頁巖氣鉆采技術(shù)綜述-

1、1前言頁巖氣是從頁巖層中開采出來的,主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中,以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣聚集。近年來由于天然氣供需關(guān)系、價格上漲、開采技術(shù)進步等因素的影響,頁巖氣的開采已成為全球資源開發(fā)的一個熱點。2開采特點頁巖氣產(chǎn)自滲透率極低的沉積巖中,大部分產(chǎn)氣頁巖分布范圍廣、厚度大,且普遍含氣,使得頁巖氣井能夠長期地穩(wěn)定產(chǎn)氣。一般情況下,頁巖氣開采具有3個特點:生產(chǎn)能力低或無自然生產(chǎn)能力。由于頁巖氣儲集層通常呈低孔、低滲透率,氣流阻力比常規(guī)天然氣大,難以開采,因此所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來。目前,在頁巖氣井中實施2次以上增產(chǎn)措施的嘗試已在

2、美國實現(xiàn)了。井的壽命和生產(chǎn)周期長。頁巖氣在泥頁巖地層中主要以游離態(tài)和吸附態(tài)存在。游離氣滲流速度快,初期產(chǎn)量較高,但產(chǎn)量下降快;相反,吸附氣解析、擴散速度慢,產(chǎn)量相對較低,但屬于頁巖氣穩(wěn)產(chǎn)期,進入該時期后產(chǎn)量遞減速度慢,使得生產(chǎn)周期變長,一般頁巖氣井生產(chǎn)壽命可達3050年1。采收率變化較大,并且低于常規(guī)天然氣采收率。根據(jù)埋藏深度、地層壓力、有機質(zhì)含量和吸附氣量等,不同頁巖氣藏的采收率不同(見圖11。而且相關(guān)數(shù)據(jù)還表明,頁巖氣采收率通常低于常規(guī)天然氣采收率,常規(guī)天然氣采收率可達60%以上,而頁巖氣僅為5%60%。頁巖氣鉆采技術(shù)綜述張衛(wèi)東1,郭敏1,楊延輝2(1.中國石油大學(華東石油工程學院,山東

3、東營257061;2.中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院,河北任丘062552摘要頁巖氣開采已成為全球資源開發(fā)的一個熱點。頁巖氣儲集層通常呈低孔、低滲透率,開采壽命長,生產(chǎn)周期長,采收率變化較大,且低于常規(guī)天然氣采收率。不同于常規(guī)天然氣的開采特點決定了頁巖氣開發(fā)具有其獨特的方式。水平井技術(shù)對于擴大頁巖氣開發(fā)具有重大意義,水平井的成本一般是垂直井的11.5倍,而產(chǎn)量是垂直井的3倍左右。水平井技術(shù)結(jié)合geoVISION 隨鉆成像服務和RAB 鉆頭附近地層電阻率儀器等LWD 技術(shù)可進行更高效、更合理的開采。壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開采的另一種方式。清水壓裂技術(shù)用于產(chǎn)生更密集的裂縫網(wǎng)絡,形成額外的滲透率,使氣

4、體能更容易流向井中,從而生產(chǎn)出大量地層天然氣;多層壓裂技術(shù)常常用于垂直堆疊的致密地層的增產(chǎn);重復壓裂技術(shù)用于在不同方向上誘導產(chǎn)生新的裂縫,從而增加裂縫網(wǎng)絡,提高生產(chǎn)能力;還有最新的同步壓裂技術(shù),即同時對兩口或兩口以上的井進行壓裂。這些壓裂技術(shù)結(jié)合室內(nèi)實驗和測井技術(shù),使得頁巖氣具有更大的發(fā)展?jié)摿?。關(guān)鍵詞頁巖氣水平井技術(shù)清水壓裂技術(shù)多層壓裂技術(shù)重復壓裂技術(shù)同步壓裂技術(shù)基金項目:本文為中國石油華北油田公司2007年院所合作科技項目“勘探開發(fā)前緣技術(shù)研究”(項目編號:HBYT-YJY-2008-JS-6部分內(nèi)容。作者簡介:張衛(wèi)東,副教授,1990年畢業(yè)于中國石油大學(華東鉆井工程專業(yè),主要從事石油天然

