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页岩气开采技术天津石油职业技术学院石油工程系钻井技术教研室—郏志刚课程目录第一章页岩气开采概述第二章页岩气钻井技术第三章页岩气完井与射孔作业第四章页岩气分段压裂技术第五章页岩气连续油管技术第六章页岩气试气工艺第七章页岩气井的生产管理技术第一章页岩气开采概述一、页岩气概念1.页岩油气：主要以吸附和游离方式赋存于富有机质泥页岩及其夹层中的石油与天然气。2.页岩气：产自极低孔渗、富有机质页岩储集系统中的天然气，或自生自储、以游离气和吸附气为主赋存，富集于页岩储集系统的微-纳米级孔缝或矿物颗粒表面的天然气。第一节页岩气及其特点二、页岩气特点1.储集空间以裂缝为主，以游离气、吸附气和水溶气形式赋存，低渗；2.属于源生气，在源岩层内的就近聚集，为典型原地成藏模式，与常规天然气藏不同，页岩气“生、储、盖”自成一体；抛光前抛光后二、页岩气特点3.较常规天然气相比，具有单井产量低、开采寿命长、生产周期长、产量稳定的特点。4.分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，连续性分布。三、页岩气赋存页岩类别——页岩气主要赋存在黑色富有机质泥页岩中四、页岩气与常规油气的关联性1、页岩油气主要分布于成熟的含油气区；2、积累的常规油气地质资料、样品可用于确定有利区；3、已有的管网设施可以利用；4、已形成的地球物理、压裂技术等可以应用。第二节国内外页岩气勘探开发现状概论中国能源消费结构不合理，煤炭消费居高不下，天然气消费比较偏低，天然气具有很大的发展空间。一、页岩气的发现及革命前期1821年，WilliamA.Hart在美国纽约的弗里多尼亚钻了第一口产自页岩的商业天然气井(27英尺深），被认为是页岩气的首次发现。1914年，在阿巴拉契亚盆地泥盆系Ohio页岩中，发现了世界第一个页岩气田—BigSandy。受地质认识和技术手段的限制，人们对这类资源并没有重视，没有认识到它的巨大潜力，没有想到它可以被大规模地开采利用。二、页岩气革命开始与发展1981—1998,Mitchell能源公司坚持在FortWorth盆地探索试验，综合开发了水力压裂和水平井技术，最终实现了Barnett页岩气的规模商业开发，开创页岩气开发新局面。页岩气之父GeorgeMitchell于2011年获得终身成就奖，以表彰他在页岩气开发方面做出杰出贡献。三、全球非常规天然气资源开发现状全球页岩气资源储量约456万亿立方米，相当于煤层气和致密气的总和，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非以及拉美等地区。三、全球非常规天然气资源开发现状2000年以后，水平井钻井技术及分段压裂、同步压裂、重复压裂技术等快速发展及大规模应用，带来了美国页岩气的快速发展。Barnett页岩气年产量由1999年的22亿方快速增加到2009年560亿方，10年间增长了25倍。2016年美国年产超三千亿方。页岩气水平井分段压裂模式美国15年页岩气年产量变化13四、我国石化页岩油气勘探开发现状自2006年-2016年，中国石化页岩气勘探主要开展了选区评价、重点区块评价、产能评价、产能建设四方面工作,实现了页岩气从勘探突破到商业发现到规模开发跨越式发展。14四、我国石化页岩油气勘探开发现状2010，宣页1、河页1井——找到页岩，见气显示；2011，黄页1、湘页1井——找到页岩，获低产气流；2012.7,彭页HF-1井——找到优质页岩，产工业气流；2012.12,焦页1HF井——找到优质页岩，获高产气流。2012年，勘探分公司针对焦石坝区块志留系龙马溪组部署钻探了焦页1HF井，11月28日放喷测试获20.3万方/天的工业气流，取得了页岩气勘探的突破，启动了焦石坝区块的页岩气的开发工作。