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低渗气藏开发的关键性技术与发展趋势

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低渗气藏 开发 关键性 技术 发展趋势
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    作 者 简 介 :张 宁 生 ,1951 年 生 ,教 授 ,博 士 ,本 刊 第 六 届 编 委 会 委 员 ;主 要 从 事 油 气 层 保 护 技 术 和 含 油 污 水 处 理 方 面 的 研究 。 地 址 : (710065)陕 西 省 西 安 市 电 子 二 路 18 号 。 电 话 : (029) 88382212。 气 藏 开 发 的 关 键 性 技 术 与 发 展 趋 势张 宁 生(西 安 石 油 大 学 )张 宁 生 气 藏 开 发 的 关 键 性 技 术 与 发 展 趋 势 . 天 然 气 工 业 ,2006 ,26 (12) : 要   为 了 经 济 高 效 地 开 发 低 渗 透 气 藏 ,对 液 相 滞 留 、 应 力 敏 感 性 、 水 相 自 吸 入 等 低 渗 气 藏 储 层 的 主 要 伤 害类 型 进 行 了 分 析 ,认 为 目 前 低 渗 气 藏 开 发 的 主 要 关 键 性 技 术 包 括 : ① 低 渗 气 藏 储 层 综 合 表 征 技 术 的 应 用 (气 藏 地 质和 气 藏 工 程 ) ; ② 低 渗 气 藏 钻 井 技 术 (水 平 井 、 大 斜 度 井 技 术 和 气 体 欠 平 衡 钻 井 技 术 ) ; ③ 低 渗 气 层 压 裂 改 造 技 术 。然 后 探 讨 了 低 渗 气 藏 开 发 技 术 的 发 展 趋 势 ,提 出 需 要 加 强 发 展 的 5 个 方 面 :加 强 基 础 理 论 研 究 ;加 强 低 渗 透 储 层 精细 描 述 和 储 层 预 测 ;井 间 动 态 监 测 技 术 ;低 渗 透 气 层 改 造 技 术 ;复 杂 结 构 井 提 高 低 渗 气 藏 采 收 率 技 术 。主 题 词   低 渗 透 气 藏   气 藏 损 害   开 发   技 术   发 展   趋 势我 国 的 低 渗 致 密 砂 岩 气 藏 资 源 十 分 丰 富 ,广 泛分 布 在 鄂 尔 多 斯 盆 地 、 川 西 地 区 、 大 庆 深 层 、 塔 里 木深 层 、 渤 海 湾 地 区 深 层 、 柴 达 木 盆 地 等 地 区 。 同 时 这些 低 渗 致 密 气 藏 已 成 为 我 国 天 然 气 供 应 重 要 的 气 源地 。 但 是 ,低 渗 气 藏 储 层 物 性 差 [1 ] ,储 量 丰 度 低 ,储层 容 易 受 到 伤 害 ,开 发 效 益 相 对 较 差 。 因 此 ,提 高 低渗 透 气 藏 天 然 气 储 量 的 动 用 程 度 ,不 断 的 提 高 开 发技 术 水 平 ,是 低 渗 透 气 藏 高 效 开 发 的 关 键 。 笔 者 从气 藏 的 损 害 类 型 入 手 ,回 顾 了 目 前 低 渗 气 藏 开 发 的主 要 关 键 性 技 术 ,并 探 讨 了 低 渗 气 藏 开 发 技 术 的 发展 趋 势 。一 、 低 渗 气 藏 主 要 损 害 类 型低 渗 气 藏 和 常 规 气 藏 相 比 更 容 易 受 到 液 相 滞留 、 应 力 敏 感 、 水 相 自 吸 入 的 损 害 。1. 