摘要：近年來，美國頁巖氣的勘探開發(fā)步入大規(guī)模快速發(fā)展階段。除了得益于天然氣市場需求的增長、國家政策扶持等因素外，技術進步是推動美國頁巖氣快速發(fā)展的關鍵因素，其中鉆井、完井與增產技術的進步，尤其是水平井鉆井、水力多段壓裂、重復壓裂、同步壓裂以及裂縫綜合監(jiān)測等技術的突破與廣泛運用起著極為重要的作用。美國頁巖氣勘探開發(fā)的巨大成功表明，只要突破傳統(tǒng)的勘探思想，堅持不懈地開展技術創(chuàng)新，仍然能夠使分布廣泛的頁巖氣資源量逐步轉化為經濟和技術可采儲量。
關鍵詞：美國；頁巖氣；技術進步；關鍵因素；水平井；壓裂；裂縫監(jiān)測
1 近年來美國頁巖氣產量大幅增長
美國頁巖氣開采最早可以追溯到1821年，20世紀20年代開始現(xiàn)代化工業(yè)生產，70年代中期步入規(guī)?；l(fā)展階段，至80年代末累計產量達到840×108m3。1989～1999年，美國頁巖氣生產整體保持較高速度增長，年產量翻了近兩番，達106×108m3。進入2000年以來，美國頁巖氣產量大幅增長，處于快速發(fā)展階段[1](圖1)。
目前，美國有5大商業(yè)性頁巖氣生產盆地，即密歇根盆地(Antrim頁巖)、阿帕拉契亞盆地(Ohio頁巖)、伊里諾斯盆地(New Albany頁巖)、沃斯堡盆地(Barnett頁巖)和圣胡安盆地(Lewis頁巖)，5大盆地頁巖氣地質資源量12.85×1012～25.14×1012m3，探明地質儲量6994.3×108m3[2]。
在美國五大頁巖氣盆地中，尤以沃斯堡盆地Barnett頁巖氣的發(fā)展最為迅猛。1993年Barnett頁巖氣年產量僅7.9×108m3，至2007年8960口頁巖氣生產井產氣量猛增近40倍，達315×108m3[3]，超過2006年全美頁巖氣總產量(圖2)。據美國能源信息署(EIA)2006年公布的數(shù)據，主產區(qū)Newark East氣田年產量和技術可采儲量在美國各氣田中排名分別為第二和第三，并且隨著勘探開發(fā)程度不斷擴大及技術的進步，沃斯堡盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一大批具有商業(yè)性開采價值的頁巖氣氣田[4]，美國聯(lián)邦地質調查局(USGS)及其他研究機構對Barnett頁巖氣技術可采儲量的評估值也迅速攀升，由1990年的390×108m3(USGS，1990)、1996年的840×108m3(USGS，1996)、2004年的7300×108m3(USGS，2004)增至2005年的1.1×1012m3(ARI，2005)[4～5]。
伴隨著頁巖氣在沃斯堡盆地Barnett地區(qū)取得巨大的成功，美國眾多油氣公司對頁巖氣的投資熱情日益高漲。截至2007年底，美國有64家油氣公司進行頁巖氣商業(yè)開采[7]。最近，美國在5大盆地之外更大面積范圍內開采頁巖氣資源，新興頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊近70個[7～8]，其中Fayetteville頁巖聚集帶正成為繼Barnett頁巖氣富集帶之后又一個新的頁巖氣開發(fā)熱點地區(qū)，2007年頁巖氣產量達25.2×108m3。
2 美國頁巖氣勘探開發(fā)成功的啟迪
從頁巖氣的實踐在美國獲得的巨大成功來看，除了依賴于天然氣市場需求的增長、國家政策扶持(如美國《聯(lián)邦稅法》第29章——非常規(guī)能源生產稅減免政策)外，勘探與開發(fā)技術的突破及規(guī)模推廣運用是其中最關鍵的因素。頁巖氣的發(fā)展無不與科技進步緊密相連，勘探開發(fā)技術的創(chuàng)新與推廣是頁巖氣開發(fā)取得成功的引擎，技術進步推動了并將繼續(xù)推動頁巖氣的持續(xù)快速發(fā)展。
