摘 要

摘　要：非常規(guī)油氣開發(fā)是國內(nèi)外目前的熱點研究領域，壓裂能力和壓裂液成為制約增產(chǎn)改造效果的瓶頸。為此，依據(jù)中國儲層特性、地面條件、開發(fā)現(xiàn)狀等情況，并以大量的實際生產(chǎn)和統(tǒng)計

摘　要：非常規(guī)油氣開發(fā)是國內(nèi)外目前的熱點研究領域，壓裂能力和壓裂液成為制約增產(chǎn)改造效果的瓶頸。為此，依據(jù)中國儲層特性、地面條件、開發(fā)現(xiàn)狀等情況，并以大量的實際生產(chǎn)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，對中國目前非常規(guī)油氣的開發(fā)模式、設備條件、材料要求、成本構(gòu)成等進行了深入的論述。結(jié)論認為：①國內(nèi)現(xiàn)有的壓裂設備和材料等硬件條件可滿足當前非常規(guī)油氣開發(fā)的需求，但存在著開發(fā)模式中完井環(huán)節(jié)的關鍵技術空白、施工作業(yè)成本難以控制的問題；②壓裂液將朝高效環(huán)保、儲層低傷害、低含水量或無水、成本可控以及體系類型多樣化的方向發(fā)展；③根據(jù)中國非常規(guī)天然氣開發(fā)規(guī)劃的年產(chǎn)量，預測了壓裂設備的需求和技術服務市場規(guī)模。最后強調(diào)，以滑溜水為代表的低成本壓裂液和以超臨界CO2為代表的無水壓裂液是2個最重要的發(fā)展方向，而支撐劑將朝小粒徑、低密度、高強度方向發(fā)展，同時，在原材料和加工工藝上也有待突破創(chuàng)新。

關鍵詞：中國  非常規(guī)油氣  壓裂設備  壓裂液  滑溜水  超臨界CO2  支撐劑  影響分析

Impact of unconventional oil and gas exploitation on fracturing equipment and materials development

Abstract：The development of unconventional oil and gas is a research focus at home and abroad．Ttle fracturing capacity and fluid are the core factors restricting the stimulation performance．In view of this，in terms of reservoir characteristics，surface conditions and current development status in China，a thorough analysis was made of the current unconventional oil and gas develoDment mode，eqmpment conditions，materials reqmrements and cost composition based on mass production and statistical data．The following findings were achieved．First，the existing domestic fracturing equipment and materials can meet the need of unconventional oil and gas development at present；however，the current development mode still faces numerous challenges，  such as vacancy of kev technologies in well completion and difficulty in cost contr01．Second，the fracturing fluid will be developed into various svstems and types with high efficiency，no pollution，less damage to reservoirs，low or no water content，and a controllahle cost．Then，according to the planned annual output of unconventional gas，an optimistic forecast can be made of the demand for fracturing equipment and scale of technical service market．Finally，it was emphasized that the fracturing fluids with a low cost(e．g．slick water)and without water(e．g．supercritical CO2)will be the foremost development directions，while the proppant tends to be developed with small grain size，low density and high strength．Moreover，breakthrough and innovation will be expected in raw materials and in processing tech niques．

Keywords：unconventional oil and gas，fracturing equipment，fracturing fluid，slick water，supercritical CO2，proppant，impact analysis

自美國掀起的“頁巖氣革命”席卷全球，歐洲的德國、英國、法國、瑞典、奧地利與波蘭，亞洲的中國、印度，大洋洲的澳大利亞與新西蘭，非洲的南非等國家都爭相對本國頁巖氣資澡進行前期研究和評價。我國非常規(guī)天然氣資源量非常豐富，其中致密氣資源量約為100×10¹²m³、頁巖氣資源量約為134×10¹²m³，而常規(guī)天然氣的資源量僅約為56×10¹²m³。非常規(guī)油氣資源由于儲層滲透率低的特性，典型的開采技術是水平井鉆井結(jié)合大規(guī)模壓裂，其中大規(guī)模壓裂技術在國內(nèi)尚屬起步階段，在壓裂設備生產(chǎn)、壓裂技術、特殊壓裂液和支撐劑等多個研究領域存在空白^[1-3]，其中設備是壓裂的硬件基礎，材料足壓裂的軟件核心，兩者直接決定了作業(yè)能力、增產(chǎn)效果以及經(jīng)濟效益。非常規(guī)資源的開發(fā)對壓裂設備和材料提出了更高的要求，同時也為壓裂行業(yè)以及設備制造業(yè)帶來了黃金發(fā)展的契機。把握好設備和材料的發(fā)展方向?qū)⒅苯佑绊懙?ldquo;十二五”“十三五”期間的國家能源戰(zhàn)略。

