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页岩气藏开发的专项技术90186039

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页岩 开发 专项 技术 90186039
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24 国外油田工程第25卷第1期(2009.1) 页岩气藏开发的专项技术 摘要 随着世界油气价格的上涨,对低 渗透页岩气藏的开发价值越来越突出。由于 这是一种非常规的气藏,从页岩中采气就存 在技术上的难题。讨论了用于此类气藏的压 裂增产技术和用于致密地层天然气开发的流 体。介绍了页岩这种低渗透性气藏的特征和 开发此类气藏的一些关键技术。就开发页岩 气藏的流体处理、多油层气藏、毛细压力、 地层损害、生命周期的各个阶段、前景评 估、测井数据要求、如何提高开采量等专项 技术进行了阐述。最终得出结论,应用于低 渗透性非常规气藏的专项技术使在得克萨斯 州中北部浅。 关键词 页岩气藏 微乳状液表面处理 剂 被动式微地震压裂监测 最终采气量 表面改性剂 酸溶水泥 1 页岩 从页岩中采气有技术上的难题,页岩有超低的 渗透性,其脆性也不相同。多层页岩储层的特征和 流动机理极不相同。在水力压裂方案里,地层一般 都有很高的毛细压力,处理液有可能损害页岩 地层。 各个油气藏特征的多层页岩储层,要求有专业 评估、钻井技术,以及“邻井”的地质、地震和开 采对比来确定最优的压裂目标层。 在页岩地层确定适当的裂缝充填是产生大面 积、高产的裂缝网络的关键。测井系统采用一种创 新的方法,此方法结合所选岩石的力学性质、地质 力学、总的有机物含量和孔隙度来帮助确定页岩地 层内最好的裂缝起始位置。微震方法也提供了压裂 增产期间关于多次压裂深度和宽度的宝贵信息。 由于页岩超低的渗透性,要想从页岩储层成功 获得经济的采收率,这取决于通过水平或垂直钻井 和压裂或两者同时使用来使地层最大化的裸露 编译:张言(中油长城钻探工程公司物探公司) 审校:郭振山(中油长城钻探工程公司钻井一公司) 能力。 经济的旋转导向钻井组合、大功率的压裂设备 和多用途的压裂充填技术可最大、最优地裸露 储层。 必须通过钻井和压裂产生尽可能大的压裂面来 调合复杂的储层脆性,进而使天然气运移最大化。 新设计包括提高全套压裂系统的功率,使用高 速泵,及安全性、空间利用、作业效率和实时自动 化,以便最终提高采气量。 多层储层特征和超低的地层渗透性要求沿井眼 有最优位置的精确压裂,这可大大提高开采效果。 使用如下方法可有效压裂多重产层: ◇使用配有水力喷射技术的挠性软管或管 形物l ◇将动态转换技术用于垂直充填或者水平 充填; ◇结合完井的机械井下组合(以强化套和膨胀 的弹性封隔器为特征)压裂多个产层,而不必用桥 塞来封隔要处理的井段。这些精确的技术为作业者 在一次钻机安装中压裂多个产层提供了有效的 方法。 张言:页岩气藏开发的专项技术 25 1.1流体处理 在渗透性很有限的页岩层,无伤害、增强负荷 采收率的压裂液是最基本的。专业化学药剂产生的 最有效的裂缝与保护地层现存的天然气的渗透性相 结合,可大大促进页岩开采的成功。这些压裂液的 组分包括: ◇专用降阻剂:能减小由长链式的聚合物引起 的潜在的压裂面损害,但不降低摩擦压力; ◇微乳状液表面处理剂:有助于降低毛细压 力,释放吸人的处理水,提高气渗透性,替换水堵 处理中的甲醇; ◇压裂清洗增强剂和传导率增强剂:可加速裂 缝清洗和处理液的回流。 