页岩气水力压裂技术浅析
吴辅兵1 鞠东平2 吴峻1
长城钻探煤层气开发公司 辽宁盘锦 124010 2 辽河油田公司曙光采油厂辽宁盘锦 124010）
摘要: 页岩气是资源量最大的非常规天然气，美国已经实现了商业化开发，而我国尚处于勘探起步阶段。由于页岩渗透率很低，水力压裂技术是成功开发页岩气的关键技术。本文回顾了美国页岩气水力压裂技术现状，对压裂液、支撑剂和射孔井段的选择以及重复压裂技术与同步压裂技术的现场应用效果进行了分析总结。
关键词: 页岩气; 压裂液; 支撑剂; 重复压裂; 同步压裂
Analysis of Shale Gas Hydraulic Fracturing
Wu Fubing1 Ju Dongping2 Wu Jun1
（1. GWDC Coalbed Methane Development Company, Panjin 124010, China; 2. Shuguang Oil Production Plant,
Liaohe Oilfield Company, Panjin 124109, China）
Abstract: Shale gas is the most abundant unconventional natural gas. China is still in infancy stage while USA has realized commercial development. Due to the low permeability, hydraulic fracturing is key to successful shale gas development. This paper reviewed the-state-of-art hydraulic fracturing technique applied to shale gas. The field application of fracturing fluids, proppant, perforation interval, refracturing, and simo-frac is analyzed an summarized.
Key words: shale gas; fracturing fluids; proppant; refracturing, simo-frac
页岩气是重要的非常规天然气，在美国天然气年总产量中所占比例逐年增大，我国2010年开始进行页岩气勘探。美国2000年产量为122亿立方米，2007年达到335亿立方米，2008年产量比2007年增加了71%，达到573亿立方米，并首次超过煤层气产量。据估计，美国2009年产量约900亿立方米左右。水平井及多级分段压裂技术是成功开发页岩气的关键。
1. 压裂液和支撑剂
根据含气页岩矿物质含量的不同，页岩气井压裂使用的压裂液主要有氮气泡沫、凝胶和添加适当减阻剂、杀菌剂等化学药剂的减阻水。减阻水压裂液可以在不减产的前提下节约30%的成本，在很多低渗透致密气、页岩气、煤层气藏储层改造中取得很好的效果。碳酸盐
1
吴辅兵，男，1970年3月19日，2000年4月获油气田开发工程专业硕士学位，现在长城钻探煤层气开发公司工作，工程师，从事非常天然气开发工艺技术研究。
含量较高的页岩通常选择减阻水为压裂液，粘土含量较高的页岩选择减阻水和凝胶混合压裂方式。
美国Chesapeak能源公司减阻水配方：水和砂体积99.5%，其它0.5%，其它成分包括酸（溶解矿物质和启动裂缝）、减阻剂（降低摩擦阻力）、表面活性剂（降低表面张力）、增稠剂（增强压裂液悬浮能力）、阻垢剂、PH值调节剂、破胶剂、交联剂（保持高温下压裂液粘度）、离子控制剂（防止金属离子沉降）、防腐剂（防止套管腐蚀）、杀菌剂和粘土稳定剂。
早期页岩气井压裂通常使用20/40目支撑剂，由于减阻水压裂液粘度低，携砂能力差，支撑剂浓度极少超过0.3ppg，仅在最后阶段，支撑剂浓度由0.3ppg逐渐增加到1-2ppg。2000年以后，开始尝试使用100目、30/50目和40/70目支撑剂，20/40目砂作为尾追支撑剂，结果支撑剂用量和产量都明显提高。
2. 射孔井段选择对压裂效果的影响
