页岩气压裂(哈里伯顿)
水力压裂法
或许所有的美国人都在受益于“水力压裂法”，尽管半数以上的人可能没有听说过这个名词。
在今时今日，美国各级政府、企业对页岩油产业的发展寄予了厚望。
美国页岩油资源极其丰富，在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州，被锁在页岩之中的油存量达上万亿桶以上，而正是凭借“水力压裂法”，以前根本不可能企及的大量页岩油正在被开采。
这种技术方法，在测量时首先取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来；然后注入液体，加压直到孔壁破裂，随之记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测破裂方位。
根据记录的破裂压力、关泵压力和破裂方位，利用相应的公式算出原地应力的大小和方向。
该方法于20世纪50年代就被科学家在理论上进行论证，60年代加以完善，在分析了压裂液渗入的影响后，开始作出大量野外和室内实验工作。
由于水力压裂法操作简便，且无须水力压裂法知道岩石的弹性参量，而得到广泛应用。
由于页岩油在美国的战略资源地位和自身需求，美国已进行很多水力压裂法地应力测量，德国、日本和中国现在也已相继开展此项工作。
资料显示，目前利用此法已能在5000米深处进行测量。
[1]页岩气开发过程中所采用的水力压裂法要加入化学物质，在每次压裂完成后，要对水进行获取和重新利用。
水力压裂法向来存在争议，但是这种页岩气开采技术在争议中却得到迅速发展。
当越来越多水体污染案例同水力压裂法相关联时，美国众议院能源和商业委员会出手了。
2010年7月19日，能源和商业委员会主席亨利·韦克斯曼联手该机构下属的能源和环境小组组长爱德华·马基联名致信给美国10个主要页岩气开发商，要求它们提交水力压裂法应用全程中涉及到的化学物质细节。
8月6日，限期“交卷”。
这个要求出台的背景是，全球天然气需求旺盛，美国引领页岩气开发技术并努力让页岩气开采遍地开花。
/a4_50_59_01300000955595129844599646376_jpg.html?prd=zhengwenye_ left_neirong_tupian美国宾夕法尼亚州一页岩气开采现场取水处当前，美国页岩气开采的热门地点是纽约州和宾夕法尼亚州，这两个地方也是美国马塞卢斯页岩（Marcellus shale）的集中区域。
你所不知道的水力压裂技术（知识量巨大、烧脑、慎入！）
你所不知道的水力压裂技术（知识量巨大、烧脑、慎入！）页岩气革命不仅提高了美国的能源自给水平，还改变了全球能源供需格局，甚至掀起了全球页岩气开发大潮，而其最大的技术因素，正是用于开采页岩气的水力压裂技术的出现。
△轰轰烈烈的美国页岩气革命随着石油工业的发展，低渗透、超低渗透的非常规油气资源逐渐成为各国油气田的增产主体。
如果将开采常规油气藏比作挤海绵里的水，那么低渗、超低渗透油气藏则像是已经甩干的毛巾，很难再从中挤出水来。
那么石油工程师们又是如何从这些储层中将油气资源“挤”出来的呢？△全球页岩气储量分布答案还是压裂技术！<压裂基础知识 >一、什么是压裂？压裂就是利用水力作用在油气层中形成人工裂缝，提高油气层中流体流动能力的一种储层改造技术。
△油层中的裂隙，可以增加油气渗流通道，大幅提高产量二、压裂的原理利用地面高压泵组，通过井筒向地层注入大排量、高粘液体，在井底憋起高压，当该压力超过地层承受能力时，便会在井底附近的地层形成裂缝。
继续注入携带支撑剂的液体，裂缝逐渐向前延伸，支撑剂起到支撑裂缝作用，形成了具有一定尺寸的高导流能力的填砂裂缝，使油气轻松地通过裂缝流入井中，达到增产增注效果。
△含支撑剂△压裂基本流程三、压裂液与支撑剂1.压裂液压裂液是压裂施工的工作液，是一种具有一定黏度的流体，起到传递能量、形成和延伸裂缝、携带支撑剂的作用。
△压裂液常用的压裂液有：水基、油基、乳化、泡沫、酸基等类型。
其中，应用最广泛的为水基压裂液。
△水基压裂液：由水与天然或合成的聚合物配制而成压裂液包括前置液、携砂液和顶替液三种。
前置液：用于造缝，在温度较高的地层里，还起到降温作用；携砂液：携带支撑剂进入裂缝，将支撑剂填在裂缝内预定位置；顶替液：用来顶替井筒内的携砂液，将携砂液送到预定位置，预防砂卡。
2.支撑剂支撑剂是指能够进入被压开的裂缝并使其不再重新闭合的固体材料。
