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国外水力压裂技术最新进展
国外水力压裂技术最新进展
来源：“易能源”合作媒体“石油与装备”
导读：水力压裂技术起源于美国，是目前页岩气勘探开发的主要方法。应用水力压裂技术可大幅度提高非常规天然气产量，其应用原理是将参入化学物质的水灌入页岩气层进行液压碎裂，从而释放天然气。
作者|冯耀忠（中石化胜利油田分公司纯梁采油厂）
水力压裂技术起源于美国，是目前页岩气勘探开发的主要方法。应用水力压裂技术可大幅度提高非常规天然气产量，其应用原理是将参入化学物质的水灌入页岩气层进行液压碎裂，从而释放天然气。如今，我国页岩气的开采刚步入起步阶段，对水力压裂技术还缺乏一定认识，随着国内非常规油气资源的大规模商业化开发，水力压裂技术必然将得到大规模应用。为此，笔者收集到一些目前国外最新的水力压裂技术信息，供业内人士参考。
墨西哥压裂配套技术获突破
日前，墨西哥Remolino油田出现一些生产问题。研究人员根据该油田生产所遇到的问题研究出新的配套压裂技术，即较复杂水平井挠性油管辅助水力压裂技术和快速球体激发套筒技术。工作人员采用这两项技术优化了完井方案，最终缩短了完井周期，快速完成压裂及生产任务。研究人员对两项新技术进行了反复试验后表明，这两项新技术可使油井产量扩大5倍，可大幅度提高原油采收率。
新型球下落式压裂工具
新型球下落式压裂工具是增加油气产量的重要手段。该工具利用一系列增技术最新迸展水力压裂释放岩层内的天然气大球体，对增产井段进行分级隔离作业。为更好了解压裂球的发送动态，研究人员在水力环路上进行地面试验，利用计算机模拟压裂球在水平多级完井流体中的传输性能，得出从完井到完成预定封堵所要求的泵速数据，确定成功发送压裂球所要求的最佳流态。
注入水分布新方法
数学模拟方法是研究水基水力压裂裂缝扩展的方法之一。裂缝扩展对气层的孔隙度和孔隙流体性能变化比较敏感。研究人员采用电磁( EM)地球物理方法，用3D有限元法地球物理模拟器，对井间EM监测的页岩地层流体运移灵敏性进行评价。评价灵敏性的地层模型由液流地质力学模拟器串联和岩石力学模型、电传导模型组成。模拟器上的异常传导性分布与注入水的饱和度有关，也与新形成的未饱和裂缝有关。数字模拟试验证明，利用井间EM监测法可检测水力压裂过程中的注入水的分布。
新型油井性能预测软件
复杂形态和不同油层情况的油井在应用水力压裂和增产工艺时，需要更可靠预测油井性能的新型软件工具。目前，这种新型软件已经在美国研制出来，并很好地应用在页岩油气田的开发中，取得了良好效果。该软件可为完井工程师提供更详细的资料，方便工程师做出更优化的水力压裂增产设计方案，最终便油井达到最好的增产效果。
微地震监测技术
微地震监测技术已成为水力压裂作业的一个重要组成部分。它能反映出增产处理中和处理后的岩石破碎情况，其空间描述可确定增产岩石体积大小，导出增产处理效果数据。同时，该技能反映出油井产量与微地震观测计算增产效果间的偏差，帮助工作人员设定技术增产处理效果的多个步骤，还有可能用瞬间张量和焦点平面求解法对数据偏差进行完善。
多井完井优化法
页岩油藏油井产量低，产量下降快是开发团队所要应对的问题。为此，研究人员对水力压裂多井完井增产方法进行了非连续单元数字研究，弄清楚了层内与井下压力变化的关系，从而了解多级水力压裂与多井完井时天然裂缝间的力学关系。该研究成果可助力多井水力压裂完井的增产。研究人员通过研究得出，通过优化地层应力、地层压力、天然裂缝和薄弱平面的机械特性、井口设备、多井完井设计，可大幅度提高采油的经济效益。
压裂压力分析法