5、氣工程教學與研究工作。E-mail :zhangweidong10圖1美國不同盆地頁巖氣采收率最低采收率最高采收率6040200BarnettOhioAntrimLewis New Albany WoodfordSINO-GLOBAL ENERGY ·35·第6期水平井位與井眼方位應選擇在有機質(zhì)與硅質(zhì)富集、裂縫發(fā)育程度高的頁巖區(qū)及層位,水平井的方位角及進尺對頁巖氣產(chǎn)量有著重要影響2。理論上講,在與最大水平應力方向垂直的方向上進行鉆井,可以使井筒穿過盡可能多的地層而與更多的裂縫接觸,從而簡化在壓裂過程中流出井筒和在生產(chǎn)過程中流入井筒的情況,提高頁巖氣采收率。如今,將MWD(隨

6、鉆測井技術(shù)應用于水平井鉆井,能夠?qū)崟r監(jiān)控關(guān)鍵鉆井參數(shù);將自然伽馬測井曲線應用到水平井鉆井中,可以進行控制和定位;將井數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)進行對比,可以避開已知有井漏問題和斷層的區(qū)域。水平鉆井能否取得成功要取決于有效的井身設計,采用三維地震解釋技術(shù)能夠更好地設計水平井軌跡。采用該技術(shù)可使頁巖鉆井活動一直擴展到被認為沒有生產(chǎn)能力、含水的區(qū)域。但是,常規(guī)定向鉆井技術(shù)可能在井筒造斜過程中受到由滑動和旋轉(zhuǎn)引起的扭矩和阻力的影響,限制橫向位移,加大測井難度。解決這個問題的方法是在開采較直的、曲折度不大的井時,采用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)3。某些情3開發(fā)方式不同于常規(guī)天然氣的開采特點,決定了頁巖氣開發(fā)具有其獨特的方式。目前美

7、國已經(jīng)擁有一些先進技術(shù)可以提高頁巖氣井的產(chǎn)量,主要包括水平井技術(shù)和多層壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)、重復壓裂技術(shù)、同步壓裂技術(shù)等,這些技術(shù)正在不斷提高著頁巖氣井的產(chǎn)量。3.1水平井技術(shù)頁巖氣是存在于頁巖裂縫等空隙中的天然氣,要使其盡可能地流入井筒,就必須合理利用儲層中的裂縫,使井筒穿過盡可能多的儲層。現(xiàn)在業(yè)界多利用水平鉆井技術(shù)來進行頁巖氣的開采,雖然該技術(shù)并不是一項新技術(shù),但是對于擴大頁巖氣開發(fā)卻具有重大意義。水平井的成本一般是垂直井的11.5倍,例如8001000m 水平段的常規(guī)水平井鉆井及完井投資約700萬美元,而產(chǎn)量是垂直井的3倍左右(見圖2。與此同時,現(xiàn)代鉆井技術(shù)已發(fā)展到了允許鉆機轉(zhuǎn)彎,鉆頭

8、還可以準確地停留在一個狹窄的定向垂直窗口。由于水平部分很容易控制,所以能使頁巖氣資源從相同儲層但面積大于單直井的地理區(qū)域流出。以美國賓夕法尼亞州的Marcellus 頁巖氣田為例,一口垂直井的驅(qū)替體積大約只有直徑1320ft(1ft=304.8mm ,下同、高50ft 的圓柱體體積那么大。相比之下,水平井可延長至20006000ft ,驅(qū)替體積可達6000ft ×1320ft ×50ft ,大約是直井驅(qū)替體積的5.79倍還多。驅(qū)替體積的增加使水平井比直井具有更多的優(yōu)勢。在鉆井過程中,井筒穿過裂縫。FMI 全井眼微電阻率掃描成像測井顯示出水平井鉆遇的裂縫和層理特征,見圖3。鉆

