中國南方海相頁巖氣開發(fā)潛力分析

中國南方海相頁巖氣開發(fā)潛力分析

0巖相頁巖氣勘探開發(fā)展望巖漿巖是富有機巖漿巖系的常規(guī)天然氣。近年來,由于勘探開發(fā)技術的突破和大規(guī)模推廣,尤其是水平井鉆井及壓裂技術的進步,美國頁巖氣勘探開發(fā)取得突破性進展,2012年頁巖氣產量達到2499×108m3,占美國天然氣總產量的35%。頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)影響著世界天然氣供給格局,帶動全球掀起了一場“頁巖氣革命”,歐洲、亞洲的諸多國家都啟動了頁巖氣勘探開發(fā)計劃,預計到2020年,全球頁巖氣產量將達到4000×108m3。中國在不同地質層位、不同區(qū)域廣泛發(fā)育富有機質泥頁巖,南方地區(qū)、華北地區(qū)、塔里木盆地和羌塘盆地發(fā)育海相頁巖,準噶爾盆地、吐哈盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和松遼盆地等廣泛發(fā)育陸相頁巖,頁巖氣資源潛力較大,全國頁巖氣技術可采資源量為(10~15)×1012m3。其中南方古生界寒武系、奧陶系和志留系中發(fā)育多套海相富有機質頁巖,如志留系的龍馬溪組和寒武系的筇竹寺組,分布范圍廣,厚度大(30~50m),總有機碳(TOC)含量高,含氣豐富,是中國頁巖氣資源的主體,其技術可采資源量為(8~11)×1012m3,占中國頁巖氣資源量的3/4。中國南方海相頁巖氣儲集層具有其特殊性,本文基于國內頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀及與北美對比,探討有效開發(fā)頁巖氣需要解決的科學問題。1中國頁巖氣產業(yè)仍面臨資源調查和氣藏試驗的問題中國頁巖氣儲集層具特殊性,諸多開發(fā)難題亟待解決。與美國相比,中國頁巖氣儲集層條件更為復雜,具有特殊性(見表1)。中國海相頁巖構造改造強烈,頁巖氣儲集層受多次改造,斷裂發(fā)育,保存條件欠佳,而美國頁巖層構造活動簡單,斷裂稀少,頁巖氣保存條件相對較好。中國海相頁巖沉積時代老(多為寒武系、志留系和泥盆系)、熱演化程度高(Ro值普遍大于3.0%)、總有機碳含量相對較低(見表1)。與美國相比,中國頁巖氣儲集層深度較大,地表條件更為復雜。目前中國頁巖氣產業(yè)整體上仍處于資源調查和勘探先導試驗階段,開發(fā)剛起步,缺乏儲集層描述、鉆完井、儲集層改造、氣藏工程等基礎理論的支撐,主要表現(xiàn)在以下4個方面。①對頁巖氣儲集層特征及流體流動規(guī)律缺乏研究,造成核心區(qū)不落實。對頁巖氣可采儲量、單井產量、開發(fā)井距和井網等開發(fā)參數的確定方法只能借鑒美國相關方法,沒有考慮中國海相頁巖氣自身的特殊性,容易造成開發(fā)與評價的誤差。②鉆井過程中井壁垮塌嚴重是頁巖氣井長水平段鉆井的主要技術難點。目前絕大多數頁巖氣井在頁巖水平井段發(fā)生井筒垮塌,嚴重影響評價井的鉆井周期和壓裂施工效果。中國第1口頁巖氣水平井威201-H1井采用了油基防塌鉆井液體系,并逐步提高了鉆井液密度,但在主力頁巖層段井壁垮塌仍然十分嚴重。③照搬美國技術,水平井分段壓裂增產效果不明顯。美國頁巖水平井分段壓裂后頁巖氣產量可達直井的10~15倍。中國在四川盆地南部等地區(qū)應用美國公司的壓裂技術開展水平井壓裂試氣,壓裂7~12段。