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页岩气开发技术研究2

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页岩 开发 技术研究
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页岩气开发技术研究小组成员:张楚萱,何慧玲,章宇富,罗潇磊 王 孔云(组长)时间: 2014、 12、 17地点:华中科技大学 西十二工欲善其事,必先利其器我国位于柴达木盆地的页岩气探井1图为杰瑞集团自主研发制造的成套压裂车组山东杰瑞集团日前宣布,其自主研发的4500马力“阿波罗”涡轮压裂车是目前全球单机最大功率压裂车,我国由此成为继美国、俄罗斯之后,第三个拥有涡轮压裂装备的 国家。中石油川庆钻探公司位于四川威远县的页岩气水平井。随着页岩气钻井技术的发展和压裂技术的突破,我国油气装备产业也获得空前发展。目前,我国油气装备制造企业超过 4000家,钻机设计水平和制造能力跻身世界前列,以 12000米陆地特深井钻机及顶部驱动装置为代表的产品达到了世界先进水平,标准化和系列化钻机可基本满足高压喷射、定向、丛式和水平等先进钻井工艺的需要。目前,国内 87%的大中型钻机、 90%的修井机实现自主制造,部分钻井设备批量出口到世界各地,并应用于美国页岩气开发 。“页岩气的产业化发展过程中,装备和技术国产化是关键。目前国内页岩气装备制造水平与美国、加拿大等页岩气开发较为成功的国家相比还有差距,如果没有技术优势,贸然进入这一市场将面临许多风险 页岩气开发:国产装备担大任 在页岩气开发热潮席卷全球的背景下,我国页岩气装备核心技术不断取得突破。有专家表示,页岩气的勘探开发直接关系到油气装备产业的发展,未来十年将是我国页岩气技术装备跨越发展的黄金十年。 作者:刘海军 来源:中国化工报页岩气开发困难 ——————我国地质环境与美国的不同之处,技术移植困难。 中美页岩气成藏条件、分布特征差异研究与 启示 李 建忠 李登华 董大忠 王社教 【 摘要 】 :美国页岩气大多为 海相热成因型 ,产气页岩主要分布在前陆和克拉通盆地的泥盆 — 石炭系 ,埋藏 深度一般为 1 500~ 3 500 m。我国页岩分为 海相、海陆过渡相与煤系、湖相三类 ,其中海相页岩主要发育在坳拉槽和克拉通盆地的下古生界 ,富有机质集中段分布稳定 ,热成熟度偏高 ,有较高的含气量 ,勘探前景最好 ;海陆过渡相与煤系页岩主要发育在大型坳陷和前陆盆地 ,层系以石炭系 — 侏罗系为主 ,没有明显的富有机质集中段 ,含气量差别较大 ,勘探潜力有待落实 ;湖相页岩主要发育在中、新生代陆相盆地 ,富有机质集中段厚度大 ,成熟度较高的凹陷中心区可能具有一定资源前景。预测我国页岩气勘探将经历较长的探索期 ,未来年产量可达 500亿~ 600亿 【 作者单位 】 : 中国石油勘探开发研究院 ; 2中美页岩气对比 根据页岩气聚集的机理条件和中、美页岩气地质条件的相似性对比结果认为 :中国页岩气 富集地质条件优越 ,具有与美国 大致相同 的页岩气 资源前景及开发潜力 。中国含气页岩具有高有机质丰度、高有机质热演化程度及高后期改造程度等 "三高 "特点 ,页岩气具有海陆相共存、沉积分区控制以及分布多样复杂等特点。以间接型和直接型页岩气划分方法为基础并结合中国区域地质特点 ,将中国的页岩气富集模式划分为 南方型 、北方型 及 西北型 等 3种 ,分别具有以下特点 :① 以扬子地台为核心的南方型页岩气聚集条件有利并以改造较为严重的海相古生界海相页岩聚气为主 ,具有单层厚度大、发育层位多、分布面积广、热演化程度高、后期改造强等特点 ;② 以华北地台为主体的北方型页岩气具有古 —中 —新生界页岩发育齐全、沉积迁移特征明显、薄互层变化频率高、沉积相带分隔明显等特点 ;③ 以塔里木地台为基础的西北型页岩气储层以中 —古生界为主 ,沉积类型多、有机碳丰度高、有机质热演化程度相对较低。