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美国页岩气勘探开发关键技术4176485

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美国 页岩 勘探 开发 关键技术 4176485
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石 油机械 011年第39卷第9期 ..国外石油机械 美国页岩气勘探开发关键技术 黎红胜 汪海阁 纪国栋 温慧芸 (1.中国石油集团钴并工程技术研究院2.中国石油勘探开发研究院3.中国石油大学(北京)) 摘要近10年来,随着新技术的推广应用,美国页岩气产量迅速增长,目前已经占到天然气 总产量的13%~15%。总结了美国页岩气开发取得如此大的成就的原因,介绍了以下几项关键技 术:前期的页岩气藏分析、地层评价、岩石机械特性地质力学分析、中期的钻井技术、完井技术 以及后期的压裂增产技术,其中压裂技术方面又分别介绍了清水压裂技术、重复压裂技术、水平 井分段压裂技术以及同步压裂技术。美国页岩气勘探开发的这些关键技术将对国内页岩气的开发 有一定的借鉴意义。 关键词 页岩气 勘探 开发 地层评价 钻井 完井 压裂 0 引 言 美国页岩气资源量达16.9万亿m ,可开采资 源量7.47万亿m 。至20世纪90年代末,美国页 岩气产量一直徘徊在(30~50)亿m /a。2000年 新技术的应用及推广,使得页岩气产量迅速增长。 2005年进入大规模勘探开发,成功开发了沃思堡 等5个盆地的页岩气田,产量以100亿m /增长。2008年产量达到600亿m ,占美国天然 气总产量的8%,相当于中国石油当年天然气总产 量,目前则已占到天然气总产量的13%~15%。 截至2008年底,美国累计生产页岩气3 316亿m 。 预计2015年美国页岩气产量将达到2 800亿m 。 自2009年以来,北美的页岩气开发发生了革命性 的变化,目前美国已取代俄罗斯成为世界最大的天 然气生产国,实现了自给自足并能连续开采上百 年。美国页岩气快速发展是技术进步、需求推动和 政策支持等多种因素合力作用的结果。从技术进步 角度来看,则主要得益于以下几方面的关键技术: 前期的页岩气藏分析、地层评价、岩石力学分析、 后期的钻完井技术以及压裂增产技术。 1 美国页岩气藏特点分析 美国页岩气藏具有典型的衰竭特点,初始产量 高,前3年急剧下降,随后在很长的时间里保持稳 产并有所下降,生产寿命可达25 国页岩 气资源丰富,致密页岩分布范围广,有效厚度大, 有机质丰富,含气量大,裂缝系统发育,原始地质 储量丰富,岩石埋深和粘度含量相对较低,有利于 实施水力压裂,规模生产效果比较好。美国已经将 具有合适页岩气类型、有机质含量、成熟度、孔隙 度、渗透率、含气饱和度以及裂缝发育等综合条件 的页岩作为开采目标…。 2 地层评价 页岩气藏评价是一套综合的石油物理方法,主 要是通过结合对页岩岩样的地球化学分析以及对测 井资料的详细评价结果来完成。主要目的是为了确 定岩样是否含有丰富的有机质,以及是否可以形成 碳氢化合物。 成功页岩气藏产生的因素可以概括为“五高、 二低、一体”,即:高孔隙度,高基质渗透率,高 有机质含量和成熟度,高的水力压裂裂缝接触范 围;低岩石敏感性,低压裂后颗粒产出;大范围的 均质连续岩体。通过分析岩心和测井资料,地质学 家可以评价井筒范围的非均质性。通过对岩屑进行 岩石力学分析可以确定页岩类型,再结合多井 够对盆地中储层潜 力进行初步评估。许多地球化学实验室都采用法国 石油研究院开发的程序化热解技术来描述有机物的 丰富程度。