摘 要

摘　要：非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)是國(guó)內(nèi)外目前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，壓裂能力和壓裂液成為制約增產(chǎn)改造效果的瓶頸。為此，依據(jù)中國(guó)儲(chǔ)層特性、地面條件、開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀等情況，并以大量的實(shí)際生產(chǎn)和統(tǒng)計(jì)

摘　要：非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)是國(guó)內(nèi)外目前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，壓裂能力和壓裂液成為制約增產(chǎn)改造效果的瓶頸。為此，依據(jù)中國(guó)儲(chǔ)層特性、地面條件、開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀等情況，并以大量的實(shí)際生產(chǎn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)中國(guó)目前非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)模式、設(shè)備條件、材料要求、成本構(gòu)成等進(jìn)行了深入的論述。結(jié)論認(rèn)為：①國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的壓裂設(shè)備和材料等硬件條件可滿(mǎn)足當(dāng)前非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的需求，但存在著開(kāi)發(fā)模式中完井環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)空白、施工作業(yè)成本難以控制的問(wèn)題；②壓裂液將朝高效環(huán)保、儲(chǔ)層低傷害、低含水量或無(wú)水、成本可控以及體系類(lèi)型多樣化的方向發(fā)展；③根據(jù)中國(guó)非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)規(guī)劃的年產(chǎn)量，預(yù)測(cè)了壓裂設(shè)備的需求和技術(shù)服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模。最后強(qiáng)調(diào)，以滑溜水為代表的低成本壓裂液和以超臨界CO2為代表的無(wú)水壓裂液是2個(gè)最重要的發(fā)展方向，而支撐劑將朝小粒徑、低密度、高強(qiáng)度方向發(fā)展，同時(shí)，在原材料和加工工藝上也有待突破創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：中國(guó)  非常規(guī)油氣  壓裂設(shè)備  壓裂液  滑溜水  超臨界CO2  支撐劑  影響分析

Impact of unconventional oil and gas exploitation on fracturing equipment and materials development

Abstract：The development of unconventional oil and gas is a research focus at home and abroad．Ttle fracturing capacity and fluid are the core factors restricting the stimulation performance．In view of this，in terms of reservoir characteristics，surface conditions and current development status in China，a thorough analysis was made of the current unconventional oil and gas develoDment mode，eqmpment conditions，materials reqmrements and cost composition based on mass production and statistical data．The following findings were achieved．First，the existing domestic fracturing equipment and materials can meet the need of unconventional oil and gas development at present；however，the current development mode still faces numerous challenges，  such as vacancy of kev technologies in well completion and difficulty in cost contr01．Second，the fracturing fluid will be developed into various svstems and types with high efficiency，no pollution，less damage to reservoirs，low or no water content，and a controllahle cost．Then，according to the planned annual output of unconventional gas，an optimistic forecast can be made of the demand for fracturing equipment and scale of technical service market．Finally，it was emphasized that the fracturing fluids with a low cost(e．g．slick water)and without water(e．g．supercritical CO2)will be the foremost development directions，while the proppant tends to be developed with small grain size，low density and high strength．Moreover，breakthrough and innovation will be expected in raw materials and in processing tech niques．

Keywords：unconventional oil and gas，fracturing equipment，fracturing fluid，slick water，supercritical CO2，proppant，impact analysis

