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摘 要：页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率，开采寿命长，生产周期长，采收率变化较大，且低于常规天然气采收率；页岩气开发具有其特殊的方式。本文根据国外页岩气的开发情况，认为水平井是目前页岩气开发的主要钻井方式，各类先进的压裂技术是页岩气增产的有效方式，据此，提出国内页岩气开发研究方向和重点技术。
关键词：页岩气 特点 钻井技术 压裂技术 研究方向
页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中，它可以生成于有机成因的各种阶段。近年来页岩气的开采已成为全球油气资源开发的热点。
一、页岩气开采特点
页岩气产自渗透率极低的沉积岩中，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。一般情况下，页岩气开采具有三个特点：
1.生产能力低或无自然生产能力。由于页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率。气流阻力比常规天然气大，难以开采，因此所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。
2.井的寿命和生产周期长。页岩气在泥页岩地层中主要以游离态和吸附态存在。游离气渗流速度快，初期产量较高，但产量下降快；相反，吸附气解析、扩散速度慢，产量相对较低，但属于页岩气稳产期，进入该时期后产量递减速度慢，使得生产周期变长。一般井生产寿命可达30～50年。
3.采收率变化较大。根据埋藏深度、地层压力、有机质含量和吸附气量等，不同页岩气藏的采收率不同。相关数据还表明，页岩气采收率通常低于常规天然气采收率，常规天然气采收率可达60%以上，而页岩气仅为5%～60%。
二、页岩气钻井技术
自美国1821年完钻世界上第一口页岩气井九十多年以来[1]， 2002年以前，直井是美国页岩气开发的主要钻井方式，随着2002年页岩气实验水平井取得成功，水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式。页岩气储层钻水平井，可以获得更大的储层泄流面积，更高的天然气产量。根据美国页岩气开发的经验，水平井的日均产气量及最终产气量是垂直井的3～5倍，产气速率则提高10倍。
国外在页岩气水平井钻完井中主要采用的相关技术有[2]：旋转导向技术，它以旋转导向方式钻进，自动、灵活地调整井斜和方位，提高了钻井速度和钻井安全性，适合目前开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要。随钻测井技术，用于水平井精确定位、地层评价，引导中靶地质目标。泡沫固井技术，用于解决低压易漏长封固水平段固井质量。套管开窗侧钻水平井技术，降低增产措施的技术难度。
欠平衡钻井时，在裸眼井段，使井筒压力低于地层压力，当钻遇渗透性地层时，地层流体会不断流入井筒并循环到地面加以控制，页岩气用空气作循环介质在暗色页岩中钻进，可依据演化模式预测暗色页岩对扩散相天然气封闭的能力，以指导页岩气藏勘探，提高勘探开发水平。另外，采用欠平衡钻井技术，实施负压钻井，能够避免损害储层。
三、页岩气增产技术
由于页岩储层孔隙度和渗透率较低，天然气的生产率和采收率也较低，因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施，压裂技术直接影响着页岩气井的经济效益。通过对国外已有的开发实例进行分析研究得知页岩气压裂技术主要有：分段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术和同步压裂技术，这些先进的技术不断提高着页岩气井的产量。如果能引进并合理利用这些先进技术，将有助于中国页岩气的开发。
1.分段压裂技术
分段压裂技术主要有可钻式桥塞分段压裂技术、多级滑套封隔器压裂技术和水力喷砂压裂技术。水平井可钻式桥塞分段压裂技术适用于多种套管尺寸，曾在Woodford页岩应用，压裂前无产量，压裂后产气2.83～5.66×104m3/d。多级滑套封隔器分段压裂技术通过井口投球系统操控滑套，依次逐段进行压裂。水力喷砂分段压裂技术不需封隔器和桥塞等隔离工具，可自动封堵，通过施工管柱用水力喷射工具实施分段压裂[3]。
