頁(yè)巖氣藏在頁(yè)巖中，具體來(lái)說(shuō)，它們主要位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中（圖1），是以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。這是天然氣生成之后在源巖層段內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。
這種“原地”儲(chǔ)藏的方式，也給開(kāi)采帶來(lái)了絕大的麻煩，因此在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有進(jìn)入到可以被資源利用的范疇。近些年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)清潔能源需求的不斷擴(kuò)大和天然氣價(jià)格的不斷上漲，以及對(duì)頁(yè)巖氣藏認(rèn)識(shí)的不斷深化，科學(xué)界及能源界都開(kāi)始以全新的視角來(lái)認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣，并開(kāi)發(fā)出了一系列開(kāi)采頁(yè)巖氣的技術(shù)。
圖1 五峰組-龍馬溪組高碳質(zhì)泥頁(yè)巖（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
頁(yè)巖氣究竟是怎么開(kāi)采出來(lái)的呢？
很多人已經(jīng)知道，頁(yè)巖氣是充填于頁(yè)巖裂隙、微細(xì)孔隙及層面內(nèi)的天然氣（圖2）。開(kāi)采頁(yè)巖氣通常要先打直井到幾千米的地下，再向水平方向鉆進(jìn)數(shù)百米到上千米，并采用大型水力壓裂技術(shù)，也就是通過(guò)向地下注入清水、陶制顆粒、化學(xué)物等混合成的壓裂液，以數(shù)十到上百兆帕的壓力，將蘊(yùn)含天然氣氣流的巖層“撬開(kāi)”，讓深藏于頁(yè)巖層中的頁(yè)巖氣得到釋放，最終達(dá)到開(kāi)采的目的。如果打個(gè)比喻，水力壓裂技術(shù)就是在致密的頁(yè)巖中建設(shè)一條條“高速公路”，并讓頁(yè)巖氣沿“高速公路”跑到水平井段，最后從直井中抽出來(lái)。
頁(yè)巖氣的開(kāi)采比常規(guī)天然氣開(kāi)采要麻煩得多，成本也要更高一些。因?yàn)樵谕瑯赢a(chǎn)量情況下，頁(yè)巖氣的井田面積大約是常規(guī)天然氣井田面積的十幾倍，鉆井?dāng)?shù)量則達(dá)到常規(guī)天然氣100倍甚至更多。另外，開(kāi)采頁(yè)巖氣層需要采取特殊的鉆井技術(shù)和增產(chǎn)措施方法。當(dāng)然，隨著開(kāi)采技術(shù)的不斷進(jìn)步，其開(kāi)采成本也會(huì)不斷減低，使之與常規(guī)天然氣開(kāi)采不再有明顯的劣勢(shì)。
圖2 以吸附和游離方式賦存于泥頁(yè)巖層段中納米級(jí)孔隙中的頁(yè)巖氣
（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
水平井鉆井和分段壓裂是目前用于頁(yè)巖氣開(kāi)采的核心技術(shù)。下面我們就來(lái)分別了解一下這兩種技術(shù)：
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平井鉆井技術(shù)
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平井是能源開(kāi)采領(lǐng)域定向井的一種，是指井眼豎著打到一定的深度以后，再向水平或者接近水平的傾斜方向繼續(xù)延伸一定長(zhǎng)度的定向井。在技術(shù)層面，豎著與水平方向打井的井斜角要達(dá)到90°左右（一般大于85°）；其在頁(yè)巖層里水平方向延伸的長(zhǎng)度一般要大于頁(yè)巖厚度的6倍（圖3）。
圖3 水平井示意圖（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
具體而言，一口水平井的實(shí)施常常分為三個(gè)步驟：
第一步是水平井布井：現(xiàn)在常常采用三維地震資料進(jìn)行水平井井位優(yōu)化部署，并設(shè)計(jì)井眼軌跡及方位（圖4）。
圖4 水平井井眼軌跡及方向示意圖（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
第二步是水平井鉆進(jìn)：頁(yè)巖儲(chǔ)層水平段鉆進(jìn)方向應(yīng)垂直于最大主應(yīng)力方向（圖5），這樣才更有利于頁(yè)巖氣被擠出來(lái)。
圖5 最大主應(yīng)力方向示意圖（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
第三步水平井完井：水平井通過(guò)壓裂溝通天然裂縫，就可以獲得更大泄流面積（圖6），看看下面的對(duì)比圖就可以知道水平井通過(guò)壓裂溝通天然裂縫后的巨大效用了。
圖6 直井、水平井、水平井分段壓裂泄流面積對(duì)比圖
（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的水平井分段壓裂技術(shù)
分段壓裂技術(shù)是水平井的關(guān)鍵配套技術(shù)之一，運(yùn)用分段壓裂可在較短時(shí)間內(nèi)一次性完成對(duì)多個(gè)儲(chǔ)層的壓裂，并最大限度地減少對(duì)儲(chǔ)層的傷害，達(dá)到多層合采，從而達(dá)到提高單井產(chǎn)量、最大限度達(dá)到提高地質(zhì)儲(chǔ)量可動(dòng)用程度的目的。
水平井分段壓裂并不難理解，它是利用封隔器或橋塞分隔各段，然后逐段壓裂，在每個(gè)井筒中壓開(kāi)多條裂縫，它通常分為三個(gè)階段：
首先將前置液(無(wú)支撐劑)泵入儲(chǔ)層，然后將含有一定濃度支撐劑（通常為砂）的壓裂液泵入儲(chǔ)層，最后使用更高濃度的支撐劑壓裂液進(jìn)行壓裂（圖7）。在開(kāi)采的實(shí)際操作中，通常還可以通過(guò)使用橋塞、封隔器以及連續(xù)管等工具輔助壓裂。
利用水平井分段壓裂技術(shù)，可以增大水平井的導(dǎo)流能力，提高水平井的產(chǎn)能。因此，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在石油、頁(yè)巖氣的地下開(kāi)采中被廣泛應(yīng)用。
圖7 水平井分段壓裂示意圖（自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局供圖）
可以說(shuō)，水平鉆井技術(shù)和水平分段壓裂技術(shù)就是頁(yè)巖氣開(kāi)采的“武功秘籍”，掌握了這兩項(xiàng)絕技，在頁(yè)巖氣的開(kāi)采中就可以獲得更大的泄氣面積、更好的單井產(chǎn)量和更大的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量動(dòng)用程度，因此對(duì)于提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成功率和商業(yè)價(jià)值有著重大的意義。
策劃：自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科普辦公室（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心）
作者：自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地調(diào)中心 方朝剛、李建青
審核專家：南京地質(zhì)調(diào)查中心能源地質(zhì)室副主任 高級(jí)工程師 黃正清
