頁(yè)巖氣革命不僅提高了美國(guó)的能源自給水平，還改變了全球能源供需格局，甚至掀起了全球頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)大潮，而其最大的技術(shù)因素，正是用于開(kāi)采頁(yè)巖氣的水力壓裂技術(shù)的出現(xiàn)。

△轟轟烈烈的美國(guó)頁(yè)巖氣革命 隨著石油工業(yè)的發(fā)展，低滲透、超低滲透的非常規(guī)油氣資源逐漸成為各國(guó)油氣田的增產(chǎn)主體。

如果將開(kāi)采常規(guī)油氣藏比作擠海綿里的水，那么低滲、超低滲透油氣藏則像是已經(jīng)甩干的毛巾，很難再?gòu)闹袛D出水來(lái)。那么石油工程師們又是如何從這些儲(chǔ)層中將油氣資源“擠”出來(lái)的呢？

△全球頁(yè)巖氣儲(chǔ)量分布

答案還是壓裂技術(shù)！

< 壓裂基礎(chǔ)知識(shí) >

一、什么是壓裂？

壓裂就是利用水力作用在油氣層中形成人工裂縫，提高油氣層中流體流動(dòng)能力的一種儲(chǔ)層改造技術(shù)。

△油層中的裂隙，可以增加油氣滲流通道，大幅提高產(chǎn)量

二、壓裂的原理

利用地面高壓泵組，通過(guò)井筒向地層注入大排量、高粘液體，在井底憋起高壓，當(dāng)該壓力超過(guò)地層承受能力時(shí)，便會(huì)在井底附近的地層形成裂縫。

繼續(xù)注入攜帶支撐劑的液體，裂縫逐漸向前延伸，支撐劑起到支撐裂縫作用，形成了具有一定尺寸的高導(dǎo)流能力的填砂裂縫，使油氣輕松地通過(guò)裂縫流入井中，達(dá)到增產(chǎn)增注效果。

△含支撐劑

△壓裂基本流程

三、壓裂液與支撐劑

1.壓裂液壓裂液是壓裂施工的工作液，是一種具有一定黏度的流體，起到傳遞能量、形成和延伸裂縫、攜帶支撐劑的作用。

△壓裂液

常用的壓裂液有：水基、油基、乳化、泡沫、酸基等類(lèi)型。其中，應(yīng)用最廣泛的為水基壓裂液。

△水基壓裂液：由水與天然或合成的聚合物配制而成

壓裂液包括前置液、攜砂液和頂替液三種。
前置液：用于造縫，在溫度較高的地層里，還起到降溫作用；
攜砂液：攜帶支撐劑進(jìn)入裂縫，將支撐劑填在裂縫內(nèi)預(yù)定位置；
頂替液：用來(lái)頂替井筒內(nèi)的攜砂液，將攜砂液送到預(yù)定位置，預(yù)防砂卡。

2.支撐劑支撐劑是指能夠進(jìn)入被壓開(kāi)的裂縫并使其不再重新閉合的固體材料。

△支撐劑要求：強(qiáng)度大、顆粒均勻、圓度好、雜質(zhì)少、來(lái)源廣、成本低

常用的支撐劑有：石英砂、核桃殼、人造陶粒、人造塑料球、人造玻璃球等；其中石英砂和人造陶粒應(yīng)用最廣泛。

△美國(guó)的Ottawa砂、北部白砂，均為天然風(fēng)化石英砂，強(qiáng)度較低，無(wú)法滿足深井壓裂的要求

△人造陶粒支撐劑，含氧化鋁、硅酸鹽和鐵-鈦氧化物等成分，強(qiáng)度大，密度較高，可承壓60Mpa~103Mpa

< 壓裂增產(chǎn)原理 >

壓裂增產(chǎn)的基本原理主要分為以下三點(diǎn)：

一、改變流體形態(tài)
壓裂后形成的裂縫由井底延伸至地層深處。油氣由徑向流轉(zhuǎn)變?yōu)殡p線性流，更容易流入井筒。

△與壓裂前的徑向流動(dòng)相比，線性流大大降低了流動(dòng)阻力

二、溝通油氣儲(chǔ)集區(qū)
由于地層的非均質(zhì)性，油氣聚集帶并不一定與井底相連通。通過(guò)壓裂形成的人造裂縫可以將這些孤立聚集帶同井底連通起來(lái)，增加新的供油區(qū)。溝通油氣儲(chǔ)集區(qū)是壓裂增產(chǎn)的重要原因。

