——記技術發明特等獎成果頁岩氣水平井縫網壓裂技術及應用
2018年，我國原油對外依存度已高達69.8%、天然氣對外依存度達到45.3%。在國家油氣安全形勢極其嚴峻的當前，頁岩氣，從中國能源科技工作者都頗感陌生的詞彙發展到商業化開採、從“一片空白”到“一抹亮色”的非凡發展歷程，成為激動人心的“中國故事”。在頁岩氣開採中立下汗馬功勞的“殺手鐧”——頁岩氣水平井縫網壓裂技術及應用成果，也因此榮獲2019年度石化聯合會技術發明特等獎。
“該項目創建了我國3500米以淺頁岩氣水平井縫網壓裂理論方法和技術體系，實現了我國頁岩氣壓裂技術從無到有、從跟跑到並跑的重大跨越，豐富了我國壓裂理論技術體系，為我國頁岩氣年產量從2012年0.25億立方米增長到2018年的108.8億立方米併成為僅次於美國的全球第二大頁岩氣產量國作出重大貢獻，使我國成為少數幾個掌握頁岩氣開發核心技術的國家。”該項目主要完成人、西南石油大學趙金洲教授的一番話，鏗鏘有力。
資源量大產量小
據介紹，全球頁岩氣技術可採資源量約214萬億立方米，其中我國約31.6萬億立方米，美國約32.9萬億立方米。目前，全球開展頁岩氣商業化開發的國家有美國、中國、阿根廷和加拿大。
美國在頁岩氣勘探開發上起步很早，他們率先開展了頁岩氣開發理論創新與技術實踐，頁岩氣產量迅猛增長，2016年就已突破5000億立方米，天然氣出口量首次超過進口量。“可以說，美國頁岩氣的開發改變了世界能源格局。”趙金洲介紹說。
雖然從2006年開始，我國已成為第二大頁岩氣生產國。但與美國相比，我國頁岩氣開發起步較晚，2012年產量僅為0.25億立方米，佔當年天然氣總產量的0.02%，2018年產量達108.8億立方米，佔比提升至6.79%。“中美兩國頁岩氣資源量相差不大，但產量卻相去甚遠。”趙金洲坦言。
空白起步攻壓裂
頁岩氣壓裂技術分為直井壓裂與水平井壓裂兩種，其中水平井分段分簇壓裂技術在美國頁岩氣開發中取得巨大成功，促進美國頁岩氣產量迅猛增長。
“然而十年前我國頁岩氣壓裂技術尚屬空白。”在趙金洲看來，雖然美國頁岩氣革命的成功經驗為我國頁岩氣開發提供了有益借鑑，但中美頁岩氣壓裂存在巨大差異，美國的壓裂技術並不適用於我國。比如，美國的頁岩氣埋藏淺，多處於平原地區，開採成本低，而我國的頁岩氣資源埋藏深，多處於山區丘陵，開採成本高;美國水資源豐富，工業區人口少，可以承受高水耗，而我國水資源匱乏;美國只要採用長水平井+分段壓裂形成分段縫網，就可實現多井高產，而我國則要採用長水平井+分段壓裂形成全井段縫網，才能實現少井高產。
針對中美頁岩氣壓裂條件的差異，2008年項目組提出了水平井全井段縫網壓裂設想，並聯合全國優勢力量系統開展研究，創建了我國3500米以淺頁岩氣水平井縫網壓裂理論方法和技術體系，研發成功具有自主知識產權的頁岩氣水平井縫網壓裂技術，使我國成為少數幾個掌握頁岩氣開發核心技術的國家。
創新打造“殺手鐧”
“我們在頁岩氣勘探開發技術上取得了五大創新。”趙金洲介紹說。
一是建立縫網壓裂基礎理論，發明了頁岩氣水平井縫網壓裂優化設計方法。包括縫網壓裂體積計算方法，基本可以替代微地震監測技術，達到世界領跑水平;縫網壓裂優化設計方法，處於世界並跑和領跑水平。二是建立可壓性評價理論模型，發明了頁岩氣儲層縫網綜合可壓性評價方法。三是發明了複合滑溜水和低碳烴無水壓裂液，開發的7種滑溜水成為我國頁岩氣壓裂主力液體體系，並應用於全國78%的頁岩氣井;開發的無水壓裂液體系為我國頁岩氣大規模壓裂開發儲備了無水液體技術，步入世界並跑行列。四是建立複雜裂縫支撐劑輸運計算模型，發明了縫網支撐劑鋪置與導流能力評價方法。五是發明縫網壓裂工藝，構建了具有我國特色的頁岩氣水平井縫網壓裂技術方法系列。
目前，該項目成果已獲國家發明專利60件和軟件著作權16件，技術應用累計協助探明頁岩氣儲量8681億立方米，累計新建產能161億立方米，累計生產頁岩氣277億立方米。
成功路上再出發
“雖然取得了豐碩成果，但我們針對頁岩氣開採技術的研發並不能就此止步。”趙金洲指出，未來頁岩氣壓裂技術研發還將在三方面發力。
一是突破頁岩氣井長期穩產技術。頁岩氣主要由縫隙中的遊離氣和縫隙壁面以及基質中的吸附氣組成，生產過程中，短、中期主要開採遊離氣，中長期以開採吸附氣為主。僅靠在開採油氣過程中的自然降壓將吸附氣解吸為遊離氣，無法保證長期穩產。儘管我國頁岩氣資源量和美國相當，若不能開採吸附氣，則有效商業資源量將遠低於美國，因此未來必須開展頁岩氣生產動態規律、解析機理和解析技術研究，開採吸附氣。
二是突破深層頁岩氣壓裂技術。我國頁岩氣普遍埋藏深度大於美國，深層頁岩氣資源量遠大於淺層資源量，因此對壓裂設備、壓裂工具和壓裂液性能等要求更高，必須加快深層頁岩氣壓裂技術研究。
三是加快頁岩氣壓裂關鍵工具突破。我國頁岩氣壓裂技術與美國相比，在諸多方面存在差距，尤其是壓裂工具差距更大，比如套管因井滑套分段分段壓裂工具仍為空白。
“我國頁岩氣革命尚未成功，我們還需努力。但要堅信，頁岩氣產量突破千億立方米甚至6000億立方米是有可能的，我國的頁岩氣勘探開發潛力巨大，前景廣闊。”趙金洲對他所從事的頁岩氣事業信心滿滿。
編者按 為推動我國石油和化工行業高質量發展，充分發揮科技創新對行業經濟發展的支撐和引領作用，12月10日，中國石油和化學工業聯合會在北京組織召開了全國石油和化工科技創新大會，對榮獲2019年度行業科技獎的245項成果進行表彰。本版選取其中的部分成果進行展示，以饗讀者。
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