阿科马盆地的Fayetteville页岩两口垂直井压裂效果表明，页岩气井射孔井段的选择直接影响诱导裂缝的延伸。井A示踪剂测井曲线显示，诱导裂缝向上延伸至上部射孔段以上600多米，进入粘土富集、有机质贫瘠页岩段。硅质段和射孔段附近强钪示踪剂测井显示比拟表明，诱导裂缝在这些硅质层横向穿透很远。此外，还观察到硅质段破裂压裂梯度小于高粘土含量井段。井M示踪剂测井结果显示较好的裂缝包含性，射孔段铱示踪剂浓度高于临近部分。矿物质含量测井表明，井M比井A含更多的硅质段。尽管井A压裂使用的支撑剂量大于井M，但井M产量要高于井A，高有机碳含量硅质段更好的裂缝包含性可能是造成效果不同的原因，井M在对应硅质段射孔，裂缝横向延伸。
3. 水力压裂技术
3.1 重复压裂技术
页岩气井生产一段时间后，初始裂缝周围孔隙压力重新分布，另外，初次压裂裂缝沿着最大水平应力方向，随着地层压力降低，该方向应力降低幅度大于最小水平应力方向，如果原最小水平应力方向的诱导应力足够大，围绕原始裂缝的最大、最小水平应力发生应力反转，则重复压裂诱导裂缝重新取向，新裂缝在对应初始裂缝方位角90°范围内延伸至应力反转区域边界。当页岩气井产量大幅降低时，重复压裂能重建储层到井眼的线性流，恢复或增加产能，是一种低成本增产方法。该方法有效地改善单井产量与生产动态特性，在页岩气井生产中起着积极作用，压裂后产量接近甚至超过初次压裂时期。重复压裂技术在有些煤层气井中也取得了很好的效果。
表1给出Barnett页岩气井1999-2000年实施重复压裂后的累计产量。初次压裂累计产量从投产起计算到重复压裂，重复压裂累计产量从初次投产压裂计算到2004年2月。
表1 重复压裂井产量对比（万立方米）
3.2 水平井同步压裂技术
同步压裂技术指对储层中临近井同时压裂，即同时对两口或两口以上的井进行压裂，最初是两口互相接近且深度大致相同水平井间的同时压裂，目前已发展到3口，甚至4口井间同时压裂。这项技术是近几年在沃斯堡盆地Barnett页岩气和阿科马盆地的Woodford页岩气开发中成功应用的最新压裂技术。该技术主要用于页岩气中的水平井，水平段沿着最小水平应力方向，通常深度相同，在这样相邻的水平井中，分支端部同时压裂，随后从端部到根部的多级压裂同步进行，目的是通过利用裂缝周围的张性应力区域，使临井诱导水力裂缝充分接近。相邻水平井水平段的深度可以不同，垂直交错布局不仅可以利用缝梢的张性区域，还能够利用裂缝顶部和底部的张性区域，使诱导裂缝距离很近。在页岩等超低渗透率储层中，由于压裂液几乎不向基质滤失，回流前裂缝系统保持开启状态，压裂处理不一定要同步进行。现场施工过程中，为了提高效率，可以首先完成一口井的全部压裂，然后关井保持诱导裂缝周围的张性应力，进行临井压裂。
表2 Barnett页岩同步压裂产量（万立方米）
采用该技术的页岩气井短期内增产非常明显，Barnett页岩进行了3口水平井顺序、同步压裂试验，对4口井产量做了对比。第一周完成井A的5级压裂，第二周进行井B和井C的同步压裂。3口顺序/同步压裂井A、B和C第一个月日平均产量5.9-8.1万立方米，而单独压裂井D第一个月日平均产量为1.7万立方米。井B和井C的同步压裂可能强化了井A的裂缝网络，导致产量的提高。4口井产量对比见表2。
表3 Woodford页岩同步压裂产量（万立方米）
Woodford页岩现场试验了2.59平方公里面积内的4口井，垂深2160-2250米。每口井分9级压裂，每级压裂段长度150米。单级减阻水压裂液用量1750立方米，100目砂支撑剂30吨，30/50目砂支撑剂113吨，注入量15立方米/分钟。首先进行A1井的重复压裂，然后同步压裂A2和A3井，最后压裂A4井，所有井同步防喷投产。表3给出4口多级压裂水平井产量情况。
4. 认识与建议
水力压裂技术是实现页岩气商业化开发的关键，水平井同步压裂技术能够大幅度提高单井产量，重复压裂在页岩气井的应用效果十分显著。由于煤层气在储集方式上与页岩气具有相似之处，可以考虑在我国煤层气开发中尝试同步压裂技术。
参 考 文 献
[1] Mutalik, P. N. et al: “Case History of Sequential and Simultaneous Fracturing of the Barnett Shale in Parker County,” SPE 116124, 2008
[2] Waters, G. et al: ”Simultaneous Fracturing of Adjacent Horizontal Wells in the Woodford Shale,” SPE 119635, 2009