9、井引發(fā)的裂縫出現(xiàn)在鉆井軌跡頂部與底部,終止于井筒應力最高的側(cè)面。井筒鉆穿的天然裂縫垂直穿過井筒頂部、底部和側(cè)面。圖中顏色較深的黃鐵礦結(jié)核非常明顯,與層理面平行出現(xiàn)。橫穿整個井筒的天然裂縫鉆井誘發(fā)的橫向裂縫層狀黃鐵礦結(jié)核層狀黃鐵礦結(jié)核層理面層理面圖3井筒穿過裂 縫0000000004.03.02.01.00.0·36·SINO-GLOBAL ENERGY況下,從水平段底部到頂部的傾角變化低于0.5°4。除此之外,geoVISION隨鉆成像服務和RAB鉆頭附近地層電阻率儀器等LWD技術(shù)有助于在鉆遇后即時識別天然裂縫5,解決相關(guān)測井問題。應用該類技術(shù)后,可以分析整個井筒

10、長度范圍內(nèi)產(chǎn)生的電阻率成像和井筒地層傾角,而且成像測井可以提供用于優(yōu)化完井作業(yè)的相關(guān)信息,如構(gòu)造信息、地層信息和力學特性信息等。例如,通過對地層天然裂縫與誘發(fā)裂縫進行比較,可以確定射孔和油井增產(chǎn)的最佳目標;在進行加密鉆井時,通過井眼成像可識別鄰井中的水力裂縫,繼而有助于作業(yè)人員在儲層中原先未被壓裂部分實施增產(chǎn)措施。井中誘發(fā)裂縫的存在及方向,對確定整個水平井的應力變化及力學特性非常有用。鉆井作業(yè)還采用井下鉆具、定向設備以及泥漿系統(tǒng)等常規(guī)鉆井方式。采用地質(zhì)導向技術(shù),確保在目標區(qū)內(nèi)鉆井,避免斷層和其他復雜構(gòu)造區(qū),否則會導致鉆穿目標區(qū),或者發(fā)生井漏6。一般水平段越長,最終采收率和初始開采速度也就越高。

11、據(jù)美國公布的數(shù)據(jù),最有效的水平井進尺包括造斜井段一般為9141219m7。3.2壓裂技術(shù)3.2.1清水壓裂技術(shù)水力壓裂是一種儲層增產(chǎn)技術(shù),用于產(chǎn)生更密集的裂縫網(wǎng)絡,形成額外的滲透率,使氣體能更容易流向井中,從而生產(chǎn)出大量地層天然氣。水力壓裂技術(shù)的不斷改進,使之成為一項在特殊地層區(qū)域布置裂縫網(wǎng)絡的非常復雜的工程過程。水力壓裂處理方法針對目標頁巖設置了專門的參數(shù),包括厚度、局部應力條件、壓縮性和剛性。局部條件用于計算機模型來設計具體地點的水力壓裂處理過程,并優(yōu)化新裂縫。頁巖氣藏和它們之間要進行壓裂的間隔都很厚,所以將水力壓裂分為幾個階段往往更加有效,每一個階段都重點對儲層的一個連貫部分進行處理。每

12、個工作階段都孤立于井內(nèi),從而使壓裂設備的所有容量可用于單個儲層單元8,這可以在垂直或水平井中收到良好效果。在對一口井(不論是水平井還是直井實施壓裂措施之前,通常會進行一系列的測試,以確保井、井口設備和壓裂設備的正常工作,并經(jīng)得起壓裂措施的壓力和泵率。表面設備經(jīng)過測試后,水力壓裂過程便首先開始泵入“巖石酸”常常是用鹽酸來清理可能被鉆井泥漿和水泥封堵的近井地帶。下一步是清水壓裂,即采用添加一定減阻劑的清水作為壓裂液。這種壓裂液的主要成分是水,以及很少量的減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和表面活性劑。清水壓裂在低滲透氣藏中能取得更好的效果,而且該技術(shù)已經(jīng)成為開發(fā)如得克薩斯州Barnett頁巖氣田等的主要開采手段9