也可以通过镜质体反射率鉴定样品的热 2011年 第39卷第9期 黎红胜等:美国页岩气勘探开发关键技术 ..——79..—— 成熟度。由于形成气窗的温度范围要比形成油窗的 温度范围大,所以气的热成熟度 值要大于油的 尺 值。成熟度值高(R。>1.5%)表示干气占主导 地位,成熟度值中等(1.1%杨氏模量 为轴向应力 与轴向应变之比,应变为长度变化量与初始长度之 比。泊松比=横向应变/轴向应变,轴向应变=长 度变化量/初始长度,横向应变=宽度变化量/初始 宽度。通过单轴抗压强度测试可以得出应力与应变 的关系。通常情况下人们对于岩石应力一般采用各 向同性应力公式,但实际上各向异性对岩石的力学 性质和应力都有影响。下面分别是各向同性和各向 异性情况下的最小水平主应力公式。 各向同性应力: : (一 )+01) r L。6一 r +r L 各向异性应力: : ( 一,)+h (2)E ~v 。 一+z 式中,示最小水平主应力, 表示泊松比,E 表示杨氏模量,P 表示上覆岩层压力,。由以上公式分别求出粘土质页岩和硅质页岩的 应力,可以发现硅质页岩在2种情况下应力变化不 大,而粘土质页岩却由于各向异性导致应力较高。 这说明各向异性对岩石的力学性质和应力会产生 影响。 除了各向异性会对岩石应力产生影响外,地质 方面也会对应力造成影响。下式为构造应力公式: __—: 一_i—: 垂肓(3) 水平p + —::— + —::— (3) 式中, 表示应变系数,E 表示杨氏模量。 从式中可以看出,构造应力可能会改变应力大小关 系和剖面。 综上所述,岩石的各向异性和构造应力均会对 岩石的应力产生影响,这时就不能单纯地把页岩当 作各向同性来计算,而要考虑各向异性和构造应 力。即使这样,也必须同实测数据进行校核。通过 岩石的力学分析,找出影响地应力的因素、各向异 性、杨氏模量、泊松比和地质作用等,将其与实测 数据进行校正,可以找出裂缝的最佳位置,为钻井 和完井射孔提供依据。 4钻完井技术 由于页岩气处于低渗低孑常 以游离态和吸附态为主,为了较快地将其产出,增 加产量通常采用水平井技术。可以说正是水平井技 术的应用使得美国页岩气得到较快发展。从水平井中获得的 估计最终采收率大约是直井的3倍,而费用只相当 石 油机械 2011年第39卷第9期 于直井的2倍。页岩气水平井钻井过程中,前期的 地层评价对于选择水平井定向的位置非常重要,水 平井要选在有机质与硅质丰富、裂缝发育程度高的 页岩区 J。通过岩石力学分析,钻井要沿着与最 大水平主应力方向垂直的方向上钻井,因为最大水 平主应力与裂缝方向垂直,这样就可以使水平段尽 可能多地与裂缝接触,在压裂的过程中提高页岩气 采收率。 页岩气水平井钻井是一项综合技术,需要与测 井、油藏等学科结合起来。在钻井过程中,眼微电阻率扫描成像测井显示出水平井钻遇的裂 缝和层理特征。钻井诱发的裂缝沿着钻井轨迹顶部 和底部,沿应力最高的井筒侧面终止。过程中提供井斜角和方位角信息;实时获得所钻地层岩性和岩石中流体的状况; 岩石孔隙度、孔隙压力与其他声学敏感的岩石参 数;通过三维地震解释技术能够更好地设计水平井 井眼轨迹,钻遇更多的产层;采用术,根据随钻测量和随钻地质评价测井数据,控 制井眼轨迹,使钻头始终沿油层钻进,自动避开地 层和地层流体界面。水平井钻井在定向的时候由于 扭矩高、摩阻大钻压高,造斜十分困难,通常采用 旋转导向技术 J。美国威德福公司的带有膨胀封 隔器的造斜器巧妙地解决了这个问题。钻页岩气表 层的过程中,为了提高钻速,节省时间和成本,通 常采用套管钻井和过岩石 力学分析,以及页岩水化伤害机理研究,防止井壁 失稳。另外,为了使页岩气开采具有规模化,通常 采取加密钻井、多分支井或者丛式水平井钻井。 