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美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示11442186

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美国 页岩 体积 改造 技术 现状 我国 启示 11442186
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第33卷第2期2011年3月石 油 钻 秉 工 艺3 000一7393(2011)02—0001一07美国页岩气体积改造技术现状及对我国的 白;,口刁、吴奇1’2胥云2’3刘玉章2’3丁云宏2’3王晓泉1王腾飞2’3(1.中国石油勘探与生产分公司,北京.北廊坊065007;3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊065007)摘要:概述了美国页岩气改造技术发展历程,对微地震技术推动页岩气改造技术的进步进行了综述,对国外提出的油藏改造体积概念进行了技术定义,分析了体积改造技术的内涵及作用。对实现体积改造的储层条件、天然裂缝的影响及起裂特征等进行了分析,总结出实现体积改造的关键技术以及对我国页岩气改造技术发展的启示。对比了火山岩、碳酸盐岩等天然裂缝发育储层的常规改造与体积改造的不同理念,并提出了页岩气储层改造技术未来发展方向。关键词:页岩气;体积改造;微地震;水平井;天然裂缝;分簇射孔;滑溜水中图分类号:2 文献标识码:of f.or .S.(U Y.岫23,矿,DⅢG 州GⅪ删G 1魂.如细凸砌印,口,咖一删尸n)‘缸扩嚼嘲2.矿愚加曲加口,厶嘲向略065007,.厶嘲砌曙丑聊船曲加“眦矿及硼,,‘耐鲫册c,肠耀向唱065007,国删11is me RⅥ矗”.S.m.0ve to RV by is d .d RV me R~,t0 s e r cr RV is ey h‘埔en;验、进步的过程。2006年以来,水平井分段改造技术的突破,推动了技术进步,不仅大幅度提升了非常规气的产量,还由此改变了世界能源格局。2009年美国天然气产量达到5934×108 为世界第一大产气大国,其中,非常规天然气产量达3085亿总产量的52%。在非常规天然气中,页岩气产量上升迅猛,2000年美国页岩气年产量仅为122亿2009年则达到878亿当年天然气产量的15%。实现“页岩气革命”的关键就是基金项目:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”(编号:2008目资助。作者简介:吴奇,1958年生。1982年毕业于大庆石油学院钻井专业,现任副总经理,从事管理及钻井、储层改造等技术研究工作,教授级 高级工程师。。万方数据2 石油钻采工艺2011年3月(第33卷)第2期储层改造技术的突破与快速发展。因此,分析美国页岩气储层改造技术发展历程及技术特点,对推动我国页岩气储层改造技术进步具有重要意义。1 美国页岩气改造技术历经4个发展阶段,技术不断进步在美国的页岩气储层中,量占全美页岩气产量的70%以上,储层改造技术的研究与应用发展历程最具代表性。截至2009年…,40口,其中2009年新钻井3694口,水平井完井超过了95%,水平井及水平井分段改造技术已经成为页岩气开发的关键技术。总结美国以划分为以下4个阶段旧。5 J。1.1 第直井大规模水力压裂(术(1997年前)上世纪80年代初期,大多采用常规羟丙基瓜胶压裂技术,也试验应用过氮气泡沫压裂技术,到l 986年开始采用氮气助排的大型压裂技术,压裂液19000/40目支撑剂似680 t,施丁排量大于6m3/990年以来,型井产量(1.55~1.94)×104 m3/d;1992进行第1口水平井压裂。1.2第2阶段——直井大规模滑溜水压裂为主(1997—2002年)1997年,美国借鉴棉花谷致密气压裂成功经验,将滑溜水压裂技术引入到页岩气压裂中,最初的滑溜水压裂,用水量大于6000 撑剂用量一般超过100 工成本降低25%;1998年,大规模采用滑溜水压裂技术,其效果显著比大型冻胶压裂好,产量增加约25%,达到3.54×104 m3/d。