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页岩气典型开发技术及勘探开发进展

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页岩 典型 开发 技术 勘探 进展
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页岩气典型开发技术及勘探开发进展冶维青*1,陶成学1,李桂营1,周金勇1,赵正涛2,王海成3(1.中石油青海油田边远油田开发公司 ,青海 海西州816400;2.中石油新疆油田公司风城油田作业区 ,新疆 克拉玛依834000;3.中石油青海油田冷湖油田管理处 ,青海 海西州816300)摘要 :页岩气是21世纪潜力巨大的非常规天然气资源 ,可以作为常规能源的重要补充 ,能够有效地缓解世界的能源压力 。与常规天然气藏相比 ,页岩气在地质特征和开发方式上有着明显差异 ,开采难度更大 ,成本高 。水平井和分段压裂技术是成功开发页岩气的关键技术 。以此为契机 ,对我国页岩气资源的分布状况以及进展进行了分析 ,详细介绍了水平井分段压裂的现状 、优化设计及效果等情况 。以求尽快开展资源评价和有利目标区筛选 ,争取在页岩气领域获得重大发现 。关键词 :页岩气 ;勘探开发 ;资源 ;水平井 ;分段压裂中图分类号 :TE2 文献标识码 :B 文章编号 :1004-5716(2012)08-0036-031 中国页岩气勘探开发前景1.1 资源分布目前 ,根据国内外专家学者进行的初步估算 ,我国页岩气资源量为100×1012 m3,超过国内常规天然气资源量 ,大致与美国页岩气资源量相当 ,但与美国的资源依旧有很大差距 ,特别表现在地表以及水资源方面 。根据地质历史及其变化特点 ,可将我国的页岩气发育区划分为4大区域 ,即南方 、华北-东北 、西北及青藏4大地区[1]。南方古生界发育寒武系 、志留系 、二叠系海相黑色页岩建造 ,分布稳定 ,埋藏深度浅 ,有机质丰度高 ,在保存条件好的地区 ,有利于页岩气的形成与富集 。其中 ,寒武系页岩较为典型 ,厚度在200~1000m,分布较稳定 ;有机碳含量在1.5%~5.0%,普遍较高 ;热演化程度一般在2%以上 ,以热成熟气为主 。北方地区发育多套湖相泥页岩 ,包括松辽盆地白垩系湖相页岩 、鄂尔多斯盆地上三叠统湖相油页岩 、准噶尔盆地南缘上二叠统 、中-下侏罗统湖相页岩和吐哈盆地中-下侏罗统湖相碳质页岩等 ,具有较好的页岩油气勘探前景 。其中 ,松辽盆地下白垩统泥页岩已发现大量油气显示 ,揭示出良好的勘探前景[2]。1.2 国内进展2005年以来 ,随着能源需求的急剧增加和国外页岩气资源的成功开发利用 ,我国开始积极关注页岩气 ,并开展了一些研究工作 ,三大石油公司以及国土资源部等通过国际交流与合作 ,开展了国内页岩气勘探开发的一些前期调研和技术准备 ,进行了初步的资源潜力研究 。2004年开始 ,国土资源部油气资源战略研究中心与中国地质大学 (北京 )一起 ,跟踪调研我国页岩气资源状况和世界页岩气资源发展动态 ;2006年 ,中国石油与美国新田石油公司联合开展了四川盆地威远气田页岩气资源评价 ;2008年 ,国土资源部设立了页岩气项目“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优选 ”;2008年11月 ,中国石油在地处四川盆地的长宁构造完钻了我国首口页岩气井 ,井深200m,全井段取芯 ,采集了大量样品 ,获取了大量第一手资料 ,分析该区龙马溪组成熟度较高 ,Ro均在3.0%以上 ,平均已达3.21%,进入了过成熟演化阶段[3];2009年中国石油在威远实施一口井深2800m的页岩气深井 (威201),标志着中国页岩气进入实质性勘探开发阶段 ,规划在10年内 ,建成国内首个页岩气开发实验区 。