结论认为 :中国页岩气 可采资源量 约为 26× 1012致与美国的 28× 1012岩气成藏机理和分布 【 摘要 】 :对页岩气成藏机理进行了全面分析 ,获得了四个方面的认识 。 ① 页岩气成藏机理 兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏特征 ,体现出了复杂的多机理递变特点 。 ② 在页岩气的成藏过程中 ,天然气的赋存方式和成藏类型逐渐改变 ,含气丰度和富集程度逐渐增加 。 ③完整 的页岩气成藏与演化可分为 3个主要的作用过程 ,自身构成了从 吸附聚集 、 膨胀造隙富集 到活塞式推进或臵换式运移的机理序列 。 ④ 相应的成藏条件和成藏机理变化对页岩气的成藏与分布产生了控制和影响作用 ,岩性特征变化和裂缝发育状况对页岩气藏中天然气的赋存特征和分布规律具有控制作用。研究了我国的情况 ,认为我国的许多盆地存在工业性页岩气藏发育的基本地质条件 ,其中 ,吐哈盆地吐鲁番坳陷的水西沟群是 页岩气发育的重要区域之一 。中美页岩气开发环境差异巨大 我国页岩气资源勘探和开发起步晚,国土资源部 2005年才开始前期调研,至今没有对国内页岩气资源潜力和有利区带进行系统评价和技术先导性试验。与美国相比,我国的页岩气开发技术还不成熟,关键性的技术还没有取得真正突破。 我国页岩气开发不能照搬美国模式。因为一是土地拥有权不一样;二是监管框架不一样;三是我国天然气生产、运输、销售还没有实现垂直分离管理;四是页岩气地质条件差异较大,我国 页岩气形成的地质年代晚于美国 。 我国页岩气藏储层与美国的页岩气藏储层相比差异巨大,比如美国的页岩气层埋藏深度多为 200米~ 2000米,而我国四川盆地的页岩气层埋藏深度多为 1500米~4000米;黔、渝、湘等地页岩层厚度 较薄 且常呈现 多层叠合 ,局部可见程度不同的变质;不同地区间页岩气藏也难以对比,井间参照、类比、连层等较为困难。因此,美国的分段压裂技术在我国相关地区的实际应用效果需要进一步探讨。十年内 都将处于起步阶段 美国页岩气产量 2006年只有 280亿立方米 , 2010年是 1360亿立方米 , 预期到2035年产量 3580亿立方米 , 将占美国天然气总产量的 49%, 成为一种重要的天然气资源 。 美国页岩气开发技术历程 , 从 可分为 4个阶段:第一阶段: 1997年以前 —— 直井大型水力压裂;第二阶段: 1997~2002年 —— 直井大型清水压裂为主;第三阶段: 2002~2007年 —— 水平井压裂技术开始试验;第四阶段: 2007年至今 —— 水平井套管完井及分段压裂技术 , 逐渐成为主体技术模式 。 相比之下 , 中国页岩气还处于起步阶段 。 截至 2012 年 4 月 , 我国共确定33 个页岩气有利区 , 页岩气完井 58 口 , 其中水平井 15 口 。 随着页岩气勘探权逐步向民间开放 , 未来十年页岩气开发将有望迎来快速发展的 “ 黄金十年 ” 。 到2015 年末 , 仅页岩气开采阶段设备需求超过 150亿元 , 至 2020 年末相关设备需求则超过 1000 亿元 。 国内 页岩气开采技术在深设备上还存在一定制约 , 从目前开始的十年 , 中国页岩气开采都将处于起步阶段 。国内学者观点: “我国的石油对外依存度达到了 57%,具体到湖南,更是缺油少气。初步估算湖南储量就页岩气资源潜力达 将是我们改善能源消费结构、摆脱能源资源缺乏的最大机遇。建议国家统一组织技术攻关,自主研究与对外合作、技术引进并行,尽快形成页岩气勘探、开发以及装备自主生产制造的技术储备和突破。同时,国家在产业政策上要给予大力支持,鼓励企业参与页岩气开发利用。” —— 全国人大代表、中国石化湖南石油分公司总经理、党委书记 潘桂妹 在 争先恐后 挤进页岩气行业的新企业中,绝大多数的企业在开采页岩气方面经验不足。这一现实情况,使得中国的页岩气开采在获得天然气过程中面临更大的挑战。