自美國(guó)掀起的“頁(yè)巖氣革命”席卷全球，歐洲的德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、瑞典、奧地利與波蘭，亞洲的中國(guó)、印度，大洋洲的澳大利亞與新西蘭，非洲的南非等國(guó)家都爭(zhēng)相對(duì)本國(guó)頁(yè)巖氣資澡進(jìn)行前期研究和評(píng)價(jià)。我國(guó)非常規(guī)天然氣資源量非常豐富，其中致密氣資源量約為100×10¹²m³、頁(yè)巖氣資源量約為134×10¹²m³，而常規(guī)天然氣的資源量?jī)H約為56×10¹²m³。非常規(guī)油氣資源由于儲(chǔ)層滲透率低的特性，典型的開(kāi)采技術(shù)是水平井鉆井結(jié)合大規(guī)模壓裂，其中大規(guī)模壓裂技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬起步階段，在壓裂設(shè)備生產(chǎn)、壓裂技術(shù)、特殊壓裂液和支撐劑等多個(gè)研究領(lǐng)域存在空白^[1-3]，其中設(shè)備是壓裂的硬件基礎(chǔ)，材料足壓裂的軟件核心，兩者直接決定了作業(yè)能力、增產(chǎn)效果以及經(jīng)濟(jì)效益。非常規(guī)資源的開(kāi)發(fā)對(duì)壓裂設(shè)備和材料提出了更高的要求，同時(shí)也為壓裂行業(yè)以及設(shè)備制造業(yè)帶來(lái)了黃金發(fā)展的契機(jī)。把握好設(shè)備和材料的發(fā)展方向?qū)⒅苯佑绊懙?ldquo;十二五”“十三五”期間的國(guó)家能源戰(zhàn)略。

1　我國(guó)非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)模式現(xiàn)狀分析

1．1　躍進(jìn)式的開(kāi)發(fā)模式，成本難以控制

在國(guó)家號(hào)召和資金支持下，我國(guó)非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了躍進(jìn)式的發(fā)展。由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的壓裂車(chē)組等硬件條件滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)要求，以此為基礎(chǔ)，通過(guò)與國(guó)外公司的合作，引進(jìn)先進(jìn)工具、壓裂材料以及相關(guān)技術(shù)，就可以在短期內(nèi)跨越室內(nèi)研究環(huán)節(jié)，直接實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)壓裂開(kāi)發(fā)作業(yè)。以中國(guó)石化勝利油田有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)勝利油田)為例，在專(zhuān)項(xiàng)資金的支持下，先后與貝克休斯、威德福、BJ等國(guó)外油田服務(wù)公司合作，開(kāi)展了超低滲透率致密砂巖氣、致密頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣的勘探開(kāi)發(fā)。由于國(guó)內(nèi)缺乏非常規(guī)油氣開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，因此一般采用如下開(kāi)發(fā)模式：完井環(huán)節(jié)采用威德福、貝克休斯等國(guó)外油田服務(wù)公司的多層分段壓裂完井系統(tǒng)；壓裂環(huán)節(jié)一般是由油田采油院提供地質(zhì)資料，國(guó)外油服公司根據(jù)資料與采油院共同提供壓裂設(shè)計(jì)方案，最后南井下作業(yè)公司按照方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。其中井下作業(yè)公司提供壓裂車(chē)組等硬件設(shè)施，外企公司提供先進(jìn)的壓裂液、支撐劑以及相關(guān)技術(shù)服務(wù)。

這種躍進(jìn)式的開(kāi)發(fā)模式，具有可以快速實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣的試采，提供油氣品質(zhì)、資源量、產(chǎn)量等寶貴的現(xiàn)場(chǎng)資料，積累一定的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在問(wèn)題和不足，如關(guān)鍵技術(shù)的空白、作業(yè)成本高且難以控制、室內(nèi)研究嚴(yán)重滯后等。

眾所周知，非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益取決于成本的控制，北美取得頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的成功正是由于采用了低成本的清水壓裂^[4]。但以勝利油田某非常規(guī)頁(yè)巖油氣井的壓裂開(kāi)采預(yù)算為例(圖1)，不難看出，國(guó)外公司的完井工具、壓裂材料(壓裂液和支撐劑)以及技術(shù)服務(wù)費(fèi)用占據(jù)全部壓裂費(fèi)用的44.4％，其中，壓裂液的費(fèi)用又占BJ公司全部預(yù)算的57％。兇此，目前的非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)模式難以取得經(jīng)濟(jì)效益，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度出發(fā)，必須要有大量的資金和科研力量投入到非常規(guī)油氣開(kāi)采的基礎(chǔ)研究上，從完井工具、壓裂液和支撐劑以及相關(guān)技術(shù)上打破國(guó)外技術(shù)壟斷。提升壓裂開(kāi)采的軟件實(shí)力，才能有效控制開(kāi)發(fā)成本，取得并提高經(jīng)濟(jì)效益。