液 相 滞 留低 渗 砂 岩 储 集 层 的 液 相 滞 留 是 指 在 各 种 作 业(钻 井 、 完 井 、 修 井 、 措 施 等 ) 过 程 中 侵 入 的 流 体 及 在生 产 过 程 中 因 近 井 地 带 温 度 、 压 力 降 低 由 于 凝 析 作用 产 生 的 液 体 (包 括 油 和 水 ) ,由 于 地 层 能 量 的 不 足不 能 采 出 而 滞 留 在 近 井 地 带 ,使 近 井 地 带 的 气 相 渗透 率 降 低 的 现 象 通 常 称 为 液 相 滞 留 (或 液 相 捕 集 ) ,所 造 成 的 损 害 常 称 为 水 锁 或 液 锁 伤 害 。 D. B. 24 ]对 这 一 现 象 的 产 生 及 影 响 因 素 进 行 了 深 入 的分 析 ,得 到 了 液 相 滞 留 的 损 害 与 气 藏 渗 透 率 和 原 始含 水 饱 和 度 的 关 系 如 式 (1)所 示 。A P 0. 251 + 2. 2 ( - 0. 5 (1)式 中 : A P 液 相 滞 留 指 数 ; 没 校 正 的 平 均地 层 空 气 渗 透 率 ,10 - 3μ 始 液 相 饱 和 度 。研 究 表 明 [ 2 ] ,当 A P 1. 00 时 ,地 层 不 存 在 严重 持 久 的 对 液 相 滞 留 的 敏 感 性 ; 0. 8 ≤ A P 1. 0时 ,地 层 可 能 存 在 对 液 相 滞 留 的 敏 感 性 ; A P 0. 8时 ,地 层 很 可 能 存 在 对 液 相 滞 留 的 严 重 敏 感 性 。 上式 表 明 ,用 以 诊 断 液 相 滞 留 损 害 程 度 的 液 相 滞 留 指数 ( A P 主 要 取 决 于 气 层 渗 透 率 的 大 小 和 原 始 含水 饱 和 度 值 。大 量 的 研 究 表 明 [5216 ] ,液 相 滞 留 或 液 锁 伤 害 是 低渗 气 藏 最 主 要 、 最 严 重 的 伤 害 类 型 ,水 锁 伤 害 率 一 般在 70 %~ 90 % ,尤 其 对 于 低 压 、 低 渗 气 藏 ,如 苏 里 格气 藏 [ 10 ,14 ] 。2. 应 力 敏 感 性应 力 敏 感 性 是 指 有 效 压 力 (或 称 上 覆 岩 石 压 力 )对 微 观 孔 隙 结 构 特 征 的 影 响 ,如 对 孔 隙 度 、 渗 透 率 的影 响 。 有 效 压 力 是 指 上 覆 岩 层 压 力 与 孔 隙 流 体 压 力之 差 。 气 藏 同 油 藏 相 比 更 容 易 压 缩 ,同 时 由 于 低 渗气 藏 孔 喉 细 小 ,当 打 开 气 层 ,气 藏 压 力 降 低 时 ,井 壁表 面 存 在 复 杂 的 应 力 状 态 ,引 起 孔 隙 和 毛 细 管 受 压缩 变 形 甚 至 闭 合 ,必 然 导 致 侵 入 液 体 及 固 体 不 易 排出 。 实 验 研 究 表 明 [17222 ] ,渗 透 率 随 着 有 效 压 力 的 增加 ,降 低 十 分 明 显 ,而 且 气 藏 渗 透 率 越 低 ,影 响 越 严重 。 低 渗 透 气 层 的 应 力 敏 感 性 可 导 致 气 体 在 低 渗 透气 层 中 的 非 线 性 渗 流 ,造 成 含 水 饱 和 度 对 气 体 的 流·83·第 六 届 编 委 会 专 辑                           天   然   气   工   业                                   2006 年 12 月动 能 力 影 响 的 增 加 ,使 气 相 的 渗 透 率 进 一 步 降 低 。低 渗 气 藏 呈 现 以 上 应 力 敏 感 性 规 律 的 主 要 原因 ,一 是 由 于 岩 石 中 孔 隙 、 喉 道 受 净 压 力 作 用 收 缩 变形 。 低 渗 气 藏 开 发 前 地 层 压 力 和 地 层 上 覆 压 力 处 于平 衡 状 态 ,储 层 具 有 一 定 的 孔 隙 度 和 一 定 的 渗 透 率 。