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页岩气新技术

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页岩 新技术
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页岩气开采技术与中国页岩气发展前景一、页岩气的特点页岩气(狭义指产于页岩中的天然气。但在实际应用中已扩展到高碳质泥页岩、粉砂质泥岩、硅质泥岩等。正因为此,也有人称之为泥岩气 。因而页岩气可以理解为致密细碎屑岩中所含有并可采出的天然气。与其相关的是页岩油,则是指在此类泥质岩(主要是裂缝)中所含的原油。从石油地质传统概念看,它属于“生储盖组合”中在生烃层中保存的天然气。正因为它赋存于特定的地层中而不受“圈闭”的控制,因而有人把它归属于“连续性气藏”。显然,页岩气是一种非常规天然气储藏(或储集体)。页岩气是从页岩层中开采出来的天然气,主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气,它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态(大约50%)存在于裂缝、孔隙及其它储集空间,以吸附状态(大约50%)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。天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中。天然气生成之后,在源岩层内的就近聚集,表现为典型的原地成藏模式,与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同,页岩既是天然气生成的源岩,也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此,有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。页岩气发育具有广泛的地质意义,存在于几乎所有的盆地中,只是由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大分别具有不同的工业价值。中国传统意义上的泥页岩裂隙气、泥页岩油气藏、泥岩裂缝油气藏、裂缝性油气藏等大致与此相当,但其中没有考虑吸附作用机理也不考虑其中天然气的原生属性,并在主体上理解为聚集于泥页岩裂缝中的游离相油气。因此属于不完整意义上的页岩气。因此,中国的泥页岩裂缝性油气藏概念与美国现今的页岩气内涵并不完全相同,分别在烃类的物质内容、储存相态、来源特点及成分组成等方面存在较大差异。页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点—— 大部分产气页岩分布范围广、厚度大,且普遍含气,使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低,开采难度较大。随着世界能源消费的不断攀升,包括页岩气在内的非常规能源越来越受到重视。美国和加拿大等国已实现页岩气商业性开发。 页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征,气流的阻力比常规天然气大,所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来.  另一方面,页岩气采收率比常规天然气低,常规天然气采收率在60%以上,而页岩气仅为5%~60%。低产影响着人们对它的热衷,美国已经有一些先进技术可以提高页岩气井的产量。中国页岩气藏的储层与美国相比有所差异,如四川盆地的页岩气层埋深要比美国的大,美国的页岩气层深度在800~2600米,而四川盆地的页岩气层埋深在2000~3500米。页岩气层深度的增加无疑在我们本不成熟的技术上又增添了难度。二、页岩气开采技术美国将页岩气田开发周期划分为5个阶段:资源评估阶段,即对页岩及其储层潜力做出评估;勘探启动阶段,开始钻探试验井,测试压裂并预测产量;早期开采阶段,开始快速开发,建立相应标准;成熟开采阶段,进行生产数据对比,确定气藏模型,形成开发数据库;产量递减阶段,为了减缓产量递减速度,通常需要实施再增产措施,如重复压裂、人工举升等。整体看这5个阶段,开发页岩气所采用的技术与常规天然气开发技术有所区别。震勘探技术包括三维地震技术和井中地震技术。