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技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键71246477

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技术进步 推动 美国 页岩 快速 发展 关键 71246477
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第29卷第5期 天然气工业 技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键* 黄玉珍 黄金亮。 葛春梅 程克明 董大忠 1.中国石油对外合作经理部 2.中国石油勘探开发研究院 黄玉珍等.技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键.天然气工业,2009,29(5):7摘 要 近年来,美国页岩气的勘探开发步入大规模快速发展阶段。除了得益于天然气市场需求的增长、国 家政策扶持等因素外,技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键因素,其中钻井、完井与增产技术的进步,尤其 是水平井钻井、水力多段压裂、重复压裂、同步压裂以及裂缝综合监测等技术的突破与广泛运用起着极为重要的作 用。美国页岩气勘探开发的巨大成功表明,只要突破传统的勘探思想,坚持不懈地开展技术创新,仍然能够使分布 广泛的页岩气资源量逐步转化为经济和技术可采储量。 关键词 美国 页岩气 技术进步 关键因素 水平井 压裂 裂缝监测 0.3787/J.000—0976.2009.05.002 1 近年来美国页岩气产量大幅增长 美国页岩气开采最早可以追溯到1821年,22化发展阶段,至80年代末累计产量达到840×10。 m。。1989 1999年,美国页岩气生产整体保持较高 速度增长,年产量翻了近两番,达106×10 m。。进 入2000年以来,美国页岩气产量大幅增长,处于快 速发展阶段_1](图1)。 2 500 2 500 000 500 O 00 8 000 6 000 r、 d 000 2 000 O 999 20007 年份 图1 1990~2007年据008年修改) 目前,美国有5大商业性页岩气生产盆地,即密 歇根盆地(阿帕拉契亚盆地()、伊里诺斯盆地(沃斯堡盆地 (圣胡安盆地(5大盆 地页岩气地质资源量12.85×1O ~25.14×1O m。,探明地质储量6 994.3×10 。 在美国五大页岩气盆地中,尤以沃斯堡盆地 993年岩气年产量仅7.9×10 m。,至2007年8 960口页 岩气生产井产气量猛增近4315×10。m 引, 超过2006年全美页岩气总产量(图2)。据美国能源 信息署(006年公布的数据,主产区分别为第二和第三,并且随着勘探开发程度不断 扩大及技术的进步,沃斯堡盆地陆续发现了一大批 具有商业性开采价值的页岩气气田 ],美国联邦地 质调查局(其他研究机构对技术可采储量的评估值也迅速攀升,由1990年的 390×10。990)、1996年的840×10。(996)、2004年的7 300×10 2004)增至2005年的1.1×1O 005)[4 伴随着页岩气在沃斯堡盆地大的成功,美国众多油气公司对页岩气的投资热 情日益高涨。截至2007年底,美国有64家油气公 司进行页岩气商业开采[7]。最近,美国在5大盆地 之外更大面积范围内开采页岩气资源,新兴页岩气 勘探开发区块近70个,其中本文受到中国石油天然气股份公司对外合作非常规天然气技术攻关项目(编号:1)的资助。 作者简介:黄玉珍,1962年生,高级工程师;1985年毕业于原江汉石油学院,主要从事油气勘探与开发对外合作工作,现任 中国石油天然气股份有限公司对外合作经理部新项目处处长。地址:(100007)北京市东城区东直门北大街9号。电话:(010) 59986775。 7 · 天然气工业 2009年5月 一300 200 100 0 1994 1996 1998 2004 2006 年份 图2 1993~2007年沃斯堡盆地年产量变化曲线图 (据008年[ ];008年修改) 集带正成为继页岩气开发热点地区,2007年页岩气产量达25.2 ×10 m。。 