△裂縫溝通儲(chǔ)層，可實(shí)現(xiàn)天然裂縫與人工裂縫的溝通

三、克服井底附近地層的污染
井底附近裂縫的滲透率是油氣生產(chǎn)的關(guān)鍵。壓裂后的裂縫可以解決井底污染所造成的低產(chǎn)后果。

△為此目的所進(jìn)行的壓裂可以是小規(guī)模的，只要穿過(guò)堵塞區(qū)的深度即可

< 常用壓裂工藝技術(shù) >

壓裂工藝技術(shù)是影響壓裂增產(chǎn)效果的重要因素，需要根據(jù)不同油氣層的地質(zhì)條件、井深狀況等因素選擇與之相適應(yīng)的壓裂工藝技術(shù)，以便能夠順利執(zhí)行壓裂并取得較好的增產(chǎn)效果。 目前常用的壓裂工藝技術(shù)有：

一、限流法壓裂
通過(guò)嚴(yán)格限制炮眼的數(shù)量和直徑，并以盡可能大的注入排量進(jìn)行施工，利用壓裂液流經(jīng)孔眼時(shí)產(chǎn)生的炮眼摩阻大幅提高井底壓力，并迫使壓裂液分流，使破裂壓力接近的地層相繼被壓開(kāi)，達(dá)到一次加砂能夠同時(shí)處理多層的目的。

△壓裂液分流過(guò)程

二、分段壓裂技術(shù)
分段壓裂是在完井套管串上封隔器和壓裂滑套，將油氣儲(chǔ)層分成若干段，用同一套泵車(chē)依次單段壓裂。從而達(dá)到最大化儲(chǔ)層滲流能力、提高導(dǎo)流性和生產(chǎn)力。分段壓裂技術(shù)是一種有效性強(qiáng)，針對(duì)性突出、可控性好的精細(xì)儲(chǔ)層改造技術(shù)體系。

△多級(jí)滑套封隔器分段壓裂

三、水力噴射壓裂技術(shù)
水力噴射壓裂技術(shù)是利用高速和高壓流體攜帶砂體進(jìn)行射孔，打開(kāi)地層與井筒之間的通道后，提高流體排量，從而在地層中打開(kāi)裂縫的水力壓裂技術(shù)。

△水力噴射原理圖

長(zhǎng)慶油田結(jié)合長(zhǎng)慶油田儲(chǔ)層低滲、天然微裂縫較發(fā)育的特征，首創(chuàng)了“多簇射孔、環(huán)空加砂、長(zhǎng)效封隔”的水力噴射環(huán)空壓裂工藝，解決了長(zhǎng)慶油田水平井壓裂改造中傳統(tǒng)水力噴射壓裂工藝噴嘴壽命短、加砂量少、靠單一裂縫很難取得預(yù)期改造效果等問(wèn)題。

△長(zhǎng)慶地區(qū)儲(chǔ)層致密，常規(guī)生產(chǎn)產(chǎn)量極低，水力壓裂技術(shù)使長(zhǎng)慶油田年產(chǎn)量逐年增加

四、選擇性壓裂技術(shù)
利用油層內(nèi)不同部位或各油層間吸液能力不同的特點(diǎn)，通過(guò)投入暫堵劑封堵已有裂隙，以便壓裂液分流，從而在其它部位或?qū)觾?nèi)壓開(kāi)新裂縫，達(dá)到選擇性壓裂的目的。

△暫堵劑是油溶性的，在一定溫度條件下，可變軟溶于原油中，壓后開(kāi)井即可解堵

△常用的暫堵劑有石蠟、高壓聚乙稀、松香和重晶石粉

< 壓裂作業(yè)流程 >

我們先一睹壓裂作業(yè)的壯觀景象吧！

△頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

△施工現(xiàn)場(chǎng)蓄水池 壓裂作業(yè)分為壓前準(zhǔn)備、壓前作業(yè)、壓裂施工、壓后作業(yè)四個(gè)階段。

一、壓裂前準(zhǔn)備階段
1. 配置壓裂設(shè)備及輔助設(shè)施

△壓裂作業(yè)用車(chē)

2. 準(zhǔn)備壓裂所用材料 （配備性能符合要求的壓裂液、支撐劑、各種添加劑）

△壓裂液罐

△支撐劑

△添加劑

3. 按照壓裂設(shè)計(jì)方案組配管柱

△滑套封隔器分段壓裂管柱

4. 準(zhǔn)備地面壓裂流程，試壓（彎頭、三通、油壬、管線及配套工具符合設(shè)計(jì)要求）

△地面管線試壓

二、壓前作業(yè)
1. 對(duì)已投產(chǎn)生產(chǎn)井進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)，要首先進(jìn)行沖砂和起原管柱
2. 壓井替噴（井內(nèi)有污染物的井壓裂前要進(jìn)行替噴）
3. 壓裂層段預(yù)處理（清孔或排液，注意回收、不污染環(huán)境）
4. 下壓裂管柱