2.清水压裂技术
清水压裂技术的发展，在Barnett页岩气井压裂获得较大进展。清水压裂是在低渗透油气藏改造中，应用清水作为工作液，靠水力在地层中形成水力裂缝，具有低伤害、低成本、能够深度解堵等优势。清水压裂由四种机理相互作用来提高注水开发效果：①地层岩石中存在的天然裂缝具有非常粗糙的表面，裂缝闭合后仍然保持一定的裂缝缝隙，提供了有利的注入水通道；②与其它压裂技术相比，油水井实施清水压裂作业后，工作液返排率高，减少了工作液残渣对储层造成的二次伤害，提高压裂效果；③压裂过程中，由于脱落的岩石碎屑沉降于裂缝中，起到支撑作用，能保持裂缝张开；④当裂缝周边的岩石在压力超过临界压力后，剪切力使两个裂缝粗糙面产生剪切滑移，停泵后粗糙面使它们不能再滑回到原来的位置，使裂缝渗透率得以保持[4]。
3.重复压裂技术
当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，重复压裂能重建储层到井眼的线性流，恢复或增加生产产能，可使最终采收率提高8%～10%，可采储量增加60%，是一种低成本增产方法。在一般情况下，重复压裂后井的产气速度能达到或超过原始产气速度。这种方法可有效改善单井产量与生产动态特征，已应用到那些经济效益较差的井。如图1所示，得克萨斯州Newark East气田Barnett页岩新井完井和老井采用重复压裂方法压裂后，页岩气井产量与估计最终可采储量都接近甚至超过初次压裂时期[5]。
4.同步压裂技术
同步压裂技术特点是促使水力裂缝扩展过程中相互作用，对相邻且平行的水平井交互作业，增加改造体积，其目的是用更大的压力和更复杂的网络缝压裂地层，从而提高初始产量和采收率。2006年，同步压裂首先在德克萨斯州Fort Worth盆地的Barnett页岩中实施，在相隔152～305m范围内钻两口平行的水平井同时进行压裂，显示出广阔的发展前景。同步压裂采用的是使压力液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法，来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面积。目前已能够四口井同时压裂，采用该技术的页岩气井短期内增产非常明显[6]。 四、页岩气开发技术研究方向
为了适应勘探开发的形势，基于页岩气开发技术方面的进展以及前人所做的工作，可从以下几个方面进行重点研究和攻关：
1.页岩气资源量（储量）评价。该研究方向涉及页岩气基质孔隙度、裂缝系统、页岩气吸附规律以及含气饱和度的评价方法。
2.页岩气渗流机理研究。对于渗流机理，要设计出适用于页岩气的多种渗流方式下的试验装置及测试方法，通过试验，建立页岩气渗流规律。
3.页岩气储集层的储层保护技术。由于页岩储集层孔隙度、渗透率很小，钻井和储层改造过程中储层保护极其重要，包括钻井液体系选择、压裂过程中工作液的选取等。
4.水平井及水平井压裂裂缝优化技术。着重研究水平井参数及水平井压裂裂缝参数在不同页岩储层特征下对页岩气井产能的影响。
5.适应页岩气储层特征的数值模拟器的开发和应用。
五、结论与建议
1.页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率，生产周期长，因而具有其独特的开采方式。
2.水平井是页岩气开发采取的主要方式，它结合旋转导向钻井、随钻测井、控压钻井等先进的钻井技术可以更高效、更合理的开发页岩气。
3.压裂增产技术是页岩气开采的另一种方式。分段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术和同步压裂技术，这些先进的压裂技术使页岩气开发具有更大的潜力。
4.建议开展页岩气开采技术攻关，形成适合我国页岩气开发的配套技术，尽快将页岩气开发利用起来，以缓解我国油气供应压力，为我国能源资源提供重要补充。
参考文献
[1] 蒲伯伶，包书景，王毅等.页岩气成藏条件分析-以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程， 2008， 23（3）： 33-36.
[2] Sandeep Janwadkar， Stephen Morris， Mark Thimas.， Barnett Shale Drilling and Geological Complexities -Advanced Technologies Provide the Solution[J].SPE112765.