1　我國非常規(guī)油氣開發(fā)模式現(xiàn)狀分析

1．1　躍進式的開發(fā)模式，成本難以控制

在國家號召和資金支持下，我國非常規(guī)油氣的開發(fā)實現(xiàn)了躍進式的發(fā)展。由于國內(nèi)現(xiàn)有的壓裂車組等硬件條件滿足開發(fā)要求，以此為基礎，通過與國外公司的合作，引進先進工具、壓裂材料以及相關技術，就可以在短期內(nèi)跨越室內(nèi)研究環(huán)節(jié)，直接實現(xiàn)現(xiàn)場壓裂開發(fā)作業(yè)。以中國石化勝利油田有限公司(以下簡稱勝利油田)為例，在專項資金的支持下，先后與貝克休斯、威德福、BJ等國外油田服務公司合作，開展了超低滲透率致密砂巖氣、致密頁巖氣等非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)。由于國內(nèi)缺乏非常規(guī)油氣開采經(jīng)驗，因此一般采用如下開發(fā)模式：完井環(huán)節(jié)采用威德福、貝克休斯等國外油田服務公司的多層分段壓裂完井系統(tǒng)；壓裂環(huán)節(jié)一般是由油田采油院提供地質(zhì)資料，國外油服公司根據(jù)資料與采油院共同提供壓裂設計方案，最后南井下作業(yè)公司按照方案進行現(xiàn)場施工。其中井下作業(yè)公司提供壓裂車組等硬件設施，外企公司提供先進的壓裂液、支撐劑以及相關技術服務。

這種躍進式的開發(fā)模式，具有可以快速實現(xiàn)非常規(guī)油氣的試采，提供油氣品質(zhì)、資源量、產(chǎn)量等寶貴的現(xiàn)場資料，積累一定的開發(fā)經(jīng)驗等優(yōu)點。但同時也存在問題和不足，如關鍵技術的空白、作業(yè)成本高且難以控制、室內(nèi)研究嚴重滯后等。

眾所周知，非常規(guī)油氣開發(fā)的經(jīng)濟效益取決于成本的控制，北美取得頁巖氣開發(fā)的成功正是由于采用了低成本的清水壓裂^[4]。但以勝利油田某非常規(guī)頁巖油氣井的壓裂開采預算為例(圖1)，不難看出，國外公司的完井工具、壓裂材料(壓裂液和支撐劑)以及技術服務費用占據(jù)全部壓裂費用的44.4％，其中，壓裂液的費用又占BJ公司全部預算的57％。兇此，目前的非常規(guī)油氣開發(fā)模式難以取得經(jīng)濟效益，從長遠角度出發(fā)，必須要有大量的資金和科研力量投入到非常規(guī)油氣開采的基礎研究上，從完井工具、壓裂液和支撐劑以及相關技術上打破國外技術壟斷。提升壓裂開采的軟件實力，才能有效控制開發(fā)成本，取得并提高經(jīng)濟效益。

 

1．2　水資源匱乏，不宜大范圍采用大規(guī)模水力壓裂

以頁巖氣為例，與美國已投入商業(yè)開發(fā)的頁巖氣相比，我國海相頁巖層系時代偏老、熱演化程度偏高、埋藏偏大，經(jīng)歷多期構(gòu)造，保存條件不理想；海陸過渡相頁巖層系多與煤系伴生，單層連續(xù)性差、頁巖集中段厚度偏??；湖相富含有機質(zhì)的頁巖層系時代新、熱成熟度相對較低、頁巖脆性較差、埋藏深度較大，(一般在3000 m左右，甚至更深，而北美頁巖氣埋深主要集中在1000～2000m^[5-6])。因此，埋藏更深、滲透率更低、儲層敏感性更強的特性對壓裂設備的工作壓力、施工排量以及壓裂液的儲層保護等性能提出了更高的要求。