2美国页岩气勘探开发成功的启迪 从页岩气的实践在美国获得的巨大成功来看, 除了依赖于天然气市场需求的增长、国家政策扶持 (如美国《联邦税法》第29章——非常规能源生产税 减免政策)外,勘探与开发技术的突破及规模推广运 用是其中最关键的因素。页岩气的发展无不与科技 进步紧密相连,勘探开发技术的创新与推广是页岩 气开发取得成功的引擎,技术进步推动了并将继续 推动页岩气的持续快速发展。 开发技术的创新尤其是水平井钻井、压裂技术 以及裂缝综合诊断技术的进步与广泛运用在推动沃 斯堡盆地要的作用。1981年,程中偶然发现显示良好的 1981年第一口发现井到1992年历经10 9口,开发缓慢。1997年后,水力压裂开始取代凝 胶压裂成为页岩气主要的增产措施,开发也随之加快了前进的步伐。随着1999年重 复压裂、2003年水平钻井以及2005年水平井分段压 裂等一系列新技术的广泛运用,度惊人(图2),从1997~2007年的10 29口页岩气井投入生产 (其中水平井4 973口,占50 以上)。新技术的运 用同样使,截至2008年1月,96 ×10 d,累计产量1 044.9×10 13]。 3技术进步推动美国页岩气快速发展 3.1 水平井是页岩气开发的主要钻井方式 与直井相比,水平井在页岩气开发中具有无可 · 8 。 比拟的优势:①水平井成本为直井的1.5~2.5倍, 但初始开采速度、控制储量和最终评价可采储量却 是直井的3~4倍[9]。沃斯堡盆地的垂直井在2006年上半年页岩气累积产量为 991.10×10 m。/d,而同期最成功的水平井产量为 2 831.7×10 m。/d,为直井产量的近3倍[5]。②水 平井与页岩层中裂缝(主要为垂直裂缝)相交机会 大,明显改善储层流体的流动状况。统计结果表明, 水平段为200 直井钻遇裂缝的机会 多几十倍_③在直井收效甚微的地区,水平井开 采效果良好。如在 平井克服了石灰岩层的限制, 避免了低了压裂 风险以及增产效果明显,在外围生产区得到广泛的 运用 ]。④减少了地面设施,开采延伸范围大,避免 地面不利条件的干扰。 2002年以前,垂直井是美国页岩气开发主要的 钻井方式,随着2002年界开始 大力推广水平钻井【4],水平井已然成为页岩气开发 的主要钻井方式。2井数迅速增加,2003~2007年累计达4 960口,占O 以上,2007年完钻2 219口水平井,占该年页岩 气完井数的94 (图2)[3]。 水平井位与井眼方位应选择在有机质与硅质富 集、裂缝发育程度高的页岩区及层位,水平井的方位 角及进尺对页岩气产量产生重要的影响一般水 平井选择与主要裂缝网络系统大致平行的方位钻 井,能够生成众多横向诱导裂缝,使天然或诱导裂缝 网络彼此联通,增大了气体接触表面积,提高页岩气 采收率。在水平钻井过程采用钻测井)和 自然伽马测井曲线在页岩段内定向控制和定位,应 用对比井数据和地震数据避开已知有井漏问题和断 层的区域。水平钻井取得成功的关键是有效的井身 设计,利于节约完井和管理成本。钻井作业采用泥 浆系统、井下钻具以及定向设备等常规钻井技术。 采用地质导向技术,确保在目标区内钻井,避免断层 和其他复杂构造区,否则会导致钻穿目标区,或者发 生井漏。通常,水平段越长,最终采收率和初始开采 速度就会得到越大的提高。根据美国公布的数据, 最有效的水平井进尺包括造斜井段一般为914~ 1 2l9 第29卷第5期 天然气工业 3.2压裂增产技术的进步显著提高了页岩气的 产量 3.2.1 美国页岩气压裂增产措施的发展历程 含气页岩储层的基质孑低,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 。 20世纪70年代,美国的经营者对东部泥盆纪页 岩气开发中曾采用裸眼完井、硝化甘油爆炸增产技 术来提高天然气的采收率_1幻;20世纪8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倍口 。进入21世纪后,随着水力压裂、 重复压力及平行压裂等新技术的运用和推广,极大 地改善了页岩气井的生产动态与增产作业效果,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。 