開發(fā)技術的創(chuàng)新尤其是水平井鉆井、壓裂技術以及裂縫綜合診斷技術的進步與廣泛運用在推動沃斯堡盆地Barnett頁巖氣藏的快速發(fā)展中起著至關重要的作用。1981年，Barnett頁巖區(qū)在按計劃鉆探過程中偶然發(fā)現(xiàn)顯示良好的Barnett頁巖層段。自1981年第一口發(fā)現(xiàn)井到1992年歷經10a生產井僅99口，開發(fā)緩慢。1997年后，水力壓裂開始取代凝膠壓裂成為頁巖氣主要的增產措施，Barnett頁巖氣的開發(fā)也隨之加快了前進的步伐。隨著1999年重復壓裂、2003年水平鉆井以及2005年水平井分段壓裂等一系列新技術的廣泛運用，Barnett頁巖氣發(fā)展速度驚人(圖2)，從1997～2007年的10a時間里，Barnett頁巖氣區(qū)有多達8629口頁巖氣井投入生產(其中水平井4973口，占50%以上)。新技術的運用同樣使Barnett頁巖氣產量發(fā)生了翻天覆地的變化，截至2008年1月，Barnett頁巖氣產量約0.996×108m3/d，累計產量1044.9×108m3[3]。
3 技術進步推動美國頁巖氣快速發(fā)展
3.1 水平井是頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式
與直井相比，水平井在頁巖氣開發(fā)中其有無可比擬的優(yōu)勢：①水平井成本為直井的1.5～2.5倍，但初始開采速度、控制儲量和最終評價可采儲量卻是直井的3～4倍[9]。沃斯堡盆地Barnett頁巖最成功的垂直井在2006年上半年頁巖氣累積產量為991.10×104m3/d,而同期最成功的水平井產量為2831.7×104m3/d，為直井產量的近3倍[5]。②水平井與頁巖層中裂縫(主要為垂直裂縫)相交機會大，明顯改善儲層流體的流動狀況。統(tǒng)計結果表明，水平段為200m或更長時，比直井鉆遇裂縫的機會多幾十倍[10]。③在直井收效甚微的地區(qū)，水平井開采效果良好。如在Barnett頁巖氣外圍開采區(qū)內，水平井克服了Barnett組頁巖上、下石灰?guī)r層的限制，避免了Ellenburger組白云巖層的水侵，降低了壓裂風險以及增產效果明顯，在外圍生產區(qū)得到廣泛的運用[4]。④減少了地面設施，開采延伸范圍大，避免地面不利條件的干擾。
2002年以前，垂直井是美國頁巖氣開發(fā)主要的鉆井方式，隨著2002年Devon能源公司7口Barnett頁巖氣試驗水平井取得了巨大成功，業(yè)界開始大力推廣水平鉆井[4]，水平井已然成為頁巖氣開發(fā)的主要鉆井方式。2002年后，Barnett頁巖氣水平井完井數(shù)迅速增加，2003～2007年Barnett頁巖水平井累計達4960口，占Barnett頁巖氣生產井總數(shù)的50%以上，2007年完鉆2219口水平井，占該年頁巖氣完井數(shù)的94%(圖2)[3]。
水平井位與井眼方位應選擇在有機質與硅質富集、裂縫發(fā)育程度高的頁巖區(qū)及層位，水平井的方位角及進尺對頁巖氣產量產生重要的影響[5]。一般水平井選擇與主要裂縫網絡系統(tǒng)大致平行的方位鉆井，能夠生成眾多橫向誘導裂縫，使天然或誘導裂縫網絡彼此聯(lián)通，增大了氣體接觸表面積，提高頁巖氣采收率。在水平鉆井過程采用MWD(隨鉆測井)和自然伽馬測井曲線在頁巖段內定向控制和定位，應用對比井數(shù)據和地震數(shù)據避開已知有井漏問題和斷層的區(qū)域。水平鉆井取得成功的關鍵是有效的井身設計，利于節(jié)約完井和管理成本。鉆井作業(yè)采用泥漿系統(tǒng)、井下鉆具以及定向設備等常規(guī)鉆井技術。采用地質導向技術，確保在目標區(qū)內鉆井，避免斷層和其他復雜構造區(qū)，否則會導致鉆穿目標區(qū)，或者發(fā)生井漏。通常，水平段越長，最終采收率和初始開采速度就會得到越大的提高。根據美國公布的數(shù)據，最有效的水平井進尺包括造斜井段一般為914～1219m[9]。
3.2 壓裂增產技術的進步顯著提高了頁巖氣的產量
3.2.1 美國頁巖氣壓裂增產措施的發(fā)展歷程
含氣頁巖儲層的基質孔隙度和滲透率總體上非常低，除少數(shù)裂縫發(fā)育帶可能具有較高的自然產能外，一般頁巖氣藏均需人工壓裂改造之后才具有商業(yè)價值[11]。
20世紀70年代，美國的經營者對東部泥盆紀頁巖氣開發(fā)中曾采用裸眼完井、硝化甘油爆炸增產技術來提高天然氣的采收率[12]；20世紀80年代使用高能氣體壓裂以及氮氣泡沫壓裂，使得頁巖氣產量提高了3～4倍[13]。進入21世紀后，隨著水力壓裂、重復壓力及平行壓裂等新技術的運用和推廣，極大地改善了頁巖氣井的生產動態(tài)與增產作業(yè)效果，頁巖氣單井產量增長顯著，極大地促進了頁巖氣的快速發(fā)展。
