加階段結束后的壓裂液量可作為最佳設計液量。

頁巖多尺度裂縫系統(tǒng)中，微裂縫及分支縫系統(tǒng)由于縫寬較窄，只能與粒徑較小的支撐劑優(yōu)先匹配；而大粒徑的支撐劑由于粒徑大、運移阻力大等特點，很難進入小尺度的天然裂縫及分支縫系統(tǒng)，易進入并支撐裂縫寬度較大的主裂縫系統(tǒng)。壓裂加砂初期縫寬較窄，隨著壓裂液持續(xù)注入，縫寬表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。故在加砂過程中，根據(jù)壓裂不同階段裂縫延伸情況，依次加入與裂縫縫寬匹配的支撐劑，實現(xiàn)不同粒徑的支撐劑充填于與其匹配的不同尺度裂縫中，達到飽充填加砂及降低施工風險的目的。

多級交替注酸技術首先可以降低巖石強度，利于巖石的破裂和延伸[17-19]；其次，可以提高縫壁巖石的孔隙度及滲透率，溝通并開啟側翼方向的潛在天然裂縫，擴展天然微裂縫及分支縫系統(tǒng)，進一步提高壓裂有效改造體積及多尺度裂縫系統(tǒng)的復雜程度[9]；另外，還可以擴大應力的作用面積，避免地應力作用于單一主裂縫時導流能力快速降低的問題，使主裂縫導流能力維持更長時間。

高校內控是一項長期性、系統(tǒng)性工程，高校應順應新形勢，積極適應內外部環(huán)境變化，結合內部評價監(jiān)督和外部監(jiān)督檢查結果，不斷優(yōu)化改進、動態(tài)調整，及時調整、補充、修訂和改進內部控制體系，實現(xiàn)高校內控閉環(huán)的自我革新與完善，保持內部控制的長久生命力。同時，適時推動內控信息化，將高校內控體系嵌入信息系統(tǒng)，固化業(yè)務流程，構建責任網絡體系，減少凌駕于內部控制之上的隨意性，提升內部控制的剛性，借力互聯(lián)網、運用大數(shù)據(jù)來鞏固高校內控建設成效，努力構建高校內控長效機制。

以渝東南地區(qū)常壓頁巖氣X 井（井深4740 m，水平段長1500 m，A 靶點垂深2957 m，B 靶點垂深3057 m）為例（表3），若按螺旋射孔方式分段分簇，該井每簇壓裂節(jié)約22%的滑溜水，該井共節(jié)約7920 m3滑溜水，節(jié)約液體成本43.56 萬元（每立方米滑溜水按55 元為準）；若按平面射孔方式分段分簇，該井每簇壓裂節(jié)約20%的滑溜水，該井共節(jié)約6000 m3滑溜水，節(jié)約液體成本33 萬元。

對于具有潛在天然裂縫或天然裂縫比較發(fā)育的頁巖儲層，壓裂形成的裂縫一般具有多尺度特征，既有縫寬較寬的主裂縫系統(tǒng)，也有分支縫開啟延伸后形成的多級次裂縫系統(tǒng)以及天然裂縫開啟后形成的縫寬更窄的微裂縫系統(tǒng)。

圖5 多級交替注酸后裂縫內酸液分布圖

2.4 多元組合加砂技術

文中以國產存儲陣列為基礎，加入基于FPGA硬件加解密的安全存儲模塊和存儲軟件，從而實現(xiàn)對國產存儲陣列中數(shù)據(jù)進行安全保護。基于國產平臺的安全存儲系統(tǒng)用戶讀寫IO流程圖如圖2所示（黑雙向箭頭表示IO流向），F(xiàn)PGA硬件加解密模塊與軟件加解密模塊（圖2中虛框部分）位于同一位置層級，通過所設計的硬件加解密模塊取代軟件加解密模塊完成對存儲陣列中數(shù)據(jù)的加解密操作。