中标者将不得不购买他们所没有的技术,和诸如斯伦贝谢及哈里伯顿之类的国外专业公司签订会让对方赚取大量利润的合同。中国页岩气大军还有很长一段路要走。 —— 全国政协经济委员会副主任、原工信部部长 李毅中页岩气发展将走向何方 中石化石油勘探开发研究院咨询委员会副主任张抗对油气装备业的发展持乐观态度:“我国非常规油气的发展不缺技术,不缺资源,缺的是体制和动力,这正是限制发展的根本原因。如果上游开放了,整个行业就成了活水。如果这些问题解决了,未来将出现大量的中小型企业良性竞争、蓬勃发展的局面。而这一局面将会为装备制造企业带来巨大的商机,可能将创造出新的历史。”国内新闻 页岩气钻井将有技术标准可依 填补国内空白 2014年 12月 12日 10:14 来源: 湖南日报 作者: 曹娴 李奋强 颜玲 利 湖南日报 12月 11日讯 (记者 曹娴 通讯员 李奋强 颜玲利 )由省煤田地质局牵头编制的 《 湖南省页岩气钻井技术规程 》 近日发布,将于 12月 26日正式颁布实施。这是页岩气勘探开发的首部地方性标准,填补了国内页岩气钻井技术规程的空白,有利于我省页岩气勘探开发的技术创新及科技成果产业化 。 《 规程 》 涵盖了钻井设计、装备、工艺、技术、质量、验收等页岩气钻井作业全过程的程序和要求,融合了油气、煤层气、地勘、地热钻井行业间的技术精髓,适用于我省范围内页岩气勘探开发过程中的钻井工程作业。水平井的具体介绍国外 水平井技术发展 现状国内 水平井技术发展 现状国内不同类型油藏的水平井的应用 评价国内 水平井应用范例3国外水平井技术发展概况 水平井技术于 1928年提出, 40年代付诸实施,就成为一项非常有前途的油气田开发、提高采收率的重要技术。到了 80年代相继在美国、加拿大、法国等国家得到广泛工业化应用,并由此形成一股研究水平井技术、应用水平井技术的高潮。现如今,水平井钻井技术已日趋完善,并以此为基础发展了水平井各项配套技术。目前,国外水平井技术的发展主要有以下两大特点:一、水平井技术由 单个水平井 向整体 井组开发、多底井、多分支水平井 转变;二、应用欠平衡钻井技术,减少钻井液对油层的浸泡和损害,加快机械钻速,简化井下矛盾,使水平井、多底井、多分支井在较简化的完井技术下就可以达到高产 。 美国的水平井技术相对于其它国家发展较早。据美国能源部门统计,在美国,水平井的最大作用是 横穿多个裂缝 (占了水平井总数的 53%),其次是 延迟水锥与气锥的出现 (占总数的33%)。另外使用得最少的是以下 3个方面: 水驱占 9%, 提高原油采收率占 9%和避开目的层上部地表的限制。在美国大约有 90%的水平井是钻在 碳酸盐岩地层内 ,有报告说只有 54%的水平井项目是成功的,而水平井的技术成功率却高达 95%。加拿大的水平井技术应用得也非常活跃,大多数的井都钻在了 其是那里的重油油藏。在重油油藏内,水平井在1%。加拿大的水平井技术相对于美国来说发展地较晚,但发展速度很快,只用 5年时间,加拿大的水平井无论从技术上还是从年完钻井数上都赶上了美国 。90年代初期加拿大、美国水平井完钻井数水平井在国外的应用情况在水平井的数量方面,目前世界上应用水平井技术较多、技术水平较高的是美国和加拿大。90 年代初期,两国的水平井完钻井数几乎呈指数增长。据统计,到 1996 年 6 月 30 日为止,在美国已钻水平井 7800 口,加拿大 4500 口,此时全世界已钻水平井 15000 多口。 1995 年、1996 年全世界共钻水平井 3000 多口,约占当年钻井总数的 5% (图 1 )。到 99 年底,全世界的水平井井数超过了两万口,这其中绝大多 数都属于美国和加拿大两国。 20030016001650180026003000310005001000150020002500300035001988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995年份水平井井数,口水平井钻头 为 提高水平井钻井钻速,延长钻头使用寿命,国外许多公司研制出了耐磨损、抗冲击的各种新型水平井钻头。