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(3---)页岩气勘探开发的发展与新技术探讨

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页岩 勘探 开发 发展 新技术 探讨
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收稿日期 : 2011 -01 -22基金项目 : 国家 “十一五 ”863 重大项目 “气体钻井技术与装备 ”( 2006资助 。作者简介 : 肖洲 ( 1981 - ) , 助理工程师 , 硕士 ; 毕业于西南石油大学 , 现就职于川庆钻探工程公司钻采研究院空气钻井公司 , 主要从事气体钻井技术研究及现场技术服务 。地址 : ( 618300) 四川广汉市中山大道南二段 , 电话 : ( 0838) 5152533, E - , 邓 虎 , 侯 伟 , 张 林 , 王 林( 中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院空气钻井公司 )肖 洲等 . 页岩气勘探开发的发展与新技术探讨 . 钻采工艺 , 2011, 34( 4) : 18 -20摘 要 : 调研了国内外页岩气开发现状 , 美国页岩气产量已占到了全美天然气产量的 12%, 而我国页岩气储量丰富 , 但开发才刚刚起步 。总结 、探讨了页岩气开发的关键技术 , 包括地质储量评估技术 、射孔优化技术 、压裂增产技术 、水平井增产技术 、超临界 欠平衡钻井开发页岩气等新技术 。针对水压裂增产技术易伤害储层 、经济成本高等问题 , 探讨了超临界 该技术喷射破岩效率高 、门限压力低 , 能有效减少井下复杂问题的出现 , 提高钻井速度 , 缩短建井周期 ; 不含固相颗粒 , 不会堵塞孔隙吼道 , 不会导致储层中粘土膨胀 , 从根本上避免了水锁效应 、岩石润湿性反转等危害的发生 , 钻井过程中 , 有效保护储层不受损害 , 提高油气井单井产量和采收率 。针对页岩气井上部井漏 、钻速慢的问题 , 提出了采用气体钻井 、充气钻井等欠平衡钻井技术来提速治漏 , 以加快页岩气井开发进程 , 并开展了现场试验 , 取得了良好的效果 。关键词 : 页岩气 ; 压裂技术 ; 水平井技术 ; 超临界 充气钻井中图分类号 : 22 文献标识码 : A 10.3969/j. 006 -768X.2011.04.006页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中 , 以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集 。在页岩气藏中 , 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 , 为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果 , 表现为典型的 “原地 ”成藏模式 , 或游离于基质孔隙和裂缝中 , 或吸附于有机质和黏土矿物表面 , 在一定质条件下聚集成藏并达到经济开采价值[ 1]。一 、页岩气开发国内外现状1. 国外现状美国页岩气开采最早可追溯到 1821 年 , 20 世纪 20 年代开始现代化工业生产 , 70 年代中期步入规模化发展阶段 , 70 年代末期年产约 19.6 ×108980 年 , 为了摸清页岩气的分布规律及发现新的页岩气田并进行资源潜力评价 , 美国开始对页岩气进行全面系统研究[ 2, 3], 进入 20 世纪 90 年代 , 特别是 2000 年以来 , 相关勘探开发技术得到广泛应用 , 年产量和经济 、技术可采储量迅速攀升 。2002年 、2004 年页岩气产量分别占天然气总产量的 3%和 4%; 根据美国地质勘探局数据 , 地中部 页岩气技术可采储量由 1990 年的3.9 ×1010005 年 1.1 ×1012页岩气产量从 1998 年的 9. 7 ×109007 年的 3. 12×1011增长了 30 倍 。至 2006 年 , 美国有页岩气井 40 000 余口 , 年生产页岩气 3. 11 × 1010占天然气总产量的 6%。参与页岩气开发的石油企业从2005 年的 23 家发展到 2007 年的 64 家 。预计页岩气产量占天然气总产量的比例将从 2007 年的 12%上升到 2013 年的 35%, 到 2030 年这一比例将上升到 55%。