气 藏 投 产 后 ,随 着 地 层 流 体 的 采 出 ,地 层 孔 隙 压 力 逐渐 降 低 ,在 孔 隙 壁 表 面 层 岩 石 压 缩 应 力 的 作 用 下 ,岩石 颗 粒 之 间 的 胶 结 物 ,会 产 生 一 定 的 塑 性 变 形 。 在有 效 压 力 的 作 用 下 ,喉 道 壁 表 面 层 岩 石 在 拉 伸 压 力的 作 用 下 ,表 面 层 岩 石 颗 粒 间 的 胶 结 物 极 易 变 形 ,尤其 是 泥 质 会 含 较 高 的 岩 石 。 这 种 变 形 ,使 岩 石 变 的更 加 疏 松 ,颗 粒 间 的 结 构 更 不 稳 定 。 在 应 力 增 加 的情 况 下 产 生 较 大 的 变 形 ,使 喉 道 直 径 急 剧 减 小 ,甚 至完 全 闭 合 ,表 现 为 渗 透 率 下 降 。 二 是 因 为 岩 石 存 在微 裂 缝 ,这 些 微 裂 缝 在 一 定 的 净 压 力 下 易 于 闭 合 ,闭合 后 的 微 裂 缝 在 卸 压 过 程 不 易 恢 复 张 开 ,宏 观 表 现为 岩 样 压 力 滞 后 效 应 ,即 气 藏 岩 石 由 应 力 敏 感 引 起的 损 害 不 会 因 应 力 消 失 而 完 全 恢 复 。3. 水 相 自 吸 入由 于 低 渗 气 藏 的 强 亲 水 性 及 孔 喉 细 小 ,水 相 的自 吸 入 现 象 非 常 明 显 ,文 献 [ 3 ,23 ]研 究 表 明 ,水 相 仅仅 在 毛 细 管 力 的 作 用 下 ,即 可 从 井 底 自 动 侵 入 到 油藏 深 部 ,明 显 提 高 了 近 井 地 带 的 含 水 饱 和 度 。 对 长庆 苏 里 格 气 田 [24 ]的 研 究 表 明 ,低 渗 岩 心 自 吸 水 饱 和度 一 般 在 70 %~ 90 %范 围 。 因 此 侵 入 的 水 相 只 要 与低 渗 气 藏 接 触 ,就 可 使 近 井 地 带 的 含 水 饱 和 度 增 加 ,接 触 时 间 越 长 ,水 相 自 吸 侵 入 越 深 [ 9 ] ,伤 害 越 严 重 。二 、 低 渗 气 藏 开 发 的 关 键 性 技 术1. 低 渗 气 藏 储 层 综 合 表 征 技 术目 前 已 发 现 的 一 些 低 渗 透 气 藏 ,具 有 岩 性 气 藏的 特 点 ,即 气 藏 连 片 性 差 ,非 均 质 性 强 ,如 长 庆 气 区上 古 气 藏 。 因 此 储 层 综 合 表 征 技 术 的 应 用 对 评 价 和开 发 好 这 类 低 渗 储 层 具 有 重 要 的 作 用 。 如 长 庆 气 区上 古 生 界 气 藏 在 开 发 前 期 评 价 以 及 规 模 建 产 过 程中 : ① 开 展 了 大 量 的 沟 槽 分 布 、 气 水 分 布 、 储 集 层 连通 性 以 及 高 产 富 集 规 律 等 的 地 质 综 合 研 究 ,加 强 了复 杂 地 质 特 征 的 认 识 ; ② 开 展 多 学 科 静 态 、 动 态 研 究联 合 攻 关 ,从 控 制 储 集 层 发 育 程 度 和 渗 流 特 征 的 因素 入 手 ,通 过 古 构 造 、 岩 溶 古 地 貌 、 小 幅 度 构 造 和 裂缝 分 布 规 律 研 究 ,结 合 沉 积 成 岩 微 相 研 究 成 果 ,从 成藏 和 储 渗 角 度 对 天 然 气 富 集 条 件 进 行 分 析 ,划 分 布井 有 利 区 ; ③ 针 对 上 古 生 界 砂 岩 气 藏 特 征 ,开 展 沉 积微 相 及 砂 体 展 布 规 律 、 储 集 层 微 观 结 构 特 征 及 其 参数 场 分 布 、 气 层 分 类 评 价 等 研 究 ,综 合 分 析 储 集 层 发育 的 主 控 因 素 ,为 优 选 布 井 有 利 区 奠 定 基 础 。