△下管柱作業(yè)

三、壓裂施工
1. 循環(huán)：逐臺(tái)啟動(dòng)壓裂車(chē)，用清水循環(huán)地面管線，清洗管線，關(guān)井口。

2. 試壓：地面壓裂流程、井口閥門(mén)以上設(shè)備進(jìn)行承高壓性能試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力為預(yù)測(cè)泵壓1.2-1.5倍，穩(wěn)壓5分鐘。各承壓部件不刺不漏，壓力不下降為合格。

△地面管線

3.坐封封隔器

△坐封封隔器

4. 驗(yàn)封（試擠）：打開(kāi)井口閥門(mén)，關(guān)閉循環(huán)放空閘門(mén)，逐臺(tái)啟動(dòng)壓裂車(chē)，按壓裂施工設(shè)計(jì)規(guī)定的試擠排量，將壓裂液試擠入油層，壓力由低到高至穩(wěn)定為止。

△目的是檢查井下管柱及井下工具情況，檢查欲壓裂層的吸水能力

5. 壓裂：試擠正常后，啟動(dòng)壓裂車(chē)，以高壓大排量向井內(nèi)持續(xù)擠入前置液，造縫延伸。

△注意：當(dāng)泵工作壓力達(dá)到管柱最高承壓能力還不能壓開(kāi)欲壓裂層位時(shí)，應(yīng)停泵卸壓

6. 加砂：油層裂縫已形成，泵壓及排量穩(wěn)定后便可加砂。注意加砂要均勻，中途不能停泵，操作要平穩(wěn)。

△通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌，將砂子與壓裂液混合

△攜砂液攜帶支撐劑進(jìn)入裂縫，使剛形成的裂縫繼續(xù)向地層深處延伸

7. 頂替：完成加砂后，打開(kāi)混砂車(chē)的替擠旁通流程，向井內(nèi)注入頂替液（注意欠頂替和過(guò)頂替）。

四、壓后作業(yè)
1. 關(guān)井?dāng)U散壓力：壓裂施工結(jié)束后，關(guān)閉井口所有出口閘門(mén)，等待壓裂液破膠、濾失及裂縫閉合，防止支撐劑隨高粘度壓裂液返出裂縫。

△關(guān)井時(shí)間不小于壓裂液破膠時(shí)間，壓裂液破膠后用小噴嘴放噴，促進(jìn)裂縫閉合

2. 活動(dòng)管柱：活動(dòng)管柱時(shí)，上提速度控制在0.5米/分以?xún)?nèi)，活動(dòng)行程不能小于5米，達(dá)到提放自如，拉力計(jì)顯示管柱重量完全正常。
3.按壓裂設(shè)計(jì)要求起壓裂管柱，完井，投產(chǎn)。

< 壓裂的前世今生 >

壓裂技術(shù)因美國(guó)的頁(yè)巖氣革命而聞名遐邇，但其實(shí)早在1947年，美國(guó)Stanolind石油天然氣公司在美國(guó)堪薩斯州西南部的Hugoton油田進(jìn)行了首次水力壓裂實(shí)驗(yàn)。

△世界首次壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)

1949年3月17日，哈里伯頓在美國(guó)俄克拉荷馬州的維爾瑪和德克薩斯的阿徹縣兩地進(jìn)行了第一次商業(yè)性的壓裂施工。

△世界首例商業(yè)性的壓裂施工現(xiàn)場(chǎng)

此后，全球的勘探與生產(chǎn)公司開(kāi)始廣泛采用該技術(shù)以提高或延長(zhǎng)油井產(chǎn)能。目前，全球范圍內(nèi)的壓裂施工作業(yè)量將近有250萬(wàn)次
中國(guó)從五十年代開(kāi)始研究水力壓裂技術(shù)，1952年開(kāi)始在延長(zhǎng)油礦開(kāi)始試驗(yàn)。

△延長(zhǎng)石油壓裂試驗(yàn)

1973年大慶油田開(kāi)始采用水力壓裂作為油田增產(chǎn)增注的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，至今已有30年的歷史。

△大慶油田水力壓裂

隨著國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的興起，中石油、中石化、中海油在各自油田區(qū)塊也開(kāi)展了大量的水力壓裂作業(yè)。

△三桶油水力壓裂作業(yè)

< 壓裂技術(shù)展望 >
雖然水力壓裂技術(shù)是油氣資源穩(wěn)定增產(chǎn)的一個(gè)重要的技術(shù)保證，在全球范圍內(nèi)被廣泛使用。然而，“Every coin has two sides”，水力壓裂也是如此。