13、。該技術(shù)在不減產(chǎn)的前提下能節(jié)約30%左右的成本,而且清水壓裂也很少需要清理,且可提供更長的裂縫,并將壓裂支撐劑運到遠至裂縫網(wǎng)絡。經(jīng)過第一次水栓后,作業(yè)者將大量帶有少許細砂的清水壓入井中開始壓裂過程,隨后使用大量帶粗砂支撐劑的清水使裂縫靠近井筒開窗處10。最后一步是沖刷過程,將支撐劑從設備和井筒開窗處移除出去。沖刷之后,下一步的處理階段就從新的孔洞開始,這些孔洞都具有其自身特定的儲層參數(shù),包括厚度、局部應力、壓縮性和剛度。這個階段的壓裂需嚴密監(jiān)控。通過壓裂井與井(不論是水平井還是直井之間的間隔區(qū)域,作業(yè)者能夠進行調(diào)整從而適應頁巖氣儲層的局部變化,其中包括巖性、自然分裂、剛度的變化和應力狀態(tài)的變化

14、。壓裂的具體過程是通過模擬設備來確定的,工程師和地質(zhì)學家可以操縱模擬器并評估其對裂縫高度、長度和定位方向的影響8。從模擬系統(tǒng)獲得的推測數(shù)據(jù)可以用于監(jiān)測和評價壓裂工作的結(jié)果。同時還可以通過微地震測繪的方式來進行實時控制。這種技術(shù)可以在孔洞的東西和南北方向上找到斷裂終端,進而沿著軌跡找到它們開始的源頭。尤其重要的是在垂直方向上的裂縫的增長,作業(yè)者會格外關(guān)注這種裂縫,以確保這些裂縫沒有偏移出頁巖儲層和鄰近水域,因為這種裂縫會降低頁巖氣井的經(jīng)濟效益。在壓裂處理過程中,作業(yè)者會在水砂混合物中加入大量化學劑,每一種化合物都會起到一定的工程作用,例如降低黏度或細菌的生長或儲層表面的生物污染。不同的盆地、不同

15、的工程承包商所用的壓裂液的組成都是不同的,任何成分的毒性,例如酸,都會因泵入液體的稀釋和酸與地下巖石的反應而大大降低10。3.2.2多層壓裂技術(shù)多層壓裂技術(shù)是對增產(chǎn)措施的一種改變。大多數(shù)情況下,第一階段必須要向儲層中泵入前置液,·37·第6期張衛(wèi)東等.頁巖氣鉆采技術(shù)綜述前置液是一種沒有支撐劑的壓裂液;接下來,第二階段要運送含有一定濃度支撐劑的壓裂液進入儲層;第三階段則要使用含有較高濃度支撐劑的壓裂液,隨后還有數(shù)量不定的壓裂液泵入儲層,且每一種壓裂液都含有比之前壓裂液更大濃度的支撐劑。以上描述的是單一儲層區(qū)域的多層壓裂。需要注意的是,多層壓裂也可能是對儲層中幾個不相連區(qū)域或間

16、隔區(qū)域進行處理,這樣每一個區(qū)域或間隔帶的壓裂都是一個不同的階段,所以要注意多層壓裂是針對一個單獨區(qū)域還是多個區(qū)域而言的。多層壓裂技術(shù)常常用于垂直堆疊的致密地層的增產(chǎn)。致密氣井可能會遇到幾個含氣的砂巖間隔區(qū)域,從而需要不同的增產(chǎn)措施。作業(yè)者一般會想方設法盡可能地減少在單一或多個區(qū)域?qū)嵤毫训臅r間,下列技術(shù)可以滿足上述要求。橋塞是作業(yè)者在多層區(qū)域的基礎上確定壓裂具體措施的井下工具,一般是將壓裂區(qū)域分割開來,防止某一個區(qū)域的增產(chǎn)措施對其他區(qū)域造成影響。它們要么是通過測井電纜被收回,要么被鉆碎。復合橋塞是可回收的,通常可使用連續(xù)油管將其取出。由于直通式橋塞本身所特有的機制,因此它能夠根據(jù)需要使流體通過

