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页岩气储层压裂改造技术

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页岩气开采 压裂技术 致密油藏
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第18卷第4期 2011年7月 油气地质与采收率 8. 油气钻采工程· 页岩气储层压裂改造技术 孙海成 ,汤达祯 ,蒋廷学 ,罗 勇 (1.中国地质大学(北京)能源学院,北京100083;2.中国石化工程技术研究院,北京100101; 3.中国石油青海油田勘探事业部,甘肃敦煌736200) 摘要:通过资料调研,分析了页岩气的储层特征:页岩气藏储层中的页岩既是烃源岩也是储层,普遍富含有机质;页 岩气藏储气类型以自由气和吸附气为主,吸附气以吸附状态赋存在干酪根和粘土颗粒的表面;页岩矿物组分复杂, 渗透率极低,天然裂缝较发育。介绍了国外不同页岩气藏储层压裂改造工艺及相关配套技术:北美页岩气藏开发 形成了以水平井完井和分段压裂为主的主体技术,以滑溜水和复合压裂液为主的压裂液体系,以分段多簇射孔、快 速可钻式桥塞封隔、微地震裂缝监测和大规模连续混配的配套技术。中国页岩气资源量达2030 开发潜力巨大,通过了解和学习国外页岩气开发现状和技术,从而加快中国在页岩气成藏理论、构造背景、地质成 因、生储盖理论、开发方式、压裂改造技术及相关配套工具等方面的研究步伐,尽快实现中国页岩气的商业化开发。 关键词:页岩页岩气藏储层分段多簇射孔体积改造同步压裂 中图分类号:献标识码:A 文章编号:1009—9603(201 1)04—0090—04 进入2外页岩气发展迅猛,尤 其是北美地区页岩气勘探效果良好,开发技术逐步 趋于成熟。全球页岩气资源量为456.24 X 10挖m , 其中美国的页岩气资源量达到14×10挖~20×10 m 。2009年美国页岩气产量约为900×10 m。,超 过中国常规天然气年产量。页岩气的勘探开发使美 国天然气储量增加了40%,2010年页岩气产量超过 了天然气总产量的15%,页岩气已经成为美国的主 力气源之一 。而中国页岩气在构造背景、地质成 因、生储盖理论、开发方式等方面的研究相对滞后, 目前总体还处于勘探发现阶段。了解北美地区页岩 气储层的开发特点和成功经验,有助于加快中国页 岩气开发进程,早日实现中国页岩气商业化开发。 1储层特征 页岩是粘土岩的一种,是由粘土物质经压实、脱 水、重结晶作用后形成的,具有页状或薄片状层理, 页岩气藏既是烃源岩又是储层,普遍富含有机 质 。页岩气藏中的天然气既有自由气,又有吸 附气,其开采机理相对复杂。页岩气藏渗透率极低 (0.000 10.000 001×10一 m ) ,释放天然 气的速度很慢,但是大多高产页岩层分布相对平缓, 厚度大,可预见性强,地层规模大,天然裂缝比较发 育,因此,页岩气井初期产量不高,但稳定生产后持 续时间将较长 o。“J。总体上页岩储层呈现矿物组 分复杂、储层物性极差及天然裂缝发育等特征。 1.1岩性及矿物组分复杂 不同页岩的岩性和矿物组分不同(图1),页岩 气储层所含的石英矿物、碳酸盐岩矿物和粘土矿物 不同,储层岩石的脆性程度不同(图2),所采取的压 裂改造工艺技术也不同。若石英矿物含量高则储层 的脆性特征明显,压裂时容易实现脆性断裂形成网 状裂缝,更容易实现体积改造¨ 。粘土矿物含量高 则储层塑性特征较明显,压裂改造难度大,容易形成 对称双翼缝。碳酸盐岩矿物含量是判断裂缝发育的 一项重要指标 ,碳酸盐岩矿物通常以充填方式 存在于裂缝中,其含量高,说明储层裂缝比较发育, 60 50 o 30 20 霎10 0 图1 国外3种页岩不同岩性的矿物组成 收稿011—05—17。 作者简介:孙海成,男,工程师,在读博士研究生,从事储层改造与油藏模拟等研究。联系电话:—60@ 爆金项目:国家重大专项“复杂地层储层改造关键技术研究”(201104)。 第18卷第4期 孙海成等.页岩气储层压裂改造技术 50 4O ^ 3O 2O   l{岩类型 图2国外3种页岩的脆性特征 富含碳酸盐岩的地层在压裂时沿着这些充填裂缝容 易形成网状裂缝从而实现体积改造。