页岩气勘探开发已成为美国天然气勘探开发的重要领域 。美国页岩气勘探开发正由东北部地区盆地向中西部盆地及以及圣胡安丹佛 ( 、富特沃斯 、阿纳达科 ( 岩 ) 等盆地扩展 。此外加拿大等北美部分国家已开始了页岩气的勘探开发 , 并取得了一定效益[ 4 ~7]。2. 国内现状我国页岩气勘探开发才起步 , 在国家能源勘探战略上 , 国土资源部高度关注页岩气资源开发利用 。2004 年 , 国土资源部油气资源战略研究中心 、中国地质大学 ( 北京 ) 即开始了页岩气资源的研究工作 。经过比对湖南 、四川等 8 省市成矿条件后 , 认为重庆市渝南 、东南地区广为分布下寒武 、下志留 、中二叠三套地层 , 不少地方有形成大规模页岩气的可·81·钻 采 工 艺 7 月011能 。其中重庆綦江 、万盛 、南川 、武隆 、彭水 、酉阳 、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带 ,因此被确定为首批实地勘查工作目标区 。四川盆地华蓉山以西的下寒武统筇竹寺组和以东的下志留统龙马西组厚层页岩发育去 , 其页岩具有干酪根生烃 、成岩作用以及构造应力产生裂缝的条件 , 是未来页岩气资源的勘探方向 。中国主要盆地和地区页岩气资源量约为 26 ×1012与美国 28. 3 ×1012 经济价值巨大 。我国的地质因素给页岩气的形成与富集创造了得天独厚的条件 。连续式富集页岩气藏往往分布在盆地内厚度较大 、分布广的页岩烃源岩地层中 , 与常规油气藏有着密切的成因关系 。我国陆相沉积盆地较多 , 海象陆相沉积都比较发育 ,且油气资源丰富 , 良好的地质因素为页岩气的富集创造了非常有利的条件[ 8 ~10]。2009 年末 , 随着中国石油与壳牌公司的合作开发项目―富顺 - 永川区块页岩气项目在成都启动 ,标志着中国首个页岩气合作开发项目正式进入实施阶段 。二 、页岩气开发技术探讨较常规天然气相比 , 页岩气开发有以下几个特点 : 一是采收率变化较大 ( 5% ~60%) , 钻井的产气量相对较低 。二是生产周期长 , 页岩气田开采寿命一般可达 30 ~ 50 年 , 甚至更长 。三是页岩气在成藏 、开采机理上与煤层气具有相似性 , 页岩在地层层序上 , 多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层 。页岩气在页岩中除极少量的溶解状态天然气以外 , 大部分均以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面 , 或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中 , 吸附状态天然气的含量变化于 20% ~ 85% 之间 。页岩气介于煤层吸附气 ( 吸附气含量在 85% 以上 ) 和常规圈闭气( 吸附气含量通常忽略为零 ) 之间 。页岩气藏因其储层物性差 、孔隙度和渗透率低 , 使其开采难度大 ,需要应用特殊的勘探开发技术 。1. 地质储量评估技术页岩气产量是否可以长期保持经济产量开采主要取决于原始天然气地质储量 、完井质量及基岩渗透率这三个因素[ 11]。其中天然气地质储量通常是远景区经济评价的关键参数 , 其重要性高于基岩渗透率和完井质量 。评价手段有取心评价 , 斯伦贝谢旗下的 司开发的专门分析低渗透率 、低孔隙度地层岩样的技术 , 这种被称为致密岩石分析( 的专有热解技术可以对含气页岩岩样提供综合评价 。2. 射孔优化技术大量页岩气井开发实践证明 , 定向射孔应遵循的原则是 , 在射孔过程中 , 主要射开低应力区 、高孔隙度区 、石英富集区和富干酪根区 。采用大孔径射孔可以有效减少井筒附近流通阻力 。3. 压裂增产技术目前页岩气开发主要靠压裂技术增产 , 包括氮气压裂技术 、泡沫压裂技术 、凝胶压裂技术 , 二次压裂技术 、多段压裂技术 、清水压裂技术和近期出现的同步压裂技术 。压裂过程要注意避免采用高黏度胶体压裂液 , 压裂过程中的高初始压力可能导致对井筒附近的伤害 , 避免水泥 、钻井液引入裂缝 , 适当的酸化可以减少伤害 , 微地震可以检测出没有被压裂改造的区域 。业界对开发页岩气资源的一个重要担心 , 是碳氢化合物或化学品可能流入到提供饮用水的蓄水层 。但在大多数情况下 , 含气层和含水层的垂直距离很大 , 页岩气水力压裂法污染饮用水的可能性不大 。虽然水力压裂法用水量大 , 但与其他能源生产过程相比 , 水的消耗要少得多 。1 524 ~3 048m 之间的高压页岩中泵入低黏度水基减阻流体和支撑剂进行增产处理 ; 在深度较浅或油气藏压力较低的页岩中 , 则泵入氮泡沫压裂液[ 12 ~15]。