一、水力壓裂帶來(lái)的問(wèn)題
水力壓裂法最遭人詬病的非污染環(huán)境莫屬了。水力壓裂法污染地下水，影響人類(lèi)的生存和發(fā)展，例如自來(lái)水自燃。此外，水力壓裂活動(dòng)破壞地下巖層還有可能導(dǎo)致小型微地震。

△可以燃燒的水

針對(duì)傳統(tǒng)水力壓裂會(huì)污染地下水的問(wèn)題，科學(xué)家們正在研發(fā)各種無(wú)水壓裂液體系，譬如液氮、泡沫以及超臨界二氧化碳等。

二、技術(shù)展望

1. 超臨界二氧化碳?jí)毫鸭夹g(shù)

超臨界二氧化碳擁有的神奇特性——密度接近于水；粘度接近于氣體；表面張力接近于零；超臨界二氧化碳鉆井速度快，不含固相顆粒也不含水，對(duì)儲(chǔ)層既沒(méi)有傷害又沒(méi)有任何污染。

△CO2壓裂

此外，壓裂液體系采用CO2，可以在地層中形成CO2泡沫，形成酸性液溶解地層顆粒，流動(dòng)阻力小，在低滲透致密儲(chǔ)層改造中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2. 高能氣體壓裂技術(shù)

利用火藥或火箭推進(jìn)劑快速燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體，形成脈沖加載并控制壓力上升速度，在井筒附近壓開(kāi)多方位的裂縫，溝通天然裂縫，從而達(dá)到增產(chǎn)増注。

3. LPG壓裂技術(shù)

采用液化石油氣（LPG）作為壓裂液，主要成分為丙烷。它在地下與水力壓裂的作用相同，可以與頁(yè)巖氣一起返排至地面，甚至無(wú)需分離可直接進(jìn)入生產(chǎn)管線，對(duì)地層沒(méi)有任何傷害。

△美國(guó)紐約州LPG壓裂現(xiàn)場(chǎng)

4. 高速通道壓裂技術(shù)

采用脈沖加砂方式，攜砂液中加入纖維使部分支撐劑聚集，中間形成高導(dǎo)流能力的通道。此處的支撐劑不再作為導(dǎo)流介質(zhì)，而是作為支撐柱防止周?chē)耐ǖ辣诎l(fā)生斷裂。

△支撐劑在裂縫中的鋪置狀況

經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，壓裂工藝技術(shù)在不斷發(fā)展，壓裂液、支撐劑也都有了新的突破，主要表現(xiàn)在：

一、壓裂液粘度降低
頁(yè)巖儲(chǔ)層的壓裂工藝強(qiáng)調(diào)獲得更大的儲(chǔ)層改造體積，但是常規(guī)壓裂液粘度較大，流動(dòng)性差，不能深入地層遠(yuǎn)端，難以形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)溝通地層。

△壓裂后形成縫網(wǎng)，主裂縫間通過(guò)次生裂縫連接

針對(duì)這一問(wèn)題，目前大型壓裂多采用新型滑溜水壓裂液，在清水中加入少量減阻劑和表面活性劑，使其具有較低的粘度。

△Mitchell在開(kāi)發(fā)Barnett頁(yè)巖過(guò)程中，首次嘗試滑溜水壓裂液進(jìn)行施工，獲得了出人意料的效果

二、支撐劑密度降低
支撐劑強(qiáng)度越高，密度也會(huì)隨之加大，沉降速度加快。在地層中過(guò)早沉降則難以形成較長(zhǎng)的支撐裂逢，影響壓裂效果。針對(duì)這一問(wèn)題，目前逐漸興起一類(lèi)超低密度支撐劑，兼顧了低密度與高強(qiáng)度的特點(diǎn)。

△利用樹(shù)脂覆膜技術(shù)，在核桃殼或多孔陶粒的表面裹一層樹(shù)脂，改善了陶粒破碎的影響

< 結(jié)束語(yǔ) >
從有水壓裂到無(wú)水壓裂，從直井壓裂到水平井分段壓裂，從常規(guī)的壓裂技術(shù)到現(xiàn)在的體積改造技術(shù)，壓裂技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)，為人類(lèi)帶來(lái)了豐富的油氣資源。正如煤炭時(shí)代的結(jié)束不是因?yàn)榈厍蛏系拿簾饬?，技術(shù)的發(fā)展將決定油氣行業(yè)的未來(lái)。隨著科技的加速跨界融合，未來(lái)壓裂技術(shù)還會(huì)不斷進(jìn)步，我們對(duì)未來(lái)充滿期待！