北美分段压裂技术发展现状与趋势

北美分段压裂技术发展现状与趋势国外在 20 世纪 80 年代中期开始研究水平井压裂增产改造技术，最初是沿水平井段进行笼统压裂。2002 年以后，随着致密气、页岩气、致密油等非常规油气资源的大规模开发和水平井的大规模应用，许多公司开始尝试水平井分段压裂技术。

在随后的几年里，随着微震实时监测技术的提高和工厂化作业模式的日益成熟，压裂段数越来越多，作业效率和精度越来越高。2007 年开始，水平井分段压裂技术成为非常规油气开发的主体技术，开始在北美大规模应用。

1 国外水平井分段压裂技术发展现状

1.1 形成了适用于不同完井条件的水平井分段压裂技术

经过10 多年的发展，国外已经形成较为完善的适应不同完井条件的水平井分段压裂改造技术。主流的水平井分段压裂技术有3 类：水力喷射分段压裂技术、裸眼封隔器分段压裂技术和快钻桥塞分段压裂技术，其中裸眼封隔器分段压裂技术应用最为广泛。

1.2 “工厂化”作业模式降低成本

美国非常规油气开发的成功之路就是降低钻完井成本，保证压裂质量，提高单井产量，一种重要的做法就是“压裂工厂”。2005 年哈里伯顿公司率先提出“压裂工厂（FRACFACTORY）”的概念，即在一个中央区对相隔数百米至数千米的井进行压裂。所有的压裂装备都布置在中央区，不需要移动设备、人员和材料就可以对多个井进行压裂。

“压裂工厂”作业模式成为规模化作业的雏形。后来，这一概念逐渐扩展为“工厂化钻完井”，即多口井从钻井、射孔、压裂、完井和生产整个流程都是通过一个“中央区”完成。通过采用“工厂化钻完井”的作业模式，完井周期从原来每口井60天降至目前的20天完成5口井，完井成本降低了近60%。

1.3 微震实时监测提高压裂效果

随着水平井分段压裂技术应用范围逐步扩大，压裂监测水平也有了重大突破。2006 年，威德福公司推出FracMap 微震压裂监测技术，并首次在油气勘探领域实现商业化应用。随后，斯伦贝谢、贝克休斯、哈利伯顿也相继推出微震压裂监测技术服务。通过微震监测，不但可以在压裂进行的过程中实时获取井下信息（裂缝的方位、高度、长度、复杂度等），还可以实时优化压裂程序。

虽然这项技术已经被证实在提高压裂效果、降低压裂成本等方面可起关键作用，但其应用并不像报道中那样“火热”。从目前掌握的资料来看，北美目前只有2%～3% 的井采用了微震压裂监测技术。

2 北美水平井分段压裂技术应用情况、服务市场及研发方式

2.1 应用情况

水平井分段压裂技术是伴随着页岩气、致密气、致密油等非常规油气的开发而发展起来的一项工程技术。近几年随着非常规油气开发规模的日益扩大，水平井占新钻井数的比例越来越大，水平井分段压裂技术的应用范围也越来越广，北美对水力压裂的需求呈指数型增长。

随着水平井分段压裂技术的不断进步，水平井压裂段数越来越多，平均压裂段数已经从2008年的5～10段增加到目前的20段以上。未来5～1 0 年，随着全球非常规油气勘探开发进程的不断推进，水平井分段压裂技术的市场需求必将一路走高。

2.2　服务市场

受益于压裂服务市场的强劲需求，北美压裂技术服务公司成长迅速。目前，北美能够提供水平井分段压裂工艺、设备、压裂液等相关服务的公司有很多，其中在技术服务方面处于领头羊位置的除了有哈利伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯这样的大型综合性油田服务公司之外，还有FracTech、Packers Plus等专门从事压裂服务的公司，这些公司的水平井分段压裂工艺已经系列化，并且还在不断地推陈出新。