在页岩气完井方面,主要有尾管固井完井、裸 眼尾管不固井完井以及多分支水平井完井。其中尾 管固井完井是一种组合式桥塞完井 ,也就是用 组合式桥塞分隔各段,分别进行射孔,这种方法需 要坐封桥塞、射孔,然后钻开桥塞,是最好的完井 方式。裸眼尾管不固井完井 是采用可膨胀或机 械式的裸眼封隔器以及特殊的压裂滑套,在一趟钻 的过程中完成固井并进行分段压裂,适于用水平井 裸眼井段压裂。多分支水平井完井则是将分支井技术相结合的完井方式,可以是双分支式 也可以是叠式双分支。分支井裸眼分段完井压裂工 艺过程如图1所示。 图1 分支井裸眼分段完井压裂工艺过程 与常规钻井相比,页岩气钻井主要要实现3个 括于页岩气是低 方面的要求:第一,浅层的快速批钻钻井,即为了 孔低渗透的非常规天然气,与常规天然气相比,主 节省时间降低钻井成本,要实现浅层的快速钻进, 要靠压裂改造生产。与常规压裂相比,页岩气压裂 往往采用表层特殊钻机实现批钻;第二,水平段快 需要很多的压裂液,因此压裂的主要设备为多个大 速侧钻;第三,在钻井过程中,要时刻了解随钻过 型的压裂车和压裂罐,以及分段压裂时必须下入的 程中的岩石储层物性,以实现水平段着陆。因此, 封隔器。 页岩气钻完井的主要设备为表层特殊钻机;导向工 表层特殊钻机(如图2所示)是页岩气钻井 具包括旋转导向和地质导向工具;随钻测量工具包 必备的设备之一,其特点是体形小,十分轻便,价 2011年 第39卷第9期 黎红胜等:美国页岩气勘探开发关键技术 一81一 格低廉,在钻表层时速度很快,对于500 口井只用36 h。这样就可以迅速完成表层钻井, 钻完第1口井迅速转到第2口井,第1口井则由普 通钻机接替继续钻进,钻井时间大大减少。 图2表层特殊钻机 电磁常规 不受钻井时井眼流体和循环漏失物 质的限制,传输信号更精确。其结构如图3所示, 主要由3部分组成,即间接接头、着陆器接头以及 发射机探测器。其中间接接头分离2个电极天线, 向地层放射电磁波。着陆器接头由卡箍接头和压力 扶正器组成,后者坐落在着陆器接头卡箍上,下端 连接探针,具有井眼和环空传感器的作用。发射机 探测器包括发射机传到井口的电子系统、井眼压力 电子数据和环空压力测试器(井底钻井问题早期 检测)以及高分辨率数据记录的存储器模块。它 采用锂电池组为井底系统提供电源。 图3 电磁M—构图 1一间接接头;2一着陆器接头;3一发射机探测器。 页岩气钻井在钻水平井的过程中主要存在以下 难点:滑动钻井时问长、控制井眼轨迹和垂深的难 度大、扭矩高、摩阻大和机械钻速低等。为了解决 水平井侧钻的这些难题,通常采用旋转导向技术。 旋转导向工具主要由模块化柔性稳定器、旋转导向 转向机构以及非旋转套筒(长1.22 m)等3部分组 成,如图4所示。其中非旋转套筒包括近钻头传感 器(钻头盒上方0.94 独立转向臂。独立转 向臂为液压式,共有3个,具有独立电动液压模块 和控制系统,通过精确控制3个转向臂与井壁的连 续作用力实现导向。非旋转套筒利用闭环控制系统 每秒自动测量套筒位置,及时修正摩擦与振动引起 的套筒非正常转动,确保导向矢量方向准确。旋转 导向工具可以将造斜率控制在每30.48 00 10图4旋转导向工具图 1一模块化柔性稳定器;2一旋转导向转向机构;3一 非旋转套筒;4一近钻头倾角传感器;5一独立转向臂。 压裂用膨胀式封隔器如图5所示,其作用是使 用自动坐封裸眼封隔器将井简封隔。封隔器间配有 压裂孔,可采用液压启动或利用特定尺寸的投球法 移动滑套打开压裂孔进行压裂。这种封隔器可以根 据温度/压力、井眼尺寸和流体条件等量身定做, 能控制其在井内的性能变化。 图5膨胀式封隔器示意图 5 压裂技术 5.1清水压裂技术 清水压裂技术是指在清水中添加很少量的减阻 剂、黏土稳定剂和表面活性剂作为压裂液来进行压 裂的技术。