位于長寧—威遠示范區(qū)的寧201-H1井初始產量達到15×104m3/d,其余3口井初始產量(1~3)×104m3/d,僅為直井的1~3倍,增產改造遠沒有達到預期效果,離高效開發(fā)差距甚遠。④中國尚未實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模化商業(yè)開發(fā),頁巖氣氣藏工程理論研究尚屬空白。目前長寧、威遠等區(qū)塊的頁巖氣井產能評價、開發(fā)井網部署等參數主要通過類比美國同類氣藏確定,尚無相關理論基礎。2中國巖氣開發(fā)理論研究現(xiàn)狀2.1頁巖微觀孔隙結構過去頁巖主要被視為烴源巖和蓋層,作為儲集層還處于摸索和重新認識階段。2005—2010年,國內學者應用鉆井過程中油氣顯示(如井涌、井漏)、烴源巖地球化學特征(有機質豐度、熱成熟度、生烴潛力、富有機質頁巖厚度、含氣量、脆性礦物)和X射線衍射分析(黏土礦物相對含量)等研究、認識頁巖氣儲集層,并進行資源潛力評價和有利區(qū)帶優(yōu)選。2010年,鄒才能等利用氬離子拋光、場發(fā)射掃描電子顯微鏡和納米CT數字巖心定量描述等先進技術手段研究頁巖的微觀孔隙結構,發(fā)現(xiàn)中國南方高成熟海相頁巖氣儲集層發(fā)育大量納米級孔隙,孔隙直徑5~750nm,以有機質孔、粒內孔及晶間孔為主。同時一些研究人員開始借鑒北美先進經驗,嘗試利用井壁取心分析、成像測井、等溫吸附曲線及美國天然氣研究院提出的頁巖孔滲參數測試、巖石力學分析等技術與手段,研究頁巖氣儲集層測井響應特征、地球化學特征、物性參數等,以評價頁巖氣儲集層,發(fā)現(xiàn)優(yōu)質頁巖氣儲集層具有自然伽馬值偏高,含油、含水飽和度較低,天然微裂縫比較發(fā)育,脆性礦物含量高,且呈現(xiàn)較強的非均質性和各向異性等特點。2.2巖相儲集層含水層缺失結構與常規(guī)儲集層相比,頁巖氣儲集層具有2個顯著特征:①儲集層致密,滲透率極低,頁巖氣儲集層孔隙和喉道直徑普遍小于1000nm,流體流動主要為非線性滲流;②儲集層含有吸附氣,天然氣在頁巖中主要以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)形式存在,其中吸附態(tài)和游離態(tài)占主體,少數為溶解狀態(tài)。頁巖中吸附氣的多少與有機質含量密切相關,一般在20%~85%。在頁巖氣儲集層內,不同尺度和不同相態(tài)條件下頁巖氣流動不能用達西定律描述。因此目前大多沿用常規(guī)氣藏滲流與氣藏工程理論、方法對頁巖氣藏進行分析。2.3井壁穩(wěn)定問題國內學者對非儲集層的頁巖井壁穩(wěn)定性進行了初步研究。以孔隙彈塑性力學為基礎的均質地層井壁穩(wěn)定性分析理論和計算方法基本成熟,而具有顯著結構性(層理、裂縫)的泥頁巖地層井壁失穩(wěn)問題,特別是以頁巖為儲集層的長段水平井井壁穩(wěn)定問題是目前研究的重點和難點。在穩(wěn)定井壁的鉆井液理論方面,國內針對非頁巖氣儲集層提出了通過采用油基鉆井液和在水基鉆井液中采用抑制和封堵方法降低頁巖坍塌壓力、延長井壁穩(wěn)定周期的理論,但對南方海相頁巖氣水平井井眼穩(wěn)定機理尚未認識清楚,并缺乏相關有效應對措施。在頁巖氣隨鉆測井和地質導向,特別是旋轉導向鉆井的理論及技術方面,國內研究起步較晚,與先進國家有很大差距,還沒有形成對頁巖氣儲集層的有效識別與導向鉆井理論,導致鉆井的中靶率不理想,很難形成完井所需優(yōu)質井眼。