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页岩气藏压裂技术及我国适应性分析

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页岩 气藏压裂 技术 我国 适应性 分析
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天 然气与石油 2 月0 引言含气页岩储层的基质孔隙度和渗透率总体上非常低 ,孔隙度一般为 4%~6%,处于断裂带或裂缝发育带的页岩储层渗透率可以增加 ,孔隙度最高可达 11%,渗透率可达 1×10 主要由裂缝提供储气空间 。 页岩储层除少数裂缝发育带可能具有较高的自然产能外 ,一般页岩气藏均需人工压裂改造之后才具有商业价值[1]。 压裂改造储层不仅可使页岩气以高的初始产气量较快地收回生产投资 ,而且可以延长压裂初始高产后的相对稳产期 ,使气井寿命持续 30 年左右 ,从而明显提高页岩气的采收率[2]。1 国外页岩气藏压裂技术20 世纪 70 年代 , 美国东部泥盆纪页岩气开发中曾采用裸眼完井 、硝化甘油爆炸增产技术来提高采收率[3]; 20 世纪 80 年代使用高能气体压裂以及氮气泡沫压裂 ,使得页岩气产量提高了 3~4 倍[4]。 进入 21 世纪后 ,随着新压裂技术的运用和推广 ,页岩气单井产量增长显著 ,极大地促进了页岩气的快速发展 。气泡沫压裂技术最早的泡沫压裂施工始于 1968 年 1 月 ,从 20 世纪 70 年代开始 , 泡沫压裂以迅猛的势头在美国和加拿大得到广泛运用 。 作为一种新型的压裂方式 ,泡沫压裂特别适合于低压 、低渗透水敏地层 。 与常规水力压裂相比 ,它具有如下优点 :a)氮气泡沫压裂液和常规水基压裂液相比只有固体支撑剂和少量压裂液进入地层 ;b)氮气泡沫压裂液可在裂缝壁面形成阻挡层 ,从而大大降低压裂液向地层内滤失的速度 , 减少滤失量 ,减轻压裂液对地层的伤害 ;c)返排效果好 。水压裂技术清水压裂是利用含有减阻剂 、黏土稳定剂和必要的表面活性剂的水为压裂液 ,京)能源学院,北京 京 100083摘要 :我国对页岩气的研究与勘探开发还处于探索阶段 ,美国通过压裂等开发技术的进步 ,使页岩气的勘探开发步入大规模快速发展阶段 。 通过借鉴国外的页岩气藏压裂技术 ,结合我国四川盆地页岩气藏的储层特性及已有的压裂基础 ,分析我国页岩气藏压裂的适应性 ,指出压裂的约束条件 。 认为在引进国外技术的同时应加强理论研究 ,这样才能使我国的页岩气藏开发进入新的发展阶段 。关键词 :页岩气藏 ;压裂技术 ;适应性 ;理论研究文献标识码 :1006011)012010国家科技重大专项课题 “中西部地区碎屑岩领域勘探关键技术 ”资助 (2008者简介 :王文霞 (1986-),女 ,山西吕梁人 ,油气田开发工程专业在读硕士研究生 ,主要从事于油气田开发理论与方法的科研 。38裂 液 ,可以在不减产的前提下节约 30 %的成本 ,以这种压裂液作为前置液来提供支撑剂输送[5]。 目前已成为美国页岩气井最主要的增产措施 。清水压裂技术提高岩石渗透率的依据是 :a)天然的缝面不吻合和产生粗糙缝面剪切应力使缝面偏移 ,同时在裂缝扩展时 , 水力裂缝将开启早已存在的天然裂缝 ,提高岩层的渗透率 ;b)水压裂采用的压裂液主要为清水 ,是一种清洁压裂技术 ,这也是提高岩层渗透率的重要因素之一 。步压裂技术这项技术是近几年在美国沃斯堡盆地 岩气开发中成功应用的最新压裂技术 。 同时对配对井(行压裂 ,即同时对两口 (或两口以上 )的井进行压裂 。 在同步压裂中 ,采用使压力液及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 ,来增加压裂缝网络的密度及表面积 ,该技术可以快速提高页岩气井的产量 。 同步压裂最初是两口互相接近且深度大致相同水平井间的同时压裂 ,目前已发展成三口井同时压裂 ,甚至四口井同时压裂 ,采用该技术的页岩气井短期内增产非常明显 。