△支撑剂要求：强度大、颗粒均匀、圆度好、杂质少、来源广、成本低常用的支撑剂有：石英砂、核桃壳、人造陶粒、人造塑料球、人造玻璃球等；其中石英砂和人造陶粒应用最广泛。
国外页岩气水力压裂技术及工具一览
国外页岩气水力压裂技术及工具一览页岩储层具有超低孔低渗特性，钻完井后需要压裂改造后才得到经济产量。
国外油田服务公司最新工具达到了很高水平，水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术用高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司自膨胀封隔器最高可达302 °C ；泵送桥塞射孔分段压裂技术所用桥塞可分为：堵塞式、单流阀式和投球式复合桥塞，桥塞耐压差达103.4MPa，耐温232 °C ；哈里伯顿CobraMax H连续油管喷射工具系统，目前最多达到44段。
这些为国内页岩气水力压裂完井方式与压裂工具的选用打下基础。
从应用工具角度看，分段压裂工艺方面主要包括：水平井裸眼封隔器投球滑套分段压裂技术，泵送桥塞分段压裂技术，水力喷射分段压裂技术。
从压裂工具方面分析，目前页岩气压裂技术有可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套多级压裂，泵送桥塞射孔压裂联作多级压裂，水力喷射压裂等。
在美国的页岩气开发技术中，可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套多级压裂，泵送桥塞射孔压裂联作多级压裂技术比较成熟，使用比较广泛，可适用于较长的水平段；水力喷射压裂可实现准确定位喷射，无需机械封隔，节省作业时间，非常适合用于裸眼井、筛管井以及套管中井。
1、水平井裸眼封隔器投球滑套多级压裂系统封隔器投球滑套多级压裂技术一般采用可膨胀封隔器或者裸眼封隔器分段封隔。
根据页岩气储层开发的需要，使用封隔器将水平井段分隔成若干段，水力压裂施工时水平段最趾端滑套为压力开启式滑套，其它滑套通过投球打开，从水平段趾端第二级开始逐级投球，进行有针对性的压裂施工。
水平裸眼井多级压裂目前已经是北美页岩气压裂开采主要技术手段，并越来越受到作业者的欢迎。
水平井多级压裂技术关键在于封隔器（压裂封隔器和可膨胀封隔器）和滑套可靠性和安全性能，尤其是管外封压裂管柱的可膨胀封隔器和开启滑套的高强度低密度球材料决定技术的成功与否。
目前国外油田服务公司都有自己成熟的工具，高强度低密度球级差达到1/16in，封隔器耐压差达到70MPa，TAM公司耐高温自膨胀封隔器最高可达30 °C 。
哈里伯顿页岩气开发技术简介
4
5 6 7
0.263
0.263 0.265 0.268
哈萨克斯坦现场应用，7个0.25“喷嘴，一趟管柱10段压裂，油管最大砂比 1080kg/m3, 加砂471t。3-7号喷嘴承担了90%的加砂量，发明人预计此套 喷嘴还可以加砂450-500t。
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5.60 5.85 基管 外径 69 204
滑套
7.875 8.750
封隔器
7.40 8.20 基管 外径 69 204
2.99
69 177
3.83
69 177
4.67
69 177
耐温(℃)
过流能力
(bbl/min)
分段能力
18-88(14m3/min) 7 4.75
18-100 11 5.875-6.30
7
适用于直井、斜井和水平井多级分段压裂、酸化、酸压作业； 现有桥塞适用套管尺寸为：27/8″至 133/8″； 耐温能力：121℃/204℃，耐压能力：35MPa/70MPa； 作业简单、快速、安全，国外现场应用(页岩气)十分普遍， 哈里伯顿已有超过10,000个速钻桥塞在2008口水平井中应用。
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26
CobraFrac在水平井中的应用
最大压裂层段深度：7,480ft(2280.5m)
最大单井分压段数：24 段
当天最多单井压裂作业段数：12段
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B 200 180