[3] J. Paktinat， J.A. Pinkhouse， and J. Fontaine. Investigation of Methods To Improve Utica Shale Hydraulic Fracturing in the Appalachian. SPE111063
[4] 陈远林.清水压裂技术增注机理及现场应用.断块油气田.2008年03期
[5] 黄玉珍等. 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键. 天然气工业，2009，29（5）
[6] George Waters， et al. Stimultaneous Hydraulic Fracturing of Adjacent Horizontal Wells in the Woodford Shale. SPE 119635
作者简介：宋丽敏，1964年生。1986年毕业于大庆石油学院油田化学专业，工程师，现从事钻井设计及科研工作。
关键词：页岩气 特点 钻井技术 压裂技术 研究方向
页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中，它可以生成于有机成因的各种阶段。近年来页岩气的开采已成为全球油气资源开发的热点。
一、页岩气开采特点
页岩气产自渗透率极低的沉积岩中，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。一般情况下，页岩气开采具有三个特点：
1.生产能力低或无自然生产能力。由于页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率。气流阻力比常规天然气大，难以开采，因此所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。
2.井的寿命和生产周期长。页岩气在泥页岩地层中主要以游离态和吸附态存在。游离气渗流速度快，初期产量较高，但产量下降快；相反，吸附气解析、扩散速度慢，产量相对较低，但属于页岩气稳产期，进入该时期后产量递减速度慢，使得生产周期变长。一般井生产寿命可达30～50年。
3.采收率变化较大。根据埋藏深度、地层压力、有机质含量和吸附气量等，不同页岩气藏的采收率不同。相关数据还表明，页岩气采收率通常低于常规天然气采收率，常规天然气采收率可达60%以上，而页岩气仅为5%～60%。
二、页岩气钻井技术
自美国1821年完钻世界上第一口页岩气井九十多年以来[1]， 2002年以前，直井是美国页岩气开发的主要钻井方式，随着2002年页岩气实验水平井取得成功，水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式。页岩气储层钻水平井，可以获得更大的储层泄流面积，更高的天然气产量。根据美国页岩气开发的经验，水平井的日均产气量及最终产气量是垂直井的3～5倍，产气速率则提高10倍。
国外在页岩气水平井钻完井中主要采用的相关技术有[2]：旋转导向技术，它以旋转导向方式钻进，自动、灵活地调整井斜和方位，提高了钻井速度和钻井安全性，适合目前开发特殊油藏的超深井、高难度定向井、水平井、大位移井、水平分支井等特殊工艺井导向钻井的需要。随钻测井技术，用于水平井精确定位、地层评价，引导中靶地质目标。泡沫固井技术，用于解决低压易漏长封固水平段固井质量。套管开窗侧钻水平井技术，降低增产措施的技术难度。
欠平衡钻井时，在裸眼井段，使井筒压力低于地层压力，当钻遇渗透性地层时，地层流体会不断流入井筒并循环到地面加以控制，页岩气用空气作循环介质在暗色页岩中钻进，可依据演化模式预测暗色页岩对扩散相天然气封闭的能力，以指导页岩气藏勘探，提高勘探开发水平。另外，采用欠平衡钻井技术，实施负压钻井，能够避免损害储层。
三、页岩气增产技术
由于页岩储层孔隙度和渗透率较低，天然气的生产率和采收率也较低，因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施，压裂技术直接影响着页岩气井的经济效益。通过对国外已有的开发实例进行分析研究得知页岩气压裂技术主要有：分段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术和同步压裂技术，这些先进的技术不断提高着页岩气井的产量。如果能引进并合理利用这些先进技术，将有助于中国页岩气的开发。
1.分段压裂技术
分段压裂技术主要有可钻式桥塞分段压裂技术、多级滑套封隔器压裂技术和水力喷砂压裂技术。水平井可钻式桥塞分段压裂技术适用于多种套管尺寸，曾在Woodford页岩应用，压裂前无产量，压裂后产气2.83～5.66×104m3/d。多级滑套封隔器分段压裂技术通过井口投球系统操控滑套，依次逐段进行压裂。水力喷砂分段压裂技术不需封隔器和桥塞等隔离工具，可自动封堵，通过施工管柱用水力喷射工具实施分段压裂[3]。
2.清水压裂技术