例如岩富含碳酸盐岩和硅质,天然裂缝比较发育,具有 脆性特征,易于压裂,压裂时会产生复杂缝网,压裂 后产量较高 引。再如加拿大的似海 绵或软泥,具有很强的延展性,塑性较强,容易产生 双翼缝,压裂时裂缝难以起裂,储层改造难度大 。 1.2低孔极低渗透 低孔极低渗透是页岩气储层的另一显著特征, 渗透率整体小于0.000 1~10~ m ,孔隙度仅为3%~ 5% ’。按照常规气藏理论,该类气藏很难具有 经济开发价值。但是页岩气储层储气模式以游离气 和吸附气为主,从吸附实验结果(图3)可以看出,页 岩气储层的比表面比常规砂岩储层大很多,页岩吸 附量是砂岩吸附量的2O~33倍,因此页岩气储层具 备一定的开发价值。 5 一 ∞4 ● 皇3 一 萄2 蒸 l O l 2 3 4 5 6 压力/3 .3天然裂缝发育 对于页岩气藏,裂缝既是储集空间,又是渗流通 道,如果天然裂缝不发育,页岩很难成为有效储层。 页岩发育的层理和裂缝系统为油气的储集和运移提 供了必要的前提。而压裂改造不仅能够沟通已有的 天然裂缝,并使已有天然裂缝张开,同时还能够形成 人工水力裂缝,在储层中形成更加复杂的网络裂缝 以增大改造体积。因此天然裂缝发育,同时易于压 裂的脆性地层更容易实现体积改造,而塑性较强的 地层实现体积改造比较困难。 2北美页岩气储层压裂改造技术 页岩气储层的压裂改造不同于常规气藏,页岩 气储层射孔后依靠自身能量无法达到工业气流,故 必须压裂投产。另外,改造期间的压裂模式、加砂规 模均与常规压裂不同,页岩气储层改造主要目的是 在沟通天然微裂缝系统的同时形成新的水力裂缝, 以尽量增大改造体积。经过几十年的发展,北美地 区目前已经形成以直井分层压裂、水平井分段压裂 为主的页岩气开发技术。 2.1直井连续油管分层压裂技术 较早的页岩气开发主要在浅层,完井方式为直 井,一般采用连续油管、水力喷砂、环空加砂压裂技 术 。该技术特点为水力喷砂射孔、环空加砂、一 趟管柱完成射孔及压裂。具有排量选择范围广、井 下工具简单、效率高、施工风险小、连续油管磨损小 等优点。目前该技术在北美页岩气直井开发 和 中国常规低渗透油气藏 。 中得到了较为广泛的应 用。 2.2水平井分段压裂技术 随着页岩气开发的深入,常规的直井完井方式 已经无法满足工业生产的要求,目前页岩气井以水 平井完井、大规模分段压裂投产为主_5 。 水平井压裂由于其应力场的不同可以产生纵向 缝、斜交缝和横截缝,其中横截缝为最优形态。横截 缝有利于提高水平段整体渗流能力,扩大改造体 积‘1 。因此,水平井布井时要了解储层地应力 场,使得水平井水平段部署方位与地层最小主应力 方位一致,这样在后期改造时容易实现横截缝。 2.2.1水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 的主要特点为套管压裂、多段分簇射孔、快速可钻式 桥塞封隔(钻时小于15 一般目的层水平井 段被分成8~15段,每段水平段长度为100~150 段射孔4~6簇,每射孔簇跨度为0.46~0.77 1间距为20~30 裂施工结束后快速钻掉 桥塞进行测试、生产。 由于该技术射孔和座封桥塞连作,压裂结束后 能够在很短的时间内钻掉所有桥塞,大大节省了时 间和成本,同时缩短了液体在地层中的滞留时问,降 低了外来液体对储层的伤害。 通过分簇射孔,每段可以形成4~6条裂缝,同 时分簇射孔方式使得裂缝间的应力干扰更加明显, ·92· 油气地质与采收裂后形成的裂缝网络更加复杂。另外,水平井水 平段被分成多段,改造完成后整个水平井段可形成 8~15段的裂缝簇,改造体积更大,因此压裂后的效 果也更好。目前该技术已经成为美国页岩气开发的 主体技术。 2.2.2 水平井封隔器分段压裂技术 水平井多级滑套封隔器分段压裂水平井多级 滑套封隔器分段压裂技术通过井口落球系统操控滑 套,其原理与直井应用的投球压差式封隔器相 同 l。。“J。该技术具有显著降低施工时间和成本的 优点。其关键在于每一级滑套的掉落以及所控制的 级差,级数越多滑套控制要求越精确。由于在施工 过程中入井工具过多,使该技术施工风险陡增,任何 一个环节处理不好都会导致施工失败,造成大修。 目前由于快速可钻式桥塞分隔技术的应用,该技术 在页岩气开发中的应用逐年降低。 