1.3第3阶段一一水平井分段压裂技术开始试验(2002—2007年)2002年以来,许多公司尝试水平井压裂(水平段长450~1500 m),水平井产量一般是垂直井的3倍多。2004年,水平井分段改造和滑溜水压裂技术得到快速普及,采用水平井多段滑溜水压裂能获得更好效果,产量可达到6.37×104 m3/d;2005年,开始试验称之为“工厂化”作业的两井同步压裂技术∞J,或者是交叉式压裂技术(称拉链式压裂)。这种施加储层改造体积(平均产量比单独压裂可类比井提高21%、,55%,成本降低50%以上。1.4第4阶段——水平井套管完井及分段压裂技术逐渐成为主体技术模式(2007年以来)随着水平井分段压裂和“工厂化”作业见到显著效果,2007年成为水平井为主导大面积应用的起点。2008年北美超过80%的水平井采用套管完井技术,2009年有超过95%的井采用水平井完井。美国平井分段工具及技术理念的突破使得水平井分段改造技术得到大量应用与快速推广。如迅速地进入到大面积应用阶段,术指标不断提升…。2微地震裂缝诊断技术是水平井技术大面积应用的助推器2002年,S.C.、M.K.1等人针对测斜仪及微地震监测技术在统研究了压裂过程中的裂缝扩展形态及动态变化过程,发现裂缝在平面和纵向上的扩展呈复杂网状形态,不是单一对称裂缝,并发现增大注入液量以及采用水平井改造可以获得更大的改造体积,促使人们认识到水平井及水平井分段改造技术有可能是大幅度提高页岩气的关键技术。由此产生了增大油藏改造体积技术的雏形,笔者将这个阶段定义为体积改造技术的启蒙阶段。2004年M.K.等人研究了利用微地震裂缝监测技术来优化完善量的裂缝测试表明横切缝是产生裂缝体积的主要部分,同时给出了直井网络裂缝典型图,并用“通道长度”和“通道宽度”来表征裂缝扩展的长度和宽度,数据表明这些通道长度可达1600 m,宽度可达366m。M.J.2006年研究了1次用到改造的油藏体积(称个概念,研究了不同及相应的裂缝间距、导流等参数,总结提出了通过增加水平井筒长度、增大施工规模、增加改造段数、转向、多井同步压裂、重复压裂等方式实现增大改造体积、提高采出程度的技术思路。大量研究表明,储层改造体积越大,增产效果越明显,储层的改造体积与增产效果具有显著的正相关性¨2I。M.J.万方数据吴奇等:美国页岩气体积改造技术现状厦对我国的启示008年则第】次在标题中正式提出了“什么足改造的油藏体积”的问题.总结了以地震研究的一地初步认识,埘改造体积进行了计算,提出上缝网、小裂缝间距外配台台适的导流能山是低渗透页岩7 009年cl∞估了页岩气的改造效果.对比计算刖】溜水的改造体积较冻胶为页岩气体积改造优选液体提供时电进步验证积政造”j}矗五而;:荒w^,…f∞目#座&#产±∞&迪镕≈“体积改造”理念是页岩气大幅度提高单井产量的基础’什么屉改造的油藏体积但体秘政造”的理念“及}挫水的内涵也术进行系统总结=为口1改造”技术在吲内得到广泛的理解和J&川,笔者绗出“体#啦造的定义.片对其内涌勺作用进{r;f『{应的阐述.期型通过转变观念.深刻理解体税改造技术内涵“体积改造”技术逐渐成为低/特低渗透岩气等经济有教开发的荧键技术3.1“体积改造”的基本定义殛裂缝起裂与扩展新观念体积政造的定卫及n‘用:通过压裂的^式对储过分段多簇射7L、高排量、大液趾、低黏液体、以及转向材料及技术的应用,实现对天然裂缝岩石屡碑的淘通,以腿在『:裂缝的侧向强制形成救生裂缝,井在次小裂缝类推让#裂缝勺多缎次生裂缝空搏呵“进{砰”,使裂缝壁阿与储层1甚质的接触面积最大.使得油气从任意订向的基质向裂缝的渗流距离最短,极大地提高储层锥体渗透率,实现埘储佳住长,宽、高一维方同的仝面改造.该技术不仅可以太幅度捉高单井产茸,还能够降低储崖有救动用下限,最大限度提高储层动用宰和秉收率6体积改造理念的挺出,颠覆了经典压裂理现代压裂理论发展的基础。常规技术的最大特点就是假设压裂人r【}裂缝的垂向}.仍然是基质向裂缝的”长距离”渗流,最火的缺点是垂裂缝的渗流能力未得到改善.丰流通道无法改善储层的整体渗流能力后期的研究中尽管研究了裂缝的非平面扩腱.但也仅限于多裂缝、考f[}『裂缝.理}仑“体积改造”依据片定义形成的是复杂的网状裂缝系统.