清水压裂的过程如图6所示,首先泵人 “岩石酸”来清理可能被钻井液封堵的近井地带: 然后进行清水压裂,将大量的带有少量粗砂支撑剂 的清水注人裂缝中,使裂缝延伸;最后进行冲刷, 2011年 第39卷第9期 黎红胜等:美国页岩气勘探开发关键技术 常分为3个阶段:即先将前置液(无支撑剂)泵 入储层,然后将含有一定浓度支撑剂(通常为砂) 的压裂液泵人储层,最后使用更高浓度的支撑剂压 裂液进行压裂 。依此类推,相继泵人数量不定的 压裂液到储层,同时泵人比之前浓度更高的支撑剂, 直到达到要求。通常还可以通过使用桥塞、封隔器 以及连续管等工具辅助压裂。利用水平井分段压裂 技术可以增大水平井的导流能力,提高水平井产能。 图8 水平井分段压裂示意图 5.4同步压裂技术 同步压裂技术 是指同时对2口或2口以上的 邻近平行井进行压裂。在同步压裂中,压裂液及支 撑剂在高压下从一口井沿最短距离向另~口井运 移,这样就增加了裂缝网格的密度和表面积,从而 快速提高页岩气井的产量。同步压裂一方面可以促 使水力裂缝扩展过程中相互作用,产生更复杂的缝 网,增加改造体积,提高气井产量和最终采收率; 另一方面它是2口或2口以上相邻且平行的水平井 交互作业、逐段实施分段压裂,如图9所示。采用 这种技术在短期内增产效果很明显。 图9 同步压裂示意图 6结论和建议 (1)美国页岩气勘探开发取得巨大成功,离 不开集成的解决方案。从地层评价了解到页岩的非 均质性及岩石的矿物组成,确定气藏的好坏,为射 孔位置、水平段着陆以及造缝提供依据;通过对岩 石的力学分析,结合地层评价找出最佳的射孔位置 和水平段钻井方向;而水平井钻完井优化,以及压 裂措施则是页岩气增产的关键技术。 (2)美国页岩气的成功开发为中国页岩气开 采展示了良好的前景。为了加快国内页岩气资源的 开发利用,需要借鉴美国页岩气勘探开发的先进经 验和技术,选择有实力的国外公司开展页岩气的合 作开发。 (3)为了实现页岩气的规模化开采,建议向 钻页岩气长水平段水平井、多分支井、丛式井和加 密丛式井方向发展,并展开技术攻关,包括开发新 型的地质导向工具、旋转导向工具,配制低摩阻钻 井液等,以保证长水平段水平井的快速钻进。 (4)页岩气的后期增产主要依靠压裂,为此 要掌握长水平段水平井多级压裂技术,开展膨胀式 封隔器、多级滑套分段改造以及连续管分层压裂等 技术攻关,实现压裂方式的多元化、高效化。 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 参考文献 ,, S,et 岩气藏 的开采[J].油田新技术,2006(秋季刊):20— 31. ,,.of in f 44326,2010. 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):7—10. .旋转导向钻井新技术的应用[J].油 田新技术,2004,16(1):4—9. ,.in a R].35195一010. C, W.in ].35268, 2010. N,.of of ].16124一008. e,et of in 12445,2008. , A, A,et of R].07053,2007. 第一作者简介:黎红胜,生于1985年,2009年毕业于 长江大学石油工程学院,现为中国石油勘探开发研究院研 究生部油气井工程专业在读硕士研究生。地址:(100083)北 京市海淀区。电话:(010)52784860。E—收稿日期:2011—03—16 (本文编辑谢守平)
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