①液體配方優(yōu)化升級，成本持續(xù)降低：從第一代滑溜水體系升級到第二代滑溜水體系，減少了一種添加劑類型，且在不影響液體性能基礎上，滑溜水減阻劑的使用濃度降低50%以上，液體成本降低45%～57%。②液體性能指標不斷提高：第二代滑溜水體系在降本基礎上，液體的速溶性、減阻性、防膨性能及表面張力等關鍵技術指標方面得到不斷優(yōu)化，攜砂性能良好，提升了液體的整體性能，滿足了頁巖氣大型壓裂現(xiàn)場應用要求。③液體體系升級實現(xiàn)一劑多效功能：第二代滑溜水體系通過配方優(yōu)化，能實現(xiàn)2 種黏度（1～5 mPa·s 和7～15 mPa·s）快速可調，滿足大型壓裂不同儲層及施工不同階段壓裂造縫及攜砂的需要，這對多尺度造縫、多元加砂等新工藝的應用極其有利。④液體泵注參數(shù)持續(xù)優(yōu)化，提高壓裂改造效率：采用低黏滑溜水（1～5 mPa·s）、中黏滑溜水（7～15 mPa·s）與中黏度膠液（30～40 mPa·s）的液體組合方式，滑溜水量占總壓裂液量的85%～90%（低黏滑溜水量占總滑溜水量的30%～40%，中黏滑溜水量占總滑溜水量的45%～55%），膠液占總壓裂液量的10%～15%，可獲得較好的造縫縫寬及提高SRV的效果，提高了施工成功率及改造效果。

3 壓裂降本技術

3.1 精細造縫工藝技術

多級交替注酸技術[16]針對天然裂縫比較發(fā)育、天然裂縫開啟壓力較高以及碳酸鹽巖或其他可溶蝕性礦物含量較多的頁巖儲層，通過充分利用酸液對巖石的溶蝕作用，在前置液階段充分造縫基礎上，多級交替注入酸液+頂替液（壓裂液或滑溜水）復合段塞。通過對多級交替注酸模式、交替注入段塞液體類型組合（酸液與頂替液類型）、交替注入參數(shù)（液量、排量、級數(shù)）的優(yōu)化，把酸液注入到已形成的多尺度裂縫中，并達到酸液在裂縫中均勻分布及提高波及范圍的目的。

多級交替注酸實驗及模擬研究表明：前置液造縫縫長達到總設計縫長的70%左右時，即可進行多級交替注酸工藝；交替注酸泵注過程中，每級頂替排量以階梯遞增式注入、每級頂替液量按遞減式注入、增大頂替液黏度及增加交替注入級數(shù)等方式，都有利于提高酸液在裂縫中的波及范圍及均勻分布程度（圖5）。

表3 壓裂精細造縫工藝對液體成本的影響

3.2 一劑多效壓裂液體系

通過對滑溜水體系配方的升級優(yōu)化，滑溜水性能指標得到進一步提高，實現(xiàn)一劑多效（黏度實時可調），滿足了常壓頁巖氣大型壓裂及復雜工藝對于滑溜水的應用要求，并降低液體制造使用成本，提高施工成功率（表4）。

表4 高效滑溜水體系技術指標及成本

為了提高支撐劑在裂縫內的充填度及均勻鋪置程度，實現(xiàn)裂縫系統(tǒng)的有效支撐，也可利用不同類型支撐劑沉降速度和不同壓裂液攜砂效率的差異，在壓裂加砂不同階段選用不同密度的支撐劑。在加砂初期采用高密度小粒徑及中等粒徑的支撐劑，使得最先進入裂縫內的支撐劑裂縫沉降鋪置在裂縫底部，也有利于平衡砂堤的形成；當平衡砂堤形成后，先采用中密度中粒徑的支撐劑進行加砂，使中密度的支撐劑鋪置在儲層中部，然后采用低密度中粒徑支撐劑進行加砂，保證支撐劑運移到中遠井裂縫地帶，實現(xiàn)低密度支撐劑填滿裂縫上部；最后采用高密度中粒徑或高密度大粒徑的支撐劑進行加砂，讓支撐劑在近井裂縫地帶充分填充，提高近井地帶裂縫的導流能力。通過變密度多粒徑加砂方式，大幅度提高支撐劑在不同尺度裂縫中縱向的充填度及橫向的鋪置廣度，優(yōu)化裂縫支撐剖面，提高裂縫內支撐劑的支撐效率和裂縫長期導流能力。