C 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
微地震检测：页岩气开发明星技术
但 由于所需仪器价格 昂贵且精度不
高 、监测结果不明显而未能 引起人 们 的足够重视 和推广 。近 １年来 ， ０ 地球物理学的进展 ，特别是数字化
地 震 监 测 技 术 的应 用 ， 为小 范 围 内
开采坑道的破 坏，只有那些能够引 起矿区附近的地区都受到破坏的地 震事件才叫做冲击地压或煤爆、岩 爆 。对地下开采诱发 的地震活动性
术特 点、技术关键、应用方法 、技
术 实用性及其发展方 向，必将对我 国页岩油气藏勘探开发起到重 要的 推进作用。
地震监测研 究。一些技术服务公司
在该领域取得重大进展，在优化开发
微 地震检 测技术及 应用 方法
作为２ １年世 界十大石油科学 ００ 技术进展之一 的微地震检测技 术， 最早于２ 世纪８ 年代提出，９ 年代 Ｏ Ｏ Ｏ
息最 丰富的监测手段 。随着对 微地 震震源机制 、反演及可视化的深入 研 究，微地震技术将不断扩大应用 范围，发展前景将更加广阔。
类 ：第一类是矿井 地震检测系统 ， 用于监测矿震 ，特 点是监测大震级
破裂事件，定位精度５０ ０米左右，主
微地震检测技术 的基本应用方
法是：通过在井 中或地面布置检波
随着我国页岩油气开发技术的不 断突破 ，未来５ Ｏ ～１年必将形成一定 的油气开发规模 。微地震压裂检测 技术作为一项重要的非常规油气藏
勘 探 新 技 术 ，全 面 了解 和 掌握 其 技
用包括储层压裂监测 、油藏动态监 测等，可缩短和 降低储层监测的周
期与 费用 。
数 ，最后通过这些参数对 生产活动
压裂检测技术 ，首次在油气勘探领 域实现商业化应用 。微地震检测技
术在油气藏勘探开发方面的主要应
国外页岩气压裂返排液处理新技术综述
水力压裂 中压裂液耗水量巨大ｆ每 Ｉ＝Ｉ水平井需 ７ ６００ ～１９ ０００ｍ 可 外排 ，又 可 回用 于 配制 压 裂 液 。
清水 ），此外 ，滑溜 水压裂液 中还含有 多种化 学添加 剂 ，包括 防垢 ３．３臭 氧 催化 氧化 技 术
剂 、降阻剂 、杀菌剂 、表 面活性剂和粘土稳定剂等。压裂作业后 ，体
传 统 的 臭 氧 氧 化 技 术 在 应 用 上 有 一 定 的 局 限 性 ，臭 氧对 污 染
积 占 注入 压 裂 液 ６０％ ～８０％的 返 排 液 逐 渐 返 排 至 地 表 ］。返 排 液 物的去除是选择性的 。新型的臭氧催化氧化技术引入催化作用 ， 具有高化学需氧量 （ＣＯＤ）、高悬 浮物（ＴＳＳ）、高矿化度 （ＴＤＳ）、难生 该技术产生的羟基 自由基 （ＯＨ·）具有最高 的氧化 电位（２．８０Ｖ），能
公 司 开发 出 的 返 排 液 处 理 技 术 处 于 全 球 领 先 地 位 ，且 有 多 家公 司 动灵活 、使用方便 等特点 。
开 发 出了 可 移 动 或模 块 化 的处 理 设 备 ，具 有 移 动 灵 活 、占地 面 积
小和处理高效等特点 。
４结 语
３返排 液处 理新 技术
中产生 电化学和 电凝 聚 、点气 浮 的协 同作 用 ，主要去 除返排液 中 参 考 文 献
的 ＴＳＳ和重金属离子 。其工作原理如下 ：首先 电絮凝装置通 电后 ， 【１］付茜 ，彭其勇 ．页岩气 压裂返排 液对环境 的影 响及思考 ｌＪ１．油气
反应器 中作为 阳极 的铝板或铁板经电解后失电子 ，发 生氧化反应 田环 境 保 护 ，２０１５，０３：６０—６３＋７４．
物降解 和成分复杂等特点 。页岩气返排液产生量 巨大 ，如不采取 够没有选择性地氧化有机物 。活性炭 、超 ｌ声波等可 与臭氧组 成臭
页岩气压裂(哈里伯顿)
7400
1.85 76.11
7400
1.79 68.08
7500
2.03 74.28 2.21 81.81
7600
7500
7700
-6 0 0 -5 0 0 -4 0 0 -3 0 0 -2 0 0 -1 0 0 0 100 200 300 400 500
7600
Distance Along Fracture (ft)
页岩气
自生自储且具备传统空隙度储层 页岩气吸附在有机质上 高天然Gamma 射线 (80-140 units) 粘土含量一般低于20-30% 主要是石英和碳酸盐 细砂粒，小空隙，高TOC? 产气机理? 是否满足达西定律? 从油源岩扩散?