三维地震技术有助于准确认识复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带,以提高探井或开发井成功率。由于泥页岩地层与上下围岩的地震传播速度不同,结合录井、测井等资料,可识别解释泥页岩,进行构造描述。应用高分辨率三维地震可以依据反射特征的差异识别预测裂缝,裂缝预测技术对井位优化起到关键作用。井中地震技术是在地面地震技术基础上向“高分辨率、高信噪比、高保真”发展的一种地球物理手段,在油气勘探开发中,可将钻井、测井和地震技术很好地结合起来,成为有机联系钻、测井资料和地面地震资料对储层进行综合解释的有效途径。该项技术能有效监测压裂效果,为压裂工艺提供部署优化技术支撑,这是页岩气勘探开发的必要手段。井技术自从美国 1821 年完钻世界上第一口页岩气井以来,页岩气钻井先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、丛式水平井的发展历程。2002 年以前,直井是美国开发页岩气的主要钻井方式。随着 2002 年 源公司 7 口 岩气实验水平井取得巨大成功,水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式。丛式水平井可降低成本、节约时间,在页岩气开发中的应用正逐步增多。国外在页岩气水平井钻/完井中主要采用的相关技术有:①旋转导向技术,用于地层引导和地层评价,确保目标区内钻井;②随钻测井技术和随钻测量技术,用于水平井精确定位、地层评价,引导中靶地质目标;③控压或欠平衡钻井技术,用于防漏、提高钻速和储层保护,采用空气作循环介质在页岩中钻进;④泡沫固井技术,用于解决低压易漏长封固水平段固井质量不佳的难题;⑤有机和无机盐复合防膨技术,确保了井壁的稳定性。井技术现有测井评价识别技术可用于含气页岩储层的测井识别、总有机碳(量和热成熟度(标计算、页岩孔隙及裂缝参数评价、页岩储集层含气饱和度估算、页岩渗透性评价、页岩岩矿组成测定、页岩岩石力学参数计算。水平井随钻测井系统可在水平井整个井筒长度范围内进行自然伽马、电阻率、成像测井和井筒地层倾角分析,能够实时监控关键钻井参数、进行控制和定位,可以将井数据和地震数据进行对比,避开已知有井漏问题和断层的区域。及时提供构造信息、地层信息、力学特性信息,将天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较,用于优化完井作业、帮助作业者确定射孔和气井增产的最佳目标。岩含气量录井和现场测试技术页岩孔隙度低,以裂缝和微孔隙为主,绝大多数页岩气以游离态、吸附态存在。游离态页岩气在取心钻进过程中逸散进入井筒,主要是测定岩心的吸附气含量。录井过程中需要在现场做页岩层气含量测定、页岩解吸及吸附等重要资料的录取。这些资料对评价页岩层的资源量具有重要意义。针对页岩气钻井对录井的影响,可以通过改进录井设备、方法和措施,达到取全、取准录井资料的目的。井技术页岩气固井水泥浆主要有泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H级水泥等4种类型。其中火山灰+H 级水泥成本最低,泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥成本相当,高于其他两种水泥,是火山灰+H 级水泥成本的 。固井水泥浆配方和工艺措施处理不当,会对页岩气储层造成污染,增加压裂难度,直接影响后期采气效果。井技术国外一些公司认为,页岩气井的钻井并不困难,难在完井。主要是由于页岩气大部分以吸附态赋存于页岩中,而其储层渗透率低,既要通过完井技术提高其渗透率,又要避免其地层损害,这是施工的关键,直接关系到页岩气的采收率。页岩气井的完井方式主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井等。完井方式的选择关系到工程复杂程度、成本及后期压裂作业的效果,适合的完井方式能有效简化工程复杂程度、降低成本,为后期压裂完井创造有利条件。层改造技术页岩气储层改造技术包括水力压裂和酸化,可以通过常规油管或连续油管进行施工。国外在新井、老井再次增产或二次完井中经常采用连续油管进行施工作业,可用于分支水平井。压裂增产措施有多种,包括氮气泡沫压裂、凝胶压裂、多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂、重复压裂等。多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂是目前页岩气水力压裂常用的技术。