此外，在我國頁巖氣富集的山區(qū)，地表條件較差，水資源匱乏，大規(guī)模水力壓裂造成的環(huán)境污染和資源浪費等問題也不容忽視，以美國2011年頁巖氣開發(fā)數(shù)據(jù)為例，根據(jù)美國能源部統(tǒng)計，每一口頁巖氣鉆井平均用水量高達1.5×10⁴m^3[7]。預計全年頁巖氣水平井鉆井數(shù)為8000口，則一年的用水量至少為l.2×l0⁸m³。我國是一個干旱缺水嚴重的國家，人均年可利用淡水資源量儀為900m³，不到美國的l／5，并且分布極其不均，統(tǒng)計到20世紀末，全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題，其中比較嚴重的缺水城市達ll0個，全國城市缺水總量為60×l0⁸m³。如圖2所示，我國頁巖氣田的分布與缺水地區(qū)的分布重合較多。在水量相對充裕的長江流域，只在四川^[8]和江漢盆地發(fā)現(xiàn)了頁巖氣，而在西北、華北地區(qū)^[9]，頁巖氣儲量豐富，水資源卻相當緊張^[10]。與此同時，35％的壓裂液將返排至地表，若處理不當將給環(huán)境帶來巨大的污染，同時也增加了開發(fā)成本^[11]。因此，我國頁巖氣資源的高效可持續(xù)開發(fā)，不能單純借鑒北美大規(guī)模水力壓裂的生產(chǎn)模式，需要大力發(fā)展高效環(huán)保、低水量消耗的壓裂液體系以及配套的壓裂設備和技術方法。

 

2　壓裂設備行業(yè)現(xiàn)狀以及非常規(guī)油氣開發(fā)對市場的促進

2．1　壓裂設備行業(yè)現(xiàn)狀

國內(nèi)油田從20世紀70年代開始引進國外成套壓裂機組，主要產(chǎn)品包括美國BJ公司l000型壓裂機組、雙S公司l600型壓裂機組，西方公司l400—1800型壓裂機組等。隨著石油工業(yè)發(fā)展的步伐，我國從20世紀80年代開始壓裂設備的研制，先后開發(fā)、研制了壓力為50、70、85、105、125MPa系列的壓裂設備^[12-13]。由于國內(nèi)壓裂設備研發(fā)生產(chǎn)能力提升較快，外資品牌在國內(nèi)市場的占用率大幅降低，根據(jù)海關數(shù)據(jù)顯示，2011年國內(nèi)進口壓裂設備l9臺，進口額不到1億元，在國內(nèi)市場中占比較少。目前國內(nèi)壓裂設備主要生產(chǎn)廠家有江漢第四石油機械廠(以下簡稱四機廠)和四機賽瓦石油鉆采設備有限公司、蘭州通用機器制造有限公司、煙臺杰瑞股份有限公司等。2008年，四機廠研發(fā)成功2500型壓裂車，標志著國內(nèi)壓裂機組沒計生產(chǎn)能力達到國際先進水平。并且在2012年，更為先進的2500HP大型數(shù)控成套壓裂裝備也已研制成功。

壓裂設備制造業(yè)屬于資金、技術密集型行業(yè)，進入門檻高，中國石油、中國石化、中國海洋石油等石油巨頭及其下屬子公司處于壟斷經(jīng)營的狀態(tài)，表現(xiàn)為集團管控、內(nèi)部保護的經(jīng)營模式，行業(yè)競爭程度低，市場化程度低，不利于技術創(chuàng)新和行業(yè)健康發(fā)展；此外，還存在核心技術依賴進口、自主研發(fā)能力薄弱、市場受核心技術制約的問題，特別是動力系統(tǒng)，其成本約占整臺壓裂車的1／4，國內(nèi)市場份額基本為外資產(chǎn)品占據(jù)，這就等同于將l／4的制造業(yè)市場份額拱手相讓。因此，需要進一步打破行業(yè)壟斷、提高行業(yè)J何場化程度以市場競爭帶動技術的突破和創(chuàng)新，把握好非常規(guī)油氣開發(fā)為行業(yè)帶來的發(fā)展契機，掌握核心技術、優(yōu)化市場環(huán)境，為能源開發(fā)提供強有力的硬件支撐。