沃斯堡盆地Barnett頁巖氣藏的開發(fā)先后經歷了直井小型交聯(lián)凝膠或泡沫壓裂、直井大型交聯(lián)凝膠或泡沫壓裂、直井減阻水力壓裂與水平井水力壓裂等多個階段，增產效果極大地提高(圖3)[14]。如Barnett頁巖氣區(qū)的C.W.Slay1號井早期采用氮氣泡沫壓裂，12a內累計總產氣量為50×104m3；關井2a后采用大型凝膠進行重復壓裂，2.5a內產氣量為30×104m3；再次關井2a后采用水力壓裂，獲得210×104m3的產氣量；截至2007年底，這口最初被認為無經濟價值的頁巖氣井累計產氣量已達3817.5×104m3。
3.2.2 水力壓裂
由于頁巖氣產能較低，通常埋深大、地層壓力高的頁巖儲層必須進行水力壓裂改造才能夠實現(xiàn)經濟性開采。水力壓裂技術以清水為壓裂液，支撐劑較凝膠壓裂少90%，并且不需要黏土穩(wěn)定劑與表面活性劑，大部分地區(qū)完全可以不用泵增壓，較之美國20世紀90年代實施的凝膠壓裂技術可以節(jié)約成本50%～60%，并能提高最終估計采收率，目前已成為美國頁巖氣井最主要的增產措施(圖4)[14]。
3.2.3 水平井分段壓裂技術
在水平井段采用分段壓裂，能有效產生裂縫網絡，盡可能提高最終采收率，同時節(jié)約成本[15]。最初水平井的壓裂階段一般采用單段或2段，目前已增至7段甚至更多。如美國新田公司位于阿科馬盆地Woodford頁巖氣聚集帶的Tipton-1H-23井經過7段水力壓裂措施改造后，增產效果顯著，頁巖氣產量高達14.16×104m3/d[7](表1)。水平井水力多段壓裂技術的廣泛運用，使原本低產或元氣流的頁巖氣井獲得工業(yè)價值成為可能，極大地延伸了頁巖氣在橫向與縱向的開采范圍，是目前美國頁巖氣快速發(fā)展最關鍵的技術。
表1 新田公司阿科馬盆地Woodford頁巖氣井產量表
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井名
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壓裂段
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最大初始產量(104m3/d)
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最大最終產量(104m3/d)
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Tollett-1H-22
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5
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28.32
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16.99
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Bullock-1H-15
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5
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14.16
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11.61
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Tipton-1H-23
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7
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19.82
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14.16
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注：據John White等修改，2007年。
3.2.4 重復壓裂