在4—6月整層水汽輸送通量及其散度場差值場上(圖6c、d),西太平洋地區(qū)上空有一個顯著的反氣旋式水汽通量距平矢量分布(圖6c),將南海和菲律賓附近的暖濕氣流源源不斷地輸送到江南地區(qū),常越等(2007)也指出前汛期期間南方降水的水汽來源主要為西太平洋地區(qū)。在圖6d中,菲律賓群島以東洋面為顯著的異常水汽輻散區(qū),而江南地區(qū)以及黃海和東海海域為水汽異常輻合區(qū)。這種水汽通量及其散度場的異常分布型有利于江南地區(qū)水汽的聚集,表明冷水年對應著JRS降水異常偏多。

3.3 混合支撐劑加砂技術

陶粒支撐劑由于其優(yōu)越的抗破碎及較好的導流能力保持性能，目前廣泛應用于常壓頁巖氣壓裂中，但其成本也明顯高于石英砂、覆膜砂等其他類型支撐劑。通過對壓裂支撐劑組合類型及加砂模式的優(yōu)化研究，提出了混合支撐劑加砂模式，即把不同成本及類型（陶粒與石英砂）的支撐劑按不同比例混合后進行加砂的模式，從而降低支撐劑材料成本。

實驗研究表明：陶粒和石英砂2 種支撐劑按1∶1 的比例混合后進行混合加砂的模式既能兼顧導流能力，又能大幅度降低成本；在65 MPa 閉合壓力下，同比單一陶粒支撐劑的加砂模式，混合加砂模式下壓后導流能力損失率在30%左右（圖6）；混合加砂模式導致的導流能力損失僅對壓后初期產量有一定的影響，而對于壓后長期穩(wěn)產產量影響作用不明顯（圖7），但混合加砂模式下支撐劑的使用成本可顯著降低27%（低密度陶粒按2600 元/m3，石英砂按1200 元/m3進行計算）。所以在壓裂加砂階段的初期，宜采用陶粒與石英砂1∶1 的混合加砂方式，在加砂階段后期可采用單一陶粒支撐劑的加砂模式，既能保證壓后長期導流能力不受影響，又可進一步降低材料投入成本。

圖6 不同支撐劑組合方式下導流能力變化曲線

圖7 不同裂縫導流能力下壓后產量情況

4 結論與認識

1.常壓頁巖氣壓裂必須以提高壓裂增效為前提，以降低壓裂工程成本為目標；提出常壓頁巖氣低成本高效壓裂技術對策，通過對壓裂分段分簇、射孔方式、施工工藝、液體性能等方面的協(xié)同綜合優(yōu)化，可實現(xiàn)在壓裂增效基礎上進一步降低工程投入成本。

2.提出了ESRV 最大化、增效降本一體化的高效壓裂改造技術模式。平面射孔技術、多尺度壓裂造縫、多級交替注酸、多元組合飽填砂加砂等技術的配套使用進一步提高了常壓頁巖氣壓裂改造效果；壓裂造縫工藝精細模擬、一劑多效壓裂液體系研究及推廣應用、混合支撐劑加砂模式等技術的配套使用大幅降低了壓裂改造成本。

學生通過觀看Lagrange定理微視頻自學，教師要及時追蹤學生在線自測的反饋信息，并收集學生的疑惑、不理解的公式及證明的推導等。這節(jié)課的疑惑是Lagrange定理的證明中輔助函數(shù)的構造。在課堂上重點講解難點疑惑，對于這節(jié)課，重點和難點是構造輔助函數(shù)對Lagrange中值定理的證明，可以多花點時間。

3.實現(xiàn)常壓頁巖氣商業(yè)開發(fā)是一項系統(tǒng)的工程，需要對壓裂改造的各個工藝環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)地評估及精細地優(yōu)化，加強新模式、新技術、新材料的推廣應用，積極推行一體化、工廠化等工程模式，不斷降低工程投入成本，最大限度的挖掘頁巖儲層潛力，實現(xiàn)常壓頁巖氣的有效及高效開發(fā)。