2012年12月，涪陵页岩气田正式移交江汉油田分公司开发。15四、我国石化页岩油气勘探开发现状四、我国石化页岩油气勘探开发现状☆2013年1月9日，焦页1HF井投入试采，日产量6万方，成为国内第一口投入商业开发的页岩气井，标志涪陵页岩气田正式进入商业试采。☆2013年1月，启动试验井组开发工作；并开展焦石坝区块一期产建区整体评价。☆2013年11月28日，一期产建方案通过总部审查。☆2014年1月，启动一期产建工作。☆2015年12月，圆满建成涪陵页岩气田一期50亿方产能。焦页1HF井放喷点火照片截至2016年底，气田累计开钻338口，完井306口，完成试气274口，投产246口；建成页岩气年产能力70亿方，预计17年年产页岩气可达一百亿方。并建成60亿方/年的集输工程、65亿方/年的脱水装置、51000方/天的供水系统、53座地面集气站、110kV变电站。四、我国石化页岩油气勘探开发现状2013年新建平台：13座开钻：30口完井：24口完成试气：14口投产：13口新建产能：5亿方产气：1.42亿方销售：1.34亿方实现当年开发，当年投产，当年见效。2014年新建平台：52座开钻：148口完井：112口完成试气：75口投产：76口新建产能：20亿方产气：10.81亿方销售：10.38亿方占当年全国页岩气总产量的83%。2015年新建平台：10座开钻：112口完井：120口完成试气：109口投产：91口新建产能：25亿方产气：31.67亿方销售：30.41亿方圆满完成一期50亿方产能建设任务。2016年新建平台：27座开钻：50口完井：50口完成试气：78口投产：66口新建产能：20亿方产气：50.37亿方销售：48.36亿方二期产建建成产能20亿方。课程目录第一章页岩气开采概述第二章页岩气钻井技术第三章页岩气完井与射孔作业第四章页岩气分段压裂技术第五章页岩气连续油管技术第六章页岩气试气工艺第七章页岩气井的生产管理技术19第二章页岩气钻井技术2002年Devon能源公司在沃斯堡盆地进行了7口页岩气试验水平井的试采，取得了巨大成功。水平井最终评价的开采储量是直井的3倍以上，成本只相当于直井的1.5倍，初始产量与最终总产量也有很大关系，由此，业界开始大力推广水平钻井。国外页岩气钻井分析常规直井钻井模式与水平钻井模式对比EOG公司页岩气藏开发以丛式井组为主，每井组一般3-6口水平井，段长一般为1000-1500m，两水平井之间井距为150m；井眼轨迹设计为“勺型”井眼，以实现尽可能的水平段长度和储层接触面积，水平段微微上翘，便于排水。国外页岩气钻井分析常规直井钻井模式与水平钻井模式对比当前，直井的主要目的是用于勘探（探井、实验井），取得地层岩心资料，了解油气藏特性，以获得钻井、压裂和投产经验。水平井主要用于生产，增大储层的泄流面积，得到更高的天然气产量。国外页岩气钻井分析2009年-2011年底为川庆页岩气钻井的第一阶段，共完钻12口（其中直井9口，水平井5口），主要采用常规钻井技术进行页岩气钻井，钻井过程中普遍表现出钻速慢、事故复杂多、钻井周期长的特点。我国（四川）页岩气钻井川庆页岩气第一阶段钻井指标1.山地复杂条件井场选址困难，建设费用大，环保要求高长宁、威远、涪陵等页岩气示范区地处山区，地面沟壑纵横，海拔400～1500m，人口密集，平台井场建设难度大，费用高。一、我国（四川）页岩气钻井主要难点国外页岩气井场地表环境我国页岩气井场地表环境2.多层段钻井易漏、易垮我国四川、重庆在青藏高原和四川盆地过渡带，部分地区属于卡斯特地貌。地质构造异常复杂。属于地质灾害高发地区，灾害类型多以地震、滑坡、崩塌、泥石流为主。一、我国（四川）页岩气钻井主要难点地表易坍塌层地表溶洞3.