2．2　壓裂行業(yè)市場規(guī)模預測

國家能源局2011年12月31日發(fā)布《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十二五”規(guī)劃》，到2015年要新增探明地質(zhì)儲量1×10¹²m³，產(chǎn)量達到300×10⁸m³，據(jù)國家能源戰(zhàn)略委員會專家預測，2020年煤層氣產(chǎn)量將達到500×10⁸m³；《頁巖氣勘探開發(fā)“十二五”規(guī)劃》明確提出，到2015年我國頁巖氣產(chǎn)量達65×10⁸m³，2020年產(chǎn)量將達l000×10⁸m³；此外，2010年，我國致密氣產(chǎn)量達209×10⁸m³，2011年增至256×10⁸m³，增幅達22.5％，根據(jù)預測，2015年我國致密氣產(chǎn)量將達500×10⁸m³，2020年產(chǎn)量有望達到800×10⁸m³。

以1000×10⁸m³頁巖氣產(chǎn)量為例進行壓裂市場的預測：

根據(jù)Chesapeake的資料，美國頁巖氣4個主產(chǎn)區(qū)的單井平均總產(chǎn)能介于0.68×10⁸～1.84×10⁸m³。麗巖氣開發(fā)初期產(chǎn)量較高，后期衰減較快，需進行持續(xù)壓裂作業(yè)^[14]，取單井年產(chǎn)量為1600×l0⁴m³。(2年之后頁巖氣井產(chǎn)氣大幅下降，前2年單井產(chǎn)量占45％～50％計算)，在1000×10⁸m³。產(chǎn)量中，80％需要新鉆井維持，則需要5000口新井；參照美國頁巖氣開發(fā)，單井鉆完井及壓裂費用為300萬～400萬美元^[15]，其中壓裂服務及設備投入約占40％^[16]，則l000×l0⁸m³頁巖氣產(chǎn)量所需要的壓裂服務及設備投入約為450億元。

1000×l0⁸m³巖氣產(chǎn)量至少需要183×l0⁴kW的壓裂設備，按2500型壓裂車計算，每臺約為1500萬元，則設備規(guī)模約為l50億元，相應的服務市場規(guī)模為300億元。

致密氣的勘探開發(fā)與頁巖氣相近，煤層氣由于埋藏淺，一般采用直井壓裂，因此對壓裂設備的需求以及服務費用相對較低。綜合考慮煤層氣和致密氣生產(chǎn)對壓裂行業(yè)的需求，可以得到非常規(guī)氣領域的壓裂市場規(guī)模，按照美國的發(fā)展數(shù)據(jù)，80％的壓裂能力使用于非常規(guī)氣的開發(fā)^[17]，可以預測整個壓裂的市場規(guī)模。預計到2015年，國內(nèi)屋裂設備市場規(guī)模約為l43.8億元，壓裂服務市場規(guī)模約為235億元，到2020年，這一數(shù)據(jù)將分別增長至455億元和745億元。因此，壓裂行業(yè)市場將迎來高速發(fā)展的契機，同時將帶動上游壓裂設備制造行業(yè)快速發(fā)展。

3　非常規(guī)油氣對壓裂液和支撐劑發(fā)展的要求以及研究方向

3．1　高效環(huán)保，成本可控壓裂液

3．1．1滑溜水壓裂液技術

常規(guī)交聯(lián)壓裂液成本高、儲層傷害大，不適用于非常規(guī)資源的開發(fā)，日前國內(nèi)主要引進北美普遍采用的滑溜水壓裂液技術，以達到降低成本的目的。滑溜水壓裂又稱清水壓裂，主要成分是水，由于水的摩阻大，難以實現(xiàn)大排量注入，需要加入降阻劑，使其變成滑溜水，以便實現(xiàn)大排量泵注，從而彌補黏度低、攜砂能力差等問題^[18]。該技術不需要特殊的設備，采用常規(guī)壓裂車組即可施工，但對排量要求較高，因此壓裂車組向大排量發(fā)展是必然趨勢。

