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

轟轟烈烈的美國頁巖氣革命 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油氣田的增產(chǎn)主體。
如果將開采常規(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，很難再從中擠出水來。那么石油工程師們又是如何從這些儲層中將油氣資源”擠”出來的呢？

△全球頁巖氣儲量分布

答案還是壓裂技術(shù)！

< 壓裂基礎(chǔ)知識 >

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能力的一種儲層改造技術(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)該壓力超過地層承受能力時，便會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，使油氣輕松地通過裂縫流入井中，達到增產(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：攜帶支撐劑進入裂縫，將支撐劑填在裂縫內(nèi)預(yù)定位置；
頂替液：用來頂替井筒內(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入被壓開的裂縫并使其不再重新閉合的固體材料。

△支撐劑要求：強度大、顆粒均勻、圓度好、雜質(zhì)少、來源廣、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。

△美國的Ottawa砂、北部白砂，均為天然風(fēng)化石英砂，強度較低，無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：

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相比，線性流大大降低了流動阻力

二、溝通油氣儲集區(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，增加新的供油區(qū)。溝通油氣儲集區(qū)是壓裂增產(chǎn)的重要原因。

△裂縫溝通儲層，可實現(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。

△為此目的所進行的壓裂可以是小規(guī)模的，只要穿過堵塞區(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行施工，利用壓裂液流經(jīng)孔眼時產(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，達到一次加砂能夠同時處理多層的目的。

△壓裂液分流過程

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，將油氣儲層分成若干段，用同一套泵車依次單段壓裂。從而達到最大化儲層滲流能力、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，針對性突出、可控性好的精細(xì)儲層改造技術(shù)體系。

△多級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行射孔，打開地層與井筒之間的通道后，提高流體排量，從而在地層中打開裂縫的水力壓裂技術(shù)。

△水力噴射原理圖

長慶油田結(jié)合長慶油田儲層低滲、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、長效封隔”的水力噴射環(huán)空壓裂工藝，解決了長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)期改造效果等問題。

△長慶地區(qū)儲層致密，常規(guī)生產(chǎn)產(chǎn)量極低，水力壓裂技術(shù)使長慶油田年產(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，通過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)壓開新裂縫，達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！

△頁巖氣壓裂作業(yè)現(xiàn)場

△施工現(xiàn)場蓄水池 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

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)計要求）

△地面管線試壓

二、壓前作業(yè)
1. 對已投產(chǎn)生產(chǎn)井進行壓裂作業(yè)時，要首先進行沖砂和起原管柱
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)：逐臺啟動壓裂車，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、井口閥門以上設(shè)備進行承高壓性能試驗。試驗壓力為預(yù)測泵壓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. 驗封（試擠）：打開井口閥門，關(guān)閉循環(huán)放空閘門，逐臺啟動壓裂車，按壓裂施工設(shè)計規(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，啟動壓裂車，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)泵工作壓力達到管柱最高承壓能力還不能壓開欲壓裂層位時，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)。

△通過旋轉(zhuǎn)攪拌，將砂子與壓裂液混合

△攜砂液攜帶支撐劑進入裂縫，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，打開混砂車的替擠旁通流程，向井內(nèi)注入頂替液（注意欠頂替和過頂替）。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，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)井時間不小于壓裂液破膠時間，壓裂液破膠后用小噴嘴放噴，促進裂縫閉合

2. 活動管柱：活動管柱時，上提速度控制在0.5米/分以內(nèi)，活動行程不能小于5米，達到提放自如，拉力計顯示管柱重量完全正常。
3.按壓裂設(shè)計要求起壓裂管柱，完井，投產(chǎn)。

< 壓裂的前世今生 >

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

△世界首次壓裂施工現(xiàn)場

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

△世界首例商業(yè)性的壓裂施工現(xiàn)場

此后，全球的勘探與生產(chǎn)公司開始廣泛采用該技術(shù)以提高或延長油井產(chǎn)能。目前，全球范圍內(nèi)的壓裂施工作業(yè)量將近有250萬次
中國從五十年代開始研究水力壓裂技術(shù)，1952年開始在延長油礦開始試驗。

△延長石油壓裂試驗

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

△大慶油田水力壓裂

隨著國內(nèi)頁巖氣開發(fā)的興起，中石油、中石化、中海油在各自油田區(qū)塊也開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、水力壓裂帶來的問題
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，影響人類的生存和發(fā)展，例如自來水自燃。此外，水力壓裂活動破壞地下巖層還有可能導(dǎo)致小型微地震。

△可以燃燒的水

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

二、技術(shù)展望

1. 超臨界二氧化碳壓裂技術(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，對儲層既沒有傷害又沒有任何污染。

△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，流動阻力小，在低滲透致密儲層改造中具有無可比擬的優(yōu)勢。
2. 高能氣體壓裂技術(shù)
利用火藥或火箭推進劑快速燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體，形成脈沖加載并控制壓力上升速度，在井筒附近壓開多方位的裂縫，溝通天然裂縫，從而達到增產(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，可以與頁巖氣一起返排至地面，甚至無需分離可直接進入生產(chǎn)管線，對地層沒有任何傷害。

△美國紐約州LPG壓裂現(xiàn)場

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圍的通道壁發(fā)生斷裂。

△支撐劑在裂縫中的鋪置狀況

經(jīng)過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
頁巖儲層的壓裂工藝強調(diào)獲得更大的儲層改造體積，但是常規(guī)壓裂液粘度較大，流動性差，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)，主裂縫間通過次生裂縫連接

針對這一問題，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在開發(fā)Barnett頁巖過程中，首次嘗試滑溜水壓裂液進行施工，獲得了出人意料的效果

二、支撐劑密度降低
支撐劑強度越高，密度也會隨之加大，沉降速度加快。在地層中過早沉降則難以形成較長的支撐裂逢，影響壓裂效果。針對這一問題，目前逐漸興起一類超低密度支撐劑，兼顧了低密度與高強度的特點。

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

< 結(jié)束語 >
從有水壓裂到無水壓裂，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)不斷進步的同時，為人類帶來了豐富的油氣資源。正如煤炭時代的結(jié)束不是因為地球上的煤燒光了，技術(shù)的發(fā)展將決定油氣行業(yè)的未來。隨著科技的加速跨界融合，未來壓裂技術(shù)還會不斷進步，我們對未來充滿期待！

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