17、,見圖411。連續(xù)油管是水力壓裂的一種節(jié)省時間的解決措施,有幾種不同類型的壓裂技術(shù)使用連續(xù)油管。封隔器用于在壓裂過程中封隔不同區(qū)域。通常,有一個專門的封隔器用于區(qū)域封隔,在壓裂過程中,壓裂液和支撐劑要么沿著油管要么沿著環(huán)空泵入,封隔器將壓裂液隔離在被處理的區(qū)域外面。圖5顯示了這種封隔器在多層壓裂中的應用情況。其他用于壓裂多個非常規(guī)地層的技術(shù)是整體隔離系統(tǒng),其中有一種被稱為外部套管射孔(ECP。ECP 是一種通過允許每一單獨的間隔區(qū)域進行射孔、隔離和增產(chǎn)從而完井的方法11。在ECP 中,射孔槍和射孔/信號系統(tǒng)連接在油管外面,在鉆孔中運行,并用水泥封固。射孔槍沿著液壓控制管線或電線射孔,能射穿油管

18、,且可在其他方向上射孔。整個系統(tǒng)也包含射孔時開動的隔離裝置,通過設置隔離裝置,既可以防止在較低間隔區(qū)域的射入,也能防止來自較低間隔區(qū)域的流體的侵入。在壓裂過程中,支撐劑也是一個重要的考慮因素。球形支撐劑顆粒是最合適的選擇,因為它滿足支撐劑充填層的孔隙度和滲透性好于形狀不規(guī)則、大小不均勻的砂粒的要求。此外,陶土的強度比砂粒高,且不容易在高的壓裂閉合應力下發(fā)生破碎,也是比較好的選擇。除了選擇良好的支撐劑,還應注意支撐劑在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題,如支撐劑沉積(由于液體黏度低于懸浮支撐劑的門限壓力、支撐劑返排等。可以通過向壓裂液中加入表面活性劑、纖維材料、變形粒子等解決這些問題。3.2.3重復壓裂技術(shù)重

19、復壓裂技術(shù)用于在不同方向上誘導產(chǎn)生新的裂縫,從而增加裂縫網(wǎng)絡,提高生產(chǎn)能力。如果初始壓裂已經(jīng)無效,或現(xiàn)有的支撐劑因時間關(guān)系已經(jīng)損壞或質(zhì)量下降,那么對該井進行重復壓裂將重建儲層到井眼的線性流。該方法可以有效改善單井產(chǎn)量與生產(chǎn)動態(tài)特性,在頁巖氣井生產(chǎn)中起著積極作用,壓裂后產(chǎn)量接近甚至超過初次壓裂時期。如果要使重復壓裂獲得成功,必須評估重復壓裂前、后圖4使用橋塞的單封隔器連續(xù)油管壓裂先前的射孔并接的生產(chǎn)層先前的增產(chǎn)措 施區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3圖5使用跨式封隔器的多層油管壓裂措施2010年第15卷·38·中外能源SINO-GLOBAL ENERGY的平均儲層壓力、滲透率-厚度乘積和有效

20、裂縫長度與導流能力等,所以重復壓裂的實施離不開室內(nèi)實驗的幫助。在室內(nèi)進行實驗時,先生成裂縫在最小垂直應力5MPa和最大水平應力10MPa的條件下形成裂縫,之后用最小應力代替水平應力,用最大應力代替垂直應力12。將一些液體泵入模型后,產(chǎn)生一個與原始裂縫正交的新裂縫。實驗結(jié)果表明,如果應力差小于3MPa,甚至是應力逆轉(zhuǎn),則重復產(chǎn)生的裂縫會沿著原始裂縫傳播;當應力差大于3MPa時,在實驗條件下會產(chǎn)生新的裂縫。裂縫測試之后進行斷裂封堵效應測試垂直方向上最大主應力15MPa,兩水平主應力分別為10MPa和5MPa12,射孔沿著最大和最小主應力方向取向。之后將封堵物質(zhì)泵入裂縫將其封堵,先形成垂直于最小水平