总之,这些组分形成了一种增效的流体处理方 法,促使从原始渗透率超低的地层开采天然气。 1.2 多层储层 多层储层大范围地展示了储层的特性,这需要 进行评价、模拟和监测。 一个特定的页岩模拟和分析系统对地层的力学 特性、有机碳的总含量、页岩成熟度、镜质体反射 率、气含量(以游离和吸附气的含量进 行评价。专业的页岩测井分析、油藏模拟、开采史 拟合、注入测试分析、微震和油田的全面特征为新 油井和新油田的开发决策提供信息。 被动式微地震压裂监测(用包括: 水力压裂处理期间压裂范围的图示、断层图示、跟 踪水或气的前缘。基于项最近研 发的结合测井和微地震科学的井眼地震技术可在裂 缝产生时对其进行监测。 测井方法提供了: ◇用于预压裂垂直应力剖面模拟的偶极声波; ◇用于井眼地震模拟的速度剖面。 在压裂处理期间,光纤监测提供了全井段的温 度剖面。随时间比较和分析温度剖面,可直接表明 井内各处的注水分配情况。根据实时信息可立即对 处理进行优化,作业后的跟踪有助于未来的优化。 1.3毛细压力 页岩通常有很高的毛细压力。一种独特的微乳 状液表面处理剂能控制水力压裂期间处理液所引起 的压裂面损害,可释放圈闭水,增加低压、致密底 层的开采量;还可降低因相圈闭引起的压裂面损 害,增强液态烃的流动性(包括凝析液);有助于 压裂后的渗透率恢复,增大负荷采收率,通过替换 甲醇改善环境和安全运行。 1.4地层损害 一种新型的减阻剂有助于降低来自长链式聚合 物对压裂面的损害。在页岩地层可使用最大的功 率,而不是将其浪费到流体通过的机械系统上。因 为这种降阻剂不包含酚,它改善了环保质量,与常 规减阻剂相比絮凝较少。 降黏剂通过降低流体黏度,有助于使水压裂处 理的效果最大化,改善负荷采收率,使减阻剂聚合 物的损害最低,防止聚合物吸附到压裂面上,从而 提高开采量。 1.5生命周期的各个阶段 遵循项目开发的五个阶段,仔细选择适合项目 每个阶段的技术,页岩的天然气开采能够更成功: (1)储层评价:评价页岩和储层的潜在产量。 (2)启动勘探:钻试验井、勘查压裂设计和开 采量预测。 (3)早期开发(大量生产):优化设计,开发 数据库和标准。 (4)成熟开发阶段(收获储量):在现金流动 循环周期内,拟合产量曲线,调整储层模型,对数 据库进行影像处理。 (5)下降阶段(维护和修井):识别修井对象, 再次评价和启用举升机制和波及方法。 1.6测井数据要求 可应用射线、 电阻率、中子和密度孔隙度。应用声波测井获取岩 石的力学性质。下人电磁映像(具获取天 然的和诱导裂缝的方向,随后分析以识别无硫点和 引发裂缝的位置。脉冲伽马能谱(井可通 过精确测量大范围不同性能下的含油饱和度和井眼 状况来提高采收率。这将增加对储层的了解,有益于将来井的规划。 2 提高开采量 在页岩中进行商业开采主要取决于天然气含 量、天然储量和岩石的供油能力。增产措施的主要 目的是使用最便宜的材料,让岩石的体积和表面积 最大程度地接触和暴露,实际上是利用水马力和注 入水对页岩进行开采。这种水力开采能把毫微达西 级的页岩井转变成商业天然气生产井。 重新应用增产措施可将开采储量提高50 ~ 100 。沿垂直或水平井眼,通过选择性处理、封 隔、再处理未压裂的区域来实现垂直井和水平井的 完井。应当根据特定页岩的矿物成分设计压裂液和 26 国外油田工程第25卷第1期(2009.1) 反应性液体。 