水平井膨胀式封隔器分段压裂 由于部分水平 井裸眼完井,使得常规的封隔器难以满足后期压裂 施工的需要,为此研制了遇油(遇水)膨胀式封隔器 (也称反应式封隔器) 。它是将一种特殊的可膨 胀橡胶材料直接硫化在套管外壁上,将其下人井底 预定位置后,遇到油气或水后可膨胀橡胶即可快速 膨胀,至井壁位置后继续膨胀,从而产生接触应力, 胶筒膨胀完毕后不收缩,始终贴紧井壁达到密封效 果,实现油井分层分段效果。 . 水平井水力喷射分段压裂该技术通过地面拖 动施工管柱,利用水力喷射工具实施分段压裂,不需 封隔器或桥塞等工具,自动封堵,封隔准确,适用于 储层初期改造,具有用时少、成本低、定位准确等优 点。该技术在北美地区应用较好,例如美国m,利用水力喷射 分段压裂技术,2 段距离为29 m,环 空排量为8.0 管排量为2.2 m。/ 段砂量为3~6 m ,平均砂液比为2%~3% 。 水平井多井同步压裂 同步压裂是在岩储层改造过程中逐渐发展起来的另一项重要技 术,其在相邻井之间同时用2套压裂施工车组实施 多段分簇压裂,或者在相邻井之间进行拉链式交替 压裂,利用相邻井之间裂缝开启产生的应力变化和 干扰,最终改变近井地带的应力场,进而产生更加复 杂的裂缝网络系统,增加裂缝密度和裂缝壁面的表 面积形成“三维裂缝网络”,从而增加改造体积,提 高产量 卫 。同步压裂技术不仅能够提高产量,还 可以提高该类低孔、极低渗透地层的最终采收率。 该技术在北美的造中效果较好。统计显示,利用同步压裂井的平 均产量比单独压裂井的平均产量高21%~55% 2.3压裂液体系 滑溜水压裂液体系滑溜水是针对页岩气储层 改造发展起来的一项新的液体体系H 0 ,通过使用 极少量的稠化降阻剂来降低摩阻,其用量一般小于 0.2%,高效降阻剂用量能够降到0.018%以下,该 类液体体系主要依靠泵注排量携砂而不是液体粘 度,适用于无水敏、储层天然裂缝较发育、脆性较高 的地层。其优点包括:①适用于裂缝型储层;②提高 剪切缝形成的概率,有利于形成网状缝,可以大幅度 增大裂缝体积及提高压裂效果;③使用少量稠化剂 降阻,对地层伤害小,支撑剂用量少;④在相同作业 规模的前提下,滑溜水压裂比常规冻胶压裂的成本 降低40%~60%。 复合压裂液体系 复合压裂液主要由高粘度冻 胶和低粘度滑溜水组成 幻J,支撑剂采用不同粒 径陶粒,适用于粘土含量高、塑性较强的页岩气储 层。高粘度冻胶保证了一定的携砂能力和人工裂缝 宽度,低粘度滑溜水在冻胶液中发生粘滞指进现象 的同时具有较好的造缝能力,最终使得交替注入的 大小粒径支撑剂具有较低的沉降速度和较高的裂缝 导流能力。统计结果显示,岩气藏复合压裂井与邻井相比产量提高了27%。 2.4压裂改造整体工艺技术选择 并不是所有的页岩气藏都适合滑溜水压裂、大 排量施工,世界上没有完全相同的页岩,脆性地层 (富含石英和碳酸盐岩)容易形成网络裂缝,而塑性 地层(粘土含量高)容易形成双翼裂缝。因此不同 的页岩储层所采用的工艺技术和液体体系是完全不 一样的。压裂所使用的液体体系、工艺技术要根据 实际地层的岩性、敏感性、塑性以及微观结构进行选 择 。脆性地层一般采用低粘度滑溜水、大排 量、低砂比施工方式,压裂后容易形成网络裂缝,容 易实现体积改造;塑性地层一般采用高粘度液体、小 排量、高砂比的施工方式,压裂后容易形成双翼对称 缝。塑性地层一般采用增加射孔簇数和分段段数来 扩大体积改造。 3裂缝监测技术 裂缝监测技术在页岩气储层压裂中占有很重要 的地位 。通过裂缝监测,可以预测裂缝方 第18卷第4期 孙海成等.页岩气储层压裂改造技术 ·93· 位、计算改造体积及其泄流面积,为后期的产量预测 以及新井布井提供参考。 目前,监测裂缝的方式主要包括常规化学示踪 剂法、物理示踪剂法、微地震监测和测斜仪监测。其 中,微地震监测应用较广泛,它分为同井监测和邻井 监测。其原理主要是通过邻井放置多个检波器,记 录在裂缝起裂和闭合过程中所发生的微地震事件, 从而计算压裂改造所得到的改造体积及预测压裂后 产量。 4中国页岩气开发现状 中国页岩气的勘探开发虽处于勘探发现阶段, 但是发展迅速,目前已经在很多盆地发现了富含有 机质的页岩气储层 。在南方海相沉积中有页 岩气潜力的地层包括上震旦统、下寒武统、下志留统 等。