頁巖氣儲集層的保護工作還未有效開展。已經完鉆的頁巖氣水平井多數固井質量不理想,壓裂施工過程中常發(fā)生套管變形等問題。2.4巖氣井壓裂改造技術在中國巖隨著中國第1口頁巖氣井威201井壓裂并獲工業(yè)氣流,國內開始重視頁巖壓裂理論與技術的研究工作。2010年部分學者在分析和總結國外成功經驗的基礎上,開展了中國頁巖氣井壓裂改造的相關研究。中國石油勘探開發(fā)研究院系統(tǒng)分析了美國頁巖氣壓裂改造技術發(fā)展,提出了中國頁巖氣壓裂改造技術的發(fā)展方向。中國石油大學(北京)在誘導應力計算分析的基礎上,提出了通過控制誘導應力形成垂直井筒方向縫網的方法。在頁巖氣儲集層壓裂改造評估方面,中國還不能同時進行壓裂裂縫監(jiān)測和解釋,不能遠程控制和實時指導施工,而國外公司只提供井下微地震的實時解釋服務,該技術目前受制于外國公司。2.5頁巖氣氣藏工程理論的初步探索由于頁巖氣儲集層性質與常規(guī)儲集層的差異性,常規(guī)氣藏開發(fā)理論和氣藏工程方法不適用于頁巖氣藏的開發(fā),少數學者也進行了頁巖氣氣藏工程理論的初步探索。一些學者考慮頁巖氣的吸附、解吸特征,根據朗繆爾(Langmuir)等溫吸附方程,在雙重介質壓裂井滲流數學模型的基礎上運用點源函數分析了朗繆爾體積、朗繆爾壓力、彈性儲容比、竄流系數、邊界大小、裂縫長度等對頁巖氣井產能的影響。3國外黃巖氣開發(fā)研究3.1儲集層與頁巖巖性從20世紀70年代美國能源部啟動“東部頁巖氣項目”至今,北美諸多頁巖氣田開發(fā)經歷了3個階段:勘探早期評價、開發(fā)前期和大規(guī)模生產階段。期間始終將儲集層特征作為重點研究內容。早期學者認為有機質成熟度、豐度和類型是優(yōu)質儲集層的主要控制因素。后期通過定向取心、成像測井、主應力大小與方向測算、區(qū)域構造環(huán)境比較,逐漸認識到儲集層中天然裂縫、應力場、水平井井眼軌跡與壓裂改造模式之間的關聯(lián)性,并將此認識應用于單井設計和鉆完井中,不斷提高頁巖氣規(guī)模開發(fā)成效。Curtis認為頁巖孔隙結構由各礦物組分的排列方式決定,與頁巖沉積環(huán)境及成巖作用有關。依據頁巖礦物組分,可以把頁巖進一步分為硅質頁巖、鈣質頁巖、白云質頁巖、富磷頁巖和富化石頁巖等。Jarvie和Rickman等通過研究Barnett頁巖脆性與礦物學的關系,發(fā)現(xiàn)石英、碳酸鹽巖和黏土的相對比例影響巖石脆性,石英含量越高,脆性越好;黏土含量越高,脆性越差;而碳酸鹽巖含量的影響居于前兩者之間,并引入了脆性指數概念。Grieser和Halliburton利用全波形聲波測井數據計算泊松比和楊氏模量,將楊氏模量大于34.5MPa且泊松比小于0.25的頁巖視為脆性頁巖。同時,為了從宏觀尺度認識頁巖氣儲集層特征,大量應用先進的巖心-測井-3D地震綜合分析技術,進行斷層精細解釋、巖石物理屬性分析,將結果應用于單井鉆完井設計,指導水平井井眼軌跡設計和準確定位,并對壓裂層段進行優(yōu)選。3.2儲集層氣體流動規(guī)律國外對頁巖氣儲集層多場耦合非線性滲流理論的研究取得很大進步,但仍處于初級階段。例如,Javadpour等指出頁巖氣儲集層納米級孔隙中氣體的流動不能簡單地用線性滲流規(guī)律描述,并測試了頁巖氣儲集層中氣體的平均自由程、克努森數等。