• / 6
  • 下载费用:1 下载币  

9页岩气钻采技术综述

关 键 词:
页岩 气钻 技术 综述
资源描述:
第6期 中外能源 35· 摘 要 关键词 页岩气钻采技术综述 张卫东 ,郭敏 ,杨延辉 (1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061; 2.中国石油华北油田勘探开发研究院,河北任丘062552) 页岩气开采已成为全球资源开发的一个热点。页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率,开采寿命长,生产周期长,采收 率变化较大,且低于常规天然气采收率。不同于常规天然气的开采特点决定了页岩气开发具有其独特的方式。水平 井技术对于扩大页岩气开发具有重大意义,水平井的成本一般是垂直井的1~1.5倍,而产量是垂直井的3倍左右。 水平井技术结合合理的开 采。压裂增产技术是页岩气开采的另一种方式。清水压裂技术用于产生更密集的裂缝网络,形成额外的渗透率,使 气体能更容易流向井中,从而生产出大量地层天然气;多层压裂技术常常用于垂直堆叠的致密地层的增产:重复压 裂技术用于在不同方向上诱导产生新的裂缝,从而增加裂缝网络,提高生产能力;还有最新的同步压裂技术。即同 时对两口或两口以上的井进行压裂。这些压裂技术结合室内实验和测井技术,使得页岩气具有更大的发展潜力。 页岩气水平井技术清水压裂技术多层压裂技术重复压裂技术同步压裂技术 1前言 页岩气是从页岩层中开采出来的,主体位于暗 色泥页岩或高碳泥页岩中.以吸附或游离状态存在 于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天 然气聚集。近年来由于天然气供需关系、价格上涨、 开采技术进步等因素的影响。页岩气的开采已成为 全球资源开发的一个热点。 2开采特点 页岩气产自渗透率极低的沉积岩中,大部分产 气页岩分布范围广、厚度大,且普遍含气,使得页岩 气井能够长期地稳定产气。一般情况下,页岩气开 采具有3个特点: ①生产能力低或无自然生产能力。由于页岩 气储集层通常呈低孔、低渗透率。气流阻力比常规 天然气大,难以开采,因此所有的井都需要实施储 层压裂改造才能开采出来。目前。在页岩气井中实 施2次以上增产措施的尝试已在美国实现了。 ②井的寿命和生产周期长。页岩气在泥页岩 地层中主要以游离态和吸附态存在。游离气渗流速 度快,初期产量较高,但产量下降快;相反,吸附气 解析、扩散速度慢,产量相对较低,但属于页岩气稳 产期。进入该时期后产量递减速度慢,使得生产周 期变长,一般页岩气井生产寿命可达30—50年【1]。 ③采收率变化较大,并且低于常规天然气采 收率。根据埋藏深度、地层压力、有机质含量和吸附 气量等,不同页岩气藏的采收率不同(见图1) 且相关数据还表明,页岩气采收率通常低于常规天 然气采收率。常规天然气采收率可达60%以上.而 页岩气仅为5%~60%。 ^ 斟 a 20 O 。 . . 层 图金项目:本文为中国石油华北油田公司20目“勘探开发前缘技术研究”(项目编号:.Ⅳ一 2分内容。 作者简介:张卫东,副教授,1990年毕业于中国石油大学(华东) 钻井工程专业,主要从事石油天然气工程教学与研究工作。 36· 中外能源 010年第开发方式 不同于常规天然气的开采特点,决定了页岩气 开发具有其独特的方式。目前美国已经拥有一些先. 进技术可以提高页岩气井的产量,主要包括水平井 技术和多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技 术、同步压裂技术等,这些技术正在不断提高着页 岩气井的产量。 3.1水平井技术 页岩气是存在于页岩裂缝等空隙中的天然气, 要使其尽可能地流人井筒,就必须合理利用储层中 的裂缝.使井筒穿过尽可能多的储层。现在业界多 利用水平钻井技术来进行页岩气的开采,虽然该技 术并不是一项新技术,但是对于扩大页岩气开发却 具有重大意义。 水平井的成本一般是垂直井的1~1.5倍.例如 800一700万美元。而产量是垂直井的3倍左右)。与此同时,现代钻井技术已发展到了允许钻机 转弯,钻头还可以准确地停留在一个狭窄的定向垂 直窗口。由于水平部分很容易控制,所以能使页岩 气资源从相同储层但面积大于单直井的地理区域 流出。以美国宾夕法尼亚州的例,一口垂直井的驱替体积大约只有直径132理面 层状黄铁矿结核 (104.8同)、高5相比之下,水平井可延长至2000—600替体积 可达600约是直井驱替体积的 5.79倍还多。