页岩气压裂技术研究进展

路盼盼，杨昌华，柳文欣，徐 敏，薛龙龙

西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065

目前，全球页岩气储量巨大，开展页岩气商业开发的国家主要是美国、中国、阿根廷和加拿大［1］。页岩气开采潜力巨大，开采寿命长、生产周期长，并且具有“低碳、洁净、高效、低污染”的优势［2］，具有很大的开采价值。然而，页岩气储集层地质条件较为复杂，具有超低孔隙度和渗透率，与常规油气相比，开发难度相当大，必须通过一些特殊的技术手段来实现商业化开采。页岩气藏“天然”生产产量极低，为了使页岩开采有价值，必须在短期内收回投资成本并具有一定利益［3］，压裂是页岩有效开采的唯一途径。

与国外相比，我国在页岩气勘探开发领域起步较晚，整体上处于前期探索和准备阶段。页岩气压裂仍然面临诸多问题，如环境污染、成本高等，因此页岩气压裂工艺技术仍在不断完善之中。页岩气压裂技术研究方向主要有：压裂参数优化方法以及模型、压裂液体系的优化、无水或少水地层的压裂技术等。国内外学者对页岩气压裂技术进行大量的研究，不断优化压裂技术以及研发新技术。因此，本文主要基于国内外对页岩气压裂技术的探索以及实践认识，根据压裂技术的作业流程，充分总结近几年页岩气压裂方案优化设计、压裂液、压裂工艺3 方面的研究进展，对比分析页岩气压裂技术新的突破，指出未来页岩气压裂技术的一些攻关方向，为我国页岩气高效开发提供有益的指导。

1 压裂参数设计优化

1.1 人工智能辅助水力压裂设计技术

人工智能和数据挖掘作为一种在油气领域进行数据驱动分析和建模的替代技术，近年来越来越受到研究人员的重视［4-5］。人工智能辅助水力压裂设计技术的基础是模糊逻辑和遗传优化技术，该技术首先收集现场数据，生成一个时空数据库，包括储层特征、作业∕生产信息、完井∕增产数据和其他变量，然后建立神经网络模型来研究所有参数对天然气产量的影响，并对油田历史进行数据匹配。人工智能辅助模型具有可接受的现场数据匹配，可用于模拟不同的水力压裂设计方案，并提供油井产量预测［6］。

1.2 地质“甜点”和微震监测结合技术

地质“甜点”和微震监测结合技术可帮助工程技术人员有效降低工程损害。在水平井钻井、水力压裂过程中利用微地震监测参数进行预警，能提高压裂增产效果，优化页岩气的储层增产［7］。在压裂之前，使用“甜点”结果提供早期预警，如套管变形、堵砂等，以减少工程损害。在储层压裂现场，利用地震属性和微震监测对水力压裂进行实时优化，提高储层改造效率；从“甜点”中提取天然裂缝属性和叠前弹性参数［8］。通过分析现场微震事件特征，调整压裂参数，减少天然裂缝对储层增产的不利影响，可以确定哪些天然裂缝对储层增产有利、哪些天然裂缝对储层增产不利，这对页岩气的压裂开采有着至关重要的作用。该方法已在四川盆地页岩气勘探开发中取得了良好的效果。

1.3 新型随钻超声成像技术

利用新型随钻超声成像工具［9-10］可获得不受当前非常规页岩钻井作业影响的高分辨率图像。该技术利用声阻抗的对比来识别不同的井眼特征，适用于导电（水基）和非导电（油基）泥浆。声波传播时间和振幅的超声测量提供了一个高分辨率的井径仪，并允许识别地层特征，如层理面、裂缝和井眼失效事件。该技术可以检测可能受到邻井干扰影响的区域，从而优化水力压裂作业。此外，还可以将图像解释集成到可靠的、历史匹配的油藏和地质力学模型中，从而绘制裂缝-井筒连接图，以实现全油田的开发策略和改进。利用这些数据进行了广泛的成分和地质力学数值模拟，并对油田的开发数据进行改进，成功地用于油田关键区域的成像解释、完井开发策略和提高采收率等方面。

1.4 页岩气水平井压裂试井新模型

复杂裂缝的多裂缝水平井试井模型（MFHW）是优化多级压裂水平井裂缝簇数的试井方法［11］，有利于优化裂缝簇或裂缝间距，进行裂缝扩展机制研究。基于充分利用储量的原则，模型包括油藏流动方程和裂缝流动方程，利用Source 函数、Laplace 变换、叠加原理和半解析方法对模型进行求解。研究人员将试井模型应用于实例研究，已验证了模型的可行性和准确性。该研究成果为工程技术人员评价多级压裂水平井的增产效果和优化压裂簇数提供了有益的参考。

2 压裂液

2.1 新型清洁滑溜水压裂液

对压裂液配方改进方面，相关研究已经形成页岩储层新型清洁滑溜水压裂液体系［12-13］。张扬等［14］研制了新的配方体系，其具体配方为0.2%高效减阻剂FJZ-2+0.5%聚合物乳液增黏剂FZN-1+0.25%防水锁表面活性剂FSSJ-8+1%KCl。该配方解决了常规滑溜水压裂液体系携砂能力差、资源浪费、压裂返排液处理难度大的问题，满足了页岩储层压裂改造需要采用大液量、大排量的体积压裂改造方式的要求。该压裂液体系主要性能（降阻性、耐温抗剪切性、黏弹性以及携砂性）已进行室内评价，并在现场进行了成功应用，具有良好的推广应用前景。