如何定义页岩气储层?
煤层气
~100 % 吸附
高 TOC
致密气
~100 % 游离
200 Antrim Shale 160 G a s C o n ten t (s cf/to n ) New Albany Shale Caney Shale 120
80
40
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
TOC (Wt. %)
Core Testing - XRD
Gas Content - TOC
Results Sidetrack was avoided Optimized wellbore placement doubled gas production
Connecting to the reservoir 综合 利用GEMTM 和 ShaleLOG Seamless integration of mineralogy 找到最佳的压裂点 fracture stimulation Optimize hydraulic
H05983-哈利伯顿-页岩气水力压裂技术服务实例
HAL31744
Job plot of a typical CobraMax® service treatment. e increase in treating pressure and proppant concentration at the right end of the plot indicates an induced screenout resulting in high proppant concentration in the near-wellbore area.
HAL31745
HAL19083
e patented CobraMax® H fracturing service includes Hydra-JetSM service through coiled tubing for perforating and uses a proppant pack as the final stage of each fracture treatment. e technique achieves maximum conductivity in the near-wellbore region to overcome flow convergence issues common in horizontal wells.
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页岩气
自生自储且具备传统空隙度储层 页岩气吸附在有机质上 高天然Gamma 射线 (80-140 units) 粘土含量一般低于20-30% 主要是石英和碳酸盐 细砂粒，小空隙，高TOC? 产气机理? 是否满足达西定律? 从油源岩扩散?
如何定义页岩气储层?
煤层气
~100 % 吸附
高 TOC
致密气
~100 % 游离
Pr op Co n
冻胶 压裂充填液
ce ntr ati o
n
韧性
Job Volume
整体考虑: 从钻井就开始考虑压裂
σoverburden
σmax
σmin
SPE 86992
水平井还是直井?
This paper was prepared for presentation at the Tight Gas Production Panel of IAPG - 3er Congreso de Producción "Más Reservas, un trabajo de todos" held in Mendosa, Argentina, September 19-22, 2006.
页岩气增产 (压裂) 工艺
斯图尔特.李 高级技术顾问（压裂，固井）
哈里伯顿（中国）增产作业部
什么是非常规储层?
致密和超致密砂岩气
长期持续沉积而成. 低渗 < 0.1 md 河道沉积砂和小扁豆状砂组成 非均值和不连续的储层特点
煤层气
自生自储 低天然Gamma 射线 (<75 API units) 吸附气 湿气 或干气? 需要脱水或脱压 非常规
Tracer of the Frac Treatment Showing A Good Correlation Between the Micro Seismic Events and the Brittleness Calculation
6700
6700
6800
6800
2.31 68.67
6900
327/44 /10 76/20 110/19.2 1500/262
6.5~8.5 3~6 .6~2.2 .5~2 4~8 3~4
9000 9000 11000
60-221
52/41.6 717/251
1~7 10~13 6~11
50-161
23/11.4
页岩气藏开发流程
可压性? 有产量? 稳定性？
Brinell 硬度测试
Shale Comparisons
支撑剂嵌入试验
Shale
岩化作用
Static exposure of ceramic proppant at 275°F for 140 hours in 2% KCl with 10,000 psi closure stress between Ohio Sandstone wafers.
