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页岩气开发技术的几点看法(罗平亚院士)2012053030271985

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页岩 开发 技术 看法 罗平 院士 2012053030271985
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1关于我国发展 页岩气 述页岩气是油气资源中新的矿种 ;它属于 非常规天然气 中的重要组成部份 :非常规天然气定义:通常而言,泛指相对于常规天然气之外,在非传统的储集层、笼型固态沉积物等非常规地质条件下存在的天然气资源。 主要包括致密气、煤层气、页岩气、火成岩气和天然气水合物等。(据 非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探开发方式等方面有别于常规天然气的烃类 (或非烃类 )资源 ,主要指 页岩气、煤层气、致密砂岩气 和天然气水合物 等。重点讨论 页岩气、煤层气、致密砂岩气 . 具有资源丰度低、低孔、低渗、日产量低“ 四低 ”、投产递减快等特征,但是具有资源量大、单井生产寿命长等特点。41、全球非常规天然气资源大世界常规天然气总资源量为 436万亿立方米, 2010年 产天然气约 3万亿立方米 ,储采比保持在 60以上 ;世界非常规天然气总资源量 921万亿方,是常规天然气 2倍多(其中,致密气 层气 岩气 456万亿方),但产量只占 1/7左右;天然气水合物资源量超过 2万万 亿方,是目前化石能源资源总量 2倍以上。其中仅页岩气 456万亿方就大于 常规天然气总资源量 436万亿5致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约 常规气资源量 国非常规油气可采资源中国 非常规天然气资源量大,发展前景广阔种类 资源量 备注非常规气 (万亿方 )致密砂岩气 > 12 主要包括鄂尔多斯和四川盆地煤层气 土资源部新一轮资评, 2006年页岩气 008年火成岩气 > 5 2010年天然气水合物 > 80 主要指南海62、非常规天然气历经百年探索,近年呈现快速发展态势 ,非常规天然气发展世界瞩目1821年,钻第一口页岩气井;1921年,钻第一口致密气井;1951年,钻第一口煤层气井 ;20世纪 80年代,致密气实现规模开发;20世纪 90年代中后期,煤层气快速发展;近年来,页岩气 迅速发展 世界瞩目 。天然气水合物勘探加速 ,各国加强基础研究 970 1980 1990 2000 2010美国非常规天然气发展历程为其典型代表1821 1921第 1口页岩气井第 1口致密气井第 1口煤层气井 致密气页岩气非常规气产量,亿方 /年美国非常规天然气发展历程020004000600080001930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030美国天然气百年发展的历史、现状及趋势常规天然气煤层气致密砂岩气页岩气8非常规天然气美国全球领先,他的发展历程为其典型代表。93、非常规气主要特点类 型 常规气 非常规气成藏特征 多为源外成藏 近源或源内成藏,多自生自储分布特征 局部高度富集 大面积分布,丰度低赋存方式渗流特征游离态,微米级空间渗流致密气以游离态为主、微米级及以下空间渗流,煤层气以吸附态为主、微米级及以下空间渗流,页岩气两种形态并存、纳米级空间渗流;火成岩气以游离态为主、毫米级、微米级、纳米级空间渗流,水合物为固态,纳米级空间渗流储层物性 物性好,一般具自然产 能复杂致密,低压、 (超 )低渗、 (超 )低孔 (隙 )、低丰度 ,一般不具自然产能开采特征 压力驱动开采,单井产量高 需采用专用的系列配套技术才能有效开采 ; 单井产量很低 ,递减快 ,生产周期长经济效益 成本低,回收期短,效 益好 成本高,回收期长,效益差10二、赋存于泥岩或页岩中,具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征,一般无自然产能或低产,需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采,单井生产周期长。