同时在中新生界包括渤海湾盆地、松辽盆地、四 川盆地威远地区寒武系和泸州地区下志留统、吐哈 盆地等都发现了页岩吸附气,预示着中国的页岩气 具有巨大的开发潜力。 中国已经加快了页岩气勘探开发的步伐,例如 南方海相地层中页岩气评价井工,该井共注入压裂液2 121 加砂量为270 t; 另外 对其进行了压裂改造,其施工总液量达到2 000  支撑剂用量为120 t,并完成了施工作业。201井的压裂成功,为进一步评价威远构造页岩 层段含气性及可改造性提供了重要依据,也为该井 第2段压裂和今后页岩气水平井压裂施工积累了宝 贵经验,对加快页岩气勘探开发具有重要意义。标 志着中国的页岩气勘探开发工作迈出了实质性的重 要一步。 5结束语 页岩气藏属于典型的非常规气藏,储气模式以 吸附气和自由气为主,其成藏规律、储集空间、渗流 规律以及后期开发模式有其自身特点。 天然裂缝系统是页岩气重要的储集空间和运移 通道,页岩气藏开发主要以水平井完井,多段分簇压 裂、同步压裂为主,压裂改造的目的是实现体积改 造,获得工业产能。 页岩气储层完井方式以水平井完井为主,改造 模式主要以可钻式桥塞封隔、分簇射孔的多段压裂 为主。 页岩气井压裂一般具有规模大、砂量大、排量大 及砂比低的特点。水平井完井及多段分簇射孔、可 钻式桥塞封隔分段压裂已经成为页岩气储层改造的 主体技术。 北美地区的页岩气开发技术比较先进,产量初 具规模,页岩气等非常规气的开发已经成为了有效 的补充接替能源。 尽快了解中国页岩气资源潜力,推进中国页岩 气藏勘探开发进程迫在眉睫,学习引进国外页岩气 开发经验和技术的同时发展中国页岩气资源潜力评 价方法、勘探开发技术刻不容缓。 参考文献: [1] 赵群,王红岩,刘人和,等.世界页岩气发展现状及我国勘探前 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(下转第97页)  18奄弼4 迎晓 .机槭 防砂 油渗沲酞 ·97· 用蠕动结构的防砂管堵塞情况次之,防砂管外壁已 经有泥砂淤积的痕迹,并且在管底处的淤积较为严 重,说明越靠近井底,蠕动作用的效果越微弱,使防 砂管大面积泥砂淤积造成堵塞;原防砂管的堵塞现 象最为严重,套管几乎被完全堵塞,没有渗透功能。 3结论 采用弱吸附性过滤材料可提高防砂管的渗透性 能,在相同的渗流环境下,喷涂弱吸附性过滤材料的 新型防砂管比原防砂管渗透性能好,其中以采用瑞 士特氟龙材料喷涂的新型防砂管渗透率最高,阻力 系数最小,渗流流量最大,并且渗透率随时间降幅最 小,阻力系数随时间变化最为平缓,渗透性能最好。 通过蠕动和波动2种结构设计可以提高防砂管 过滤通道的自洁作用和绕丝的抗变形能力,在压力 极限状态下,原防砂管因过滤通道破坏而在短时间 内发生堵塞,渗透率趋向0,而新型防砂管则能够维 持长时间的稳定渗流状态。由防砂管的堵塞情况可 见,原防砂管绕丝受损,防砂管表面有大量的泥沙淤 积,没有渗流通道,而新型防砂管绕丝完好,没有大 量泥沙淤积吸附现象,其中尤以波动结构设计的防 砂管的渗流流量最大,更适用于稠油疏松砂岩油藏 开采作业。 参考文献: [1]何生厚,张琪.油气井防砂理论及其应用[M].北京:中国石化 出版社,2003. [2]孔祥言.高等渗流力学[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 1999. [3]刘永红,张建乔,洪能国.机械防砂技术研究的新进展[J].石油 机械,2005,33(9):74—76. [4]温庆志,蒲春生,曲占庆,等.低渗透、特低渗透油藏非达西渗流 整体压裂优化设计[J].油气地质与采收率,2009,16(6):102— 104,107. [5]].983,35(1):239[6]杜殿发,石达友,师耀利,等.超稠油油藏水平井产量的预测方 法[J].油气地质与采收率,2009,16(5):76—78. [7]杨宇.计算相对渗透率曲线的新方法[J].油气地质与采收率, 2010,17(2):105[8]蒋炎,曹功泽,赵凤敏,等.聚合物驱后微生物提高采收率的可 行性分析[J].油气地质与采收率,2008,15(5):63—65,68. 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