级压裂多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术,有 2 种方式,一是滑套封隔器分段压裂,二是可钻式桥塞分段压裂。美国页岩气生产井 85%采用水平井和多级压裂技术结合的方式开采,增产效果显著。水压裂清水压裂是清水加少量减阻剂、稳定剂、表面活性剂等添加剂作为压裂液,又叫做减阻水压裂(实验表明,添加了支撑剂的清水压裂效果明显提高,并且成本低、地层伤害小。步压裂同步压裂是对2口或更多的配对井(行同时压裂,最初是 2 口互相接近且深度大致相同的水平井间的同时压裂,目前已发展成 3 口井,甚至 4 口井同时压裂。此技术是采用使压裂液和支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法,来增加水力压裂裂缝网络的密度和表面积,利用井间连通的优势来增大工作区裂缝的程度和强度,最大限度地连通天然裂缝。同步压裂对页岩气井短期内增产非常明显,而且对工作区环境影响小,完井速度快,节省压裂成本。力喷射压裂水力喷射压裂是集水力射孔、压裂、隔离一体化的技术,有多种工艺,如水力喷射辅助压裂、水力喷射环空压裂、水力喷射酸化压裂等。此技术优点是不受水平井完井方式的限制,可在裸眼和各种完井结构的水平井实现压裂,不使用密封元件而维持较低的井筒压力,迅速准确地压开多条裂缝,解决了裸眼完井水力压裂常见的储层天然裂缝发育时裸露井壁表面会使大量流体损失,影响压裂效果的难题。缺点是受到压裂井深和加砂规模的限制。复压裂重复压裂是在页岩气井初始压裂处理已经无效或者原有支撑剂因时间关系损坏或质量下降,导致产气量大幅下降的情况下,对气井重新压裂的增产工艺,能在页岩气藏重建储层到井眼的线性流,产生导流能力更高的支撑裂缝,恢复或增加产能。据统计,重复压裂能够以(元/104 的储量成本增加页岩气产量,可使页岩气井估计最𝑚3终采收率提高 8%~10%,可采储量增加 60%。三、我国页岩气开发现状2005 年~2010 年,国土资源部油气资源战略研究中心从在川渝鄂、苏浙皖及中国部分北方地区共 40×104 范围内开展调查、勘查示范研究,我国正式开始页岩气这一新型能目实施的第一口地质资料井已于 2009 年 11 月初在重庆市彭水县开钻。中国石油、中国石化、中国海洋石油已经施工7口页岩气探井并压裂,利用老井复查若干口,浅井 20 余口,正在施工的水平井 2 口。页岩气勘查工作在四川威远、湖北等地取得了良好的勘查效果,已有4口探井获得了工业气流。中国石油 2007 年 10 月与美国新田石油公司签署了《威远地区页岩气联合研究》协议,研究内容是四川威远地区页岩气资源勘探开发前景综合评价,这是中国页岩气开发对外合作签署的第一个协议;还与美国沃思堡盆地页岩气生产中最有实力的 司签约联合研究。另一方面,中国石油正着手研究从中国已进行和正进行的油气勘探中取得的页岩气第一手资料。中国石油在吐哈盆地侏罗系实施了油气兼探,以新的手段专门获得页岩吸附气、游离气含量的资料,认识含油气盆地的测井和地震响应。特别值得一提的是,在四川宜宾实施了 1 口页岩气专探井,设计 200m的井深取芯 154m,进行多项目大量的测试分析,该井已于 2008 年 11 月完钻。此外,为了促进该项工作,2009 年 12 月,中国石油西南油气田公司成功开钻我国第一口页岩气井—威 201 井。2010 年 9 月,威 201 井获气。2011年 1 月,西南油气田公司又开钻了国内第一口页岩气水平井威 201,目前该井已完钻。此外,西南油气田公司还同壳牌公司开展了页岩气合作,对富顺―永川区块页岩气进行联合评价。中国石化中原油田于 2010 年 5 月成功实施大型压裂改造的页岩气井“方深 1 井”顺利进入排液施工阶段。这口气井的压裂施工成功,标志着中国石化页岩气勘探开发工作迈出了实质性的重要一步。四、中国页岩气发展前景4.1 对中国页岩气潜力进行了初步评价页岩气在非常规气中异军突起引起了中国油气界的密切关注,对照世界其他地区的研究成果,认为中国的页岩气亦有巨大潜力。这个潜力首先表现在已知含油气盆地内已发现大量的高含有机碳的页岩。作为生烃层已对其空问展布、有机碳含量等积累了大量资料,而且对曾钻达这些页岩的钻井进行复查发现了一批有意义的显示和工业性气流。在中国南方海相层系中,有页岩气潜力的地层有上震旦统、下寒武统、上奥陶纪、下志留统、下二叠统、上二叠统和下三叠统。在已有的古地理研究和石油钻井中获得的烃源岩资料基础上分别圈定了页岩气勘探的有利地区。复查以石油和常规天然气为目标的钻井,发现在页岩气的有利层位和地区可见钻井液漏失、相对密度下降、气测异常升高、气侵或后效气侵、槽面升高、井涌甚至井喷现象。