裂缝的起裂与扩展不简单是裂缝的张性破坏,而移、错断等复杂的力学行为”(罔2)闺区目2镕#&{《盎T∞裂&起鞋§#展{意目3.2“体积改造”的物质基础储层岩性其有显著的脆性特征,是实现体积改造的物质幕础大量研究及现场试,嘧裘明:不同区域储堪岩石矿物鲥分差异较大”,富肯石英或者碳艘盐岩等脆忡矿物的储层有利于产,.黏土矿物含蛄高的塑性地层不易形成复杂缝嗣,不同页岩储层体积改造时盹选用各自适应的技术对策4 如岩矿物组分分别为石英37 38%.碳酸盐岩19 13%,黏土4】】3%;』扣伊/蒙混层为主。巾于破裂压力作用下蜓易形成裂缝,使得天然裂缝对地层与水是该区域是滑溜水压裂能够在基木相似.晟大的差别就是不万方数据‘油拈袅工艺2011年3月{鲁青不能有效,裨浚此.该厦一A、}找新的压裂技术此外.阿肯色州I%再奘+%碳酸盐岩.5I%黏0,,I,景!9‰为伊前在往大咕试验“滑漓水十线性胶的复彳}』f:裂技术3.3“体积改造”实现条件研究表明天然裂缝状况及能否产牛复杂缝叫.是实现体积改造的箭、厅似、产状段数量直接膨有的贞岩产髓中.但任水力施口】都儿平时J“付不趁仟何胜{癌胶结物充填等.往脏掰正然裂缝的肝蛋的缝内净Ⅲ体的黏度接排量密切相咒。{然裂缝的开启所需要的净压力较岩石基质破裂压力低50%’.同样.打模型研究复泉天然裂缝1_人市{葵哪,研究表码}.往体枞投遗然裂缝系统会蜓容易先j:耩柑)r 和敬牛裂缝的存在能够增杂裂缝的t】『能性.从析擞大地增大政造作积罔,宣)为曲南某储层的页符露头在外力作用下彤成的复杂缝M,)足体观悼税政遗形成既有上缝.叉有分枝缝,以及缴馈交错缝网系统的示恿时以及是舌能够形成缝耐,与储层的岩石,。} ,.,龋圈墨瑟蠢窦蟠{蚺{惠目4美国页岩气储层改造主体技术是推动“页岩气革命”的关键美1商以设扦赴r^蛳度降低成本的水甲仆钻外和 联改造的、速溜小多段压裂,实现页岩气有效开发的储层改造技术盖毽士要体现在眦4.1分段多簇射孔技术“分段多簇”射扎实施应力f:扰世交班体税改造的技术盖键8.常挑球平段压裂进{段射孔{隅4芹)+译段脏裂模式.避免缝间l:扰;体积政造时优化段问距9扎¨刳4右).多段_起横式利用缝酬干扰促使裂缝转向产生复杂缝网分段多簇射缆传输,液塞脱离、分级引爆.排精通常为16 m‰忆单孔流世o 27m’/m m.主兽也帮桥摩以艘射扎枪定位技术、桥塞与射孔幢分离技术、分擐0扎跟数“施丽葛]厚佣嘲堕生蔓些■■●‘●■■■鲡m&№《镕^r ”n&q《∞15∞m 4目Ⅸ& 女目#口#分段&裂々镕积《式对±4.2快速可钻式桥塞工具该八方式通常采川(琏续)}州}.水^爬行器或水力泵^’ 坎术特点包括节省铺月f(同|叶甜】易排…(钻掉时 h):适用十套管M裂.t】114 3 l 39 7177 8婴诚塞送^及啦封技术、桥鹰2技术4.3大型滑溜水压裂技术基奉特点为大液址,人排拭大砂盘、小粒径、低砂l{= 平段长1000~1500m.分8一l 5段,每段分4~6簇.每族长度O 46~O 77肌簇间距20~30 m.排世10 m●均砂比3%~5%.料段怍裂渣量100¨l 500 m’.每段支撑剂量100~200 t,体系采用滑漓水+线性胶组台力式,以40,70 岩气求平J}的康平段避束越长,为l 372—2134 m:改进段数罐米越多.为10—24段;段间距越米越缸.约为00m;规樱越束越大.饵段他万方数据吴奇等:美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示 5用2067 75 究表明,液体黏度越低,越易实现体积改造;支撑剂类型、组合方式及砂浓度依储层闭合应力、压裂液携砂能力而定,表l 不同类型液体与支撑剂最佳匹配关系5体积改造技术的启示及我国未来发展方向美国非常规天然气开发历经百年,近4年发展迅速,总结分析美国非常规天然气成功开发经验,认为实现“页岩气革命”的关键主要有3点:(1)创新理念是推进技术跨越发展的动力;(2)工厂化作业是低成本开发的关键模式;(3)工具进步是实现体积改造的技术核心。这3个方面的共同进步促使了体积改造创新理念的不断发展与完善,带动了对经典压裂改造理论的思考与发展。5.1把握体积改造基本内涵。明确未来改造技术发展方向通过创新理念,积极转变观点,逐渐实现从经典理论下的压裂技术走向体积改造技术。在借鉴美国页岩气改造技术所得启示的同时,系统总结围内储层改造技术特色,研究适合我国页岩气储层的体积改造技术,探索研究以下关键问题:什么样的储层容易形成缝网?什么样的储层(井网)更适合体积改造?