清水压裂技术的发展，在Barnett页岩气井压裂获得较大进展。清水压裂是在低渗透油气藏改造中，应用清水作为工作液，靠水力在地层中形成水力裂缝，具有低伤害、低成本、能够深度解堵等优势。清水压裂由四种机理相互作用来提高注水开发效果：①地层岩石中存在的天然裂缝具有非常粗糙的表面，裂缝闭合后仍然保持一定的裂缝缝隙，提供了有利的注入水通道；②与其它压裂技术相比，油水井实施清水压裂作业后，工作液返排率高，减少了工作液残渣对储层造成的二次伤害，提高压裂效果；③压裂过程中，由于脱落的岩石碎屑沉降于裂缝中，起到支撑作用，能保持裂缝张开；④当裂缝周边的岩石在压力超过临界压力后，剪切力使两个裂缝粗糙面产生剪切滑移，停泵后粗糙面使它们不能再滑回到原来的位置，使裂缝渗透率得以保持[4]。
3.重复压裂技术
当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，重复压裂能重建储层到井眼的线性流，恢复或增加生产产能，可使最终采收率提高8%～10%，可采储量增加60%，是一种低成本增产方法。在一般情况下，重复压裂后井的产气速度能达到或超过原始产气速度。这种方法可有效改善单井产量与生产动态特征，已应用到那些经济效益较差的井。如图1所示，得克萨斯州Newark East气田Barnett页岩新井完井和老井采用重复压裂方法压裂后，页岩气井产量与估计最终可采储量都接近甚至超过初次压裂时期[5]。
4.同步压裂技术
同步压裂技术特点是促使水力裂缝扩展过程中相互作用，对相邻且平行的水平井交互作业，增加改造体积，其目的是用更大的压力和更复杂的网络缝压裂地层，从而提高初始产量和采收率。2006年，同步压裂首先在德克萨斯州Fort Worth盆地的Barnett页岩中实施，在相隔152～305m范围内钻两口平行的水平井同时进行压裂，显示出广阔的发展前景。同步压裂采用的是使压力液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法，来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面积。目前已能够四口井同时压裂，采用该技术的页岩气井短期内增产非常明显[6]。 四、页岩气开发技术研究方向
为了适应勘探开发的形势，基于页岩气开发技术方面的进展以及前人所做的工作，可从以下几个方面进行重点研究和攻关：
1.页岩气资源量（储量）评价。该研究方向涉及页岩气基质孔隙度、裂缝系统、页岩气吸附规律以及含气饱和度的评价方法。
2.页岩气渗流机理研究。对于渗流机理，要设计出适用于页岩气的多种渗流方式下的试验装置及测试方法，通过试验，建立页岩气渗流规律。
3.页岩气储集层的储层保护技术。由于页岩储集层孔隙度、渗透率很小，钻井和储层改造过程中储层保护极其重要，包括钻井液体系选择、压裂过程中工作液的选取等。
4.水平井及水平井压裂裂缝优化技术。着重研究水平井参数及水平井压裂裂缝参数在不同页岩储层特征下对页岩气井产能的影响。
5.适应页岩气储层特征的数值模拟器的开发和应用。
五、结论与建议
1.页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率，生产周期长，因而具有其独特的开采方式。
2.水平井是页岩气开发采取的主要方式，它结合旋转导向钻井、随钻测井、控压钻井等先进的钻井技术可以更高效、更合理的开发页岩气。
3.压裂增产技术是页岩气开采的另一种方式。分段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术和同步压裂技术，这些先进的压裂技术使页岩气开发具有更大的潜力。
4.建议开展页岩气开采技术攻关，形成适合我国页岩气开发的配套技术，尽快将页岩气开发利用起来，以缓解我国油气供应压力，为我国能源资源提供重要补充。
参考文献
[1] 蒲伯伶，包书景，王毅等.页岩气成藏条件分析-以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程， 2008， 23（3）： 33-36.
[2] Sandeep Janwadkar， Stephen Morris， Mark Thimas.， Barnett Shale Drilling and Geological Complexities -Advanced Technologies Provide the Solution[J].SPE112765.
[3] J. Paktinat， J.A. Pinkhouse， and J. Fontaine. Investigation of Methods To Improve Utica Shale Hydraulic Fracturing in the Appalachian. SPE111063
[4] 陈远林.清水压裂技术增注机理及现场应用.断块油气田.2008年03期
[5] 黄玉珍等. 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键. 天然气工业，2009，29（5）
[6] George Waters， et al. Stimultaneous Hydraulic Fracturing of Adjacent Horizontal Wells in the Woodford Shale. SPE 119635
作者简介：宋丽敏，1964年生。1986年毕业于大庆石油学院油田化学专业，工程师，现从事钻井设计及科研工作。