由于钻头技术的进步,目前国外许多水平井钻井的速度已是几年前的2倍 ~3倍 。 据报道, 长喷嘴、全稳定钻头体的 优异钻速。 休斯公司研制出了增加保径的 牙轮钻头, 克服了钻头在水平井中的径向磨损问题。为提高 公司还研制出了其接头部分和整个长度较短而且具有平滑剖面的水平井 井技术是水平井技术中非常重要的一部分。目前,国外水平井的主要完井方法有以下 五 种; 裸眼完井 、 钻孔完井 /割缝衬管完井、砾石充填筛管完井 、 钻孔 /割缝衬管带管外封隔器完井和套管固井 /射孔完井 。 对于一些特殊的油藏还需使用一些特殊的工具和方法。由于水平井的造斜率不同以及生产层的特性不同,上述几种完井方式并不能随便使用。如低渗油藏的水平井,其自然产能很低,不经压裂得不到较理想的产量。为此对水平井的完井工程提出了要在几百米长同一油层的水平段内,分别选择含油富集的井段,通过压裂改造油层形成多条裂缝渗滤带,提高水平井的生产能力。同时,完井工程还要考虑预留测试通道,以能满足水平井实施生产测试的要求。基于这些要求,对于 低渗油藏的水平井完井 ,一般是先将技术套管从井口下至油层,然后在技术套管上再悬挂较小直径的套管至井底。在下入套管后经固井作业,而后经多段射孔和压裂施工作业,最后大段补孔完成。在投产时需同时下入泵抽管柱和测井管柱,测试管柱下入深度要超过泵抽管柱。井口采油树采用特殊的抽油和测试井口,这样就具备了低渗油藏水平井的生产和测井条件。裸眼 可能造成井眼堵塞甚至造成部分或全部井段的报废b. 生产控制能力差c. 修井困难d. 生产测井困难e. 废弃部分生产井段困难钻孔 /割缝衬管a. 衬管可以起到保护井眼与油层间的通道作用b. 适当选择割缝和筛孔可以控制出砂c. 绕丝可以控制松软地层出砂a. 不可控制生产b. 废弃部分生产井段困难c. 测井困难砾石预充填筛管a. 筛管可以使油层和井眼之间保持畅通b. 可以有效的防止油层出砂c. 可以放大生产压差获得较大产量a. 费用高b. 废弃部分生产井段困难c. 生产测井困难d. 不可控制生产井段钻孔 /割缝衬管带管外封隔器a. 可在裂缝性油层实现层段的隔离b. 可控制水层和气层c. 进行部分准确的生产测井d. 进行部分选择的增产作业a. 密封效果难以检验b. 施工费用高,作业困难c. 生产工具、装备和工艺要求高套管固井 /射孔a. 在任何地层都可以有效地完成封隔b. 在整个生产期间都可以对原生水和气进行封隔c. 可以准确的生产测井d. 进行选择性的增产作业或选择性生产a. 费用高b. 固井质量难以保证易形成顶部窜槽c. 长井段射孔困难,易造成二次污染国外水平井测井技术 进行水平井生产测井必须使 井下仪器才能够 顺利通过造斜段进入水平段,传统 直井测井 的 重力下入法 已不再适用。国外一些公司研究制造了一些用于水平井生产测试的专用设备,井下仪器起下的主要方法有 挺杆泵入法 和 连续油管(挠性管)输送法 。连续油管输送法是将电缆穿入连续油管内,外加动力驱动连续油管的上提和下入,利用连续油管刚柔相济的特点通过造斜段和水平段来实现井下仪器的起下和电信号的传输。由于它操作简便,目前在国外,已广泛的应用于水平井的生产测试中。近年来,国外还研制了一种井内行走工具,可携带较轻的测井仪器在水平井内爬行测井。该工具外部为一钢管,管内装有动力电机和两组滚轮,互成 60° 角排列,由电机驱动滚轮旋转行走。使用时把它接在测井仪器下端, 携带仪器进入水平井段 。国外水平井油层保护技术 油层保护问题是水平井技术中一项非常重要的内容,尤其对于那些生产能力本来就不强的低渗致密油藏,如果油层保护技术不到位,往往会导致整口井的失败。钻井液选择不当,钻井速度过慢,油藏浸泡时间过长都会造成 油层的污 染。目前国外在进行水平井钻井过程中,往往通过选择合适的 钻井液 、 采用连续油管欠平衡钻井 来解决水平井钻井过程中的 污染问题 。 ( 1) 欠平衡钻井技术 欠平衡钻井 ( 被证实是减轻钻井过程中钻井液对地层污染的一种十分有效的办法。