外还有众多如Superior 油井服务公司、Cudd 能源服务公司、FracTech等提供压裂液、压裂设备、压裂工艺等相关压裂服务的公司。

2.3 研发方式

分析水平井分段压裂技术走在国际前列的 6 家公司的技术研发方式可以发现，这些公司的水平井分段技术和工具主要是通过自主研发，也有通过引进或收购方式而获取的。以贝克休斯为例，2009 年，贝克休斯收购了 BJ，BJ 公司拥有 OptiPort、OptiFrac-SJ、DirectStimTM等多项专利技术，通过这次并购，贝克休斯在水平井分段压裂方面的技术服务能力大大增强。

3 水平井分段压裂技术研发方向

尽管在过去的几年中，水平井分段压裂技术在压裂工具、作业效率、监测手段等方面取得了一系列的重大突破，攻克了页岩气和致密油等非常规油气开发所面临的难题，但是还存在压裂层位优选、随压甜点

监测、压裂设计优化等问题，其未来发展方向将会集中在以下几个方面。

3.1 压裂段数倍增技术

水平井分段压裂技术研发的近期目标是压裂段数越多越好，因为分压段数越多，遇到高产层段的几率就越大，增产效果就越好，美国页岩气和致密油开发成功的秘诀即在此。大幅度增加压裂段数可以通过段数倍增技术（Stage multiplier technologies）和多端口压裂技术（Multiport fracturing technologies）来实现。段数倍增技术主要是通过一个允许重复投球的端口工具实现同一尺寸的球多次投放。

2010 年，这一技术使压裂级数从 20 级提高到了 40 级，下一步研发目标是使压裂级数增加 4～6 倍。多端口压裂技术的典型代表是Packers Plus 公司新推出的 QuickFrac 工艺，主要原理是一次投球打开 2～5 个滑套，在地面进行 15 次压裂液泵送作业，就可以实现多达60段的压裂。QuickFrac系统已经成功地进行了油田试验，与标准的StackFRAC系统相比，该系统可以节约 60% 的作业时间。

3.2 高导流能力压裂技术

传统提高裂缝导流能力的策略包括提高支撑剂的圆度和强度，降低支撑剂粉碎和胶化载荷等。斯伦贝谢公司正在推广一种可以实现无限导流能力的压裂新方法——高速通道压裂（HIWAY）。该方法从根本上改变了依靠支撑剂形成裂缝导流能力的方式，可在压后裂缝的支撑剂充填层内建立稳定的流动通道，在油藏和井筒之间实现无限导流能力。这项技术成功的秘诀在于：①通过特定的射孔设计、脉冲式泵注形成通道；②添加专有纤维保持通道稳定。目前这项技术已经在全球完成近2000 口井的压裂作业，与常规压裂相比，压后产量提高20% 以上。

3.3 有利于形成缝网的压裂技术

对于页岩气、致密油等非常规油气的增产改造而言，最理想的状态是形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络, 从而增加改造体积, 提高初始产量和最终采收率。目前国外正在试验和推广的有利于形成缝网的压裂技术有3种：同步压裂（Simulfrac）、拉链式压裂（Zipperfrac）和得克萨斯两部跳压裂（TexasTwoSteps）。

这 3 种压裂技术都是通过巧妙的压裂设计来增加井与井之间、段与段之间的岩石应力干扰，进而形成复杂交错的三维缝网。其中同步压裂近几年已经在Barnett页岩气开发中成功应用。采用该技术的页岩气井短期内增产非常明显，目前已发展为4 口井同时压裂。

3.4 随压甜点探测技术

水平井分段压裂技术的远期目标是追求压裂段数的少、精、准。通过研究射孔段对产量的贡献表明，只有30% 的压裂段真正对产量有贡献，这也就意味着大部分压裂层段并没有压在出气区域上，从而造成了压裂段数越多、产量增加越大的认识误区。

因此，剑桥能源的研究人员认为，实际上水平井分段压裂技术的进步是一个渐进的过程，并不能算是一项革命性的技术，如果能使每一级压裂都压在产气区上，那么这项技术进步将是革命性的，对降低成本和提高效率将具有十分重大的意义。

目前业界也在持续探索布缝优化技术，比如可在压裂前通过LWD资料确定哪些地方可能有断层，哪些地方可能出水，从而提前避免损失的发生，但是真正能够“闻着气味”走的压裂技术还有待业界的研究和突破。