 

1．2　水資源匱乏，不宜大范圍采用大規(guī)模水力壓裂

以頁(yè)巖氣為例，與美國(guó)已投入商業(yè)開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣相比，我國(guó)海相頁(yè)巖層系時(shí)代偏老、熱演化程度偏高、埋藏偏大，經(jīng)歷多期構(gòu)造，保存條件不理想；海陸過(guò)渡相頁(yè)巖層系多與煤系伴生，單層連續(xù)性差、頁(yè)巖集中段厚度偏??；湖相富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖層系時(shí)代新、熱成熟度相對(duì)較低、頁(yè)巖脆性較差、埋藏深度較大，(一般在3000 m左右，甚至更深，而北美頁(yè)巖氣埋深主要集中在1000～2000m^[5-6])。因此，埋藏更深、滲透率更低、儲(chǔ)層敏感性更強(qiáng)的特性對(duì)壓裂設(shè)備的工作壓力、施工排量以及壓裂液的儲(chǔ)層保護(hù)等性能提出了更高的要求。

此外，在我國(guó)頁(yè)巖氣富集的山區(qū)，地表?xiàng)l件較差，水資源匱乏，大規(guī)模水力壓裂造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題也不容忽視，以美國(guó)2011年頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)為例，根據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，每一口頁(yè)巖氣鉆井平均用水量高達(dá)1.5×10⁴m^3[7]。預(yù)計(jì)全年頁(yè)巖氣水平井鉆井?dāng)?shù)為8000口，則一年的用水量至少為l.2×l0⁸m³。我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，人均年可利用淡水資源量?jī)x為900m³，不到美國(guó)的l／5，并且分布極其不均，統(tǒng)計(jì)到20世紀(jì)末，全國(guó)600多座城市中，已有400多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中比較嚴(yán)重的缺水城市達(dá)ll0個(gè)，全國(guó)城市缺水總量為60×l0⁸m³。如圖2所示，我國(guó)頁(yè)巖氣田的分布與缺水地區(qū)的分布重合較多。在水量相對(duì)充裕的長(zhǎng)江流域，只在四川^[8]和江漢盆地發(fā)現(xiàn)了頁(yè)巖氣，而在西北、華北地區(qū)^[9]，頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，水資源卻相當(dāng)緊張^[10]。與此同時(shí)，35％的壓裂液將返排至地表，若處理不當(dāng)將給環(huán)境帶來(lái)巨大的污染，同時(shí)也增加了開(kāi)發(fā)成本^[11]。因此，我國(guó)頁(yè)巖氣資源的高效可持續(xù)開(kāi)發(fā)，不能單純借鑒北美大規(guī)模水力壓裂的生產(chǎn)模式，需要大力發(fā)展高效環(huán)保、低水量消耗的壓裂液體系以及配套的壓裂設(shè)備和技術(shù)方法。

 

2　壓裂設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀以及非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)對(duì)市場(chǎng)的促進(jìn)

2．1　壓裂設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)油田從20世紀(jì)70年代開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外成套壓裂機(jī)組，主要產(chǎn)品包括美國(guó)BJ公司l000型壓裂機(jī)組、雙S公司l600型壓裂機(jī)組，西方公司l400—1800型壓裂機(jī)組等。隨著石油工業(yè)發(fā)展的步伐，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始?jí)毫言O(shè)備的研制，先后開(kāi)發(fā)、研制了壓力為50、70、85、105、125MPa系列的壓裂設(shè)備^[12-13]。由于國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)能力提升較快，外資品牌在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占用率大幅降低，根據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2011年國(guó)內(nèi)進(jìn)口壓裂設(shè)備l9臺(tái)，進(jìn)口額不到1億元，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中占比較少。目前國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備主要生產(chǎn)廠家有江漢第四石油機(jī)械廠(以下簡(jiǎn)稱(chēng)四機(jī)廠)和四機(jī)賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司、蘭州通用機(jī)器制造有限公司、煙臺(tái)杰瑞股份有限公司等。2008年，四機(jī)廠研發(fā)成功2500型壓裂車(chē)，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)壓裂機(jī)組沒(méi)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。并且在2012年，更為先進(jìn)的2500HP大型數(shù)控成套壓裂裝備也已研制成功。