以四川阳高寺气田、威远气田钻井中气涌现象为多见。其中1981年钻的阳63井在3505~3518米井深的黑色页岩段射孔并经过土酸处理后获得3 500立方米/日的气流。李新景等 以采用上述美国%)计,估算其下古生界海相页岩平均资源量可达3.0~3.5亿立方 平方千米。在中新生界陆相地层页岩内已发现多处页岩油藏。如渤海湾盆地沙河街组在东濮凹陷的文300井,沾化凹陷的罗19井、新义深9井,松辽盆地古龙凹陷白垩系青山组哈16井、英12井,四川盆地川西坳陷中侏罗纪的孝泉110井等。天然气的储存条件比石油更宽松,也更有希望在类似条件下发现页岩气藏。4.2 中国石油已着手实施专探页岩气的科探井中国石油的页岩气研究有两点值得特别重视。一是加强与国外有页岩气开发经验公司的联合研究。如2007年10月中国石油与美国新田石油公司签署了《威远地区页岩气联合研究》协议;还与美国沃思堡盆地页岩气生产中最有实力的一方面,中国石油正着手研究从中国已进行和正进行的油气勘探中取得的页岩气第一手资料。中国石油在吐哈盆地侏罗系实施了油气兼探,以新的手段专门获得页岩吸附气、游离气含量的资料,认识含油气盆地的测井和地震响应。特别值得一提的是,在四川宜宾实施了1口页岩气专探井,设计200米的井深取芯154米,进行多项目大量的测试分析,该井已于2008年11月完钻。此外,为了促进该项工作,中国石油2008年7月在长春召开了“页岩气储层开采技术研讨会”。由国土资源部油气资源战略研究中心组织的“全国油气资源战略选区调查与评价国家专项”第-~国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选”项目,由中国石油勘探开发研究院和中国地质大学(北京)联合承担。项目于2009年开始,拟在2013年全部完成。值得注意的是项目的研究不仅限于有厚层沉积覆盖的已知含油气盆地,还包括一些页岩出露的地区,这正是考虑到页岩气的赋存可以相当浅,不需要严格意义的“盖层”这一特点。项目的重点研究区除四川、松辽等盆地,还包括了中下扬子的古生界、中生界海相页岩出露区。中国石化也已开始了对页岩气的专题研究。国应加大政策扶持力度促进页岩气快速发展众所周知,美国对天然气生产一直给予相当大的优惠以扶植其发展,而对于非常规天然气的政策优惠则更多。2国在《能源意外获利法》中规定了对非常规能源开发的税收补贴。对起步较晚的页岩气更加大了扶持力度,除享受与煤层气类似的优惠外,某些州(如得克萨斯州)对页岩气的开发不收生产税。在美国专设的非常规油气资源研究基金中页岩气也具有相当高的地位。显然,适应国情的有力的政策扶持是美国页岩气得以异军突起快速发展的重要因素。为了促进我国页岩气的起步和发展,政府也必须采取有针对性的鼓励政策。为此笔者建议:①组织对各国在页岩气发展中给予的优惠政策进行专题调研,特别注意在对一般非常规气(包括煤层气)之石油资源争夺的国际竞争从来也没有停止过。而且随着全球经济的持续发展,油气资源日显紧缺,这种争夺更呈现愈演愈烈的态势。作为一个资源缺乏的大国,要保证我国的生存和持续发展,就必须拥有长期、安全、多元化的石油供应基地和供应路线。为此,我们应积极介入加拿大油砂的开发和运输管线建设项目。1)从探明资源储量看,加拿大油砂储量充足。在中东、里海和俄罗斯等油气大国的大型油气田出现资源下降的时候,加拿大油砂无疑是一个新的补充。油砂资源巨大而储量稳定,勘探开发的风险低。2)从投资环境看,加拿大政治稳定,能源工业高度发达,石油政策透明度高,法律和市场体系也比较完善,投资环境稳定,这是俄罗斯和非洲等产油国所不能比拟的。并且,政府还为油砂投资提供了税收优惠,对中国企业进入持欢迎态度。3)从技术发展看,油砂生产技术正在不断改进,不仅使可采油砂资源量增加,也使油砂生产成本不断下降,价格会越来越让市场接受,有较好的市场前景。4)从运输成本看,运距上,加拿大西海岸到中国宁波要比中东到中国宁波的运距近约1 000海里,比西非到中国宁波的运距更要短4000海里左右。一旦西向出海口管线建成,即使综合考虑管输费用,今后加拿大合成原油在运输成本上会有一定的竞争力。5)从发展机遇看,经过这一轮经济紧缩之后,全球经济无疑会步人一个新的上行周期,对石油的需求增长一定会导致石油价格的新一轮上涨。在目前全球经济低迷时期,一些油砂开发项目正在遭遇经济困难,但我们应该着眼未来,利用眼前的大好时机,扩大和加强与加拿大石油工业建立稳定长期的合作关系,使加拿大石油资源成为我国石油新的主要来源国。
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