气 藏 工 程 方 面 :通 过 气 井 生 产 动 态 特 征 和 压 力系 统 分 析 开 展 井 间 连 通 性 研 究 ,判 断 储 集 层 的 连 通性 ,从 而 划 分 出 连 通 性 良 好 区 域 。在 地 质 、 气 藏 工 程 综 合 研 究 划 分 出 的 有 利 区 的基 础 上 ,利 用 先 进 的 地 震 软 件 对 有 利 区 内 地 震 资 料进 行 精 细 处 理 、 解 释 ,进 一 步 优 选 开 发 井 位 ,初 步 形成 了 储 集 层 地 震 预 测 、 岩 溶 古 地 貌 恢 复 小 幅 度 构 造预 测 、 储 集 层 微 观 特 征 、 砂 体 描 述 、 储 集 层 连 通 性 分析 等 技 术 。2. 低 渗 气 藏 钻 井 技 术(1) 水 平 井 、 大 斜 度 井 技 术近 几 年 ,塔 里 木 、 大 庆 、 胜 利 、 中 原 、 冀 东 、 辽 河 、吐 哈 、 西 南 、 新 疆 上 门 等 油 田 在 不 断 开 发 和 总 结 欠 平衡 钻 井 技 术 、 水 平 井 钻 井 技 术 大 位 移 定 向 井 技 术 特殊 结 构 井 钻 井 技 术 和 油 气 层 保 护 技 术 的 基 础 上 ,继续 加 强 这 些 技 术 的 推 广 应 用 ,在 油 气 钻 探 、 降 低 开 发成 木 及 提 高 油 气 产 量 方 面 起 到 了 很 好 的 作 用 。水 平 井 泄 流 范 围 大 ,在 单 位 压 差 下 比 直 井 具 有较 高 的 产 能 ,因 此 ,国 外 广 泛 应 用 水 平 井 开 发 低 渗 透气 藏 。 中 国 目 前 也 进 行 了 试 验 性 开 发 ,例 如 四 川 盆地 西 部 德 阳 地 区 新 场 气 田 ,其 产 层 属 于 致 密 砂 岩 储集 层 ,1998 年 第 一 口 水 平 井 , 获 得 成 功 ,其 产量 约 为 直 井 的 3 倍 。(2) 气 体 欠 平 衡 钻 井 技 术低 渗 透 气 藏 开 发 实 践 表 明 ,气 井 施 工 造 成 的 气层 伤 害 是 气 藏 低 产 的 重 要 原 因 ,加 强 低 渗 储 集 层 保护 至 关 重 要 。 如 欠 平 衡 钻 井 是 降 低 地 层 伤 害 的 一 种有 效 手 段 ,然 而 在 钻 进 低 渗 透 气 层 时 ,却 可 能 加 大 近井 壁 带 地 层 的 伤 害 程 度 。 这 是 因 为 ,原 始 和 束 缚 水饱 和 度 两 者 之 间 差 别 很 大 ,在 常 规 设 计 的 平 衡 钻 进中 ,由 于 应 用 了 合 适 的 架 桥 粒 子 和 降 滤 失 剂 ,可 以 在地 层 表 面 形 成 渗 透 率 近 于 零 的 滤 饼 ,以 阻 止 自 吸 入的 发 生 ;而 在 欠 平 衡 钻 进 过 程 中 ,由 于 井 内 液 柱 压 力低 于 地 层 压 力 ,没 有 形 成 致 密 滤 饼 的 动 力 ,相 当 于 在井 眼 与 地 层 相 接 处 气 、 水 直 接 接 触 ,这 样 就 会 发 生 入井 流 体 连 续 地 自 吸 入 地 层 ,导 致 气 层 伤 害 ;当 欠 平 衡压 力 消 失 时 ,这 种 敏 感 才 会 减 弱 ;另 外 ,在 欠 平 衡 作业 中 ,不 相 溶 流 体 及 其 悬 浮 钻 屑 侵 入 近 井 带 地 层 并造 成 地 层 伤 害 的 可 能 性 有 可 能 降 低 ,但 因 没 有 滤 饼充 当 防 止 伤 害 和 固 体 颗 粒 侵 入 地 层 深 部 的 屏 障 ,而使 地 层 丧 失 保 护 能 力 ,结 果 使 得 欠 平 衡 状 态 经 常 遭到 破 坏 。 入 井 伤 害 性 流 体 及 其 中 的 固 体 颗 粒 会 非 常·93·第 26 卷 第 12 期                                 天   然   气   工   业                           第 六 届 编 委 会 专 辑迅 速 地 侵 入 地 层 ,由 此 造 成 的 地 层 伤 害 可 能 更 严 重 。