2.1 直井压裂 目前的直井压裂设计特征如下: ◇4或5处射孔位置,长度0.61~1.22 ◇5孔/6O。定相; ◇每个射:fL: 0.159 1,或者每个起始位置的泵速是20 泵入的体积约2 500 18 I /m),供给400 lb/ lb/88 kg/m)的 支撑剂。 在生命周期的早期阶段,通常钻垂直井,有助 于作业者掌握储层特征。利用从钻井、压裂和开采 垂直井获得的经验,可以有效地规划和实施更复杂 的生命周期的第三、四阶段。 2.2水平井压裂和完井 目前的水平井压裂设计一般包括: ◇2~8段/水平井眼 ◇2~4压裂开始位置/段 ◇0.61~1.22 置,6 7L/0。 定相 ◇每个压裂点2O~30 个射孔点2 ,、—4 体积平均1 800 平井完井有如下三种类型: ◇用组合塞下套管、固井、多阶段分离压 裂段; ◇各个阶段对射孔产层使用挠性油管或扣连接 的油管供水或喷砂; ◇机械井下组合。 聚能射孔和多级完井消除了射孑。这项作业靠挠性油管或扣连接油管下到第一段 的破裂位置;射孔和通道由于在高压下通过油管泵 注受到侵蚀,使用砂或水作为切割气流。在喷射位 置产生裂缝并开始蔓延。因为喷射速度在喷射出口 处产生一个压力降,所以不需要封隔器。此压力降 把液体从环空推人裂缝。 作为一种新的替代方案,井下钻具组合 (完井封隔器下人到水平页岩井中来固井 和射孔。这些系统也可作为生产套管的一部分,提 供机械封隔和可选择的注入位置,这些注入位置能 够打开,在某种情况下可手动关闭。 新型多级酸化压裂工具正应用于裸眼和下套管 完井,它们带有液压坐封封隔器和滑阀,可通过泵 人球或扣连接油管、挠性油管上的机械转换装置来 打开。 水压裂产生一种复杂的窄孔径的裂缝网络,这 或者是因扩散的剪切破坏诱发的,或者是因页岩里 原生的初期裂缝或薄弱平面的膨胀而产生的。裂缝 的宽度必须是支撑剂最大颗粒直径的1.5倍,这可 对诱生的裂缝提供辅助支撑。 因为基岩的渗透性一般都超低(0.000 1~ 0.00l 2×10 m ),除了近井眼 处,裂缝的传导性一般不会很高,通过裂缝网络 2O~50 mD/阻剂、表面 改性剂(微乳状液、反絮凝剂和可反应流 体的应用对水力压裂起到重要作用。沉降最少,控制微粒的产生,增强裂缝的传导 性。微乳状添加剂有助于消除水负荷,提高压裂液 的回收率,采收率和估算的最终储量( 显上升。 加入含减阻剂的反絮凝剂是为了防止减阻剂同 地层微粒和液态烃相互作用的负面影响。常规的减 阻剂必定会在已形成的裂缝体系内产生损害性的、 油泥一样的物质,封堵窄孔径的裂缝。 2.3可与页岩反应的流体 通常,组成页岩地层的主要成分黏土、粉砂和 有机物在酸内几乎不表现本体溶解性,所以认为页 岩不与低而,页 岩单元高度分层,包含酸溶的矿物质均匀地混合在 页岩的本体基岩和原生裂缝里。页岩样品的电子显微放大图片都显示:在页岩的 开采段里,有各种各样大量分布的可溶性物质。 通过解吸附作用开采的天然气量直接同裸露的 表面积有关,与页岩反应的流体或许会增加新生成 的水力压裂裂缝的表面积。水力压裂产生的天然气 开采量源于解吸附作用和微孔隙度或裂缝的扩散作 用。与页岩反应的流体或许有助于消除在大块页岩 里(及矿物充填的裂缝里)的酸溶矿物质,因此加 强了天然气进入裂缝网络的扩散作用。 在页岩压裂方面使用可反应的流体是一种相对 新的理念,发展于对页岩的岩性里包含、分布着含 量较低的与酸反应的矿物质的观测。在与弱酸反应 的体系实验中,当通过水压裂吸人了20 000~ 200 000 ,发生了未预料到的压力降。 