驱替体积的增加使水平井比直井具有 更多的优势。 耋 一v {L 0盏 坤 0辕 1;卜 O 生产时l司,d 图2北美页岩气井产量对比 一水平井平均产量;一直井平均产量;…一比率 说明:O.028317m 在钻井过程中,井筒穿过裂缝。阻率扫描成像测井显示出水平井钻遇的裂缝和 层理特征,见图3。钻井引发的裂缝出现在钻井轨 迹顶部与底部,终止于井筒应力最高的侧面。井筒 钻穿的天然裂缝垂直穿过井筒顶部、底部和侧面。 图中颜色较深的黄铁矿结核非常明显。与层理面平 行出现。 横向裂缝 层理面 图3井筒穿过裂缝 水平井位与井眼方位应选择在有机质与硅质 地震数据进行对比。可以避开已知有井漏问题和断 富集、裂缝发育程度高的页岩区及层位,水平井的 层的区域。 方位角及进尺对页岩气产量有着重要影响l 2l。理论 水平钻井能否取得成功要取决于有效的井身 上讲,在与最大水平应力方向垂直的方向上进行钻 设计,采用三维地震解释技术能够更好地设计水平 井.可以使井筒穿过尽可能多的地层而与更多的裂 井轨迹。采用该技术可使页岩钻井活动一直扩展到 缝接触,从而简化在压裂过程中流出井筒和在生产 被认为没有生产能力、含水的区域。但是,常规定向 过程中流入井筒的情况,提高页岩气采收率。如今, 钻井技术可能在井筒造斜过程中受到由滑动和旋 将钻测井)技术应用于水平井钻井,能够实 转引起的扭矩和阻力的影响,限制横向位移,加大 时监控关键钻井参数;将自然伽马测井曲线应用到 测井难度。解决这个问题的方法是在开采较直的、 水平井钻井中,可以进行控制和定位;将井数据和 曲折度不大的井时,采用旋转导向系统【3]。某些情 第6期 张卫东等.页岩气钻采技术综述 ·37· 况下,从水平段底部到顶部的倾角变化低于0.5 除此之外,附近地层电阻率仪器等即时识别天然裂缝【5l。解决相关测井问题。应用该 类技术后,可以分析整个井筒长度范围内产生的电 阻率成像和井筒地层倾角.而且成像测井可以提供 用于优化完井作业的相关信息,如构造信息、地层 信息和力学特性信息等。例如。通过对地层天然裂 缝与诱发裂缝进行比较,可以确定射孔和油井增产 的最佳目标;在进行加密钻井时。通过井眼成像可 识别邻井中的水力裂缝.继而有助于作业人员在储 层中原先未被压裂部分实施增产措施。井中诱发裂 缝的存在及方向,对确定整个水平井的应力变化及 力学特性非常有用。 钻井作业还采用井下钻具、定向设备以及泥浆 系统等常规钻井方式。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【 。一般水平段越 长,最终采收率和初始开采速度也就越高。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914~1219 3.2压裂技术 3.2.1清水压裂技术 水力压裂是一种储层增产技术,用于产生更密 集的裂缝网络。形成额外的渗透率,使气体能更容 易流向井中,从而生产出大量地层天然气。水力压 裂技术的不断改进,使之成为一项在特殊地层区域 布置裂缝网络的非常复杂的工程过程。 水力压裂处理方法针对目标页岩设置了专门 的参数,包括厚度、局部应力条件、压缩性和刚性。 局部条件用于计算机模型来设计具体地点的水力 压裂处理过程,并优化新裂缝。页岩气藏和它们之 间要进行压裂的间隔都很厚.所以将水力压裂分为 几个阶段往往更加有效.每一个阶段都重点对储层 的一个连贯部分进行处理。每个工作阶段都孤立于 井内.从而使压裂设备的所有容量可用于单个储层 单元【8】,这可以在垂直或水平井中收到良好效果。 在对一口井施压裂 措施之前。通常会进行一系列的测试。以确保井、井 口设备和压裂设备的正常工作.并经得起压裂措施 的压力和泵率。表面设备经过测试后,水力压裂过 程便首先开始泵人“岩石酸”——常常是用盐酸来 清理可能被钻井泥浆和水泥封堵的近井地带。 下一步是清水压裂,即采用添加一定减阻剂的 清水作为压裂液。这种压裂液的主要成分是水.以 及很少量的减阻剂、黏土稳定剂和表面活性剂。清 水压裂在低渗透气藏中能取得更好的效果,而且该 技术已经成为开发如得克萨斯州的主要开采手段技术在不减产的前提下能 节约30%左右的成本,而且清水压裂也很少需要清 理。且可提供更长的裂缝,并将压裂支撑剂运到远 至裂缝网络。经过第一次水栓后,作业者将大量带 有少许细砂的清水压入井中开始压裂过程,随后使 用大量带粗砂支撑剂的清水使裂缝靠近井筒开窗 处【最后一步是冲刷过程,将支撑剂从设备和井 筒开窗处移除出去。