压裂压力分析法( FPA)是用于收集和校正油井地质力学模型数据的方法。目前，一系列FPA方法已在含碳有机页岩( OCS)及其盖层和下伏层上实施，取得了令入鼓舞的结果，并成功评价了某些油田的水力压裂作业。通过FPA方法分析结果显示，采用含盐酸不可压缩水基压裂液，可使摩擦阻力和地层损害降到最小。FPA方法适用于优化直井完井选择，有助于成功设计水平井的完井。
预设裂缝网络法
研究人员通过可破裂页岩地层增产的微地震数据分析，利用先进地震信号分析技术和地震力矩当量研究增加地层的裂缝网络。大多压裂故障是复合性的，通常与裂缝打开和闭合时的剪切拉伸有关。根据现有采样，裂缝的尺寸仅局限在遵循分布规律的单根长度上，通常情况下，岩石破裂时产生的应力可增大裂缝尺寸和连通性，进而增大地层液流。根据地震力矩当量研究，利用微地震数据可优化地层增产程序设计，提高采油经济效益。
泵苏及压裂液选择技术
应用单级多组压裂法，可减少水平井压裂级数，对形成裂缝现场状况和裂缝扩展方式有一定意义。高粘压裂液可实现裂缝宽度的扩展，同时具有更强应力干扰能力。高泵速可让裂缝更长、更宽，同时增加传导裂缝的数量。每级压裂都存在一个最佳裂缝数目，而减水阻压裂是形成多组裂缝的最佳选择，即使较小非均质性的地层也一样。相反，较厚或高弹性的模量地层要求裂缝要宽，要采用低泵速和低粘压裂液作业。
多裂缝模拟技术
多裂缝模拟技术对精确预测裂缝性能尤为重要。目前，最流行的压裂研究是模拟线性弹性断裂机理( LEFM)的作用研究。地层塑性对断裂过程的影响，在短期和长期注入过程中均存在，这时多孔弹性背应力和地层塑性均会导致有效压力过高，对形成的裂缝形状产生不利。塑性可将裂缝闭合应力降至低于水平应力以下，会忽略地层塑性，导致裂缝形状变化。同时，静压力预测和压裂液效率计算是不准确的。弹性地层模型中实际裂缝形状误差在非常规、低渗透的地层中较为严重。更精确模拟塑性地层的压裂，必须考虑裂缝周围的受影响
河流相地层压裂设计法
水力压裂处理设计，要根据地层性能来设计。河流相地层压裂设计要先给出描述河流相地层复杂性和非均质性的统计方法，然后确定压裂方案，设计出一种以统计数据为基础的河流相地层压裂设计方法。该方法可扩展应用于地层性能确定性研究领域，也可直接用在水力压裂优化设计上。
水力压裂模拟新过程
水力压裂模拟新过程是把相区压裂程序与裂缝性多孔油藏模拟相结合，模拟从油井水力压裂到采油的整个过程，并采用单相匹配程序，适用于传统油藏模拟。其相区模型可认为是油藏模拟中的裂缝一油井一模型。该模拟新过程的关键步骤是将浊藏与可求得连续模拟
初始状态的相区裂缝流公式相匹配。该模拟新过程具有很大实用性，目前已被二维和三维数字试验证实。
石油物理与地质力学综合评价法
地层可破裂性评价对水平井钻井、水力压裂及页岩层含淡水污染预测是至关重要的。地层的高破裂性表明该地层具有较高脆性，形成新裂缝的能耗较小。为此，要地层进行石油物理和地质力学的综合评价。根据评价结果，可优选到高破裂性地层，进而实施水力压裂。而低破裂性地层，因存在裂缝阻挡层则不适合水力压裂。
（文章来源：《石油与装备》）
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美国页岩繁荣背后沉默的助推手：水力压裂法
　　美国页岩油气繁荣对该国能源市场带来的巨大推动力。水力压裂法正是其背后的助推手之一。这项钻井技术对页岩革命影响巨大。
　　何为“水力压裂法”？
　　所谓水力压裂法(hydraulic fracturing)，就是开采页岩油气时所使用的一种钻井技术，主要目标是令油气井增产。原理就是利用地面高压泵，将大量化学物质掺杂水、沙子、石子制成压裂液，再灌进岩石深处并压裂岩石，最终释放出石油或天然气。当前，这项技术对天然气井增产效果更为明显。这项技术在美国最早于1946年被堪萨斯州所采用。