2.2 复合增效压裂液

周仲建等［15］研制了线性胶与滑溜水复配而成的复合增效压裂液，黏度为2～22 mPa·s、降阻率为63%～73%，该压裂液具有较高黏度和低摩阻的双重优点，同时保障了“大改造体积”和“高填充率”的需求，大幅提高改造效果。该压裂液能满足脆性和塑性等复杂页岩储层的施工需求，适用范围较广。而且复合压裂液现场应用方便，操作简单，有利于节约清水资源，减小环境污染，综合成本较低，是一种性价比很高的页岩气用压裂液［15-16］。

2.3 氧化石墨烯超干CO2泡沫压裂液

氧化石墨烯超干CO2泡沫压裂液［17］是低耗水、环保、高效、低地层伤害的压裂液。氧化石墨烯的加入增强超干CO2泡沫的稳定性和热适应性。添加氧化石墨烯提高了超干CO2泡沫的有效黏度，在剪切速率为100 s-1时，其黏度大于50 mPa·s；此外，与纯表面活性剂泡沫相比，氧化石墨烯还能提高超干CO2泡沫的过滤控制性能。虽然氧化石墨烯泡沫对岩心的损伤略高于纯表面活性剂泡沫，但渗透率损伤仍低于10%，说明作为压裂液的泡沫对地层相对清洁。氧化石墨烯超干CO2泡沫压裂液为缺水地区页岩油气储层提供了一种新的高性能压裂系统，该研究对页岩油气储层压裂技术的应用具有一定的指导意义［18］。

3 压裂工艺

3.1 强化水力压裂技术

强化水力压裂技术（EHFT）包括5 种主要模式：长∕短段塞型支撑剂注入模式、长∕短段塞型致密支撑剂注入模式以及控制裂缝压裂技术，具有实时调控的特点。该技术的核心是提高支撑剂强度，增加有效支撑面积，提高支撑导流能力，最终达到提高单井产能的目的。在分析早期地质储层特征的基础上，优选压裂参数。在现场施工过程中，根据实时压裂曲线显示和微地震监测综合判断，优化泵送方案（支撑剂注入方式），减少复杂情况的影响，确保支撑剂强度，完成压裂设计目的。多种实时控制模式可降低复杂工况发生概率，提高有效体积比，实现高效压裂。最重要的是，该技术在降低成本、提高效率的总体目标上是可行有效的［19-21］，达到了经济有效开发的目的，已经得到验证和应用。

3.2 化学诱导压力脉冲定向压裂技术

化学诱导压力脉冲定向压裂技术［22］是一种基于化学原位压力脉冲的新方法，克服了水平井多级压裂的操作难度和技术难点，利用热化学流体产生现场压力脉冲来启动裂缝，裂缝随着水力压力传播，通过增加页岩储层改造储层体积，在井筒周围形成定向裂缝，最终提高油气产量。该技术常用来压裂高应力岩石和深层非常规储层。定向化学脉冲压裂技术将对非常规天然气的应用产生重大影响，特别是在长水平井中［23］。

3.3 准干式CO2压裂技术

准干式CO2压裂技术利用液态CO2压裂的优势，提高支撑剂的携砂能力，并在环境条件下进行混合，以消除裂缝范围的限制。该方法不需要加压混合设备，操作简单，高支撑剂浓度的准干CO2泥浆的高黏度和高可泵性使裂缝的形状和支撑剂位置符合要求［24-25］。与传统的干式CO2压裂相比，新技术显著降低了液态CO2压裂的复杂性和成本。该方法突破了干式CO2压裂的局限，在许多水敏性或低压的非常规致密储层中得到了迅速的应用，为CO2驱和利用液体CO2进行二次压裂提供了一种可行的有效方法。理论和实验室开发以及成功的现场测试表明，该技术在页岩气开发和液态CO2驱中有更广泛的应用前景［26］。

3.4 高功率激光压裂技术

高功率激光压裂技术是一种无水技术，其特点是精度高、功率水平高、速度快，并能在几秒钟内提供高能量。基于气体燃烧产生增压气体，增压气体可以在储层中产生裂缝，使用高能激光起裂，支撑剂是在起爆时裂缝中生成的化学物质［27-29］。该技术能够深入地层形成通道，在不同方向将地层与井筒连接起来。由于激光不受储层应力（包括最大水平应力）的影响，因此可以在任何方向上形成可控和增强的隧道。隧道的大小也可以控制，实现大而深的隧道，隧道的深度是能量的函数，隧道越深，提供的能量越多。这些隧道可以替代水力裂缝，压裂地层。各种研究表明，这是一项有前途的技术，有潜力彻底改变整个行业。

4 结论与展望

压裂技术的参数设计优化需要将人工智能与人工裂缝扩展机制研究相结合，进一步优化页岩储集层改造基础理论及设计技术研究，探索不同地质条件下页岩岩石的人工裂缝扩展规律。

基于压裂液高黏度、低摩阻、大改造体积、高填充率的性能，研究新型压裂液配方，获取清洁、高效、低成本、低伤害、可循环利用的压裂液体系。少水甚至无水压裂液发展迅速，高效造缝，携砂能力强。因此，增能型、泡沫型压裂液成为未来发展的一个重要方向。

水力压裂作为一种传统的增产技术，由于其对健康和环境的损害和风险，已经成为油气行业的一大挑战［30］。因此无水压裂技术逐步取代了传统的水力压裂技术，在油田中被广泛应用。CO2、液化石油气、等离子体压裂、高功率激光、气体刺激、放热反应物和高能气体压裂等无水压裂技术优化是未来页岩压裂的主要方向，但需克服无水技术面临成本、设备要求以及井的性质和油藏条件等挑战，以达到现场应用。