摘要：页岩气储层的基质渗透率非常低，并且存在次生矿物填充的簇状“天然”裂缝。页岩气藏储量包括基质吸附的天然气量和裂缝、孔隙中储存的自由气量。美国的页岩气作为一个全球规模的能源安全源和长期供气源，其水平井钻井技术和低黏度水力压裂技术开启了原来被认为是没有商业价值的页岩气这个巨大的储备资源宝库。为此，从ALL咨询公司整理的报告以及SPE网站公布的论文入手，对比并评估了煤层气、常规天然气和页岩气储层的关键参数，阐述了美国页岩气的最新勘探开发状况，对主要页岩气藏的重要参数进行了归纳分析，重点对推动页岩气开发的水平井钻井技术和水力压裂技术进行了剖析，以期达到对我国的页岩气勘探开发提供借鉴的目的。
关键词：美国；页岩气；勘探；开发；水平井；多级水力压裂；启示
1 美国页岩气的勘探开发现状
20世纪30年代，美国密歇根州的Antrim页岩气藏进入中等程度开发阶段，到80年代已钻井9000口。美国开发最积极的页岩气富集带位于Texas的Fort Worth盆地的Barnett页岩气藏，它的成功开发得到了工业界的广泛关注。1986年首次在Barnett页岩气藏采用大规模的水力压裂，1992年在Barnett页岩气藏完成第一口水平井，通过不断提高的水力压裂技术和工艺，加速了Barnett页岩气藏的开发。在此后的20年里，Barnett页岩气藏的开发生产模式在北美工业界得到了推广，在过去的10年间，Barnett页岩气的采收率从2%增加到50%，在美国48个州(除阿拉斯加和夏威夷)广泛分布高有机质页岩，资源量在1483×1012～1859×1012m3，加之煤层气和低渗透气藏的开发，将对美国能源形势起到重要的贡献。图1是预测的页岩气在美国非常规天然气总产量的分布情况。
2 页岩气藏的主要参数
从化学组成上说，页岩气是典型的干气，其主要成分是CH4(CH4含量大于等于90%)，但是某些储层也产出“湿气”。Antrim和NewAlbany页岩气藏就产出气和水[1]。页岩气储层是富含有机质的岩层，其组成中占首要地位的是坚硬的黏土颗粒。片状沉降的黏土矿物颗粒以及层状的沉积物使得岩石水平渗透率很小，垂向渗透率更小。
目前发现的页岩气藏主要穿过了南部的48个州(除阿拉斯加和夏威夷外)，最活跃的页岩气藏是Barnett、Haynesville、Marcellus、Antrim、Eagle Ford和New Albany等气藏。表1总结了美国优选页岩气藏的地质参数。表2不仅提供了页岩气储层的地质参数，而且给出了通过对比某些关键参数评估页岩气盆地的方法。这些参数也应用在页岩气井的完井设计中。
3 水平井钻井
在页岩气的开发中，水平井已成为主流。在相同的页岩储层中，水平井垂直于裂缝的方向，有效地增加与气藏的接触面积，一般水平段的长度从705～1600m，比直井的产量和采收率高。水平井的完井方式为套管固井，使用分隔器以便于多级压裂。
在考察了水平井的长度与Barnett页岩气藏单井最终采收率的关系时发现，从2002—2007年，水平井的长度从400m增加到900m，单井的最终采收率也从37×106m3增加到74×106m3，基本与水平井的长度成正比，同时由于少钻井而节省了钻井的成本。
一般而言，水平井的走向对提高产能非常重要，一般应横切裂缝。但是Barnett页岩气藏的开发表明，在气藏较厚的区域内，即使有压裂阻挡层，井眼的走向并不是提高产能的最决定性的因素。但是在断层带和气藏的边部，井的走向和压裂缝的方向对井的产能有很大的影响。主裂缝通常近似垂直于最小水平应力的方向，在一个气田中，主要的自然裂缝和人工裂缝的走向是一致的，当然也不排除局部的应力变化。
水平井距主要取决于对裂缝方向和最优化井筒方向的了解。加强岩石力学的了解，能减少或取消水平井集成射孔从而能够压裂出主裂缝和纵横交错的裂缝分支。当然，水平井的井距应该使单井和邻井之间裂缝的也能交联，使裂缝的实际连通达到最大化；还要考虑是否可采用邻近的2口以上的井同时压裂，使气藏在更大的压力下产生更复杂的裂缝系统。面积可以达到9.2×106m2[4]。该项技术简单实用，但是对某些页岩可能并不适用，则可以采用凝胶压裂、气体辅助压裂或复合压裂等其他压裂技术。此外，“降阻水”压裂液的黏度太低，所以砂和支撑剂的携带能力有限。目前，复合压裂液的使用H渐广泛，在这项技术中，降阻水用于打开裂缝，黏度大的压裂液则用于运输支撑剂到裂缝的远端。不同压裂方式的确定根本依据还是取决页岩的性质，希望达到的裂缝与页岩的接触面积，支撑剂要达到的位置和预期的产量要求等。