页岩气水力压裂技术浅析
吴辅兵1 鞠东平2 吴峻1
长城钻探煤层气开发公司 辽宁盘锦 124010 2 辽河油田公司曙光采油厂辽宁盘锦 124010）
摘要: 页岩气是资源量最大的非常规天然气，美国已经实现了商业化开发，而我国尚处于勘探起步阶段。由于页岩渗透率很低，水力压裂技术是成功开发页岩气的关键技术。本文回顾了美国页岩气水力压裂技术现状，对压裂液、支撑剂和射孔井段的选择以及重复压裂技术与同步压裂技术的现场应用效果进行了分析总结。
关键词: 页岩气; 压裂液; 支撑剂; 重复压裂; 同步压裂
Analysis of Shale Gas Hydraulic Fracturing
Wu Fubing1 Ju Dongping2 Wu Jun1
（1. GWDC Coalbed Methane Development Company, Panjin 124010, China; 2. Shuguang Oil Production Plant,
Liaohe Oilfield Company, Panjin 124109, China）
Abstract: Shale gas is the most abundant unconventional natural gas. China is still in infancy stage while USA has realized commercial development. Due to the low permeability, hydraulic fracturing is key to successful shale gas development. This paper reviewed the-state-of-art hydraulic fracturing technique applied to shale gas. The field application of fracturing fluids, proppant, perforation interval, refracturing, and simo-frac is analyzed an summarized.
Key words: shale gas; fracturing fluids; proppant; refracturing, simo-frac
页岩气是重要的非常规天然气，在美国天然气年总产量中所占比例逐年增大，我国2010年开始进行页岩气勘探。美国2000年产量为122亿立方米，2007年达到335亿立方米，2008年产量比2007年增加了71%，达到573亿立方米，并首次超过煤层气产量。据估计，美国2009年产量约900亿立方米左右。水平井及多级分段压裂技术是成功开发页岩气的关键。
1. 压裂液和支撑剂
根据含气页岩矿物质含量的不同，页岩气井压裂使用的压裂液主要有氮气泡沫、凝胶和添加适当减阻剂、杀菌剂等化学药剂的减阻水。减阻水压裂液可以在不减产的前提下节约30%的成本，在很多低渗透致密气、页岩气、煤层气藏储层改造中取得很好的效果。碳酸盐
1
吴辅兵，男，1970年3月19日，2000年4月获油气田开发工程专业硕士学位，现在长城钻探煤层气开发公司工作，工程师，从事非常天然气开发工艺技术研究。
含量较高的页岩通常选择减阻水为压裂液，粘土含量较高的页岩选择减阻水和凝胶混合压裂方式。
美国Chesapeak能源公司减阻水配方：水和砂体积99.5%，其它0.5%，其它成分包括酸（溶解矿物质和启动裂缝）、减阻剂（降低摩擦阻力）、表面活性剂（降低表面张力）、增稠剂（增强压裂液悬浮能力）、阻垢剂、PH值调节剂、破胶剂、交联剂（保持高温下压裂液粘度）、离子控制剂（防止金属离子沉降）、防腐剂（防止套管腐蚀）、杀菌剂和粘土稳定剂。
早期页岩气井压裂通常使用20/40目支撑剂，由于减阻水压裂液粘度低，携砂能力差，支撑剂浓度极少超过0.3ppg，仅在最后阶段，支撑剂浓度由0.3ppg逐渐增加到1-2ppg。2000年以后，开始尝试使用100目、30/50目和40/70目支撑剂，20/40目砂作为尾追支撑剂，结果支撑剂用量和产量都明显提高。
2. 射孔井段选择对压裂效果的影响
