上世纪80年代，北美地区在页岩气开发取得了成功，使全球掀起了页岩气的勘探热潮，进入21世纪，随着水平钻井和大型多段压裂技术的进步，使页岩气获得更大的商业价值。金正纵横专注油气行业信息服务，为油气行业提供勘探、开发、生产中各细分领域的分析报告及信息调研，本文将带你探索北美最新的页岩气压裂技术。
从压裂作业使用工具的角度分析，北美压裂主体工艺技术主要有：水平井可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套分段压裂技术、水平井固井滑套分段压裂技术、泵送桥塞射孔压裂联作分段压裂技术、水力喷射分段压裂技术等。
在北美页岩气开发技术中，可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套分段压裂、泵送桥塞射孔压裂联作分段压裂技术比较成熟，适用于较长水平段压裂；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，适用于裸眼井、筛管井。
一、成熟的压裂技术
1、水平井可膨胀封隔器/裸眼封隔器+滑套分段压裂技术
该压裂技术采用膨胀封隔器或裸眼封隔器将水平井水平段进行机械式分段封隔，通过投球打开滑套，实现分段压裂，已成为北美页岩气压裂开采的主要技术手段。技术关键在于封隔器和滑套的可靠性和安全性，尤其是可膨胀封隔器和高强度、低密度压裂球是决定技术成功与否的关键。目前威德福、斯伦贝谢、贝克休斯和哈里伯顿四大国际知名技术服务公司均有该压裂工艺技术。
哈里伯顿的RapidFrac快速压裂技术包括DeltaStim Lite滑套、DeltaStim压力开启滑套和Swellpacker封隔系统三种成熟工具，通过VersaFlex悬挂器下入井内。与传统射孔工艺不同，该压裂技术通过定位和隔板调整，实现准确、定位压裂和一个球打开多个滑套。例如一个水平段分隔15段，每段6个滑套，就可实现90级压裂，由于采用连续泵送压裂工艺，可缩短循环时间和减少清水用量。
贝克休斯的FracPointEX-C多级投球打开滑套压裂技术采用液压坐封裸眼封隔器/自膨胀封隔器，压裂完一级后，投球打开下一级滑套，实现逐级压力，压裂级数最多可达到40级。该压裂技术主要部件有：大扭矩悬挂器、液压坐封裸眼封隔器或自膨胀封隔器、耐冲蚀的投球开启滑套、压力开启滑套、耐高温高压压裂球等。
斯伦贝谢的QuickFrac压裂技术是北美多级压裂技术的先驱，经过多年的革新和发展，目前可实现一次投入一个压裂球开启多个滑套，目前可实现15次投球、60级压裂。
2、水平井固井滑套分段压裂技术
贝克休斯、哈里伯顿和斯伦贝谢等三家公司的固井滑套分段压裂技术较成熟、可靠。
贝克休斯的OptiPort固井滑套压裂技术使用连续油管打开滑套，配合连续油管对已固井的尾管段进行分段压裂，可实现无限级。滑套为压力控制打开滑套，全尺寸井筒，无缩径，作业后无需钻磨。该技术还集成了喷砂射孔器，一旦无法压开地层，还可选择喷砂射孔。
斯伦贝谢的nZone投球多级压裂技术可用在水平井、斜井和垂直井中，可实现压裂7级。该技术还可在压裂作业后仍保持井眼畅通，使用可溶飞镖，省略了连续管钻磨程序。
哈里伯顿的RapidFrac压裂技术采用固井滑套在固井完井中进行多级压裂，最多可实现25级压裂。
3、泵送桥塞射孔压裂联作分段压裂技术
该技术属于机械封堵分层压裂技术，适用于套管井，具有分层压裂段数不受限制、压裂层位定位精确、封隔可靠性高等特点，在北美页岩储层改造中广泛使用。国外服务公司都有比较成熟的桥塞压裂工具，可实现无限级数压裂。
贝克休斯的QuickDrill可钻复合桥塞，耐温450华氏度（232摄氏度）、耐压12,500psi（86MPa），可分为三类：全堵塞式、单流阀式和投球式复合桥塞。投球式和单流阀式复合桥塞可在钻磨时进行试油或试气，全堵塞式桥塞在压裂作业完成、全部钻磨后才能投入生产。
哈利伯顿的FastDrill快钻桥塞由铝质和复合材料构成，耐压70MPa，根据温度（华氏度）可分为250系列、300系列、350系列和400系列，尺寸规格有2-7/8英寸、3-1/2英寸、4-1/2英寸、5-1/2英寸和7英寸。
斯伦贝谢的CopperHead Extreme可钻桥塞，主体材料为铝质材料，耐压达到15,000psi（103MPa），耐温400华氏度（204摄氏度），尺寸规格主要有4-1/2英寸和5英寸两种。
威德福的FracGuard Composite桥塞由铝质和复合材料构成，理论上可实现无限级压裂。
4、水力喷射分段压裂技术