冲刷之后,下一步的处理阶段 就从新的孔洞开始,这些孔洞都具有其自身特定的 储层参数,包括厚度、局部应力、压缩性和刚度。这 个阶段的压裂需严密监控。通过压裂井与井水平井还是直井)之间的间隔区域,作业者能够 进行调整从而适应页岩气储层的局部变化。其中包 括岩性、自然分裂、刚度的变化和应力状态的变化。 压裂的具体过程是通过模拟设备来确定的。工 程师和地质学家可以操纵模拟器并评估其对裂缝 高度、长度和定位方向的影响[81。从模拟系统获得的 推测数据可以用于监测和评价压裂工作的结果。同 时还可以通过微地震测绘的方式来进行实时控制。 这种技术可以在孔洞的东西和南北方向上找到断 裂终端,进而沿着轨迹找到它们开始的源头。尤其 重要的是在垂直方向上的裂缝的增长.作业者会格 外关注这种裂缝,以确保这些裂缝没有偏移出页岩 储层和邻近水域,因为这种裂缝会降低页岩气井的 经济效益。在压裂处理过程中,作业者会在水砂混 合物中加人大量化学剂.每一种化合物都会起到一 定的工程作用.例如降低黏度或细菌的生长或储层 表面的生物污染。不同的盆地、不同的工程承包商 所用的压裂液的组成都是不同的,任何成分的毒 性,例如酸,都会因泵入液体的稀释和酸与地下岩 石的反应而大大降低【13.2.2多层压裂技术 多层压裂技术是对增产措施的一种改变。大多 数情况下,第一阶段必须要向储层中泵入前置液。 ·38· 中外能源 010年第置液是一种没有支撑剂的压裂液;接下来,第二 阶段要运送含有一定浓度支撑剂的压裂液进入储 层:第三阶段则要使用含有较高浓度支撑剂的压裂 液。随后还有数量不定的压裂液泵人储层,且每一 种压裂液都含有比之前压裂液更大浓度的支撑剂。 以上描述的是单一储层区域的多层压裂。需要 注意的是,多层压裂也可能是对储层中几个不相连 区域或间隔区域进行处理,这样每一个区域或间隔 带的压裂都是一个不同的阶段,所以要注意多层压 裂是针对一个单独区域还是多个区域而言的。 多层压裂技术常常用于垂直堆叠的致密地层 的增产。致密气井可能会遇到几个含气的砂岩间隔 区域.从而需要不同的增产措施。作业者一般会想 方设法尽可能地减少在单一或多个区域实施压裂 的时间,下列技术可以满足上述要求。 桥塞是作业者在多层区域的基础上确定压裂 具体措施的井下工具,一般是将压裂区域分割开 来,防止某一个区域的增产措施对其他区域造成影 响。它们要么是通过测井电缆被收回,要么被钻碎。 复合桥塞是可回收的。通常可使用连续油管将其取 出。由于直通式桥塞本身所特有的机制,因此它能 够根据需要使流体通过,见图4t“]。 图4使用桥塞的单封隔器连续油管压裂 连续油管是水力压裂的一种节省时间的解决 措施,有几种不同类型的压裂技术使用连续油管。 封隔器用于在压裂过程中封隔不同区域。通常。有 一个专门的封隔器用于区域封隔,在压裂过程中, 压裂液和支撑剂要么沿着油管要么沿着环空泵入, 封隔器将压裂液隔离在被处理的区域外面。图5显 示了这种封隔器在多层压裂中的应用情况。 区域1 区域2 区域3 图5使用跨式封隔器的多层油管压裂措施 其他用于压裂多个非常规地层的技术是整体 隔离系统,其中有一种被称为外部套管射~L( 、隔离和增产从而完井的方法[1】】。在孔 枪和射孔/信号系统连接在油管外面,在钻孔中运 行,并用水泥封固。射孔枪沿着液压控制管线或电 线射孔,能射穿油管。且可在其他方向上射孔。整个 系统也包含射孔时开动的隔离装置。通过设置隔离 装置.既可以防止在较低间隔区域的射人,也能防 止来自较低间隔区域的流体的侵入。 在压裂过程中。支撑剂也是一个重要的考虑因 素。球形支撑剂颗粒是最合适的选择,因为它满足 支撑剂充填层的孔隙度和渗透性好于形状不规则、 大小不均匀的砂粒的要求。此外,陶土的强度比砂 粒高.且不容易在高的压裂闭合应力下发生破碎, 也是比较好的选择。除了选择良好的支撑剂,还应 注意支撑剂在实际生产中出现的问题,如支撑剂沉 积(由于液体黏度低于悬浮支撑剂的门限压力)、支 撑剂返排等。可以通过向压裂液中加入表面活性 剂、纤维材料、变形粒子等解决这些问题。 3.2.3重复压裂技术 重复压裂技术用于在不同方向上诱导产生新 的裂缝,从而增加裂缝网络,提高生产能力。如果初 始压裂已经无效.或现有的支撑剂因时间关系已经 损坏或质量下降,那么对该井进行重复压裂将重建 储层到井眼的线性流。该方法可以有效改善单井产 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。如果 要使重复压裂获得成功.必须评估重复压裂前、后 第6期 张卫东等.页岩气钻采技术综述 ·39· 的平均储层压力、渗透率一厚度乘积和有效裂缝长 度与导流能力等。