壓裂設(shè)備制造業(yè)屬于資金、技術(shù)密集型行業(yè)，進(jìn)入門(mén)檻高，中國(guó)石油、中國(guó)石化、中國(guó)海洋石油等石油巨頭及其下屬子公司處于壟斷經(jīng)營(yíng)的狀態(tài)，表現(xiàn)為集團(tuán)管控、內(nèi)部保護(hù)的經(jīng)營(yíng)模式，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)程度低，市場(chǎng)化程度低，不利于技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)健康發(fā)展；此外，還存在核心技術(shù)依賴(lài)進(jìn)口、自主研發(fā)能力薄弱、市場(chǎng)受核心技術(shù)制約的問(wèn)題，特別是動(dòng)力系統(tǒng)，其成本約占整臺(tái)壓裂車(chē)的1／4，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額基本為外資產(chǎn)品占據(jù)，這就等同于將l／4的制造業(yè)市場(chǎng)份額拱手相讓。因此，需要進(jìn)一步打破行業(yè)壟斷、提高行業(yè)J何場(chǎng)化程度以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)帶動(dòng)技術(shù)的突破和創(chuàng)新，把握好非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)為行業(yè)帶來(lái)的發(fā)展契機(jī)，掌握核心技術(shù)、優(yōu)化市場(chǎng)環(huán)境，為能源開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的硬件支撐。

2．2　壓裂行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

國(guó)家能源局2011年12月31日發(fā)布《煤層氣(煤礦瓦斯)開(kāi)發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》，到2015年要新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量1×10¹²m³，產(chǎn)量達(dá)到300×10⁸m³，據(jù)國(guó)家能源戰(zhàn)略委員會(huì)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，2020年煤層氣產(chǎn)量將達(dá)到500×10⁸m³；《頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)“十二五”規(guī)劃》明確提出，到2015年我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)65×10⁸m³，2020年產(chǎn)量將達(dá)l000×10⁸m³；此外，2010年，我國(guó)致密氣產(chǎn)量達(dá)209×10⁸m³，2011年增至256×10⁸m³，增幅達(dá)22.5％，根據(jù)預(yù)測(cè)，2015年我國(guó)致密氣產(chǎn)量將達(dá)500×10⁸m³，2020年產(chǎn)量有望達(dá)到800×10⁸m³。

以1000×10⁸m³頁(yè)巖氣產(chǎn)量為例進(jìn)行壓裂市場(chǎng)的預(yù)測(cè)：

根據(jù)Chesapeake的資料，美國(guó)頁(yè)巖氣4個(gè)主產(chǎn)區(qū)的單井平均總產(chǎn)能介于0.68×10⁸～1.84×10⁸m³。麗巖氣開(kāi)發(fā)初期產(chǎn)量較高，后期衰減較快，需進(jìn)行持續(xù)壓裂作業(yè)^[14]，取單井年產(chǎn)量為1600×l0⁴m³。(2年之后頁(yè)巖氣井產(chǎn)氣大幅下降，前2年單井產(chǎn)量占45％～50％計(jì)算)，在1000×10⁸m³。產(chǎn)量中，80％需要新鉆井維持，則需要5000口新井；參照美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，單井鉆完井及壓裂費(fèi)用為300萬(wàn)～400萬(wàn)美元^[15]，其中壓裂服務(wù)及設(shè)備投入約占40％^[16]，則l000×l0⁸m³頁(yè)巖氣產(chǎn)量所需要的壓裂服務(wù)及設(shè)備投入約為450億元。