2 页岩气储层开采特征页岩气在成藏及分布上具有运移距离短 、多种封闭机理 、聚集成藏隐蔽 、地层饱含气等地质特殊性 ,自生自储 、吸附作用机理及由此所产生的大规模聚集是页岩气的重要地质特点 。自生自储的页岩气藏的产气能力受有机碳含量63西部探矿工程2012年第8期* 收稿日期:2011-12-03 修回日期:2011-12-06第一作者简介 :冶维青 (1986-),男 (回族 ),青海民和人 ,助理工程师 ,现从事钻井监督工作 。(TOC)、热成熟度 (Ro)、无机组分含量 、天然和诱导裂缝等因素的影响 。美国在开采页岩储藏的实践中 ,归纳出具备开发价值的页岩储藏具有以下特点[4-5]:(1)有机质丰度高 (TOC>3%);(2)热成熟度 (Ro)在1%~3%之间 ;(3)产水量较少 (Sw<45%);(4)渗透率大于100毫微达西 ;(5)含油饱和度小于5%;(6)好的气含量 (大于8.2×108 m3/km2);(7)分布面积广 ,埋藏深度适中 ;(8)厚度大 (大于34.08m);(9)粘土含量中等 (小于40%),有很低的混合层组分 ;(10)脆性较高 ,低泊松比 、高杨氏弹性模量 ;(11)围岩条件有利于水力压裂控制 。不同地区对投入产出 、开发价值的评判标准具有一定差异 ,该标准的适用性需要进行进一步讨论 。裂缝性页岩气藏投入生产时 ,首先排出页岩裂缝和基质孔隙中的游离气 ,随着地层压力的降低 ,页岩表面的吸附气逐渐开始解吸 ,并从基质中通过扩散作用进入天然和诱导裂缝系统 ,再以渗流方式进入井底 ,采至地面 。吸附气的解吸是页岩气开采的重要机制之一 ,页岩气的解吸是吸附的逆过程 ,处于运动状态的气体分子因温度 、压力等条件的变化 ,导致动能增加而克服引力场 ,从页岩中脱离成为游离相 ,发生解吸 。页岩气藏是一种典型的 “连续型 ”油气藏 。所谓 “连续型 ”油气藏尤其是 “连续型 ”气藏指的是持续产气 、持续供气 ,产量低 、产能稳 ,资源量大 ,但采收率较低 ,需要人工改造增产[5]。分段水平井压裂技术被公认为目前是开采页岩气极佳的办法 ,页岩气生产周期比较长 ,开采寿命可达30~50年 。这意味着可开发利用的价值大 ,决定了其发展潜力 。3 页岩气水平井分段压裂技术3.1 页岩气压裂的必要性及优化设计对页岩储层来说 ,裂缝系统既是气体的主要储存空间 ,也是渗流的主要通道 ,对页岩气开发来说 ,裂缝系统是压裂液进入储层的主要通道 。天然裂缝的发育程度是影响页岩气运移聚集 、经济开采效益的关键因素之一[6]。页岩气水力压裂应该尽量选择天然裂缝发育程度高的层位 ,来沟通天然裂缝 ,提高井筒附近的导流能力 。水力裂缝方位垂直最小主地应力方位 ,因此 ,依据水平井井筒方向与最小主地应力方位的关系 ,水平井压后水力裂缝形态一般有横向裂缝 、纵向裂缝和复杂裂缝3种类型 。对于一口水平井 ,水力压裂后将形成哪一种形态的水力裂缝 ,取决于地应力状态与水平井井筒方位的相互关系 ,如果井筒平行最小主应力方向 ,则产生与井筒相垂直的横向裂缝 ,如果井筒与最小主应力方向垂直 ,则产生与沿井筒方向延伸的纵向裂缝 。对于高渗透率地层或裂缝性地层采用纵向裂缝较好 ,而对于低渗透油气层则产生多条横向裂缝效果较好 。因此 ,页岩气水平井进行分段压裂时 ,井筒一般平行最小主应力方向进而产生横向裂缝 ,能有效地沟通储层本身所含有的大量微裂缝进而产生裂缝网络 。实践证明 ,沟通储层微裂缝是开发页岩气的核心技术 。