网络缝作用的距离有多大?什么样的缝网是有效的?适合体积改造的液体是什么?如何进行施工控制与检测等。这些问题的解决有望快速推动中国石油的页岩气有效开发。其次,在探索研究适合低渗致密砂岩油气藏改造新途径的同时,思考火山岩、碳酸盐岩等天然裂缝发育储层的体积改造技术方向,重点研究天然裂缝的“堵”与“疏”。体积改造重点是“疏通”天然裂缝,其技术思路与常规压裂有所不同,笔者将两者区别总结列于表2,供读者思考。对于纵向上有几个层系的储层,考虑采用双分支或者多分支水平井技术,开展相应的水平井改造工具与技术研究攻关,发展纵向剖面与平面相结合的“立体体积改造技术”。表2裂缝性储层传统压裂及体积改造理念对比5.2借鉴国外研究成果。厘清体积改造技术的渗透率界限层渗透率大小对体积改造技术有效七≤1×10-3¨缝网络对产能极限贡献率在10%左右;当七≤l×10巧岫2,裂缝网络对产能极限贡献在40%左右;当七≤1×10。7哪2,裂缝网络对产能极限贡献在80%左右。这说明,储层渗透率越低,次生裂缝网络在产能贡献中的作用越明显,体积改造效果越好。同样还有研究表明,如果储层形成了高导流能力主裂缝,则对裂缝网络的导流能力的要求可以降低,这是为何页岩气储层可以实施低砂比压裂的一个关键研究成果。借鉴体积改造技术理念,不仅可以有效开发页岩气,同样对于致密气和超低渗乃至致密油藏的改造都有重要的指导意义。近年来,北美地区以×10’5岬2或更低)利用水平井分段改造得到了快速发展∽J。由此可以看出,中国石油目前的储层渗透率动用下限不断降低,从上世纪80年代末的5×岬2,90年代中的l×2(安塞油田)以及o.5×10。3心(姬塬油田),到目前不断攻关的0.3×10。岬2(华庆油田);致密气藏大多在O.01×10。3岬2以下。大力研究并应用适合中石油的体积改造技术,是不断提高储量动用率的最佳技术途径。5.3集成完善工具设备研发与应用,推动储层改造技术进步促使美国页岩气实现经济有效开发的关键技术在于工具技术的突破。关键的工具及配套技术主要为:快速可钻式桥塞及配套工具、分段多簇射孔工具及控制技术。目前国内正在加速相应的技术攻关,有望在近年实现突破。此外,长庆油田研发的双喷射器水力喷射压裂工具是国内实现分簇射孔以及体万方数据6 石油钻采工艺2011年3月(第33卷)第2期积改造的现实工具,可以通过完善提高性能在页岩气以及致密油气中进行试验应用。同样,系统研发大型压裂配套设备,对提高现场施工水平与质量控制能力起着重要作用。在大流量连续混配设备与技术方面,美国的快速释放黏度的降阻液溶胀时间小于3 车最大排量达到9.4m3/大连续混配排量15.9 m3/国单车最大排量4.5 m3/常使用排量1.5—3.5 m3/前正在研发排量6 m3/国外相比还存在较大差距。在储砂设备及连续输砂设备方面,美国大多使用国外采用储砂车,分4个车厢,每个车厢容量不同(113 4 9 3 7可满足不同粒径支撑剂存放,最大输砂速度5.1m3/内用立式罐,单罐装砂100 用于西南丘陵山区,更大砂罐在现场组装而成。在压裂车组方面,有必要研发2800乃至3000型压裂车组,大功率车组的使用,对于页岩气储层改造而言,有利于提高排量,同时减少单井动车数量,减少占地面积,也能满足塔里木等地区超深井、超高压井的施工需求。5.4实施低成本战略,系统优化工艺方法5.4.1优化布井方式,发展丛式井水平井钻井技术,为同步压裂创造条件苏里格等分流河道砂最小水平主应力与砂体展布方向一致,大力推广南北向打双水平井,探索双“U”型,双“山”型井,实施同步(交叉)压裂,降低成本,提高效率。广安须家河等大面积分布低渗砂岩可以考虑丛式井组(丛式水平井)同步(交叉)压裂技术。页岩气从一开始就考虑如何采用水平井组交互钻井及体积改造的作业模式,提高效率,降低成本。5.4.2开展返排液的处理、再利用技术研究与应用,降低成本,保护环境美国不同页岩气区域用水量大致相同,一般11 000 近年来随着水平段长度的增加,分段数的增加,用液量也在逐渐增大。回收处理再利用技术已成为页岩气改造中实现低成本的一项主要技术。5.4.3研究低成本高性能压裂液及支撑剂材料,大幅度降低材料成本研究超低密度的支撑剂,低摩阻低成本快速释放黏度的滑溜水,控水锁、改变润湿性、降低毛管力的微乳液,超低浓度瓜胶以及低分子可回收瓜胶等。