1000×l0⁸m³巖氣產(chǎn)量至少需要183×l0⁴kW的壓裂設(shè)備，按2500型壓裂車(chē)計(jì)算，每臺(tái)約為1500萬(wàn)元，則設(shè)備規(guī)模約為l50億元，相應(yīng)的服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模為300億元。

致密氣的勘探開(kāi)發(fā)與頁(yè)巖氣相近，煤層氣由于埋藏淺，一般采用直井壓裂，因此對(duì)壓裂設(shè)備的需求以及服務(wù)費(fèi)用相對(duì)較低。綜合考慮煤層氣和致密氣生產(chǎn)對(duì)壓裂行業(yè)的需求，可以得到非常規(guī)氣領(lǐng)域的壓裂市場(chǎng)規(guī)模，按照美國(guó)的發(fā)展數(shù)據(jù)，80％的壓裂能力使用于非常規(guī)氣的開(kāi)發(fā)^[17]，可以預(yù)測(cè)整個(gè)壓裂的市場(chǎng)規(guī)模。預(yù)計(jì)到2015年，國(guó)內(nèi)屋裂設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約為l43.8億元，壓裂服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模約為235億元，到2020年，這一數(shù)據(jù)將分別增長(zhǎng)至455億元和745億元。因此，壓裂行業(yè)市場(chǎng)將迎來(lái)高速發(fā)展的契機(jī)，同時(shí)將帶動(dòng)上游壓裂設(shè)備制造行業(yè)快速發(fā)展。

3　非常規(guī)油氣對(duì)壓裂液和支撐劑發(fā)展的要求以及研究方向

3．1　高效環(huán)保，成本可控壓裂液

3．1．1滑溜水壓裂液技術(shù)

常規(guī)交聯(lián)壓裂液成本高、儲(chǔ)層傷害大，不適用于非常規(guī)資源的開(kāi)發(fā)，日前國(guó)內(nèi)主要引進(jìn)北美普遍采用的滑溜水壓裂液技術(shù)，以達(dá)到降低成本的目的。滑溜水壓裂又稱(chēng)清水壓裂，主要成分是水，由于水的摩阻大，難以實(shí)現(xiàn)大排量注入，需要加入降阻劑，使其變成滑溜水，以便實(shí)現(xiàn)大排量泵注，從而彌補(bǔ)黏度低、攜砂能力差等問(wèn)題^[18]。該技術(shù)不需要特殊的設(shè)備，采用常規(guī)壓裂車(chē)組即可施工，但對(duì)排量要求較高，因此壓裂車(chē)組向大排量發(fā)展是必然趨勢(shì)。

降阻劑是該技術(shù)的核心^[19]，目前主要依賴(lài)進(jìn)口，這就導(dǎo)致滑溜水壓裂液的成本較高，且難以自主控制。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的滑溜水壓裂液價(jià)格約為500元／m。，由于非常規(guī)油氣一般采用水平井多段壓裂技術(shù)，壓裂液用量約為常規(guī)井的l0倍，可高達(dá)3000m³。因此壓裂液的成本高達(dá)100萬(wàn)～200萬(wàn)元，壓裂成本構(gòu)成圖(圖2)也清晰地反映了這一問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)針對(duì)降阻劑的研究處于攻關(guān)階段，目前勝利油田立項(xiàng)“滑溜水、清水壓裂技術(shù)先導(dǎo)試驗(yàn)”項(xiàng)目，針對(duì)滑溜水、清水壓裂液體系各組分進(jìn)行了優(yōu)選，并對(duì)該體系的儲(chǔ)層傷害性、流變性等性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并計(jì)劃應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行2～3井次的先導(dǎo)試驗(yàn)。此外，中國(guó)石化河南油田分公司工程院和中國(guó)石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司分別自主研發(fā)的滑溜水降阻劑進(jìn)行了首次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并均獲得成功。

3．1．2無(wú)水壓裂液技術(shù)