沃斯堡盆地直井小型交联凝胶或泡沫压裂、直井大型交联凝 胶或泡沫压裂、直井减阻水力压裂与水平井水力压 裂等多个阶段,增产效果极大地提高(图3)L】 。如 .沫压裂,12 0 1关井 2 .5 30×10 m。;再次关井2 得 210×10 m。的产气量;截至2007年底,这口最初被 认为无经济价值的页岩气井累计产气量已达 3 817.5×10 0 g 茎 一 皿Ⅲ_】 图3压裂新技术的运用改善据006年) 注:1 .831 7×10 m。 3.2.2 水力压裂 由于页岩气产能较低,通常埋深大、地层压力高 的页岩储层必须进行水力压裂改造才能够实现经济 性开采。水力压裂技术以清水为压裂液,支撑剂较 凝胶压裂少90 ,并且不需要黏土稳定剂与表面活 性剂,大部分地区完全可以不用泵增压,较之美国20 世纪90%~60 ,并能提高最终估计采收率,目前已成为 美国页岩气井最主要的增产措施(图4)m 。 图4 .2.3水平井分段压裂技术 在水平井段采用分段压裂,能有效产生裂缝网 络,尽可能提高最终采收率,同时节约成本口 。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。如美国新田公司位于阿科马盆地 水力压裂措施改造后,增产效果显著,页岩气产量 高达14.16×10 m。/dⅢ7 (表1)。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。 表1新田公司阿科马盆地:据007年。 3.2.4重复压裂 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。美国天然气研究所(究 · 9 。 天然气工业 2009年5月 证实,重复压裂能够以0.1美元/ 8.317 m。)的成本增加储量,远低于收购天然气储 量0.54美元/5美 元/平均成本_1引。如图5所示,得克萨斯州 重复压裂方法压裂后,页岩气井产量与估计最终 可采储量都接近甚至超过初次压裂时期(图5)[173。 图5得克萨斯州直井重复压裂后气产量变化图 (据R.M.007年) 3.2.5 同步压裂 2006年,同步压裂技术开始在完井中实施,作业者在相隔152~305 口平行的水平井同时进行压裂,显示出广阔的发 展前景[7]。由于页岩储层渗透性差,气体分子能够 移动的距离短,需要通过压裂获得近距离的高渗透 率路径而进入井眼中。同步压裂采用的是使压力液 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,来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面 积。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。 3.3裂缝综合监测技术 页岩气井实施压裂改造措施后,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,改善页 岩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。 推断压裂裂缝几何形态和产能的常规方法主要 包括利用净压力分析进行裂缝模拟,试井以及生产 动态分析等间接的井响应方法。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。该技术有以下优 点[2。。:①测量快速,方便现场应用;②实时确定微地 震事件的位置;③确定裂缝的高度、长度、倾角及方 · 1 0 · 位;④具有噪音过滤能力。 作为目前美国最活跃的页岩气远景区,沃斯堡 盆地震描述技术的重要性【2 。经营者运用该技术认 识到天然裂缝和断层对水力压裂裂缝的延伸及储层 产能和开采产生很大影响。2005年,美国上,准确地确定了行的4段清水压裂的裂缝高度、长度、方位角及其 复杂性,改善了对压裂效果的评价 4结论与建议 美国页岩气的高速发展表明,页岩气在经济上 获得成功除了天然气价格上涨、天然气需求增加以 及国家政策扶持等因素外,以下开发技术的进步与 推广运用是最关键的影响因素: 1)水平井钻井与分段压裂技术的综合运用,使 页岩开发领域在纵向和横向上延伸,单井产量上了 新台阶。 