对于超深井,降低施工压力的有效技术途径是除了研究低成本高温高密度液体加重技术外,还要进一步研究降低液体摩阻的新型液体与技术,以降低开发成本。6结论美国非常规气的有效开发,改变了世界能源的格局。特别是页岩气的体积改造技术的提出改变了人们对压裂技术的认识,实现了理念上的革命,大幅度提升了储层改造在油田勘探开发中的作用和地位。近年来,我国低渗透气藏压裂技术取得了长足的进步,提高纵向小层动用程度,扩大水力裂缝渗滤面积的压裂技术在低渗透气藏开发中发挥了重要作用。但是与国际先进水平相比仍有较大的差距,还需要积极面对现实,转变观念,紧跟国外压裂技术发展趋势,持续努力攻关,以提高小层动用程度和体积改造为目标,全力推动低渗透气藏压裂增产技术上台阶,大幅度提高单井产量,为不断开创天然气发展新局面做出新的、更大的贡献。参考文献:[1]阎存章,李鹭光,王炳芳,等,北美地区页岩气勘探开发新进展[M].北京:石油工业出版社,2009.03.[2] E,et in j.4884.1992.[3 J A=,R 06070.2007.[4] K,et t0 d“a I.30369,205 J N,et 勰e of 1.16124.2008.[6]、, D,, et of ].38134,207] C,,et of J.002.[8] K, A, M,ct to ].。2002.[9] K, R, D,et in ].万方数据吴奇等:美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示 70051.2004.【 J, P,,et of ].02103,2006.【 C, K,&et by ].0280l,2006.[12] J’只凡et a1.[R].19890.2008.[13] L, P’.e任.in ].24843,2009.[14]'& s,ct a l,].l 06289,2007.[15] et pr∽of f.0r of ].15258,2008.[16] ,.f.in 7][18][19][20][21]].a 008一01.t0 at l R J.l 12377,2008. L,、7氏J,et he ].15769.2008..et ew in of in ].010., D.].010.张杰,徐安建,李翠楠,等.泥页岩水化对气井钻井井壁稳定性影响规律研究[J].石油钻采工艺,2008,30(2):10.12.(修改稿收到日期2017)(编辑付丽霞]争争争争争争争争争争争争争夺争争争争争争夺争夺争争争夺争争争夺争争争争争争争争争电率8.76%。该补偿仪根据闸门原理设计和实验成功,主要由测试、分析和控制三大部分组成。抽油机启动后由测试机构对原工况进行综合测试,将测试结果传送给分析机构,经过分析之后,得出一个最佳工作电流,再将分析结果传给控制机构,最后由控制机构发出指令,使仪器在最佳工况下运行,达到节电之目的。补偿仪的额定电压380 V,三相;额定容量)a?5 态响应时间小于0.2 s;工作电压允许偏差士20%;仪器在短路、缺相、过压、欠压、过流等状况下能够实现自动保护。停电自动退出。应用该补偿仪功率因数可提高到原来的3倍,对线路和变压器增容70%以上,而电流值降到原来的三分之一。发现任何问题,共节电3967 kW.h。(供稿朱金发)万方数据美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示作者: 吴奇, 胥云, 刘玉章, 丁云宏, 王晓泉, 王腾飞, i, 吴奇,i(中国石油勘探与生产分公司,北京,100007;北廊坊,065007), 胥云,刘玉章,丁云宏,王腾飞,北廊坊,065007;中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊,065007), 王晓泉,国石油勘探与生产分公司,北京,100007)刊名: 石油钻采工艺英文刊名: (期): 2011,33(2)参考文献(21条)安建;李翠楠 泥页岩水化对气井钻井井壁稳定性影响规律研究 2008(02); D ew in in L; R; J 15769 to at 12377 ; in of of 15258 20088
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