當頁巖氣井初始壓裂處理已經無效或現(xiàn)有的支撐劑因時間關系損壞或質量下降，導致氣體產量大幅下降時，重復壓裂能重建儲層到井眼的線性流，恢復或增加生產產能，可使估計最終采收率提高8%～10%，可采儲量增加60%，是一種低成本增產方法。該方法有效地改善單井產量與生產動態(tài)特性，在頁巖氣井生產中起著積極作用，壓裂后產量接近甚至超過初次壓裂時期。美國天然氣研究所(GRI)研究證實，重復壓裂能夠以0.1美元/mcf(1mcf=28.317m3)的成本增加儲量，遠低于收購天然氣儲量0.54美元/mcf或發(fā)現(xiàn)和開發(fā)天然氣儲量0.75美元/mcf的平均成本[16]。如圖5所示，得克薩斯州Newark East氣田Barnett頁巖新井完井和老井采用重復壓裂方法壓裂后，頁巖氣井產量與估計最終可采儲量都接近甚至超過初次壓裂時期(圖5)[17]。
3.2.5 同步壓裂
2006年，同步壓裂技術開始在Barnett頁巖氣井完井中實施，作業(yè)者在相隔152～305m范圍內鉆兩口平行的水平井同時進行壓裂，顯示出廣闊的發(fā)展前景[7]。由于頁巖儲層滲透性差，氣體分子能夠移動的距離短，需要通過壓裂獲得近距離的高滲透率路徑而進入井眼中。同步壓裂采用的是使壓力液及支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運移距離最短的方法，來增加水力壓裂裂縫網絡的密度及表面積。目前已發(fā)展成三口井同時壓裂，甚至四口井同時壓裂，采用該技術的頁巖氣井短期內增產非常明顯。
3.3 裂縫綜合監(jiān)測技術
頁巖氣井實施壓裂改造措施后，需要有效的方法來確定壓裂作業(yè)效果，獲取壓裂誘導裂縫導流能力、幾何形態(tài)、復雜性及其方位等諸多信息，改善頁巖氣藏壓裂增產作業(yè)效果以及氣井產能，并提高天然氣采收率。
推斷壓裂裂縫幾何形態(tài)和產能的常規(guī)方法主要包括利用凈壓力分析進行裂縫模擬，試井以及生產動態(tài)分析等間接的井響應方法[18～19]。利用地面、井下測斜儀與微地震監(jiān)測技術結合的裂縫綜合診斷技術，可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表征所產生裂縫網絡，評價壓裂作業(yè)效果，實現(xiàn)頁巖氣藏管理的最佳化。該技術有以下優(yōu)點[20]：①測量快速，方便現(xiàn)場應用；②實時確定微地震事件的位置；③確定裂縫的高度、長度、傾角及方位；④具有噪音過濾能力。
作為目前美國最活躍的頁巖氣遠景區(qū)，沃斯堡盆地Barnrtt頁巖的開發(fā)充分說明了直接及時的微地震描述技術的重要性[20～21]。經營者運用該技術認識到天然裂縫和斷層對水力壓裂裂縫的延伸及儲層產能和開采產生很大影響。2005年，美國Chesapeak能源公司于將微地震技術運用于一口垂直監(jiān)測井上，準確地確定了Newark East氣田一口水平井進行的4段清水壓裂的裂縫高度、長度、方位角及其復雜性，改善了對壓裂效果的評價[19]。
4 結論與建議
美國頁巖氣的高速發(fā)展表明，頁巖氣在經濟上獲得成功除了天然氣價格上漲、天然氣需求增加以及國家政策扶持等因素外，以下開發(fā)技術的進步與推廣運用是最關鍵的影響因素：
1) 水平井鉆井與分段壓裂技術的綜合運用，使頁巖開發(fā)領域在縱向和橫向上延伸，單井產量上了新臺階。
2) 由氮氣泡沫壓裂發(fā)展到水力壓裂，針對不同性質的頁巖產層選擇合適、經濟的壓裂措施，頁巖氣井完井成本大幅度降低。
3) 重復壓裂與同步壓裂通過調整壓裂方位，能夠改善儲層滲流能力，延長頁巖氣井高產時期。
4) 裂縫監(jiān)測技術能夠觀測實際裂縫幾何形狀，有助于掌握頁巖氣藏的衰竭動態(tài)變化情況，實現(xiàn)氣藏管理的最佳化。
實踐證明，只要突破傳統(tǒng)的勘探思想，堅持不懈地開展技術創(chuàng)新，仍然能夠使分布廣泛的頁巖氣資源量逐步轉化為經濟和技術可采儲量。
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(本文作者：黃玉珍1 黃金亮2 葛春梅1 程克明2 董大忠2 1.中國石油對外合作經理部；2.中國石油勘探開發(fā)研究院)
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