2)由氮气泡沫压裂发展到水力压裂,针对不同 性质的页岩产层选择合适、经济的压裂措施,页岩气 井完井成本大幅度降低。 3)重复压裂与同步压裂通过调整压裂方位,能 够改善储层渗流能力,延长页岩气井高产时期。 4)裂缝监测技术能够观测实际裂缝几何形状, 有助于掌握页岩气藏的衰竭动态变化情况,实现气 藏管理的最佳化。 实践证明,只要突破传统的勘探思想,坚持不懈 地开展技术创新,仍然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。 参 考 文 献 [1]B/t WW. B.].002,86(11):1921[33 .in a L~.} . F.of as a J].2007,91(4):399—403. ].007, 12—15. (下转第44页) 天然气工业 2009年5月 定,测试平均结果分别为0.43 m。/t(3次)、0.83 m。/ t(5次)和0.40 m。/t(5次)。由此看来,威远地区下 寒武统九老洞组下部含粉砂质黑色页岩中含有一定 数量的页岩吸附气,这已是不争的事实。 威远地区下寒武统九老洞组页岩层段气显示平 面分布特点表明:该区不仅在震旦系灯影组顶面构 造及其气水界面内的探井有显示,在构造边界外2~ 18 其显示的级别并不因为距 气水边界远而降低。事实说明,该区页岩中的气显示 并不受构造因素控制,而与其有效页岩分布相关。事 实再次表明,这正是页岩气藏的重要成藏特点之一。 综上所述,中国上扬子区下寒武统筇竹寺组下 部黑色页岩及碳质页岩具备形成页岩气藏的地质~ 地球化学条件,当务之急是选择经济效益和技术条 件更有利地区进行先导试验,以期尽快在该领域获 得新的突破。 在成文过程中,还参考了以下资料:王世谦等,《主要含油 气盆地资源评价附件之四川盆地油气资源评价》,中国 石油西南油气田公司,2002;《四川盆地及其邻区寒武系综合评 价》,中国石化西南分公司石油地质综合研究大队,1970。 参 考 文 献 [1]梁狄刚.我国南方海相烃源岩发育的控制因素第十 一届全国有机地球化学学术会议论文摘要汇编,[出版地 不详]:[出版者不详],2007:2[2]梁狄刚,郭彤楼,陈建平,等.中国南方海相生烃成藏研究 的若干进展(一):南方四套区域性海相烃源岩的分布 [J].海相油气地质,2008,13(3):1 L,.in :on 008,56(1):1[4]黄籍中,陈盛吉,宋家荣,等.四川气田形成中国科学:006,26(6): 5 1O. [5]00.页岩气藏的开发油田新技术 (斯伦贝谢公司),2006年秋季刊:18~31. [6] B.].2002,86(11):1921—1938. (收稿日期2009—03—16编辑韩晓渝) 写 e; e; e; \ e; \ ; ;\ ; ;\ ; 分 (上接第1cn/.997一15]付玉,郭肖.煤层气储层压裂水平井产能计算[J].西南 2008)[L].tx.us/油学院学报,2003,25(3):44—46. 008.[16]he et 复压裂方法[L].007,2cn/003/0 17] M.r R].of in 007,14—17. 9] H, 007,91(4):551:578. [R]..]:005. [18]刘莉萍,秦启荣,李乐.川1o]王德新,彭礼浩,吕从容.泥页岩裂缝油、气藏的钻井、完 测[J].西南石油学院学报,2004,26(4):10—13. 井技术[J].西部探矿工程,1996,8(6):15—17. [19] L, R,et 力 [11] R.泥盆纪页岩气藏的评价[J].陈武, 压裂监测新方法[L].译.油气工业技术情报,1991(5):1—11.005/ 00[12] G, D, T,et 2O]王治中,邓金根,赵振峰,等.井下微地震裂缝监测设计 s 及压裂效果评价大庆石油地质与开发,2006,25 r C]∥6):76—79. 984. [21] K.综合裂缝绘图技术优化13]纪数培,李文魁.高能气体压裂在美国东部泥盆系页岩 增产措施国外油气地质信息,2006(1):8气藏中的运用[J].断块油气田,1994,1(4):1修改回稿日期2009—03—2E 岩气藏的开采[L].· 44 ·
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