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页岩气典型开发技术及勘探开发进展[1]

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页岩 典型 开发 技术 勘探 进展
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第30卷第12期 2011年油化工应用 o.12 0岩气典型开发技术及勘探开发进展 冶维青 ,陶成学 ,李桂营 ,周金勇 ,赵正涛 (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) 摘要:页岩气是二十一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。本文以此为契机,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"3 文献标识码:A 文章编号:1673—5285(2011)12—0004—04 1 我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100万亿立方米,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 育区划分为四大区域,即南方、华北一东北、西北及青藏 四大地区【 (见图1)。 图1 中国主要页岩气盆地分布图(资料来源:张金川等,2008) 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200~1000 m,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、 中一下侏罗统湖相页岩和吐哈盆地中一下侏罗统湖相碳 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 好的勘探前景囝。 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 收稿日期:20112 作者简介:冶维青,男(1986一),回族,2009年毕业于西南石油大学石油工程工程专业,现为青海油田边远油田开发公司工程 技术室从事钻井监督工作。 第12期 冶维青等 页岩气典型开发技术及勘探开发进展 5 项目“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区带优 选”;2008年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200 m,全井段取 心,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,%以上,平均已达 3.21%,进人了过成熟演化阶段嘲;2009年中国石油在 威远实施一口井深2 800 201),标 志着中国页岩气进入实质性勘探开发阶段..规划在内,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,白 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 (热成熟度(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 1)有机 质丰度高(%);(2)热成熟度(1%一3%之 间;(3)产水量较少(5%);(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(7)分布面积广,埋藏深度适中;(8) 厚度大(大于34.08 m);(9)黏土含量中等(小于4O%), 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.11生需要进行进一步讨论。 裂缝性页岩气藏投人生产时,首先排出页岩裂缝 和基质孑着地层压力的降低,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l 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—5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 素之一嘲。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 裂缝三种类型。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(见图2),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。 术 图2水平井垂直裂缝分段压裂图 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,主要分为以下四类: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 6 石油化工应用2011年 第30卷 段压裂的一个趋势就是结合传统压裂工艺和连续油 管、滑套完井两种作业方式,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(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(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 (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,使用可彭胀封隔器,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7 620 m。 (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—8段/ 水平井眼;(2)2—4压裂开始位置/段;(3)0.61~1.22 m 的射;孑L/0。定相;(4)每个压裂点20— 30 个射孑 5)体积平均 1 800 过对,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两种。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。在水力压裂措施改造后,增产效果显著,页岩气产量高 达14.16d(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1 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,给页岩气水力压裂照明了方向: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。 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. 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[14]刘海洋,何仕均,杨春平,等.丙烯睛生产废水的组成对膜 部分低产井建议实施转向重复压裂改造措施等。 (2)对于试采层位如长4+5,长6而言,储层条件 较好,试采效果也较好,可作为该区的主要替补层位开 发。同时应注重控制注水量和注水井数、注采比等,建 议多层同注、同采,使经济效益达到最优。 参考文献: [1] 陈恭洋.油气田地下地质学[M].北京:石油工业出版社, 2007:365—406. [2]张蕾.低渗透油田开采现状[J].中外科技情报,2010,13(3): 4[3]令永刚,等.特低渗透油藏注水开发技术研究[J].江汉石油 学院学报,2003,25:137—138. [4]李忠兴,等.鄂尔多斯盆地低渗透油田注水开发的调整与 优化[J].西安石油学院学报(自然科学版)2003,18(6): 44[5]胡永乐,等.注水油田高含水后期开发技术方针的调整[J]. 石油学报。2004,25(5):65—69. [6]张盛宗,等.低渗透油田注水开发后影响残余油的因素分 析[J].石油勘探与开发,1987,6(4):83—88. [7]赵磊,等.油藏的开发阶段及开发方式分析[J].内蒙古石油 化工。20(6):138—139. 吸收去除氰化物的影响[J].环境科学研究,2010,23(7): 882—886. [15]张永锋,王郁,许振良,等.纳滤膜处理聚丙烯腈生产废水 的研究[J].工业水处理.2004,24(10):13—16. [16]沈志松,钱国芬,迟玉霞,等.减压膜蒸馏技术处理丙烯腈 废水研究[J].膜科学与技术,2000,20(4):55—59. [17]杨琦等,文湘华,孟耀斌,等.膜生物反应器处理丙烯腈废 水试验[J].环境科学,2000,21(2):85—87. ● …●●r●●…◆●● ◆◆◆◆ (上接第6页) [6]张金川,金之均,袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然 [8] G.工业,2004,24(7):15—18.&P 000. [7]孙超,朱筱敏,陈菁,蔺学芳.页岩气与深盆气成藏的相似 [9]徐波,郑兆慧等.页岩气和根缘气成藏特征及成藏机理对 与相关性[J].油气地质与采收率,2007,14(1):26—31. 比研究[J].石油天然气学报,2009,31(1):26—29.
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