通过对“十三五”以来国外页岩油气储集层水平井压裂技术进展的系统总结,阐述了水平井压裂技术在页岩油气储集层多层叠置立体开发、小井距密井网布井、水平井重复压裂、施工参数优化与降低成本方面的新特征;结合中国页岩油气水平井压裂技术需求,论述了水平井压裂技术在多裂缝扩展模拟、水平井压裂设计、电驱压裂装备、可溶化系列工具、低成本入井材料与工厂化作业方面的新进展。在此基础上,结合非常规页岩油气“十四五”规划对水平井压裂改造技术的需求分析,提出了7个方面的发展建议：①强化地质工程一体化联合研究;②深化页岩储集层改造基础理论及优化设计技术研究;③完善大功率电驱压裂装备;④研发长井段水平井压裂工具及配套作业装备;⑤加强水平井柔性开窗侧钻剩余油挖潜技术攻关;⑥发展长井段水平井压裂后修井作业技术;⑦超前储备智能化压裂技术。
By systematically summarizing horizontal well fracturing technology abroad for shale oil and gas reservoirs since the "13th Five-Year Plan", this article elaborates new horizontal well fracturing features in 3D development of stacked shale reservoirs, small well spacing and dense well pattern, horizontal well re-fracturing, fracturing parameters optimization and cost control. In light of requirements on horizontal well fracturing technology in China, we have summarized the technological progress in simulation of multi-fracture propagation, horizontal well frac-design, electric-drive fracturing equipment, soluble tools and low-cost downhole materials and factory-like operation. On this basis, combined with the demand analysis of horizontal well fracturing technology in the "14th Five-Year Plan" for unconventional shale oil and gas, we suggest strengthening the research and development in the following 7 aspects: (1) geology-engineering integration; (2) basic theory and design optimization of fracturing for shale oil and gas reservoirs; (3) development of high-power electric-drive fracturing equipment; (4) fracturing tool and supporting equipment for long horizontal section; (5) horizontal well flexible-sidetracking drilling technology for tapping remaining oil; (6) post-frac workover technology for long horizontal well; (7) intelligent fracturing technology.
本文结合国内外页岩油气资源特征, 阐述北美水平井压裂技术的6项新进展, 同时梳理了中国水平井压裂技术在提质增效中的6项新技术, 结合页岩油气“ 十四五” 规划对水平井压裂改造技术的需求与未来发展方向, 提出7项发展建议, 以期为未来页岩油气资源的效益开发提供技术借鉴。
与北美海相储集层相比, 中国页岩油储集层具有岩性复杂、压力系数偏低、原油黏度高、裂缝发育程度差、储集层非均质性强、两向应力差大等特点。借鉴北美水平井多段压裂经验, 采用体积压裂衰竭式开发模式虽成为页岩油气储集层改造的重要手段, 但仍面临压后产量递减快（首年递减率大于50%）、采收率低（页岩油低于20%, 页岩气低于30%）、产量低等难题, 因此需在裂缝起裂延展、应力场分布、能量补充等方面开展基础技术研究工作。
持续深化地质工程一体化平台工作模式, 以页岩油气水平井全生命周期管理为目标, 以实现甜点的空间最大体积控制和经济动用为目的, 将地质、油藏、工程、管理等多学科综合应用到井的全生命周期管理中, 建立4个一体化平台：①地质评价、甜点评价、力学评价、完井品质评价等的一体化评价平台; ②地质模型、油藏模型、裂缝模型、经济模型的一体化设计模型平台; ③压后跟踪、措施评判、效果评价、模型修正的一体化分析平台; ④实验结果共享、优化方案共享、施工设计共享的一体化共享平台。通过上述一体化的优化研究, 建立平台一体化管理模式, 同时实施智能化管控, 实现自动化、智能化、数字化, 建立现代化生产基地。储量动用实现最大化, 作业效率进一步提升, 同时节约用地、用水, 实现提质增效降本, 保障页岩油气的效益开发。
随着水平井多段压裂作业进一步向安全、绿色、高效、智能发展, 大功率电驱压裂装备具有满足上述需求及长时间、高压力、大排量连续作业的优势。进一步开展大功率智能电驱压裂泵注设备、国产变频传动技术及大功率供配电系统、压裂液自动混输设备、多平台电力高效调度及电能质量调节系统、压裂机组智能运行系统等关键技术攻关, 提升7000型电驱压裂装备技术水平, 研发7000型以上电驱压裂装备。
针对超长水平段（大于4 000 m）、深层（垂深大于3 500 m）、高温（大于150 ℃）、高压（压力大于100 MPa）等特殊地质条件, 重点攻关完善免胶筒全金属可溶桥塞系列, 改进座封方式, 研制适用不同套管规格（10.16~13.97 cm）、不同钢级等复杂井况的全金属可溶桥塞系列工具, 实现压后桥塞免钻磨、免冲洗; 攻关高效率长水平段分簇射孔工具, 实现单段20簇以上一次安全射孔; 配套8 000 m以深井连续管压裂作业装备, 保证装备注入头的提升力大于70 t, 下推力大于30 t, 以可满足超长水平井、超深井压裂作业需要, 提高深井特种作业能力。
复杂的储集层改造需要包括油藏信息、油套管-封隔工具参数、射孔程度、改造方案指标、地面井口状况、压裂设备状态等多个方面的信息数据。伴随着信息化的快速发展, 通过物联网、大数据实现上述各种信息的采集、交流、集成、指挥并赋予其人工智能, 实现储集层改造的人工智能化, 成为储集层改造下一步的发展方向和目标。主要分为4步：①建立压裂改造远程决策中心, 实现储集层改造数据资源共享与现场施工的远程决策; ②将每年水平井压裂施工资料大数据化入库, 提高决策能力; ③逐步将压裂各环节数据实现物联网化, 实时跟踪现场施工, 提高反应决策能力; ④构建人工智能储集层改造决策系统, 通过人工智能方法, 快速形成压裂设计方案, 大幅提升设计针对性和有效性, 形成中国石油天然气集团股份有限公司远程决策支持中心和压裂大数据平台。
水平井多段压裂技术是北美实现页岩油气资源“ 少井高产” 和油气资源有效动用的重要技术手段。中国在借鉴北美水平井压裂先进技术的同时, 经过多年的发展, 形成了基本满足页岩油气储集层水平井多段改造的技术系列, 有效支撑了四川、鄂尔多斯、准噶尔、松辽盆地多个整装大型页岩油气田、致密油气田的勘探开发。展望未来, 随着中国油气勘探开发的进一步深入, 页岩油气等非常规油气资源的地质条件更为复杂, 油气资源品质的劣质化程度将进一步加剧, 仍需针对水平井多段压裂技术, 在地质工程一体化、增产机理与优化设计、大功率电驱压裂装备、长井段水平井压裂工具及修井配套装备、智能化压裂储备技术等方面持续开展攻关研究, 为实现中国原油长期稳产2×108 t/a、天然气稳产3 000×108 m3/a目标提供重要的技术支撑。