21、主應力的垂直裂縫,再形成與較大水平應力垂直的新裂縫,最后新裂縫會轉(zhuǎn)向最小主應力方向,如圖6所示。最后一個階段是裂縫定向。一般重復壓裂都是在已生產(chǎn)了幾年的井中進行的,長時間的生產(chǎn)引起了在初始裂縫橢圓形區(qū)域的局部空隙應力重新分布,儲層壓力減小,從而改變了儲層壓力狀態(tài)。由于裂縫周圍應力干擾區(qū)域的延伸形狀,最小和最大水平主應力有時會發(fā)生改變,如最大應力變?yōu)樽钚?或反過來。如果兩水平應力的倒轉(zhuǎn)足夠大或初始壓裂產(chǎn)生的裂縫被有效封堵了,那么就會形成重復壓裂再定向的適宜條件。在這種條件下,新的裂縫可在90°方向傳播到初始裂縫,直至到達應力紊亂區(qū)12。在兩水平應力相等以外部分,新裂縫的方向與原始裂

22、縫相同或在其原始裂縫平面上發(fā)展。如果滲透性是各項異性的,那么在裂縫附近的橢圓形區(qū)域內(nèi),應力的衰減規(guī)律將更加復雜。圖7簡要顯示了重復壓裂的再取向過程。3.2.4同步壓裂技術(shù)除了上述3種技術(shù)外,還有最新的同步壓裂技術(shù),即同時對兩口或兩口以上的井進行壓裂。在同步壓裂中,壓力液及支撐劑在高壓下從一口井沿最短距離向另一口井運移,這樣就增加了裂縫網(wǎng)絡的密度及表面積,從而快速提高頁巖氣井的產(chǎn)量。目前已發(fā)展到3口、甚至4口井間同時壓裂。4結(jié)論頁巖氣儲集層通常呈低孔、低滲透率,開采壽命長,生產(chǎn)周期長,因而具有其獨特的開采方式。水平井技術(shù)是頁巖氣開發(fā)采取的方式之一,它結(jié)合geoVISION隨鉆成像服務和RAB鉆頭

23、附近地層電阻率儀器等LWD技術(shù)可進行更高效、更合理的開采。壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁巖氣開采的另一種方式。如今發(fā)展起來的清水壓裂、多層壓裂、重復壓裂及同步壓裂技術(shù)結(jié)合室內(nèi)實驗和測井技術(shù),使得頁巖氣具有更大的發(fā)展?jié)摿?。就當今世界能源問題和技術(shù)進步來看,頁巖氣在未來有可能成為能源供應的一個重要來源。參考文獻:1閆存章,黃玉珍,葛春梅,等.頁巖氣是潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源J.天然氣工業(yè),2009,29(5:1-6.2黃玉珍,黃金亮,葛春梅,等.技術(shù)進步是推動美國頁巖氣快速發(fā)展的關(guān)鍵J.天然氣工業(yè),2009,29(5:7-10.第一次壓裂首次壓裂后的再壓裂圖6形成新裂縫之前先封堵舊裂縫的實驗過程具有初始裂縫的

24、井生產(chǎn)導致應力變化應力組成中大部分應力降低是沿著初始裂縫進行的maxminminmaxminmaxmaxminminmax 應力未擾亂區(qū)域的初始壓裂定位應力擾亂區(qū)域重復壓裂再定位井圖7重復壓裂再取向·39·第6期張衛(wèi)東等.頁巖氣鉆采技術(shù)綜述中 外 能 源 · 40 · SINO-GLOBAL ENERGY 2010 年 第 15 卷 3 WILLIAMS M. 旋 轉(zhuǎn) 導 向 鉆 井 新 技 術(shù) 的 應 用 J. 油 田 新 技 術(shù) ， 2004 ， 16(1 ： 4-9. 4 江 懷 友 ， 宋 新 民 ， 安 曉 璇 ， 等 . 世 界 頁 巖 氣

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31、ife ， long lead time ， dramatic change of recovery and usually lower recovery than conventional natural gas.Determined by its characteristics different from conventional natural gas production ， shale gas development has its unique pattern.Horizontal well technology is significant to expanding shale gas development.The cost of a horizontal well is typically 1 -1.5 times that of a vertical well and output from a horizontal well is about 3 times that from the latter.Horizontal well technol