在欠平衡钻井过程中,外来流体和固体侵入地层可以降低到最低或完全避免,这就可以降低其对油层的伤害。尽管欠平衡作业费用大约是普通钻井的 它远低于处理污染的费用。欠平衡钻井不仅保证了油井的最大产能,而且它还提供了一种实现井控和解决常规钻井带来的一系列问题的方法。如果一个低压低渗油层位于一个高压低渗油层的下边而被钻开,采用欠平衡钻井技术就可以减少套管的需要量。欠平衡钻井还可以防止压差粘附,减少循环漏失,改善钻井状况,获得较高的钻井速度,提高钻头使用寿命,其钻井速度可以提高到常规钻井速度的两倍。近年来,国外各石油公司往往将欠平衡钻井和挠性连续管柱技术相结合进行水平井钻井工作,并在技术上和经济上都取得了成功。采用挠性连续管柱钻井减少了起下钻的次数,进一步提高了钻井的速度,减轻了地层的损害。在美国和加拿大,很多水平井都是采用挠性连续管柱欠平衡钻井技术完成的。如在加拿大西部阿尔伯塔的 孚加拿大石油钻井公司钻了四口水平井,这些井都是在欠平衡条件下采用挠性连续管柱钻成的。这些井在给定时间段内,钻速达到 60m/h,在另一口井中 5小时钻了 486米。 欠平衡钻井的关键是要产生欠平衡状态 。目前主要有以下几种方法产生负压状态(欠平衡状态): 用常规密度钻井液钻高压地层时,循环系统的压力低于所钻地层的有效孔隙压力,使井底自然处于负压状态,实现边喷边钻。这种方式的不足是,若钻井液选择不当,钻井液与油无法分离,常常增加钻井成本。 可直接采用低密度钻井液(气化的水基或油基钻井液与气雾、泡沫及空气等钻井流体)或向钻井液基液中注入一种或多种不凝气(常用氮气)。另外,目前美国还开发了一种不含气相的低密度钻井液(将空心玻璃珠作为低密度固相添加剂)其流变性及滤失量均能满足要求。在负压钻井的过程中,应根据不同的地质条件、裂缝性质、储层情况、深入研究钻井液与储层的配伍性和钻井液与油、气的分离性能,选择相应的钻井液。对于地层压力系数大于 用普通钻井液即可进行负压钻井;对于 地层压力系数在 用充气钻井液;对于地层压力系数小于 采用 泡沫、空气等流体钻井。 ( 2) 水平井钻井液体系 水平井对钻井液性能的主要要求是:井壁稳定性、岩屑的清除及井眼损坏的控制。钻井液的性能不好将对井眼的稳定性以及井眼的清洁效果产生严重的影响。从这两点出发,要求水平井的钻井液要有良好的抑制特性,如准油基合成钻井液(如酯基和醚基钻井液)、钾含量高的水基钻井液等都具有良好的抑制特性。要改善井眼的清洗情况要从下面 三个 方面着手: 提高钻井液的流速;严格控制钻井液的流变性;控制钻速。目前 国外常用的有以下几种钻井液: 1、 油基钻井液 油水比 8: 2),以利于井眼稳定和清洗以及水平部分的润滑。这些因素可显著减少卡钻事故。泵入钻井液时采用大排量以维持紊流状态,从而优化井眼清洗状况,这样有助于岩屑运移,同时使用油基钻井液降低了钻头泥包趋势,控制了页岩 /粘土的水化,从而提高了 合成钻井液 S Y N - T E Q 是一种人工合成的钻井液,性能良好。 表 1 - 5 S Y N - T E Q 系统合成钻井液化学产品配置表 产品名 描述 使用浓度 I S Q - T E Q 基液、无毒生物降解烯烃异构体 O M N I - T E C 温稳性的阴离子乳化剂 ( 12 ~ 36 ) L / O M N I - M U L 温稳性的高效乳化剂和调湿剂 ( 24 ~ 48 ) L / R B O - G E L 温稳性的高效乳化剂和调湿剂 ( 24 ~ 48 ) L / L - K I M E 碱度调节剂 ( 1. 43 ~ 2. 85 ) O - C O T E 调湿剂和稀释剂 ( 1. 43 ~ 2. 85 ) E - 417 低剪切改进剂 ( 1. 43 ~ 2. 85 ) N I - T R O L 高温高压失水添加剂 ( 14 . 26 ~ 19 . 96 ) m3
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