摘 要：本文利用DWPI数据库、SIPOABS数据库和CNABS数据库得到应用于页岩气开采中的水力压裂专利文献，通过对专利文献的统计分析得到专利数据样本，在对页岩气开采进行技术分解的基础上结合专利数据样本，对页岩气开采的核心技术水力压裂技术进行相关专利分析，最后探讨提高页岩气开采经济效益的途径。
关键词：页岩气；水力压裂；专利
页岩气属于开采难度较大的“贫矿”，要把页岩气开采出来并在商业上获益，只有在技术上进行创新。页岩气开采涉及到多种技术，主要包括勘探技术、开采技术和应用技术，而开采技术中水力压裂技术的发展是页岩气开发过程的重大突破，水力压裂可以使储层产生密集的裂缝网络，进而提高储层渗透率，使地层中的天然气更容易流入井筒[1]。美国公司早在1970年就提出了在页岩层通过压裂产生的裂缝或穴使气体进入收集管道，从而拉开了页岩气关键技术专利申请的序幕，虽然我国在页岩气开采技术中的专利申请量仅次于美国，但页岩气开采中的水力压裂增产技术还未形成核心技术体系，核心技术中的关键设备以及零部件还未完全实现国产化供应。
1 水力压裂技术在页岩气开采中的技术分解
页岩气储存在页岩之中，属于非常规天然气，主要有游离态与吸附态两种形式。页岩具有孔隙度小，渗透率低的特点，其孔隙度往往只有3%～5%。开发页岩气主要依赖增产与监测两类技术[2]。这两类技术又包含多种适用于不同情况的具体技术，这些技术分类如图1-1 所示。
2 专利检索及分析工具
本文通过在CNABS数据库、DWPI数据库中进行相关专利检索，以及在CNTXT数据库、SIPOABS数据库进行相应的查漏补缺，采用不同的检索方式以及各种算符命令有效确保“检准”和“检全” ，获取初步结果后将检索文献中的明显噪声进行去噪，最终筛选出页岩气开采技术相关专利530篇作为样本数据，利用S系统的统计命令以及Excel等工具进行统计分析。
3 水力压裂应用于页岩气开采专利分析
3.1 专利申请趋势分析
国际上于20世纪80年代开始研究水平井的压裂增产改造技术，在水力裂缝的起裂、延伸，水平井压后产量预测，水力裂缝条数和裂缝几何尺寸的优化，压裂液的配置，分段压裂施工工艺技术与井下分隔工具等方面取得了一定进展[3-4]。在1988年关于页岩气开采的水力压裂技术才出现，随后专利数量开始持续增长，特别是2009年后专利数量进入快速增长期，出现大量适用于水平多分枝井压裂的工艺、设备。信息技术的发展带动水力压裂监测、裂缝模拟技术的快速进步，这与页岩气开采的历史基本吻合，表明水力压裂技术需求主要来源于页岩气开采领域，同时也是页岩气的规模化开采推动了水力压裂技术的迅猛发展。
3.2 专利申请方向分析
水力压裂技术的发展为页岩气开采提供了高效的增产技术支持。美国于1988年申请了第一件页岩气水力压裂技术专利US4928765，通过对直井的进行压裂以提高页岩气开采产量。随着水力压裂技术进一步的改进，2005年将此技术应用于水平井的压裂，极大的提高了压裂体积，增强了页岩气开采产量。美国专利US2005/0252656A实现了水平井页岩气开采的水力压裂，此后水力压裂在页岩气开采领域进入快速发展阶段，专利申请量也大幅增加，主要集中在压裂液配置、支撑剂颗粒包裹、防止回流技术、完井工艺、水力压裂相关工具等方面。
在2009-2014年期间，页岩气压裂增产技术取得长足进步，压裂技术发展为两类，，一类是按压裂方式区分，包含分段压裂，同步压裂以及重复压裂。另一类按压裂手段区分，包含清水压裂，超临界 压裂以及水力喷射压裂。
由于传统压裂需要注入大量高黏压裂液，泵入破胶剂，再返排压裂液，这样不仅成本高，而且程序复杂，最重要的是大量的水进入储层后，会造成储层二次伤害，降低储层渗透率，从而降低压裂效果。2011年中国石油大学申请了专利CN102168545A，该专利解决了传统压裂液的弊端。其技术方案是利用CO2，将CO2加温加压至临界点以上时成为超临界CO2流体，在地层温度和压力条件下，使CO2达到超临界状态。超临界CO2流体既不同于气体，也不同于液体，它具有接近于气体的低黏度和高扩散性、接近于液体的高密度以及表面张力为零等特性。将CO2用于油井的喷射压裂，使得超临界CO2喷射破岩具有较高的效率和较低的破岩门限压力，同时其低黏的特性，在压裂过程中将有助于CO2流体流动，容易在储层中产生多而复杂的裂缝。
进行页岩气藏和致密砂岩气藏开采时，采用水平井技术，使用多级压裂完井方式是主要的生产技术。在水平井筒中，沿主流方向，由于边壁不断有流体流入井筒，所以是水平的变质量多相流。多级压裂后各裂缝的导流能力及水平变质量多相流的压降变化规律会影响到水平井的产能。2013年常州大学申请的专利CN103277092A对解决多级压裂导流能力水平井产能的影响提供了思路，该专利发明了水平井压裂完井变质量多相流动模拟实验装置，它是由流体供给设备、主流管道和边壁注入管道、完井段实验管道、岩心夹持器和人造岩心裂缝模型及相关测量仪表、流体处理管汇与设备等组成，能够模拟射孔、割缝衬管等不同完井方式下，水平裂缝、垂直裂缝、裂缝网络及多级压裂后水平井井筒裂缝、井筒多相流耦合流动，从而为设计压裂和完井方案提供依据。
4 结语
页岩气开发产业链主要由上游的勘探和评价技术、中游开采技术以及下游运输、油品净化、生产组成，通过对相关文献调研可知，水力压裂技术作为页岩气开采的中游技术，对提高页岩气开发产业的经济价值具有较大影响，页岩气开采技术的发展应侧重于中游的开采技术的创新。虽然国外发达国家的大型石油公司拥有较多的核心专利技术，但国内的高校以及科研院所在相关技术方面也正迅速发展，我国应采取产学研相结合的方式，充分调动企业、科研单位、大学等各个方面的积极性，集中优势力量，开展产学研的联合攻关，从而加快掌握拥有自主知识产权的核心技术。
参考文献
[1] 胡文瑞,鲍敬伟.探索中国式的页岩气发展之路[J].天然气工业,2013,33(1).
[2] 陈云天，蔡宁生.页岩气开采技术综述分析 [J].节能科技，2013，02：28-31.
[3] 张卫东, 郭敏, 杨延辉. 页岩气钻采技术综述[J]. 中外能源,2010, 15(6):35-40.
[4] 王小军, 丁全军, 忤伟, 曲剑. 薄层水平井地质导向技术在赵平3井的应用[J]. 中外能源, 2010, 15(7):60-64.
论文作者:鲍光明
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/31
标签：页岩论文; 压裂论文; 水力论文; 技术论文; 专利论文; 裂缝论文; 水平论文; 《科学与技术》2019年第05期论文;