Wang和Reed等通過對頁巖氣儲集層孔隙結構與流體流動規(guī)律的研究,認為由于滑脫效應的存在,單相氣體在納米級孔隙中的流動遵循非達西流動規(guī)律,而在天然裂縫及壓裂縫中為達西流動。Schepers等指出頁巖氣在納米級孔隙和微裂縫中的流動方式以非達西流為主(Klinkenberg效應、Forchheimer流動)。Freeman等分析了頁巖氣藏甲烷流動和壓力曲線特征。但是,對于頁巖氣儲集層特征參數應力敏感性的數學描述和氣水兩相滲流規(guī)律等問題還未涉及。3.3井壁穩(wěn)定性力學研究國外泥頁巖地層井壁失穩(wěn)研究始于1940年,形成了以美國為代表的先進頁巖氣鉆完井理論與技術。研究領域主要有井眼穩(wěn)定性機理、現(xiàn)場實例與現(xiàn)場處理以及井眼穩(wěn)定性參數獲取方法等,具體內容包括力學意義的井壁失穩(wěn)機理研究、物理化學意義的井壁失穩(wěn)機理研究以及兩者的耦合。泥頁巖井壁穩(wěn)定性力學研究又分為基于連續(xù)介質理論的均質地層研究、基于層理性地層和裂隙性地層的井壁穩(wěn)定性研究,并在理論研究的基礎上,形成了一系列配套高性能水基鉆井液防塌處理劑及鉆井液體系,還形成了配套的油基鉆井液技術。美國早期采用直井進行頁巖氣開發(fā),2000年以后水平井在頁巖氣開發(fā)中的優(yōu)勢逐步突顯,并在水平井鉆進中采用了旋轉地質導向,使水平井精確定位,形成光滑的井眼,有利于水平井延伸和井眼凈化,保證后期完井作業(yè)。同時采用了欠平衡鉆井技術、控壓鉆井技術,避免儲集層受到傷害。3.4水平井多段壓裂工藝目前美國約有85%的頁巖氣井采用水平井與分段壓裂技術相結合的開發(fā)方式,最大程度地增大復雜裂縫網絡與基質的接觸面積,增產效果顯著。例如美國Newfield公司在Woodford頁巖中的部分開發(fā)井采用了5~7段壓裂,增產效果明顯。2005年,美國Barnett頁巖第1次采用水力噴射技術對53口井進行壓裂,其中26口取得了技術和經濟上的成功。2006年,同步壓裂技術在Barnett頁巖首次使用,對2口及2口以上井同時壓裂,增加裂縫網絡的密度和裂縫面積,能大幅度地提高頁巖氣井的產量。2009年,一種采用超輕支撐劑和超高氣體質量的泡沫壓裂技術在頁巖水平井多段壓裂中成功應用。國外頁巖氣壓裂工藝技術發(fā)展的同時,有關頁巖氣壓裂的設計理論、滲流理論與效果評價等研究也取得了進展。Rickman等用脆性指數表征儲集層產生復雜縫網的難易程度,根據礦物組分以及楊氏模量和泊松比建立了兩個脆性指數計算公式,脆性指數越大,越利于產生復雜縫網。儲集層地應力及天然裂縫特征是壓裂改造必須考慮的前提條件,儲集層水平主應力差異越小,天然裂縫越發(fā)育,壓裂改造時形成的裂縫越復雜。3.5擴散運移模型美國在頁巖氣氣藏工程領域取得多項研究成果,為頁巖氣高效開發(fā)提供了有效評價手段。Gatens在分析800多口泥盆系頁巖氣井生產數據的基礎上,建立了產量典型曲線及自動擬合的解吸雙孔模型。Carlson提出了一種簡單快速的方法來預測直井壓裂裂縫間距與裂縫連續(xù)性。Javadpour等提出納米孔隙與微米孔隙網絡控制了頁巖中氣體流動,建立了擴散運移模型研究頁巖氣井產能。Freeman等論述了壓裂水平井流體流動從初始地層線性流,過渡到復合線性流,最后到橢圓流的流態(tài)變化,分析了裂縫導流能力、解吸、裂縫間距及改造體積對產氣量的影響。