4. 水平井增产技术在开发初期 , 可以先选择较浅 ( 深度 2 000 m 左右 ) 的页岩储层钻直井进行试验 , 了解目的层特性 ,获得钻井 、压裂和投产经验 , 获取一定数据资料和施工经验后再向深井 ( 深度 3 000 ~4 000 m) 和水平井发展 。先期水平井压裂试验应在单支水平井中进行 , 积累一定成功经验后再试验同步压裂等技术 。岩实际钻井经验表明 , 从水平井中获得的估计最终采收率大约是直井的三倍 , 而费用只相当于直井的两倍[ 8]。5. 超临界 对储层伤害大降低了页岩气经济开采价值 , 减少了页岩气经济技术可采储量 。中国石油大学沈忠厚教授提出了超临界 超临界流体既不同于气体也不同于液体 , 具有许多独特物理化学性质 :密度接近于液 , 能够为井下马达提供足够扭矩 、溶剂化能力强 ; 黏度接近于气 , 易流动 、摩阻系数低 ; 扩大系数大于液 , 传热 、传质性能良好 ; 表面张力接近于零 , 可进入到任何大于超临界流体分子的空间 。超临界 超临界门限压力低 , 可采用连续油管超临界 减少井下复杂问题的出·91·第 34 卷 第 4 期4 钻 采 工 艺 提高钻井速度 , 缩短建井周期 , 减少钻井费用 ; 超临界 不会堵塞孔隙喉道 ; 超临界 也不含液相 , 不会导致储层中黏土膨胀 , 从根本上避免了水锁效应 、岩石润湿性反转等危害的发生 , 钻井过程中 , 有效保护储层不受损害 ; 超临界 高效驱替甲烷 , 高效置换甲烷 , 可有效提高油气井单井产量和采收率 。6. 欠平衡钻井技术辅助开发页岩气国内目前正在试验开发的长宁 、威远页岩气区块 , 上部钻井液钻井过程中大部分井出现了机械钻速慢 、恶性井漏等问题 , 以至于下部施工困难 , 如宁201 井等 , 采用充气钻井技术后 , 顺利钻达固井井深 , 成功解决了本井因恶性井漏导致下部钻井实施困难的问题 , 保证了下部工程得以顺利实施 , 减少了因井漏造成的处理复杂时间 , 缩短了钻井周期 , 节约了钻井成本 , 经济效益明显 。采用欠平衡钻井技术提速治漏 , 可以加快页岩气工程的开发进程 。三 、结论与建议( 1) 通过国内外文献跟踪 、调研可知 , 国外页岩气开发正处于发展阶段 , 美国进入页岩气开发的快速发展阶段 , 我国储量大 , 分布广 , 四川盆地 、鄂尔多斯盆地在国内具备较好的页岩气勘探开发条件 , 但我国页岩气的开发才刚刚起步 。( 2) 目前页岩气的开发主要集中在压裂增产技术及水平井增产技术 , 可能导致地下饮用水层污染及储层伤害 。水平井增产技术的推广应用加速了页岩气的开发进程 , 使其具有更大的储层泄流面积 , 更高的天然气产量 。( 3) 超临界 门限压力低 , 减少井下复杂问题的出现 , 提高钻井速度 , 缩短建井周期 , 减少钻井费用 ; 不含固相颗粒 , 不会堵塞孔隙喉道 , 不是液相 、也不含液相 , 不会导致储层中黏土膨胀 , 从根本上避免了水锁效应 、岩石润湿性反转等危害的发生 , 钻井过程中 , 有效保护储层不受损害 , 提高油气井单井产量和采收率 。( 4) 对于页岩气井上部钻速慢 、井漏等问题 , 建议推广实施气体钻井 、充气钻井以提速治漏 , 加快页岩气工程的开发进程 。( 5) 我国页岩气开发技术才刚刚起步 , 需要克服的困难还很多 , 必须由浅入深 , 在实践中不断丰富和完善 。参考文献[ 1] 张金川 , 金之钧 , 袁明生 . 页岩气成藏机理和分布 [ J] .天然气工业 , 2004, 24( 7) : 15 -18.[ 2] 潘仁芳 , 黄晓松 . 页岩气及国内勘探前景展望 [ J] . 中国石油勘探 , 2009( 3) : 1 -5.[ 3] 李新景 , 胡素云 , 程克明 . 北美裂缝性页岩气勘探开发的启示 [ J] . 石油勘探与开发 , 2007, 34( 4) : 392 ~400.[ 4] 黄玉珍 , 黄金亮 , 葛春梅 . 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键 [ J] . 天然气工业 , 2009, 29( 5) : 7 ~10.[ 5] 张林晔 , 李政 , 朱日房 , 等 . 济阳坳陷古近系存在页岩气资源的可能性 [ J] . 天然气工业 , 2008, 28( 12) : 26 -29.[ 6] A. of C] . 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