3.2 页岩气水平井分段压裂现状欲在比较长的水平井井段中以较短的时间 、安全地压裂形成多条水力裂缝 ,且压后快速地排液 ,实现低伤害的水平井分段压裂 ,其压裂工艺技术难点在于分段压裂工艺方式选择和井下封堵工具 ,归纳国内外水平井分段压裂的工艺技术方法 ,主要分为以下4类 :化学隔离技术 ,机械封隔分段压裂技术 ,限流压裂技术 ,水力喷砂压裂技术 。近年来 ,应用于页岩储层水平井分段压裂的一个趋势就是结合传统压裂工艺和连续油管 、滑套完井2种作业方式 ,在压裂液体系 、封隔器 、滑套等方面进行改进 。(1)水力喷射分段压裂技术 ,其原理是根据伯努利方程 ,用高速和高压流体携带砂体进行射孔 ,打开地层与井筒之间的通道后 ,提高流体排量 ,从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术 ,它将水力喷砂射孔与水力压裂完美地结合了起来 。利用这种技术可以在裸眼井中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 ,尤其对于裸眼完井的页岩水平井来说 ,是一种非常有效的压裂增产措施 。(2)哈利伯顿的定点压裂技术 (PinpointFRAC),利用公司自己的滑套完井和连续油管压裂两项新技术 ,并结合应用增产套 、膨胀封隔器和无封隔高压水射流底部钻具组合 (BHA)等工具 ,扩大了完井和压裂技术的应用范围 ,可以对水平井套管完井水平段进行准确的压裂 ,与传统工艺相比速度更快 、操作风险更低 、效果更好 。(3)斯伦贝谢的水平井分段压裂技术 (StageF-RAC),结合了先进的压裂液体系 ,可以准确放置压裂液 ,裂缝导流能力高 、压裂液损害小 ,可将完井时间从几天缩短到几小时 ,一次压裂级数可达17级 。(4)加拿大封隔器能源服务公司的StackFrac技术 ,使用可膨胀封隔器 ,可以随井眼变化而变形 ,极好地适应井下高温高压环境 ,目前应用的水平井最深达到7620m。(5)贝克休斯的裸眼封隔器组合分段压裂 ,其系统除了有裸眼封隔器和小球座封压裂滑套之外 ,还增加了衬管顶部封隔器和压力座封滑套 。在美国北达科他贝肯页岩层进行了8级压裂 。3.3 分段压裂一般设计及效果目前的水平井分段压裂设计一般包括 :(1)2~8732012年第8期西部探矿工程段 /水平井眼 ;(2)2~4压裂开始位置 /段 ;(3)0.61~1.22m的射孔 /位置 ,6孔 /ft,60°定相 ;(4)每个压裂点20~30bbl/min,每个射孔点2~4bbl/min;(5)体积平均1800gal/ft。通过对Newark东油气田进行水平井压裂 ,发现其初始产气速度一般比直井快2~3倍 。水平井分段压裂根据储层的含气性特点对同一井眼中不同位置地层进行分段压裂 ,其主要作业方式有连续油管压裂和滑套完井2种 。分段压裂技术是页岩气水力压裂的主要技术 ,在美国页岩气生产井中 ,有85%的井是采用水平井和分段压裂技术结合的方式开采 ,增产效果显著 。最初水平井的压裂阶段一般采用1段或2段 ,目 前 已 增 至7段 甚 至 更 多 。在Arkoma盆 地Woodford页岩气聚集带的Tipton-1H-23井经过7段水力压裂措施改造后 ,增产效果显著 ,页岩气产量高达14.16×104 m3/d(见表1)。水平井水力分段压裂技术的广泛运用 ,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关键的技术之一 。表 1Woodford页岩气藏水平井分段压裂产量表井名 压裂段数初始产量(104 m3/d)最终产量(104 m3/d)Tolett-1H-22Bulock-1H-15Tipton-1H-2355728.3214.1619.8216.9911.6114.163.4 辅助技术水力压裂技术的突破 ,也离不开配套技术的发展 。