by picking the “right” 选择最佳的压裂段数stages
优化工艺
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37
页岩储层 – 复杂的网状裂缝
“Textbook” Fracture
min
Fracture Initiates Perpendicular to the Least Principle Rock Stresses
Carbonate
Energy Information Administration, Office of Oil and Gas, Reserves and Production Division, Novembe比较
Play TOC (%) Ro (%) H (ft) P* PSI/ft Area (sq. Mi) Gas Contents (Scf/ton) Estimate GIP/ Recoverable (TCF) Depth (1000ft)
Brinell Hardness
气藏曲线
总有机质碳含量 Vs 含气量
200 Antrim Shale 160 Gas Content (scf/ton) New Albany Shale Caney Shale 120
80
40
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
TOC (W t. %)
我们都喜欢成功的案例 Barnett Shale Activity 1981 - 2008
为什么要打水平井?
钻水平井的方向?
Shales: SRV ~ Drainage Area
Fr
ac
Az im
Transverse= LARGE SRV
ut h
Longitudinal=SMALL SRV
储层的输送能力
LaserStrat® Service
Challenge During horizontal drilling a fault of undefined displacement was encountered
Solution Chemostratigraphy data indicated drilling upward would position the wellbore in the porosity zone
Barnett Lewis Antrim New Albany Marcellus Caney Fayetteville Haynesville Woodford
3~5 1~2.5 1~20 1~25 3~10 1.2-9 4~9 0.5-4 3~10
0.9-1.4 1.6~1.9 0.4~0.6 0.4~1 0.8-1.4 0.8-2.0 1~4 0.94-2.6 0.7-1.5
200 Antrim Shale 160 G a s C o n ten t (s cf/to n ) New Albany Shale Caney Shale 120
80
40
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
TOC (Wt. %)
Core Testing - XRD
Gas Content - TOC
常规裂缝
页岩裂缝
Barnett 垂直井 - 微地震波裂缝监测平面图
1500 1000 500 0 -500 -1000 -1500 -2000 -2500 -3000 -1000
South-North (ft)
Observation Well
2001 Barnett 页岩垂直井 (SPE 77441& 90051)
Results Sidetrack was avoided Optimized wellbore placement doubled gas production
Connecting to the reservoir 综合 利用GEMTM 和 ShaleLOG Seamless integration of mineralogy 找到最佳的压裂点 fracture stimulation Optimize hydraulic
-500
Typical Non-Core Area Stage Result
-1000 -1000
Barnett Shale
-500 0 500 1000 1500 2000 2500
West-East (ft)
Northing (ft)
-1000
-1500
400 ft
-2000 -500 0
Barnett Shale
ShaleLOG ®
SPE 123586
Volumemetric
Shale Reservoir Type
Brittleness/ Frac Barrier ID Gas Content/TOC
Reservoir Parameters
Brittle Shale Ductile Shale
微地震波绘图和测井脆度计算有很好的拟合Micro Seismic
• 多方向的网状结 构 • 和天然裂缝交错 • 一英尺长 • 1,200 ft 宽 • 无溢流的邻井
-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
West-East (ft)
Confidential
复杂的网状缝
裂缝复杂性
3000
SPE 95568 (Devon)
2500
•复杂缝 & 网状缝的形成
综合考虑，整体计划
裂缝监测
100 km
应力监测图例
熟悉地层
• • • • ShaleEvalSM – 前期试验科学，认识储层优化压裂液体 系 Shalelog® Analysis – 选择最佳层位，优化增产设计 GEMTM Tool, LWD, And Laserstrat® – 起裂点,裂缝 延伸控制 DFITSM – 闭合压力,渗透率,和漏失
• 厚度 • 应力 • 天然裂缝 • 空隙压力
South-North (ft)
Network Fracture
Observation Well 1
Perforations
1800 ft
2000
– 储层
1500
1000
500
0
Observation Well 2
-500
– 处理
• 黏度 • 排量 • 施工规模 • 支撑剂选择?
• 超低的渗透率 (NanoDarcies, 孔喉在 3-12 埃 范围内) • 扭曲的裂缝通道 – 复杂的裂缝几何形态 • 天然裂缝发育 • 矿物成分多样 • 生产过程中泥质微粒的运移造成近井筒堵塞 • 自生自储 • 天然裂缝造成净压力高 • 间隔，堆积交错层 • 对液体污染及毛细管力敏感 • 高泄气压力会造成地层出砂，不稳定