基本特征:(一)、基本情况美国四种典型页岩自生自储游离气 +吸附气孔隙度 质渗透率< 1m3/游离相态存在于裂缝、孔隙及其它储集空间 ;吸附状态(20~ 85%)存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面 ; 极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中 页岩埋藏深度低于1000为浅层页岩气藏;埋藏深度在 1000m~4000藏深度超过 4000m,则称为超深层页岩气藏。13岩性 :暗色页岩,层理发育,含有硅质和钙质,较好的矿物成分是 :粘土 较少,方解石较多,硅质多(即 大),最好的泥页岩储层是粘土含量较少的 粉砂质泥岩 ;物性 :致密,孔隙度一般低于 10%,渗透率一般在 构造活跃地区或者上覆地层剥蚀,地层压力下降的情况下 发育裂缝 ,并被钙质或泥质充填。泥页岩储集空间: 无机孔隙、有机孔隙、微裂缝14据 2005年)预测,全球页岩气总资源量 456万亿方 ,相当于常规天然气 要分布在北美、中亚和中国、中东和北非等地区2010年美国页岩气产量高达 1380亿方,较 2008年增长了 80%000万吨 变天然气供给格局美国页岩气开发取得成功后,加拿大、澳大利亚、欧洲各国、中国等国家重视页岩气资源勘探开发,开展大量工作 ,“ 形成热潮”到世界各国广泛重视153、美国作为世界上页岩气资源勘探开发最早的国家,已在北美地区形成成熟的评价方法和勘探开发技术, 实现了页岩气的工业开发 ,从理论和技术上证实了页岩气资源有效开发的可能性 ,因此加快页岩气资源勘探开发,已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同而热切的愿望。16㈡ 、国外成熟的 页岩气勘探开发技术経过近二、三十年艰苦攻关, 美国率先形成页岩气的评价方法和 勘 探开发 系列配套技术 ,而且日趋成熟,实现了页岩气的工业开发。页岩气资源评价 (“甜点 ” 评价 )技术 ;页岩中长段水平井钻完井技术;水平井分段压裂及体积改造技术;钻完井及压裂 “ 工厂化作业 ”171、页岩气资源评价 (―甜点”评价 )技术⑴ 数 :储层厚度 ,埋深 , 温度 ,压力有机碳含量 ,热演化程度 ,总含气量页岩物性页岩力学性质硅质含量 %,方解石 /白云石 %,粘土含量 %裂缝发育程度………18参数 方深 1井 安深 1井 建 111井 河页 1井 元坝 9井 美国厚度 75m 90m 36m 5 >3070045010035% >2%热演化程度 含气量 t t m³/t >4 E=23==54 E==7 E=2727======1=>100Ф>4%硅质含量 % 0 >30方解石 /白云石 % 均 h) 适用范围:套管压裂( 7″) ② 快速可钻式桥塞材料 桥塞送入及座封技术 桥塞与射孔枪分离技术29⑶ 型滑溜水压裂技术▲大液量、大排量、小粒径、低砂比 水平井分多段压裂主要技术参数 水平井段长 1000一般分 8段分 4~ 6簇 排量 10m3/平均砂比 3 每段压裂液量 10000000—22500 每段支撑剂量 2% 滑溜水 +线性胶40/70 支撑剂为主体30⑷ 2口水平井同步压裂技术 ): 促使水力裂缝扩展过程中相互作用相互影响,以产生更复杂的缝网,增加改造体积,更好现实体积改造。31实施方法: 同步压裂 ——2口井 2套车组同时压裂 交叉式压裂 ——2口井, 1套车组、配合射孔等作业,交互施工、逐段压裂应用效果: 提高初始产量和最终采收率 减少作业时间、设备动迁次数,降低施工成本 平均产量比单独压裂可类比井提高 2125.―工厂化”作业 :低成本战略是体积改造实现有效开发的技术关键 ,美国四大页岩气藏 ( 的单井费用构成中, 储层改造和钻井费用两者之和占总费用的80%以上,且各占 1/2。 