　　水力压裂法助推美国页岩油气繁荣进程
　　华尔街见闻网站本周提及，受益于页岩油气繁荣，美国正从能源消费国转变为能源供应国，4月液态石油每日开采量刷新44年以来的最高历史纪录。
　　目前，美国接近一半的独立州都或多或少地在开采页岩气，其中储量较大的州包括德克萨斯州、宾夕法尼亚州、加利福尼亚州、科罗拉多州以及北达科他州。仅在2012年，全美页岩油井就有将近50万口。
　　而水力压裂法的普及，也使得材料供应商受益匪浅――美国最大的压裂砂原砂生产商之一Emerge Energy Services从去年5月8日上市以来，其股价涨幅高达462%。
　　下图是采用水力压裂法的钻井设备：
　　下图是传统钻井技术中使用的游梁式抽油机；
　　水力压裂法成本高昂
　　此前，华尔街见闻网站提及，使用水平钻井技术和水压破裂技术的页岩油开采成本高达65美元/桶。相较之下，使用传统技术的中东开采成本仅为27美元。
　　目前，部分钻井公司已经开始转向其他方法，比如用酸水来融化岩石。
　　使用水力压裂法的页岩油产量存在不确定性
　　对于美国未来页岩油产量的预测分歧较大，最悲观的预测是最多180万桶/天(目前产量已达到90万桶/天)，而最乐观的预测是2020年达到300-400万桶/天。
　　油气专家Arthur Berman称，页岩储集层(shale reservoir)的递减率(decline rate)非常的高。
　　图：美国巴肯地区一个页岩油井的采油曲线：
　　一个油井开采1年后，它的产油速度就急剧下降，仅为刚开始的30%。这意味着，美国每年需要大量开发新油井以弥补旧油井产油速度下降的损失。
　　水力压裂法并非神话
　　华尔街见闻网站上月提及，尽管美国蒙特利油区通过使用水平钻井和水力压裂之类的方法采出大量石油，但与巴肯(Bakken)之类的传统油井相比，水平压裂法并未能帮助该地区成为实力强大的竞争者。
　　而就在5月底，美国能源信息署(EIA)对蒙特利页岩油基地的可采储量预测值从154亿桶大幅调降至6亿桶。这意味着，多年来关于美国页岩革命的神话濒临破灭。
　　近些年，水力压裂法因环境污染问题在欧美饱受诟病
　　水力压裂法遭抨击的主要原因在于：每次液压破碎都需要数百万吨水，而页岩油气井通常位于较为干旱的地区。比如，德克萨斯州在2012年用于水力压裂的耗水量就高达250亿加仑。而每口油气井可以接受18次左右的水力压裂冲击。
　　此外，灌输进地层的水中需要添加大量化学物质，因此可能会对地下水造成污染，而出油气的过程还将附带排出有害空气污染物。
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美国页岩繁荣背后“沉默的助推手”：水力压裂法
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华尔街见闻网站曾多次介绍美国页岩油气繁荣对该国能源市场带来的巨大推动力。水力压裂法正是其背后的助推手之一。这项钻井技术对页岩革命和美国能源产业有着深远的影响。
何为“水力压裂法”？
所谓水力压裂法(hydraulic fracturing)，就是开采页岩油气时所使用的一种钻井技术，主要目标是令油气井增产。原理就是利用地面高压泵，将大量化学物质掺杂水、沙子、石子制成压裂液，再灌进岩石深处并压裂岩石，最终释放出石油或天然气。当前，这项技术对天然气井增产效果更为明显。这项技术在美国最早于1946年被堪萨斯州所采用。
水力压裂法使用的压裂液中，99%是水和沙子