微地震技术的发展 ,给页岩气水力压裂指明了方向 :在水力压裂前 ,需要结合储层的特点和压裂参数来预测裂缝发育的宽度 、长度和方向 ,在压裂过程中通过微地震来随时监测裂缝的方位和尺寸 。页岩气水力压裂成功与否关键在于压裂液处理 ,除了使用大量的活性水外 ,还要加入一些特殊的添加剂 ,如特殊的降阻剂 (不含苯酚 )、微乳化表面活性剂 、裂缝清洁加强剂和导流增强剂等 。在这些添加剂的综合作用下 ,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 。页岩气压裂需要淡水资源规模庞大 ,单井用量在1×104 m3以上 ,有序管理水资源是页岩气水力压裂一个重要环节 。在缺水地区 ,还研究了甲醇压裂液 、泡沫压裂液 、稠化油压裂液 、液化天然气压裂液等 。正是各种增产技术的不断突破 ,才使页岩气的投产 、稳产得到保障 。4 结论及建议(1)随着世界能源需求的持续上升 ,在常规油气资源开采到达顶峰之后 ,美国页岩气盆地中积累的勘探开发经验 ,必将有助于世界其它地区页岩气资源的发展 。中国应该抓住机遇 ,借鉴和学习国外先进技术 ,并在实践中创新和发展 ,争取在页岩气勘探和开发领域实现突破 。(2)页岩气藏是具有极低孔 、低渗条件的连续型气藏 ,但其开采寿命长 ,生产周期长 ,因而具有可观的开发潜力 。其开采方式主要以水平井+分段压裂为主 ,以便能最大限度地沟通天然微裂缝和人工压裂裂缝形成裂缝网络 ,提高单井产量 。参考文献 :[1]张金川 ,徐波 ,聂海宽 ,等 .中国页岩气资源勘探潜力 [J].天然气工业 ,2008,28(6):136-140.[2]潘继平 .岩气开发现状及发展前景 ———关于促进我国页岩气资源开发的思考 [J].国际石油经济 ,2009:12-15.[3]王社教 ,王兰生 ,金亮 ,等 .上扬子区志留系页岩气成藏条件 [J].天然气工业 ,2009,29(5):45-50.[4]蒲泊伶 ,书景 ,王毅 ,蒋有录 .页岩气成藏条件分析 [J].石油地质与工程 ,2008,22(3):33-39.[5]Scott L Monlgomery,Daniel M Jarvie,Kent A Bowker,et.al.Mississippian Barnett Shale,Fort Worth Basin,North-central Texas:Gas-shale Play with Multitrilion Cubic FootPotential[J].AAPJ Buletin,2005,89(2):155-175.[6]张金川 ,金之均 ,袁明生 .页岩气成藏机理和分布 [J].天然气工业 ,2004,24(7):15-18.[7]孙超 ,朱筱敏 ,陈菁 ,蔺学芳 .页岩气与深盆气成藏的相似与相关性 [J].油气地质与采收率 ,2007,14(1):26-31.[8]Hil D G.overview of Gas Shale Potential.Internal Presen-tation,GTI E&P Services Canada,Calgary,Alberta,2000.[9]徐波 ,郑兆慧 ,等 .页岩气和根缘气成藏特征及成藏机理对比研究 [J].石油天然气学报 ,2009,31(1):檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿26-29.(上接第35页 )参考文献 :[1]鄢捷年 .钻井液工艺学 [M].山东 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