降阻劑是該技術的核心^[19]，目前主要依賴進口，這就導致滑溜水壓裂液的成本較高，且難以自主控制。現(xiàn)場應用的滑溜水壓裂液價格約為500元／m。，由于非常規(guī)油氣一般采用水平井多段壓裂技術，壓裂液用量約為常規(guī)井的l0倍，可高達3000m³。因此壓裂液的成本高達100萬～200萬元，壓裂成本構(gòu)成圖(圖2)也清晰地反映了這一問題。

國內(nèi)針對降阻劑的研究處于攻關階段，目前勝利油田立項“滑溜水、清水壓裂技術先導試驗”項目，針對滑溜水、清水壓裂液體系各組分進行了優(yōu)選，并對該體系的儲層傷害性、流變性等性能進行了評價，并計劃應用該技術進行2～3井次的先導試驗。此外，中國石化河南油田分公司工程院和中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司分別自主研發(fā)的滑溜水降阻劑進行了首次現(xiàn)場試驗，并均獲得成功。

3．1．2無水壓裂液技術

常規(guī)壓裂液大都以水為基本材料，結(jié)合前面對水資源的分析，在條件惡劣的山區(qū)，水在地面是稀缺寶貴資源，而配成壓裂液注入地下會對儲層造成嚴重傷害，壓后返排的廢液又會對地面造成嚴重污染^[20]。因此，更為先進的無水壓裂技術適用于這類地區(qū)。無水壓裂技術最早應用于北美，在頁巖氣開發(fā)早期，曾應用純液態(tài)CO2壓裂技術對頁巖氣進行增產(chǎn)處理，增產(chǎn)效果是常規(guī)壓裂技術的2～5倍，但北美并未對這一技術做深入研究，并很快由成本更低的清水壓裂技術所取代。然而，大規(guī)模水力壓裂帶來的環(huán)境污染和水資源浪費問題日漸突出，歐洲部分國家，如法國已經(jīng)立法禁止公司在本土范圍內(nèi)采用該項技術進行頁巖氣的開采，因此，無水壓裂技術已成為國內(nèi)外前沿研究熱點。在國外，美國科羅拉多礦業(yè)學院，吳玉樹教授目前正在研究的低溫氣體壓裂技術項目，獲得美國能源部400×10⁴美金資助；美國賓夕法尼亞州州立大學的Elsworth教授^[20]采用He、CO2、Ar、N2、SF6等不同種類的氣體進行壓裂模擬實驗，研究氣體的造縫特性以及裂縫拓展規(guī)律。

在國內(nèi)，在沈忠厚院士的倡導下，開展了大量針對超臨界CO2壓裂技術的研究，超臨界CO2壓裂液是對液態(tài)CO2壓裂技術的延伸和改進。該技術對于CO2在儲層中的相態(tài)描述更為準確，不需要大量的低溫CO2注入，來冷卻地層維持CO2的液態(tài)。所需的設備與液態(tài)CO2壓裂相同，即密閉的混砂車，以及大型的CO2罐車等，這些特種壓裂設備也代表了未來的發(fā)展方向^[21-23]。該技術無水、無任何添加劑，成本主要為CO2和運輸費用，是真正高效環(huán)保、成本可控性強的壓裂液。

無論是滑溜水壓裂液技術還是無水壓裂液技術，都存在黏度低、攜砂能力差的問題，低黏壓裂液的攜砂特性以及如何提高攜砂能力將是今后科研重點攻關的難題。壓裂液的攜砂問題不僅取決于自身黏度、流變性、相態(tài)等特性，還受壓裂設備排量的限制，受混砂濃度影響，更與支撐劑的粒徑、密度等性質(zhì)有直接關系^[24-25]。因此，提高壓裂液攜砂能力要在對其攜砂機理研究的基礎上，借助壓裂設備和支撐劑的發(fā)展和創(chuàng)新。