复压裂技术当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降 , 导致气体产量大幅下降时 ,重复压裂能重建储层到井眼的线性流 ,恢复或增加生产产能 , 可使估计最终采收率提高 8 %~10 %,可采储量增加 60 %,是一种低成本增产方法 。 该方法有效地改善单井产量与生产动态特性 ,在页岩气井生产中起着积极作用 ,压裂后产量接近甚至超过初次压裂时期 。 直井中的重复压裂可以在原生产层再次射孔 ,注入的压裂液体积至少比其最初的水力压裂多出 25 %,可使采收率增加 30 %~80 %。美国天然气研究所 (究证实 ,重复压裂能够以 美元 /远低于收购天然气储量 0 元 /元 /]。平井分段压裂技术在水平井段采用分段压裂 ,能有效产生裂缝网络(图 1),尽可能提高最终采收率 ,同时节约成本 。 最初水平井的压裂阶段一般采用单段或 2 段 ,目前已增至7 段甚至更多 。水平井水力多段压裂技术的广泛运用 ,使原本低产或无气流的页岩气井获得工业价值成为可能 , 极大地延伸了页岩气在横向与纵向的开采范围 ,是目前美国页岩气快速发展最关键的技术[7]。美国新田公司位于阿科马盆地 岩气聚集带的 经过 7 段水力压裂措施改造后 ,增产效果显著 ,页岩气产量高达 04m3/d[8]。缝综合检测技术储层实施压裂改造后 (图 2),需要有效的方法来确定压裂作业效果 , 获取压裂诱导裂缝导流能力 、几何形态 、复杂性及其方位等诸多信息 ,改善气藏压裂增产作业效果以及气井产能 ,并提高天然气采收率 。裂缝综合检测方法归纳起来可以分为三类 ,一类是微地震技术[9~10],这项技术主要用来识别储层中延伸裂缝在地下的空间分布 ;第二类是测井技术[11],该项技术主要针对近井筒周围的裂缝发育通过测井的手段进行识别 ,识别的主要目标是井筒中压开裂缝的高度和宽度 , 对裂缝在地层中的延伸长度无法判断 ;第三类是压裂压力分析的数学模型[12],这项技术的经济成本较低 ,所能够得到的参数较为全面 ,只是模型建立的过程中假设条件较多 ,而且模型所能够基于的资料有限 ,对实际裂缝的识别和评价不唯一 。目前 ,利用地面 、井下测斜仪与微地震监测技术结合的裂缝综合诊断技术 ,可直接地测量因裂缝间距超过裂缝长度而造成的变形来表征所产生裂缝网络 ,评价压裂作业效果 ,实现页岩气藏管理的最佳化 。 此项技术有以下优点 :a)测量快速 ,方便现场应用 ;b)实时确定微地震事件的位置 ;c)确定裂缝的高度 、长度 、图 1 水平井分段压裂示意图图 2 裂缝检测示意图 (2004)油气田开发第 29 卷 第 1 期气与石油 2 月倾角及方位 ;d)具有噪音过滤能力[13]。2 我国页岩气藏压裂技术适应性分析我国对页岩气的研究与勘探开发还处于探索阶段 。 20 世纪 60~90 年代 ,在页岩油藏有所发现的基础上 ,有些学者对页岩气藏做过一定的研究[14~15]。与美国页岩气发育盆地对比发现 ,中国存在区域发育页岩气的地质背景和条件[16]。 要选择适合我国页岩气开发的压裂技术 ,首先要了解我国页岩储层的特性 ,在借鉴国外页岩气压裂技术的基础上 ,优选适应性强的页岩气开发压裂技术 。内外页岩气藏储层特性对比四川盆地具有与美国典型盆地相似的地质条件和构造演化特点 ,均属于古生代发育的海相沉积盆地(表 1),具有较大的页岩气勘探前景 。 2009 年 11 月下旬 ,国土资源部油气资源战略研究中心 、中国地质大学 (北京 )在重庆市彭水县连湖镇启动了国内第一口页岩气勘探井 。以美国 岩和四川盆地[17]龙马溪组 、九老洞组页岩储层为例 ,对储层特性进行对比 。 通过表2 可以看到 ,四川盆地龙马溪组 、九老洞组页岩储层特性与美国 岩较接近 。 根据四川志留系龙马溪组页岩分析 ,其中石英含量较高 ,具有较高的脆性 ,这对水力压裂非常有力 。 但是具体压裂技术的选取还需通过进一步的实验结果进行确定 。内已有的压裂基础在国内油气井增产措施中 ,水力压裂已广泛地应用 。 其中连续油管水力喷射加砂压裂在大庆 、长庆 、四川 、吐哈等油田得到成功应用 ,在此基础上发展的水平井分段水力喷射加砂压裂技术也较成熟 。