常規(guī)壓裂液大都以水為基本材料，結(jié)合前面對(duì)水資源的分析，在條件惡劣的山區(qū)，水在地面是稀缺寶貴資源，而配成壓裂液注入地下會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重傷害，壓后返排的廢液又會(huì)對(duì)地面造成嚴(yán)重污染^[20]。因此，更為先進(jìn)的無(wú)水壓裂技術(shù)適用于這類(lèi)地區(qū)。無(wú)水壓裂技術(shù)最早應(yīng)用于北美，在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)早期，曾應(yīng)用純液態(tài)CO2壓裂技術(shù)對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行增產(chǎn)處理，增產(chǎn)效果是常規(guī)壓裂技術(shù)的2～5倍，但北美并未對(duì)這一技術(shù)做深入研究，并很快由成本更低的清水壓裂技術(shù)所取代。然而，大規(guī)模水力壓裂帶來(lái)的環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)問(wèn)題日漸突出，歐洲部分國(guó)家，如法國(guó)已經(jīng)立法禁止公司在本土范圍內(nèi)采用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行頁(yè)巖氣的開(kāi)采，因此，無(wú)水壓裂技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外前沿研究熱點(diǎn)。在國(guó)外，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院，吳玉樹(shù)教授目前正在研究的低溫氣體壓裂技術(shù)項(xiàng)目，獲得美國(guó)能源部400×10⁴美金資助；美國(guó)賓夕法尼亞州州立大學(xué)的Elsworth教授^[20]采用He、CO2、Ar、N2、SF6等不同種類(lèi)的氣體進(jìn)行壓裂模擬實(shí)驗(yàn)，研究氣體的造縫特性以及裂縫拓展規(guī)律。

在國(guó)內(nèi)，在沈忠厚院士的倡導(dǎo)下，開(kāi)展了大量針對(duì)超臨界CO2壓裂技術(shù)的研究，超臨界CO2壓裂液是對(duì)液態(tài)CO2壓裂技術(shù)的延伸和改進(jìn)。該技術(shù)對(duì)于CO2在儲(chǔ)層中的相態(tài)描述更為準(zhǔn)確，不需要大量的低溫CO2注入，來(lái)冷卻地層維持CO2的液態(tài)。所需的設(shè)備與液態(tài)CO2壓裂相同，即密閉的混砂車(chē)，以及大型的CO2罐車(chē)等，這些特種壓裂設(shè)備也代表了未來(lái)的發(fā)展方向^[21-23]。該技術(shù)無(wú)水、無(wú)任何添加劑，成本主要為CO2和運(yùn)輸費(fèi)用，是真正高效環(huán)保、成本可控性強(qiáng)的壓裂液。

無(wú)論是滑溜水壓裂液技術(shù)還是無(wú)水壓裂液技術(shù)，都存在黏度低、攜砂能力差的問(wèn)題，低黏壓裂液的攜砂特性以及如何提高攜砂能力將是今后科研重點(diǎn)攻關(guān)的難題。壓裂液的攜砂問(wèn)題不僅取決于自身黏度、流變性、相態(tài)等特性，還受壓裂設(shè)備排量的限制，受混砂濃度影響，更與支撐劑的粒徑、密度等性質(zhì)有直接關(guān)系^[24-25]。因此，提高壓裂液攜砂能力要在對(duì)其攜砂機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，借助壓裂設(shè)備和支撐劑的發(fā)展和創(chuàng)新。

3．2　小粒徑、低密度、高強(qiáng)度支撐劑

壓裂行業(yè)長(zhǎng)期采用高黏度交聯(lián)壓裂液，一般不會(huì)出現(xiàn)攜砂能力不足的問(wèn)題，因此使得支撐劑的發(fā)展更為滯后。目前，評(píng)價(jià)支撐劑的主要參數(shù)是耐壓強(qiáng)度和粒徑，即便國(guó)際著名的卡博公司，在特種支撐劑的研發(fā)方面也少有產(chǎn)品，且材料仍以陶粒為主。伴隨著非常規(guī)壓裂作業(yè)的發(fā)展，低黏度壓裂液應(yīng)用越來(lái)越廣泛，常規(guī)的支撐劑顯然已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足攜砂需求^[26]。