水力喷射射孔技术采用喷水/喷砂射孔器取代传统的射孔枪，使用含砂的高压水流击穿套管和地层岩石，实现在地层中射孔。特点是作业安全，施工效率高，但操作时间较长。该压裂技术主要用于砂岩储层改造中，关键部件是喷嘴，喷嘴的耐用性和可靠性是制约该技术的瓶颈。目前，喷嘴的制造材料主要有硬质合金、陶瓷、人造宝石、金刚石等。贝克休斯的OptiFrac、哈利伯顿的CobraMax、斯伦贝谢的AbrasiFrac等水力喷射压裂技术比较成熟、先进，均可实现无限级数压裂。
推进喷头示意图
二、最新的压裂技术
1、无水压裂技术（LPG Fracturing）
无水压裂技术是一种利用氮气、二氧化碳和液化天然气（如丙烷、丁烷）等代替水作为压裂液的新技术，加拿大GasFRAC是该项技术的领导者。
相比于传统的水力压裂技术，无水压裂技术基本不需要水，极大地缓解了对水资源的压力。目前，北美无水压裂技术主要有氮气泡沫压裂、二氧化碳压裂和LPG压裂技术。
氮气泡沫压裂技术具有地层伤害小、滤失低、携砂能力强的特点，但只能适用在水敏性地层和埋深较浅的井。
二氧化碳压裂技术具有以下特点：（1）无水相，不会对储层造成水敏或水锁伤害；（2）无残渣，不会对储层和裂缝渗透率造成残渣伤害；（3）具有很好的增产作用，压力释放后，二氧碳气体膨胀，实现迅速返排和压后快速排液投产；（4）液态二氧化碳属于牛顿流体，压裂液在管柱中的高流速流动会产生的摩阻较大；（5）压裂设计复杂，因为二氧化碳相态随压力、温度的改变而变化。
LPG压裂技术是可以同时兼顾经济效益和环境效益的技术。与传统水力压裂方法不同，LPG压裂技术利用已经生产出的碳氢化合物来提取更多的碳氢化合物，同时也不需要杀菌剂。当凝胶与一种特有的化学品反应时，LPG压裂液粘度仍能保持稳定，不需要使用昂贵的CO2或N2来调节粘度。使用LPG压裂液还可减少燃烧处理过程，比传统的压裂液更清洁。
液化天然气压裂过程
2、工厂化压裂（Factory Fracturing）
该技术是在一个井场（Pad）同时进行多口井的压裂作业，通过在井场（Pad）对外发送指令，远程控制井下作业，无需挪动设备和压裂车队；优点是增加了压裂工作效率，降低了安全隐患，以及减少对环境的影响；其局限性是施工作业需要的设备和材料较多。
工厂化压裂作业现场
3、i-Ball分段压裂技术（Multi-Stage Fracturing）
威德福研发的i-Ball分段压裂技术，利用Double-Collet设计，预先确定投球数量，将同一尺寸的压裂球用于分段压裂中，实现无限级压裂。目前仅威德福掌握该技术。
Double-Collet设计投球示意图
4、新型水力喷射径向钻井（Radial Drilling Hydrajet）
径向钻井技术可在一个储层平面钻出多个径向水平井眼，大幅增加油井泄油面积，大幅提高油气井产量、开采速度和单井控制储量，达到了“少井高产”、降低吨油成本的目的，是提高低渗透油气藏经济开采的重要手段。与传统增产技术相比，具有作业费用低、作业时间短和效率高等优势。
径向钻井技术在应用过程中也暴露了一些问题。由于径向水平段钻进过程无方向控制，仅通过向后喷射的射流推动钻头前进，导致了井眼轨迹存在很大的不确定性，特别是钻薄油层时，水平井眼易偏离储层。同时，该技术对井深、喷射长度和倾角均有较大的限制。
因此，北美一些公司开始开展新型径向钻井技术研究，如美国Radial Drilling Service（RDS）公司、Blast公司和Well Enhancement Serbices（WES）公司等。与传统径向钻井技术相比，新型径向钻技术的本质区别在于：新技术工艺中使用了新型导向器，无需再进行套管锻铣和扩眼两个费时的工序，而是采用设备、工具直接在套管和水泥环上钻孔，然后进行水平段钻进。由于无需套管锻铣和扩眼，使得新型径向钻井技术的作业效率得到大幅提高。以RDS公司为代表的新型径向钻井技术采用两套钻具，即一套用于套管、水泥换开孔；另一套用于钻径向水平井段。
5、低温压裂技术（Cryogenic Fracturing）
科罗拉多大学提出一种新的压裂思路，通过向地层注入低温液氮或液态二氧化碳，当低温液氮或液态二氧化碳与地层接触时，在热应力作用下，地层岩石上产生裂缝。该技术不用水，对地层无伤害，环保，但处于研发的初期阶段。
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发表于 2018-4-3 20:05:43
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