阿科马盆地的Fayetteville页岩两口垂直井压裂效果表明，页岩气井射孔井段的选择直接影响诱导裂缝的延伸。井A示踪剂测井曲线显示，诱导裂缝向上延伸至上部射孔段以上600多米，进入粘土富集、有机质贫瘠页岩段。硅质段和射孔段附近强钪示踪剂测井显示比拟表明，诱导裂缝在这些硅质层横向穿透很远。此外，还观察到硅质段破裂压裂梯度小于高粘土含量井段。井M示踪剂测井结果显示较好的裂缝包含性，射孔段铱示踪剂浓度高于临近部分。矿物质含量测井表明，井M比井A含更多的硅质段。尽管井A压裂使用的支撑剂量大于井M，但井M产量要高于井A，高有机碳含量硅质段更好的裂缝包含性可能是造成效果不同的原因，井M在对应硅质段射孔，裂缝横向延伸。
3. 水力压裂技术
3.1 重复压裂技术
页岩气井生产一段时间后，初始裂缝周围孔隙压力重新分布，另外，初次压裂裂缝沿着最大水平应力方向，随着地层压力降低，该方向应力降低幅度大于最小水平应力方向，如果原最小水平应力方向的诱导应力足够大，围绕原始裂缝的最大、最小水平应力发生应力反转，则重复压裂诱导裂缝重新取向，新裂缝在对应初始裂缝方位角90°范围内延伸至应力反转区域边界。当页岩气井产量大幅降低时，重复压裂能重建储层到井眼的线性流，恢复或增加产能，是一种低成本增产方法。该方法有效地改善单井产量与生产动态特性，在页岩气井生产中起着积极作用，压裂后产量接近甚至超过初次压裂时期。重复压裂技术在有些煤层气井中也取得了很好的效果。
表1给出Barnett页岩气井1999-2000年实施重复压裂后的累计产量。初次压裂累计产量从投产起计算到重复压裂，重复压裂累计产量从初次投产压裂计算到2004年2月。
表1 重复压裂井产量对比（万立方米）
3.2 水平井同步压裂技术
同步压裂技术指对储层中临近井同时压裂，即同时对两口或两口以上的井进行压裂，最初是两口互相接近且深度大致相同水平井间的同时压裂，目前已发展到3口，甚至4口井间同时压裂。这项技术是近几年在沃斯堡盆地Barnett页岩气和阿科马盆地的Woodford页岩气开发中成功应用的最新压裂技术。该技术主要用于页岩气中的水平井，水平段沿着最小水平应力方向，通常深度相同，在这样相邻的水平井中，分支端部同时压裂，随后从端部到根部的多级压裂同步进行，目的是通过利用裂缝周围的张性应力区域，使临井诱导水力裂缝充分接近。相邻水平井水平段的深度可以不同，垂直交错布局不仅可以利用缝梢的张性区域，还能够利用裂缝顶部和底部的张性区域，使诱导裂缝距离很近。在页岩等超低渗透率储层中，由于压裂液几乎不向基质滤失，回流前裂缝系统保持开启状态，压裂处理不一定要同步进行。现场施工过程中，为了提高效率，可以首先完成一口井的全部压裂，然后关井保持诱导裂缝周围的张性应力，进行临井压裂。
表2 Barnett页岩同步压裂产量（万立方米）
采用该技术的页岩气井短期内增产非常明显，Barnett页岩进行了3口水平井顺序、同步压裂试验，对4口井产量做了对比。第一周完成井A的5级压裂，第二周进行井B和井C的同步压裂。3口顺序/同步压裂井A、B和C第一个月日平均产量5.9-8.1万立方米，而单独压裂井D第一个月日平均产量为1.7万立方米。井B和井C的同步压裂可能强化了井A的裂缝网络，导致产量的提高。4口井产量对比见表2。
表3 Woodford页岩同步压裂产量（万立方米）
Woodford页岩现场试验了2.59平方公里面积内的4口井，垂深2160-2250米。每口井分9级压裂，每级压裂段长度150米。单级减阻水压裂液用量1750立方米，100目砂支撑剂30吨，30/50目砂支撑剂113吨，注入量15立方米/分钟。首先进行A1井的重复压裂，然后同步压裂A2和A3井，最后压裂A4井，所有井同步防喷投产。表3给出4口多级压裂水平井产量情况。
4. 认识与建议
水力压裂技术是实现页岩气商业化开发的关键，水平井同步压裂技术能够大幅度提高单井产量，重复压裂在页岩气井的应用效果十分显著。由于煤层气在储集方式上与页岩气具有相似之处，可以考虑在我国煤层气开发中尝试同步压裂技术。
参 考 文 献
[1] Mutalik, P. N. et al: “Case History of Sequential and Simultaneous Fracturing of the Barnett Shale in Parker County,” SPE 116124, 2008
[2] Waters, G. et al: ”Simultaneous Fracturing of Adjacent Horizontal Wells in the Woodford Shale,” SPE 119635, 2009