因此,研究发展储层改造和钻井技术尽可能降低投资是其必要途径,而 .―工厂化”作业是页岩气低成本开发的一个重大而有效的创新 ,而且也是实现水平井钻完井技术和 水平井分段压裂及体积改造技术等 关健技术的需要和保证。33㈢ 国页岩气资源丰富、分布广阔,潜力巨大。加快页岩气资源勘探开发己成为国家能源发展的重要战略目标 ,是支持国民经济发展的重大需求,国内三大石油公司积极调整结构和重点,将页岩气勘探开发列为非常规油气资源的首位。同时也引起国内相关部门及各地方极大的的关注和兴趣。并抱有很大的希望!34同时也引起国内相关部门及各地方极大的的关注和兴趣。并抱有很大的希望!一时间页岩气的开发问题成了全国的热点 :不少人认为 :大规模开发页岩气缓解我国油气供应紧张局面 ,从而改变我国能源结构的大好形势即将到来 !35但总的说来, 我们现在并不具备对我国页岩气进行工业化开采的技术条件:⑴ 外有效技术难以直接应用;⑵ 对页岩气的开发开展和加强基础和基础理论及其应用研究,完成 :加强我国页岩气地质特征研究,摸清页岩气资源家底;加强对于关健技术的攻关研究;尽快建立适合国情的系列配套技术开展好页岩气开发先导试验(产业化示范区)形成适合中国地质条件、环境条件 … 的页岩气勘探、开发系到配套技术37超低渗油气 ,致密气 ,页岩气 ,煤层气有效开发技术应保证对 其 経济 有效开发 :● 提高单井产量和采收率达到具有工业价值 (日产量初产 > ? 万方 /天 ,稳产 >几千方 /天 );● 降低开发综合成本到如此低的单井产量仍有経济效益。8长期以来页岩气因其丰度低、气体在岩体中的运移速度极低,使其单井产量 (初产、稳产 )达不到工业化生产目标,技术复杂、投入大,毫无经济效益 ,现行开发理论认定不能工业化开发的气藏。它的有效开发是新的理念 (论 ),新的思路,新的技术 (原有技术的发展和优化集成 …) 的重大成果。39⑴ 高单井产量达到具有工业价值① 、 单井产量和采收率达不到工业价值的根本原因是气体在页岩中运移速度太低,由于页岩中所含天然气有游离气和吸附气 , 吸附状态存在的甲烷,形成为单井日产量取决于三个过程 (解吸、扩散、渗流)中最慢的一步 , 通常是解吸、扩散最慢 ,成为其主控因素 ,故单井日产量必然很低 。 因此要想获得较高的 单井产量最好还是选择以游离气为主 (占 80%以上 )的页岩为好。40② 、“增加” 页岩中游离态气体的运移速度 :页岩渗透率太低 (在页岩中,气体游离态在其基岩中运移速度远小于在裂缝中的运移速度,裂缝越宽小得越多,但一般页岩的裂缝的宽度和密度都太小。故使得气体在其中的运移速度极低。这样:单位时间内进入井筒形成日产量的气体太少,不可能达到工业化产量, 增加气体运移速度及扩大泄气面积是增加单井产量的两条途径。 目前增加气体在页岩中的运移速度还无法实现。41采用水平井等特殊结构井的 以几十倍、上百倍的增加泄气面积(例如厚度 50平段长1000m,则增大 20倍),但由于页岩的渗透率太低 ( 即使如此还是远远不够。 (仅从泄气面积看与超低渗气藏相比应增大几千倍才能获得工业性气流 )采用长段水平井分(多)段( 10–20段以上)压裂,则其泄气面积增加千倍以上成为可能。但这样只能获得工业化的初产 ,由于页岩的渗透率太低运移速度太小 ,其补充速度赶不上需要 ,无法获得稳定的工业化产量。 (有初产而不能稳产 )42倘若在水平井筒周围地层人工形成一个致密的裂缝网络体系(由较宽的主裂缝,不宽的支干裂缝、窄的支裂缝,更窄的细裂缝、微裂缝、加上页岩自身存在的细微裂缝构成),此网络不仅 大大增大泄气面积 ,而且,由裂缝网络将整个 被改造的岩体“分割成若干小块”。43对于每 “ 一块页岩 ” (包括岩体中心部份的岩块 )其四周各面都在向裂缝泄气 ,则整块页岩周边部份压力成倍下降(与只有一边泄气页岩相比而言 ),大大加快了页岩气藏里的压力向裂缝传递的能力和速度 (即页岩岩块中心气体向周边运移的速度 );同时,大大缩短了页岩基体中的气体移向裂缝的距离:从而 使单位时间内从页岩基体中运移到裂缝的气体的量大幅度增加 ,相当于提高了岩体内气体的 “ 运移 ” 速度44而且被改造岩体的中心部位同样被 “ 分割 ” 成这种岩块 ,使储层 “ 深部 ” 的气体也参与运移到井筒成为日产量的组成部份。