頁岩氣開採的“武功秘籍” 帶你了解頁岩氣開採技術

頁岩氣藏在頁岩中，具體來說，它們主要位於暗色泥頁岩或高碳泥頁岩中（圖1），是以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集。這是天然氣生成之后在源岩層段內就近聚集的結果，表現為典型的“原地”成藏模式。

這種“原地”儲藏的方式，也給開採帶來了絕大的麻煩，因此在相當長的時間內，沒有進入到可以被資源利用的范疇。近些年來，隨著社會對清潔能源需求的不斷擴大和天然氣價格的不斷上漲，以及對頁岩氣藏認識的不斷深化，科學界及能源界都開始以全新的視角來認識頁岩氣，並開發出了一系列開採頁岩氣的技術。

圖1  五峰組-龍馬溪組高碳質泥頁岩（自然資源部中國地質調查局供圖）

頁岩氣究竟是怎麼開採出來的呢？

很多人已經知道，頁岩氣是充填於頁岩裂隙、微細孔隙及層面內的天然氣（圖2）。開採頁岩氣通常要先打直井到幾千米的地下，再向水平方向鑽進數百米到上千米，並採用大型水力壓裂技術，也就是通過向地下注入清水、陶制顆粒、化學物等混合成的壓裂液，以數十到上百兆帕的壓力，將蘊含天然氣氣流的岩層“撬開”，讓深藏於頁岩層中的頁岩氣得到釋放，最終達到開採的目的。如果打個比喻，水力壓裂技術就是在致密的頁岩中建設一條條“高速公路”，並讓頁岩氣沿“高速公路”跑到水平井段，最后從直井中抽出來。

頁岩氣的開採比常規天然氣開採要麻煩得多，成本也要更高一些。因為在同樣產量情況下，頁岩氣的井田面積大約是常規天然氣井田面積的十幾倍，鑽井數量則達到常規天然氣100倍甚至更多。另外，開採頁岩氣層需要採取特殊的鑽井技術和增產措施方法。當然，隨著開採技術的不斷進步，其開採成本也會不斷減低，使之與常規天然氣開採不再有明顯的劣勢。

圖2 以吸附和游離方式賦存於泥頁岩層段中納米級孔隙中的頁岩氣

（自然資源部中國地質調查局供圖）

水平井鑽井和分段壓裂是目前用於頁岩氣開採的核心技術。下面我們就來分別了解一下這兩種技術：

頁岩氣儲層水平井鑽井技術

頁岩氣儲層水平井是能源開採領域定向井的一種，是指井眼豎著打到一定的深度以后，再向水平或者接近水平的傾斜方向繼續延伸一定長度的定向井。在技術層面，豎著與水平方向打井的井斜角要達到90°左右（一般大於85°）﹔其在頁岩層裡水平方向延伸的長度一般要大於頁岩厚度的6倍（圖3）。

圖3 水平井示意圖（自然資源部中國地質調查局供圖）

具體而言，一口水平井的實施常常分為三個步驟：

第一步是水平井布井：現在常常採用三維地震資料進行水平井井位優化部署，並設計井眼軌跡及方位（圖4）。

圖4 水平井井眼軌跡及方向示意圖（自然資源部中國地質調查局供圖）

第二步是水平井鑽進：頁岩儲層水平段鑽進方向應垂直於最大主應力方向（圖5），這樣才更有利於頁岩氣被擠出來。

圖5 最大主應力方向示意圖（自然資源部中國地質調查局供圖）

第三步水平井完井：水平井通過壓裂溝通天然裂縫，就可以獲得更大泄流面積（圖6），看看下面的對比圖就可以知道水平井通過壓裂溝通天然裂縫后的巨大效用了。

圖6 直井、水平井、水平井分段壓裂泄流面積對比圖

（自然資源部中國地質調查局供圖）

頁岩氣儲層的水平井分段壓裂技術

分段壓裂技術是水平井的關鍵配套技術之一，運用分段壓裂可在較短時間內一次性完成對多個儲層的壓裂，並最大限度地減少對儲層的傷害，達到多層合採，從而達到提高單井產量、最大限度達到提高地質儲量可動用程度的目的。

水平井分段壓裂並不難理解，它是利用封隔器或橋塞分隔各段，然后逐段壓裂，在每個井筒中壓開多條裂縫，它通常分為三個階段：

首先將前置液(無支撐劑)泵入儲層，然后將含有一定濃度支撐劑（通常為砂）的壓裂液泵入儲層，最后使用更高濃度的支撐劑壓裂液進行壓裂（圖7）。在開採的實際操作中，通常還可以通過使用橋塞、封隔器以及連續管等工具輔助壓裂。

利用水平井分段壓裂技術，可以增大水平井的導流能力，提高水平井的產能。因此，該項技術已經在石油、頁岩氣的地下開採中被廣泛應用。

圖7 水平井分段壓裂示意圖（自然資源部中國地質調查局供圖）

可以說，水平鑽井技術和水平分段壓裂技術就是頁岩氣開採的“武功秘籍”，掌握了這兩項絕技，在頁岩氣的開採中就可以獲得更大的泄氣面積、更好的單井產量和更大的頁岩氣儲量動用程度，因此對於提高頁岩氣開發成功率和商業價值有著重大的意義。

策劃：自然資源部中國地質調查局科普辦公室（中國地質調查局地學文獻中心）

作者：自然資源部中國地質調查局南京地調中心 方朝剛、李建青

審核專家：南京地質調查中心能源地質室副主任 高級工程師 黃正清