初始产量比反应性流体没有参与处理前翻了 一番。 张言:页岩气藏开发的专项技术 27 2.4页岩井固井 在页岩气层的成功压裂增产过程中,在页岩井 水平段的周边创建一个适当的水泥环是一个关键因 素。在俄克拉荷马州产实践中,使用泡沫水泥固井比用常规水泥浆固 井所获得的天然气峰值(产量)平均多23 。 常规的水泥固井没有提供充分的油层封隔,压 裂液沿水平段套管流动,使目的层接收的压裂液和 支撑剂的体积量比设计的体积量小。 在水力压裂期间,泡沫水泥相对低的抗压强度 不会增加水泥环里裂缝产生和扩大的风险。 在沫 水泥的持久性已得到多次证实,泡沫水泥比常规水 泥更能承受高的套管内压力和高的流体静压力; 两个因素可解释此性能: ◇泡沫水泥的机械性能容许它比常规水泥承受 更大的井眼压力; ◇泡沫水泥的黏性有助于防止裂缝在水泥环里 扩展,确保连续的油层封隔。 2.5 酸溶水泥 对限流压裂而言,由酸溶水泥(行油 层封隔。 因为常规水泥在酸里的溶解性低,所以射孔压 裂可能很难,有可能抑制裂缝产生,在压裂和开采 期间,会引起过大的弯曲度。成功的水平限流压裂 要求:所有的射孔都是开着的,能同地层连通,设 计的射孔摩阻控制流体沿井眼分布。 由常规水泥产生的弯曲度引起的堵塞射:眼 和井壁周围的摩阻会大大改变流体的分布,降低压 裂的效果。常规的抗压强度高的水泥(一般酸溶性 低于5 )不可能被完全消除,以使每个射孔都开 着并同地层连通。 酸溶性水泥可用于油层封隔,而不会妨碍压裂 和开采。这种水泥在酸基压裂液里溶解速度很快, 并且溶解度很高(>9O )。泥的物理性能十分相似。可专门配制适当的密度、失水、自由水、抗压强度和泵入时 间,满足特殊井的要求。如果需要更低密度的水泥 浆,别适用于 限流水平井。高溶解性可在紧邻射孑大片的连通区域,同时还可沿井眼提供极好的油 层封隔。另外,在开采期间同常规水泥相关的表皮 效应、井壁周围地区的传导性的降低和射孔堵塞问 题都可以解决。 资料来源于美国《007年12月24日 (收稿日期2008—04—19) (上接第19页) 为均质应力环境。侧钻井多点瞬时关井压力反映出 破裂梯度变化较大,从趾部到跟部,瞬时关井压力 的大小变化趋势不一致。 ◇成像测井不仅成功地用于预测水平应力各向 异性,也可通过选择性射孑止无效造缝。 ◇射孔弹束必须合理定位,以减少应力盲区的 影响。通过减少每段弹束的数量,使应力干涉最小 化,从而降低不合理裂缝延伸的可能性。每段弹束 的数量减少至1或2,增加每口井的压裂段数从 2.7到3.2。 ◇射孔应当结合优先破裂面,取0。(或180。) 相位。当选用选择60。相位。已证实这 两种射孑◇射孑以防止产生竞争性复杂裂缝。在本实例研究之前, 71 的问题井都存在射孔弹束长度超过井眼直径4 倍的现象。 ◇侧钻井。测井表明,距离射孔80 大多数裂缝的放射性延伸在射孔弹束的30 ◇采用)较短的射孔弹束使压裂处 理过程中的平均作业压力与作业速率的比率降低了 15 。这种减少直接关系到激产井所需的水力压裂 功率。 ◇添加100目砂至填塞段有助于控制处理液漏 进可能存在的复杂的近井裂缝中。 ◇起始的裂缝用胶联凝胶有利于提高压力衰减 率,并保持足够的裂缝宽度,以达到工艺要求的支 撑剂浓度。 资料来源于美国《008年8月 (收稿日期2008—12—11)
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