既可能保证足够的单井产量,又在短期内大大提高了被改造地层的采收率,从而保证其稳产, 在短期内提高了储层动用体积 。即 :利用长水平井为依托进行多段压裂体积改造 ,既大幅度增加泄气面积又 “ 提高 ” 了岩体内气体的 “ 运移 ” 速度 ,又动用了被改造储层的深部的气体 ,从而有效提高了产量补充速度 ,提高了单井产量 (稳产 )达到工业化要求 ,同时提高了所改造储层的采收率。。45⑵ 水平井分(多)段压裂在井筒周围页岩储层中形成各级裂缝构成的一个致密裂缝网络 (主裂缝周边形成稠密且相互连接的裂缝网络 ) ,从而极大幅度提高储层泄气面积及其压力由内部向裂缝传递速度和大大缩短页岩内部气体移向裂缝的距离以实现提高单井产量和提高采收率目的压裂改造技术。46储层传统压裂改造与压裂体积改造的差别储层压裂改造 压裂体积改造以岩石力学理论为基础,在最小主应力的垂直方向 形成对称的两条裂缝 ,以沟通地层深部(含裂缝)与井筒的 联系 ,同时扩大 泄气面积 ,从而 增加单井产量和提高采收率。以岩石力学 理论为基础,在水平井筒周围地层压裂形成 密集的裂缝网络 ,以增大泄气面积,增大内部气体向裂缝运够速度同时缩短所动用储层内部气体移到裂缝的距离, 从而达到所需的单井产量, 并提高采收率。避免压出多缝,保证单缝形成,以控制缝高、缝长(为主)缝宽为主要目标:以在多个方向上形成多条裂缝构成密集裂缝网络为主。必须加够压裂砂;必须排除压裂干扰压裂中不必全过程加砂 (可采用清水压裂 );要充分利用干扰充分利用地应力与地层岩石破裂规律,形成所需的单缝。充分利用地应力与地层岩石破裂规律, 配合各种专有技术 形成所需的裂缝网络。47推论:① .―甜点”的评价和优选必须加上对“该页岩储层”可否实现体积改造的评价。② 积改造”。③ . 应主要依托长段水平井进行 ;长段水平井是实现体积改造必要的基础。它的设计和形成的井眼以有利于体积改造为目的;48⑶ 裂形成的裂缝缝面极大,则要求更大的造缝液体量。形成有一定密度的主干裂缝及 米级),它们需要加砂保证裂缝的导流能力:形成与支干裂缝相连的密集裂缝网络的细裂缝、微裂缝、细微裂缝,它们尺寸为微米级( 1- 1000μm),不可能,也没必要,加砂填充裂缝。49即毫米级主干裂缝、支干裂缝不太多,是网络的主干道需要加砂保证导流能力;大量分支细小裂缝不可能也不需要加砂保证有几十、几百、几千 即可不加砂压裂来形成细小分支裂缝网络。对于常规压裂而言 ,不加砂压裂是无效的 ,但对于渗透率极低的页岩储层而言 ,即使压裂后压缝闭合 ,其透气能力仍大大的高于压裂前 ,并可能达到改造的要求。50这是 由于岩石中形成的裂缝具一定表面粗糙度 , 闭合后仍能保持一定的缝隙 , 就可以形成对低渗储层来说已经足够的导流能力 。压裂过程中 , 岩石脱落下来的碎屑 (特别是在页岩地层中 ))它们可能形成 “ 自撑 ” 式支撑 。剪切力使裂缝壁面产生剪切滑移 , 在裂缝延伸过程中使已存在的微隙裂开 , 并使断层面及其它弱面张开 。以上作用说明可以和应该用清水压裂 。51即体积改造虽然用大量的液体进行压裂 ,但加沙没必要太多 (只需用在主、支干裂缝中则低沙比即可 ),而且不需要全程加砂 (只需在形成主、支干裂缝的压裂中 )。而形成大量支、细裂缝应采用不加砂的 “ 清水压裂 ” 。储层伤害 ,特别是固相伤害 (如压裂液残渣 )必须严格防止。52清水压裂一般 对 以下条件的地层 有效 (对页岩储层有效 ): 杨氏模量 >104杨氏模量为 103104闭合应力梯度 2 (? )热成熟度( > (? % )厚度 > 15 m(? m)超压系统 (>相沉积有机质)页岩基质中赋存天然气55厚度 >30%热演化程度 含气量 >> 60层压力 >==27>100Ф>4%硅质含量 % >30方解石 /白云石 % 80%); B.页岩气的解吸速度 ,扩散速度 ,在微裂缝中的渗流速度和三者之间的关系以及它们与形成单井日产量之间的关系;产能评价 (能否形成工业性气流 )57C. 