这 些 因 素 应 予 以 考 虑 。 “ 十 五 ” 以 来 ,科 技 攻 关 的 持续 开 展 和 不 断 深 入 ,使 气 体 欠 平 衡 钻 井 技 术 取 得 突破 进 展 。 如 长 庆 油 田 2000~ 2003 年 完 成 了 4 口 气体 欠 平 衡 钻 井 ,循 环 介 质 从 天 然 气 到 空 气 、 泡 沫 ,并在 小 井 眼 钻 井 中 进 行 了 成 功 试 验 [23 ,24 ] ,表 明 气 体 欠平 衡 钻 井 能 够 较 大 幅 度 提 高 钻 井 速 度 。3. 低 渗 气 层 压 裂 改 造 技 术低 渗 透 气 藏 由 于 自 然 产 能 低 ,为 了 提 高 单 井 产能 ,一 般 必 须 对 储 集 层 进 行 压 裂 改 造 。 目 前 低 渗 气层 的 压 裂 工 艺 方 面 已 形 成 了 相 应 的 配 套 技 术 系 列 ,尤 其 是 大 型 压 裂 、 水 平 井 水 力 喷 射 分 段 压 裂 、 二 氧 化碳 压 裂 技 术 等 在 低 渗 透 气 藏 开 采 方 面 取 得 了 突 破 性进 展 。 例 如 在 四 川 盆 地 八 角 场 气 田 实 施 的 大 型 压 裂大 幅 度 提 高 了 中 一 井 产 量 。 长 庆 靖 安 油 田 靖 平 1 井国 内 首 例 水 平 井 水 力 分 段 压 裂 试 验 获 得 成 功 。 针 对长 庆 上 古 生 界 低 渗 低 压 砂 岩 储 层 特 点 ,为 降 低 低 压气 层 的 伤 害 ,改 善 压 裂 增 产 效 果 ,长 庆 油 田 公 司 开 展了 裂 工 艺 的 系 统 研 究 和 现 场 试 验 。 先 后 在 榆林 、 苏 里 格 、 靖 边 等 气 田 的 天 然 气 井 上 共 实 施 21 口井 ,气 层 深 度 3000~ 3500 m ,最 大 单 井 加 砂 量 47. 8 平 均 砂 比 达 29. 5 %。 沫 质 量 为 25 %~64 % ; 裂 在 多 数 井 取 得 了 明 显 的 增 产 效 果 ;且逐 渐 形 成 了 裂 工 艺 体 系 [25 ] 。 目 前 主 要 在 低伤 害 压 裂 液 的 开 发 [26 ,27 ] 和 利 用 氮 气 、 二 氧 化 氮 气 体提 高 压 裂 后 液 体 返 排 率 上 进 行 了 较 多 的 工 作 [28 ,29 ] 。三 、 低 渗 气 藏 开 发 的 发 展 趋 势目 前 已 探 明 低 渗 透 气 藏 储 量 主 要 分 布 在 长 庆 气区 、 川 西 等 地 区 ,储 量 丰 富 。 但 是 ,由 于 低 渗 透 气 藏具 有 低 丰 度 、 低 渗 透 率 、 低 产 量 、 单 井 原 始 产 量 小 、 开发 难 度 大 的 特 点 ,为 了 经 济 高 效 开 发 低 渗 透 气 藏 ,需要 加 强 发 展 以 下 几 个 方 面 [9 ,30 ] 。1. 加 强 基 础 理 论 研 究低 渗 透 气 藏 所 具 有 的 不 同 于 中 高 气 藏 的 特 点 ,需 加 强 基 础 理 论 研 究 包 括 :气 藏 损 害 机 理 研 究 、 近 井带 气 藏 渗 流 特 征 与 渗 流 机 理 研 究 、 具 有 启 动 压 力 的渗 流 特 征 及 其 数 学 描 述 等 。2. 