所以重复压裂的实施离不开室内 实验的帮助。在室内进行实验时,先生成裂缝—— 在最小垂直应力5件下形成裂缝。之后用最小应力代替水平应力, 用最大应力代替垂直应力『将一些液体泵入模型 后.产生一个与原始裂缝正交的新裂缝。实验结果 表明.如果应力差小于3至是应力逆转,则 重复产生的裂缝会沿着原始裂缝传播;当应力差大 于3实验条件下会产生新的裂缝。裂缝 测试之后进行断裂封堵效应测试——垂直方向上 最大主应力15水平主应力分别为10n].射孔沿着最大和最小主应力方向取向。之 后将封堵物质泵入裂缝将其封堵,先形成垂直于最 小水平主应力的垂直裂缝,再形成与较大水平应力 垂直的新裂缝。最后新裂缝会转向最小主应力方 向,如图6所示。 图6形成新裂缝之前先封堵旧裂缝的实验过程 最后一个阶段是裂缝定向。一般重复压裂都是 在已生产了几年的井中进行的.长时间的生产引起 了在初始裂缝椭圆形区域的局部空隙应力重新分 布.储层压力减小,从而改变了储层压力状态。由于 裂缝周围应力干扰区域的延伸形状,最小和最大水 平主应力有时会发生改变,如最大应力变为最小应 力,或反过来。如果两水平应力的倒转足够大或初 始压裂产生的裂缝被有效封堵了,那么就会形成重 复压裂再定向的适宜条件。在这种条件下,新的裂 缝可在90。方向传播到初始裂缝.直至到达应力紊 乱区【12】。在两水平应力相等以外部分,新裂缝的方 向与原始裂缝相同或在其原始裂缝平面上发展。如 果渗透性是各项异性的,那么在裂缝附近的椭圆形 区域内.应力的衰减规律将更加复杂。图7简要显 示了重复压裂的再取向过程。 具有初始裂缝的井 一口_呱 生产导致应力变化 应力组成中大部分应力降低是沿着初始裂缝进行的 应力未扰乱区域的初始压裂定位 应力 皿 一d % 一 Ⅲ 懈 一 一 m 图7重复压裂冉取向 3.2.4同步压裂技术 除了上述3种技术外,还有最新的同步压裂技 术。即同时对两口或两口以上的井进行压裂。在同 步压裂中.压力液及支撑剂在高压下从一口井沿最 短距离向另一口井运移,这样就增加了裂缝网络的 密度及表面积。从而快速提高页岩气井的产量。目 前已发展到3口、甚至4口井间同时压裂。 4结论 ①页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率,开采 寿命长,生产周期长,因而具有其独特的开采方式。 ②水平井技术是页岩气开发采取的方式之 一,它结合地层电阻率仪器等 合理的开采。 ③压裂增产技术是页岩气开采的另一种方 式。如今发展起来的清水压裂、多层压裂、重复压裂 及同步压裂技术结合室内实验和测井技术。使得页 岩气具有更大的发展潜力。 ④就当今世界能源问题和技术进步来看,页 岩气在未来有可能成为能源供应的一个重要来源。 参考文献: 【1】闰存章,黄玉珍,葛春梅,等.页岩气是潜力巨大的非常规天 然气资源[J】.天然气工业,2009,29(5):1[2]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):7·40· 中外能源 010年第15卷 [3】.旋转导向钻井新技术的应用[J].油田新技术, 2004,16(1):4[4】江怀友,宋新民,安晓璇,等.世界页岩气资源与勘探开发技 术综述[J】.天然气技术,2008,2(6):26—30. 【5】,,,et 时井眼成 象技术[J】.油田新技术,2003,15(1):24—37. 【6】,,.页岩气藏的开采[/~.en/006/【7】 H, J R.]. 005. 【8】,.s to in S[/[9】il 008 B//ar.00【10] D, E, G.n L]./[11】, A, A,et as 07053)[C]//1 007,S. 【12】e,et C]//3—15 008,(编辑张峰) at a 1.57061; 2.62552) 【a is by of by is to he of a is of a ve~a is as gY at AB)to is is to to of of is to is to in to he is to or at be 【
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:9页岩气钻采技术综述
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-53074.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开