页岩进行体积改造 (近井筒空间形成密集网络 )适应(可能)性评价:A).页岩的可压 (裂 )性 及裂缝扩展规律 :评价页岩可压性及裂缝扩展规律的因素主要有两个方面:a)脆性越大,越容易形成网状裂缝 ;而脆性越小,则形成网状裂缝的可能性越小。● 杨氏模量越高,泊松比越小,岩石脆性越大;● 矿物组成硅质、钙质含量增加,脆性增强;● 油藏埋深变浅,脆性增加。b)应力各向异性增大,有利于形成网状裂缝B).天然裂缝状态。天然裂缝越发育, 越容易形成网状裂缝通过对页岩的上述研究,建立起对所研究页岩能否进行体积改造的可行性以及如何改造的条件和要求的评价方法。58:⑵ .在页岩中低成本打成井眼规则的无 (低 )伤害的长段水平井系列配套技术 (在确定的方位 :垂直最大水平主应力方向 ) ① 用水基类泥浆钻井打成 ;用气体钻井打成 ;② 裸眼完井 ,固井尾管完井分段多簇”射孔完井③ 可调控 )的体积改造压裂技术 ;● 较 )低排量、 (较 )低用水量的体积改造压裂技术及压裂液技术。● 致密裂缝网络 )检查、评价技术当以上系列配套技术真正建立起来,我国页岩气工业化开采就有可能实现60① . 岩石力学性质与天然裂缝评价与选择技术:B. 形成网络的压裂设计:根据地应力、埋深、温度、岩石力学性质(矿物组成、天然裂缝状态)形成致密网络压裂的设计C. 利用彼此干扰形成裂缝网络:簇状射孔、多段同时压裂、同步压裂 …… 。变排量变压力 …… ,平行压裂 …… 。;61D. 压裂液转向技术;特殊结构井 )轨迹设计优化技术;即用水平井的方向和分支的水平井的方向来控制压裂裂缝的生成和走向F、地层预处理技术;62⑵ 较 )低排量、 (较 )低用水量 的体积改造压裂技术及压裂液技术。―清水 ” 压裂的初衷是在有效的前题下降低成本 (清水压裂与常规冻胶压裂在相同规模的作业中 , 可节省费用40%~60%) ,降低对特低渗储层的损害 。 但清水带砂能力弱 ,为保证其必要的携带压裂砂的能力 , 必须增加液量 、 提升排量 。 大液量要求大机组 ,大井场 、 大水源 ;带来大量污水对环境的伤害;提升排量又会高摩阻 。 由此广泛应用线性胶滑溜水压裂液来降低摩阻 。 仍然使砂比低 5% , 粒径小50/70目 。63结果:大排量、大水量、低砂比、小粒径,可完成页岩的体积改造,实现页岩气的有效开发。带来大机组、大场地、大水源、大污染的问题。这成为我国页岩气能否有效开发的重大问题。64解决途径:体积改造的优化设计和优化压裂工艺;只有主裂缝 ,支干裂缝才有必要加砂 ,而大量缝网不必加砂 …( 分段加砂 ,分段要求 ,分段设计 ……)形成致密裂缝网络 (可调控 )的体积改造压裂技术 :提高压裂液有效性和利用率 ;无残渣、低摩阻、低用量 (1000)、低成本、符合要求的携带能力的压裂液; 低密度压裂砂 ……… 。目标 :大幅度降低排量、降低水量 …65小 结1、总的说来,我们现在并 不具备 对我国页岩气进行工业化开采的技术条件:2、它的有效开发是在现有开发开采理论技术基础上 新的 理念 (论 ),新的思路,新的技术 (原有技术的发展和优化集成 …) 的重大成果。 必须从基础上作起 ;3、“甜点”分析、评价、优选的系列配套技术 应加上对“该页岩储层”开采可行性评价 :可否实现体积改造的评价和能否低成本下实现单井产量达到工业化要求的评价 (―运移速度”评价 )。4、其有效开发的系列配套技术核心是“体积改造” ,其目的、原理、方法、装备、技术、要求 … 与传统压裂技术有大的不同 ;必须建立 新的技术体系 。665、 应主要依托长段水平井进行 ;在页岩中按有利于 裂缝网络 的形成要求 ,低成本 打成井眼 规则 的无 (低 )伤害的 长段水平井 (含分支井 )系列配套技术是其关健和难点 ;; (低 )伤害 (环保 )的体积改造系列配套技术;必须包括实现低成本的 (较 )低排量、 (较 )低用水量的体积改造压裂技术及压裂液技术 (可能作到 )。67谢 谢!个人看法 ,仅供参考
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