尽管近些年水力压裂法因环境污染问题在欧美饱受诟病，人们抨击的理由在于：每次液压破碎都需要数百万吨水，而页岩油气井通常位于较为干旱的地区。比如，德克萨斯州在2012年用于水力压裂的耗水量就高达250亿加仑。而每口油气井可以接受18次左右的水力压裂冲击。此外，灌输进地层的压裂液中需要添加大量化学物质，因此可能会对地下水造成污染，而出油气的过程还将附带排出有害空气污染物。
不过，注入地层的压裂液中，99%是水和沙子。因此，尽管其中含有能够污染和环境破坏的化学物质，但由于这些物质比例远远低于水和沙，因此它的污染严重程度可能相对有限。
也正因为沙子的大量使用，一些沙石供应商由此收获巨大利益。美国最大的压裂砂原砂生产商之一Emerge Energy Services自从去年5月上市之后，股价涨幅迄今已高达462%。
水力压裂法使用的某种物质令冰激凌价格更贵
你有所不知的是，水力压裂法使用的一种物质将令冰激凌价格更贵。
这种物质叫做瓜尔豆胶(guar gum)，也是压裂液的组成部分之一。这是一种高分子碳水聚合物，来自于天然植物瓜儿豆。瓜尔豆胶有很明显的增稠和粘合作用，它被广泛用于多种物品中：肉制品、奶酪、色拉酱、方便面……。当然，瓜尔豆胶还被用于改善冰激凌的口感。
下图是瓜尔豆胶自2000年以来的价格走势图：很明显，瓜尔豆胶近几年价格大幅上扬。所以，我们必须关注水力压裂法是否将加大对瓜尔豆胶的需求。若其需求增加，那么瓜尔豆胶的价格就将再度上涨，这就有可能推涨冰激凌、方便面之类的物品价格。
水力压裂法助推美国页岩油气繁荣进程
华尔街见闻网站本周提及，受益于页岩油气繁荣，美国正从能源消费国转变为能源供应国，4月液态石油每日开采量刷新44年以来的最高历史纪录。
目前，美国接近一半的独立州都或多或少地在开采页岩气，其中储量较大的州包括德克萨斯州、宾夕法尼亚州、加利福尼亚州、科罗拉多州以及北达科他州。仅在2012年，全美页岩油井就有将近50万口。
而水力压裂法的普及，也使得材料供应商受益匪浅——美国最大的压裂砂原砂生产商之一Emerge Energy Services从去年5月8日上市以来，其股价涨幅高达462%。
下图是采用水力压裂法的钻井设备：
下图是传统钻井技术中使用的游梁式抽油机；
水力压裂法成本高昂
此前，华尔街见闻网站提及，使用水平钻井技术和水压破裂技术的页岩油开采成本高达65美元/桶。相较之下，使用传统技术的中东原油开采成本仅为27美元。目前，部分钻井公司已经开始转向其他方法，比如用酸水来融化岩石。
使用水力压裂法的页岩油产量存在不确定性
对于美国未来页岩油产量的预测分歧较大，最悲观的预测是最多180万桶/天（目前产量已达到90万桶/天），而最乐观的预测是2020年达到300-400万桶/天。
油气专家Arthur Berman称，页岩储集层(shale reservoir)的递减率(decline rate)非常的高。
图：美国巴肯地区一个页岩油井的采油曲线：
一个油井开采1年后，它的产油速度就急剧下降，仅为刚开始的30%。这意味着，美国每年需要大量开发新油井以弥补旧油井产油速度下降的损失。
水力压裂法并非神话
尽管页岩革命在美国被捧为迈向能源独立的主要“武器”，但它的前景却并非一直是一片光明。就在5月底，美国能源信息署(EIA)对蒙特利页岩油基地的可采储量预测值从154亿桶大幅调降至6亿桶。而该地区页岩油储量占全美64%。这意味着，多年来关于美国页岩革命的神话可能濒临破灭。
水力压裂法不止应用于石油和天然气领域
水力压裂发不仅仅用于提取石油和天然气。它还可以刺激水井打出更多的水、提高地热发电的产能。
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