3．2　小粒徑、低密度、高強度支撐劑

壓裂行業(yè)長期采用高黏度交聯(lián)壓裂液，一般不會出現(xiàn)攜砂能力不足的問題，因此使得支撐劑的發(fā)展更為滯后。目前，評價支撐劑的主要參數(shù)是耐壓強度和粒徑，即便國際著名的卡博公司，在特種支撐劑的研發(fā)方面也少有產(chǎn)品，且材料仍以陶粒為主。伴隨著非常規(guī)壓裂作業(yè)的發(fā)展，低黏度壓裂液應用越來越廣泛，常規(guī)的支撐劑顯然已經(jīng)無法滿足攜砂需求^[26]。

結(jié)合非常規(guī)氣資源特性分析和低黏壓裂液攜砂要求，未來支撐劑急需朝向小粒徑、低密度、高強度的方向發(fā)展，迫切需要新型材料和生產(chǎn)工藝的突破。氣的生產(chǎn)不同于油，對于裂縫的尺寸要求低，因此粒徑小的支撐劑在滿足支撐裂縫要求的同時，更容易攜帶。常規(guī)壓裂一般將小粒徑支撐劑用于填充孔隙，達到降濾失的目的，而對于低孔隙度低滲透率的非常規(guī)氣藏，不會出現(xiàn)小粒徑支撐劑填充于孔隙，而無法支撐裂縫的問題^[27]；顯然，支撐劑的密度越低越容易攜帶，國內(nèi)外已經(jīng)致力于低密度支撐劑的研究，美國SUN井下技術公司研發(fā)了一種新型材料的超輕支撐劑——FracBlack HT，這種新型材料的密度約為l.05g／cm³，支撐劑最大耐壓為55MPa，便于低黏壓裂液攜帶，通過API測試，支撐裂縫導流能力良好^[28]。而目前，國內(nèi)特種支撐劑的研制相對落后，且普通支撐劑的生產(chǎn)工藝仍有待提高，高強度、小粒徑的支撐劑普遍采用進口品牌。

支撐劑成本在壓裂總成本中所占比例并不高，但其作用卻尤為重要，它直接構(gòu)成裂縫增產(chǎn)通道，決定了最終的增產(chǎn)效果，但針對支撐劑的研究進展尤為緩慢，未得到應有的重視。借助非常規(guī)氣開發(fā)的契機，應加快特種支撐劑的研制，并在原材料和生產(chǎn)工藝水平上實現(xiàn)突破。

4　結(jié)論

1)通過我國非常規(guī)氣產(chǎn)量規(guī)劃和壓裂設備行業(yè)現(xiàn)狀分析，預測2015年國內(nèi)壓裂設備市場規(guī)模將突破140億元，壓裂服務市場規(guī)模將突破230億元，到2020年，這一數(shù)據(jù)將會翻番。

2)結(jié)合對我國非常規(guī)油氣資源特性和躍進式的開發(fā)現(xiàn)狀分析，提出壓裂液將朝高效環(huán)保、儲層低傷害、低含水量或無水、成本可控以及體系類型多樣化的方向發(fā)展，以滑溜水為代表的低成本壓裂液和以超臨界CO2為代表的無水壓裂液是2個重要的發(fā)展方向。

3)結(jié)合非常規(guī)氣資源特性分析和低黏壓裂液攜砂要求，未來支撐劑急需朝小粒徑、低密度、高強度等方向發(fā)展，并在原材料和加工工藝上有待突破創(chuàng)新。

4)低黏壓裂液的攜砂特性以及如何提高其攜砂能力將是今后科研重點攻關的難題，其中涉及設備能力、壓裂液特性、支撐劑特性等因素，可見，非常規(guī)油氣的開發(fā)為壓裂設備和材料的發(fā)展指明了方向，壓裂設備和材料在發(fā)展過程中互相制約、互相影響，共同決定了非常規(guī)油氣的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟效益。

 

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本文作者：侯磊  孫寶江  李云  杜慶杰  焉琳琳

作者單位：中國石油大學(華東)石油工程學院

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