結(jié)合非常規(guī)氣資源特性分析和低黏壓裂液攜砂要求，未來(lái)支撐劑急需朝向小粒徑、低密度、高強(qiáng)度的方向發(fā)展，迫切需要新型材料和生產(chǎn)工藝的突破。氣的生產(chǎn)不同于油，對(duì)于裂縫的尺寸要求低，因此粒徑小的支撐劑在滿(mǎn)足支撐裂縫要求的同時(shí)，更容易攜帶。常規(guī)壓裂一般將小粒徑支撐劑用于填充孔隙，達(dá)到降濾失的目的，而對(duì)于低孔隙度低滲透率的非常規(guī)氣藏，不會(huì)出現(xiàn)小粒徑支撐劑填充于孔隙，而無(wú)法支撐裂縫的問(wèn)題^[27]；顯然，支撐劑的密度越低越容易攜帶，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)致力于低密度支撐劑的研究，美國(guó)SUN井下技術(shù)公司研發(fā)了一種新型材料的超輕支撐劑——FracBlack HT，這種新型材料的密度約為l.05g／cm³，支撐劑最大耐壓為55MPa，便于低黏壓裂液攜帶，通過(guò)API測(cè)試，支撐裂縫導(dǎo)流能力良好^[28]。而目前，國(guó)內(nèi)特種支撐劑的研制相對(duì)落后，且普通支撐劑的生產(chǎn)工藝仍有待提高，高強(qiáng)度、小粒徑的支撐劑普遍采用進(jìn)口品牌。

支撐劑成本在壓裂總成本中所占比例并不高，但其作用卻尤為重要，它直接構(gòu)成裂縫增產(chǎn)通道，決定了最終的增產(chǎn)效果，但針對(duì)支撐劑的研究進(jìn)展尤為緩慢，未得到應(yīng)有的重視。借助非常規(guī)氣開(kāi)發(fā)的契機(jī)，應(yīng)加快特種支撐劑的研制，并在原材料和生產(chǎn)工藝水平上實(shí)現(xiàn)突破。

4　結(jié)論

1)通過(guò)我國(guó)非常規(guī)氣產(chǎn)量規(guī)劃和壓裂設(shè)備行業(yè)現(xiàn)狀分析，預(yù)測(cè)2015年國(guó)內(nèi)壓裂設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將突破140億元，壓裂服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模將突破230億元，到2020年，這一數(shù)據(jù)將會(huì)翻番。

2)結(jié)合對(duì)我國(guó)非常規(guī)油氣資源特性和躍進(jìn)式的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀分析，提出壓裂液將朝高效環(huán)保、儲(chǔ)層低傷害、低含水量或無(wú)水、成本可控以及體系類(lèi)型多樣化的方向發(fā)展，以滑溜水為代表的低成本壓裂液和以超臨界CO2為代表的無(wú)水壓裂液是2個(gè)重要的發(fā)展方向。

3)結(jié)合非常規(guī)氣資源特性分析和低黏壓裂液攜砂要求，未來(lái)支撐劑急需朝小粒徑、低密度、高強(qiáng)度等方向發(fā)展，并在原材料和加工工藝上有待突破創(chuàng)新。

4)低黏壓裂液的攜砂特性以及如何提高其攜砂能力將是今后科研重點(diǎn)攻關(guān)的難題，其中涉及設(shè)備能力、壓裂液特性、支撐劑特性等因素，可見(jiàn)，非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)為壓裂設(shè)備和材料的發(fā)展指明了方向，壓裂設(shè)備和材料在發(fā)展過(guò)程中互相制約、互相影響，共同決定了非常規(guī)油氣的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

 

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本文作者：侯磊  孫寶江  李云  杜慶杰  焉琳琳

作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

  中國(guó)石化勝利油田有限公司井下作業(yè)公司