4 水力压裂
水力压裂已经形成了工业标准[1]。水力压裂目前的进展包括泵入大量低黏度近纯水的稀砂液段塞到页岩层中，以诱发新裂缝以及扩大页岩层中的原始裂缝。压裂作业过程分成几级，每级集中对一个连续的气层段压裂，使得压裂设备的所有压裂能力都被集中应用到单个气藏单元中[2]，这也被称为体积压裂。
为了增加裂缝和气层的接触面积以提高气井的初始产气量和采收率，目前一般采用10～20级的压裂以增加裂缝的连通。通过井场实时微地震来进行监控(图2)，可以确定井眼东西和南北方向的裂缝顶端的方位，并且随着压裂作业的进行而跟踪裂缝的形成过程。裂缝垂向的延伸具有特别重要的作用，作业者需要特别关注确保裂缝没有延伸到页岩层之外或者邻近的水层中去，不然会使页岩气井的经济效益减少。
“降阻水”压裂液在很多低渗透储层中效果好，从20世纪80年代以来，“降阻水”压裂已应用于Barnett页岩气田的8000口井。多级水平井压裂和采用低黏度压裂液的2口以上邻井的同期压裂，有效地增加了裂缝的复杂性，根据统计数据，裂缝系统和气藏的接触
在近20年间，水平井的应用和低黏度水力压裂技术已成为页岩气开发的标准方式。各石油公司和研究机构对页岩气的研究方兴未艾，发表了大量的研究论文，内容涉及页岩气的钻完井、压裂作业、地质和工程数据的结合、搞清页岩气藏裂缝的空间分布、有选择地打开裂缝而且使裂缝成为气体流动的稳定通道。究其原因，页岩的非均质性、不同页岩的内应力和地质性质的差别决定了钻井和压裂的不同。所以大量收集页岩气藏的参数对优化气井的产能和压裂的设计有至关重要的作用，钻井和压裂的方式对不同的井而言是不一样的。这是中国页岩气勘探开发过程中应当注意的。
除美国外，已有40多个国家调查了页岩气的开发潜力，并形成了商业性开发项目，如澳大利亚、加拿大、中国和印度等。中国页岩气的资源量巨大，在未来的天然气产量增长中页岩气将有着惊人的增长潜力。
参考文献
[1] BOYER C，KIESCHNICK J，SUAREZ-RIVERA R，et al.Producing gas from its source[R]∥Schlumberger Oilfield Review.New York：Schlumberger，2006.
[2] KETTER A，DANIELS L，HEINZE R，et al.A field study optimizing completion strategies for fracture initiation in Barnett shale horizontal wells[C]∥paper SPE 103232 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，24-27 September 2006，San Antonio，Texas，USA.New York：SPE，2006.
[3] WATERS G，RAMAKRISHNAN H，DANIELS J，et al.Utilization of real time microseismic monitoring and hydraulic fracture diversion technology in the completion of Barnett shale horizontal wells[C]∥paper presented at the OTC，4-7 May 2009，Houston，Texas，USA.[s.l.]：OTC，2009.
[4] KING G.Thirty years of gas shale fracturing：what have we learned[C]∥paper SPE 133456 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，19-22 September 2010，Florence，Italy.New York：SPE，2010.
(本文作者：李欣1 段胜楷2 孙扬3 周登洪3 孙雷3 李士伦3 1.美国Knowlege Reservoir咨询公司；2.Chevron Energy Technology Company；3.西南石油大学)
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