Hasan在傳統(tǒng)雙孔模型基礎上,考慮裂縫性儲集層中的裂縫具有不同的性質,建立了三孔(2種裂縫)模型,得出了線性流的Laplace空間解。Craig等研發(fā)了數值模擬器用于研究頁巖氣藏中壓裂水平井的各種生產特征,結果表明,頁巖中流體流態(tài)受裂縫結構的影響,這一認識有助于評價頁巖儲集層的物性與儲量。Economides和Wang認為頁巖氣井采氣能力取決于壓裂所溝通的最大縫網系統(tǒng),即“改造體積”。Fazelipour基于微地震資料反演提出水力壓裂增產區(qū)域概念,即所謂的壓裂增產導致的優(yōu)勢滲流場,也稱SRV(StimulatedReservoirVolume)。4儲集層及井壁坍陷情況由于中國海相頁巖氣具有復雜性和特殊性,國外現(xiàn)有理論和技術不能完全適用于中國的頁巖氣開發(fā)。目前在中國頁巖氣開發(fā)工作中,尚無優(yōu)質儲集層標準,核心區(qū)未確定;尚未建立相適應的滲流理論及氣藏工程方法;水平井井壁垮塌嚴重,分段壓裂效果不理想。需要解決納米孔隙與微裂隙成因及表征方法、復雜介質多場耦合非線性流動機理及氣藏工程方法、頁巖失穩(wěn)與縫網形成的力學機制等3個科學問題。4.1儲集層覆巖結構及層位評價頁巖氣儲集層是富有機質的細粒沉積巖,其巖石物性與常規(guī)氣藏有很大差別。主要原因是孔隙空間以納米—微米級有機質孔隙、粒間孔隙等為主,同時發(fā)育天然裂縫,具有獨特的孔隙結構、潤濕性、天然氣賦存狀態(tài)和流動機制,基質滲透率極低。干酪根類型、有機質豐度、成熟度及巖石組成控制了有機質孔隙分布;沉積環(huán)境、成巖作用、巖石力學性質、生烴過程、原地應力、構造活動等因素控制了頁巖孔隙度演化趨勢、天然裂縫組合特征和發(fā)育規(guī)模。由于頁巖儲集空間、滲流機制的多樣性和復雜性,現(xiàn)有的儲集層評價方法無法描述納米級孔隙成因及多尺度孔隙-裂縫結構,難以對頁巖氣儲集層的多孔性、含氣性、滲透性和可改造性等進行定量表征,不能滿足頁巖氣高效開發(fā)對儲集層評價的要求。因此,頁巖納米—微米級孔隙成因以及不同尺度儲集空間特征的定量表征成為頁巖氣開發(fā)地質研究的關鍵科學問題,除天然裂縫外,重點揭示頁巖氣儲集層孔隙成因與賦存規(guī)律,解決儲集空間發(fā)育程度及分布等問題。4.2材料滲流數學描述頁巖氣儲集層孔隙尺度多在納米、微米級范圍,部分伴有裂縫介質。與常規(guī)儲集層相比,頁巖氣的流動存在解吸、擴散、孔隙滲流、微裂縫滲流、壓裂縫流-固耦合滲流等多種形式,需對吸附態(tài)氣體解吸、游離態(tài)氣體擴散滲流、各種流動和開采流體流動動力學行為及各類特性進行滲流數學描述。在滲流場-應力場-溫度場耦合作用下,頁巖介質變形對頁巖裂隙結構和滲流特征產生較大的影響,其滲流機理和滲流規(guī)律與常規(guī)低滲透油氣藏明顯不同,達西定律已不再適用。必須建立頁巖氣開采滲流場-應力場-溫度場壓裂井開采基質-壓裂縫耦合滲流數學模型,揭示頁巖層納米級孔隙流動、微米級孔隙流動、裂隙介質流動、壓裂裂縫流動、多級壓裂水平井流-固耦合非線性滲流規(guī)律,揭示頁巖氣壓裂井開采基質-壓裂縫耦合單相、兩相非線性滲流規(guī)律,探究頁巖氣復雜介質耦合流動機制,為頁巖氣藏的開發(fā)和有效動用奠定理論基礎。這一科學問題最大的意義在于探索孔隙與裂縫中流體傳輸規(guī)律,解決頁巖氣可采