在压裂设备方面 ,我国许多油气田已从国外进口了大型的压裂设备 ,可以完全满足水力压裂施工的需要 。 再次增产可采用重复压裂技术 、人工举升技术 。 大庆油田成功应用了裂缝转向重复压裂技术 ,可以实现裂缝有效控制 ,气举排水在煤层气开发中已经被大量采用 。3 页岩气藏压裂技术的约束页岩储层改造技术的应用不能脱离地质条件的约束 , 要针对页岩储层特点优选压裂层位和工艺 ,才能取得较好的开发效果和经济效益 。 例如 ,清水压裂时要求储层中膨胀性蒙脱石含量不能很高 ,原因是其水敏性强 ,遇水易膨胀 、分散和运移 ,导致岩石渗透率下降 。压裂过程中需要注意压裂液的处理 ,除了使用大量的活性水外 ,还要加入一些特殊的添加剂 ,这样可以改善页岩气层本身超低的渗透率 , 提高导流性 ,优化页岩气的生产条件 ,减小地层损害 。指标 马溪组 九龙洞组镜质组反射率 /( %) ( %) >3 / ( %) 55 41 66(含长石)粘土矿物含量 /( %) 7 419 28 31740美 国空气产品与化学品公司于 2010 年 11 月 12 日表示 ,中国第一套使用液化天然气 (能的空分装置 (用 ,该装置位于莆田 ,为空气产品与化学品公司与中海油能源技术和服务公司的合资企业拥有 , 可生产超过 600 t/d 液态氧气 、氮气和氩气 ,用以供应福建省 ,尤其是厦门 、莆田 、福州三角地带快速增长的工业气体市场的需求 。空气产品与化学品公司于 2007 年与中海油旗下的全资子公司中海油能源技术和服务公司组建合资企业 。该空分装置 (中国是此类装置的第一套 ,设计采用气化过程中释放的冷能使空气在低温下液化 , 以生产工业气体产品 。 与常规工艺过程相比 ,该装置具有巨大的环境和能效效益 ,使用 能 ,该 置消耗电力可减少约 50%,有助于液化并可产生制冷的乙二醇 。制冷的乙二醇可替代 置以前为空气压缩而使用的冷水公用工程 。 另外 ,使用 能技术 ,由于减少了 作时使用的电力 ,从而降低了二氧化碳排放 。使用冷能大大减少了工业气体生产过程中的电耗 , 并有助于保护环境 。 该装置通过最大化利用天然气而支持了中国实现节能和减排的使命 , 并且也使空气产品与化学品公司通过生产操作改进以减少能耗和排放 , 达到整个可持续性发展目标 。冷能是包括在 ()温度下 的能量 ,当气化为其天然气状态以提高多种利用时这一能量就被释放出来 。 而大多情况下 ,再气化过程中释放的大量冷能未被有效地利用 。(钱伯章 提供 )中国第一套 论a)国外页岩气开发的成功经验证明 ,不断开展技术创新 ,能够使分布广泛的页岩气资源量逐步转化为经济和技术可采储量 。b)针对不同性质的页岩产层选择合适 、经济的压裂措施 , 可以延长压裂初始高产后的相对稳产期 ,明显提高页岩气的采收率 。c)美国页岩气开发走在世界前列 ,国内低渗气藏大型压裂改造也积累了丰富的经验 。 通过与国外公司开展技术合作 ,形成符合我国页岩气藏特点的压裂技术 。d)页岩气藏压裂增产技术缺乏相应的基础理论 ,需要加强页岩气开采技术的理论基础研究 。参考文献 :[1] 黄玉珍 ,黄金亮 ,葛春梅 ,等 . 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):72] 张 抗 ,谭云冬 . 世界页岩气资源潜力和开采现状及中国页岩气发展前景 [J]. 当代石油石化 ,2009,17(3):93] G, D, T,]1984,134] 纪数培 ,李文魁 . 高能气体压裂在美国东部泥盆系页岩气藏中的运用 [J]. 断块油气田 ,1994,1(4):15] 闫存章 ,黄玉珍 ,葛春梅 ,等 . 页岩气是潜力巨大的非常规天然气资源 [J]. 天然气工业 ,2009,29(5):16] et 重复压裂方法 ,油田新技术 [J/ [7] 付 玉 ,郭 肖 . 煤层气储层压裂水平井产能计算 [J]. 西南石油学院学报 (自然科学版 ),2003,25(3):448] J]. 007,29] A,],998.[10] R. by a ],998.[11] L, in 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