低 渗 透 储 层 精 细 描 述 技 术低 渗 透 储 层 精 细 描 述 和 储 层 预 测 ,进 一 步 研 究气 藏 砂 体 展 布 和 含 气 富 集 带 ,包 括 透 镜 体 砂 岩 大 小 、形 状 、 方 向 和 分 布 的 确 定 ,储 层 物 性 在 空 间 分 布 的 定量 描 述 ,低 渗 、 特 低 渗 岩 心 物 性 测 定 技 术 ,从 而 进 行低 渗 透 气 藏 相 对 高 渗 富 集 区 优 选 ,提 高 单 井 控 制 储量 ,科 学 合 理 布 井 。3. 井 间 动 态 监 测 技 术通 过 生 产 测 井 和 压 力 监 测 等 手 段 ,提 高 未 动 用层 和 较 低 动 用 程 度 层 的 储 量 动 用 程 度 。4. 低 渗 透 气 层 改 造 技 术进 一 步 开 展 压 前 储 层 评 价 ,使 储 层 描 述 向 精 度发 展 ;加 强 对 天 然 裂 缝 、 岩 石 力 学 、 油 气 层 保 护 、 就 地应 力 测 试 的 研 究 ;发 展 清 洁 压 裂 液 、 泡 沫 压 裂 液 等 低伤 害 压 裂 液 体 系 ,提 高 压 裂 液 的 效 率 ,加 强 压 裂 液 的快 速 返 排 技 术 的 研 究 ;在 总 体 压 裂 的 基 础 上 ,采 用 水平 井 与 水 力 压 裂 相 结 合 的 方 法 ,继 续 进 行 水 平 井 与水 力 压 裂 配 套 技 术 的 攻 关 研 究 ;加 强 全 三 维 裂 缝 模拟 、 裂 缝 实 时 监 测 分 析 与 控 制 等 技 术 的 研 究 。5. 复 杂 结 构 井 提 高 低 渗 气 藏 采 收 率 技 术多 分 支 井 等 复 杂 结 构 井 在 开 采 低 渗 气 藏 时 有 其独 特 的 优 势 。 应 加 强 储 层 流 体 渗 流 机 理 与 理 论 研究 ,以 及 复 杂 结 构 井 提 高 低 渗 气 藏 采 收 率 配 套 技 术研 究 。四 、 结   论(1)液 相 滞 留 、 应 力 敏 感 性 、 水 相 自 吸 入 损 害 是低 渗 透 气 层 损 害 的 主 要 损 害 类 型 。(2)低 渗 透 气 层 开 发 技 术 主 要 是 认 识 储 层 的 综合 表 征 技 术 、 提 高 单 井 产 量 的 水 平 井 、 大 斜 度 井 技术 、 气 体 欠 平 衡 钻 井 与 气 层 保 护 技 术 和 气 层 有 效 改造 的 压 裂 技 术 。(3)要 使 低 渗 透 气 藏 经 济 高 效 开 发 ,还 需 要 加 强基 础 理 论 研 究 、 加 强 对 储 层 精 细 描 述 技 术 、 井 间 动 态监 测 技 术 、 低 渗 透 气 层 改 造 技 术 的 研 究 与 攻 关 。(4) 可 以 预 计 , 包 括 多 分 支 井 在 内 的 复 杂 结 构井 在 提 高 低 渗 气 藏 采 收 率 将 会 有 好 的 效 果 , 应 加 强这 方 面 技 术 的 研 究 与 实 践 。参   考   文   献[1 ] 贺 承 祖 ,华 明 琪 . 低 渗 砂 岩 气 藏 的 孔 隙 结 构 与 物 性 特 征[J ]. 新 疆 石 油 地 质 ,2006 ,26 (3) :2802283.[2 ] B ,et in ]. 5269 , 46 4217 ,1995.[3 ] B , B , R D ,J ]. 2842 , at 000 4·第 六 届 编 委 会 专 辑                           天   然   气   工   业                                   2006 年 12 月325 000.[ 4 ] B , T B , to J ]. 0324 ,at 00012215 000.[5 ] B , B ,. ]. 0325 ,at 00012215 2000.[6 ] D , R , B. in J ]. at U. 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