地层老，可钻性差，前期钻井机械钻速低，单只进尺少4.产层埋藏深度深，纵向剖面上压力系统复杂，钻探难度高一、我国（四川）页岩气钻井主要难点1.页岩气钻井主要井身结构设计数据包括：1）钻头程序及深度；2）套管程序及深度；3）水泥返深；4）射孔井段及深度；5）完井管柱规格及深度。二、页岩气钻井井身结构设计序号开钻次序钻头程序套管程序水泥返高外径mm井深m外径mm壁厚mm下深m1导管2一开3二开4三开2.页岩气钻井主要井身结构设计图：二、页岩气钻井井身结构设计二、页岩气钻井井身结构设计不同类型完井管柱类型图不同规格完井管柱柱状图3.页岩气钻井主要完井管柱状态类型：三、页岩气钻井四、页岩气地质导向钻井技术发挥地质录井作用，采用MWD+伽玛随钻仪器跟踪储层，调整井眼轨迹，可实现一次性入靶，储层钻遇率可达93%以上。1.PWD+伽马随钻监测PWD随钻测压是MWD随钻测量技术的一个部分，通常由MWD+PWD组合，测量井眼轨迹数据和井底环空压力，通过泥浆脉冲信号传输到地面，再由地面解码系统解码后获得相应的数据，进而由软件生成实时曲线图。2.PWD随钻测压优势1.精确监测井底环空压力；2.为控压钻井与控压完井提供可靠依据与保障；3.动态测试地层压力窗口；2.PWD随钻测压优势4.有效控制井底环空压力，减少溢流和漏失，降低井控风险；5.有利于实现安全、快速钻进；6.可串接伽玛探管（MWD+PWD+Gamma），监测井底环空压力的同时，进行随钻伽马测量，为地质分层提供依据。五、页岩气钻井固井情况1、针对水平井面临的固井困难，采用以下技术措施保证固井质量；2、优化浆柱结构（前冲洗液+水基钻井液+后冲洗液），提高井壁亲水性；3、水平段套管安装滚珠扶正器，减少摩阻。3口水平井139.7mm套管固井质量六、钻机快速移动装置1、长宁H2平台：机械钻机，配备滑轨式移动装置，井间纯移动时间2小时（移动前倒部分钻具）2、长宁H3平台：电动钻机，配备步进式移动装置，井间纯移动时间1.5小时（移动前需倒全部钻具）滑轨式液压移动装置步进式液压移动装置课程目录第一章页岩气开采概述第二章页岩气钻井技术第三章页岩气完井与射孔作业第四章页岩气分段压裂技术第五章页岩气连续油管技术第六章页岩气试气工艺第七章页岩气井的生产管理技术第三章页岩气完井与射孔作业一、页岩气完井类型1.裸眼射孔完井；2.套管（尾管）固井射孔完井；3.组合式桥塞完井；4.机械式组合完井。第一节页岩气完井概述裸眼封隔器分段改造二、页岩气完井技术二、页岩气完井技术射孔——是用磁性定位器或放磁组合下井仪所测曲线进行深度校正后，利用油气井专用的聚能射孔弹爆炸时产生的高温、高压射流，依次射穿枪体、套管、水泥环及污染带，从而形成由目的层通向井筒的油气通道。射孔是完井工艺的重要组成部分，射孔质量的好坏对油气井的完井方式、产能、寿命和开发生产成本等都有重大的影响。第二节油气井射孔概述一油气井射孔概述-1套管射孔完井是目前国内外使用最广泛的完井方法。该种完井方式的优点是可选择性地射开不同压力、不同物性的油层，以避免油层间干扰，还可避开夹层水、底水和气顶，避开夹层的坍塌，具备实施分层注、采和选择性压裂或酸化等分层作业。采用合适的射孔器和射孔工艺，就可以使射孔对产层的伤害最小，完善系数高，从而获得理想的产能。一油气井射孔概述-2按耐热性能分类：一般按射孔弹主炸药的48小时耐热性能划分，分为三种类型：1）常温炸药黑索金RDX：耐温小于121℃/48h。2）高温炸药奥克托金HMX：耐温介于121～163℃/48h。3）超高温炸药六硝基芪HNS、皮威克斯PYX：耐温大于163℃/48h。一油气井射孔概述-3射孔弹——聚能射孔弹是根据聚能效应原理设计的。聚能射孔弹是射孔器的主体部件，由传爆药、主炸药、药型罩和壳体四部分构成，当射孔弹被引爆后，装药爆轰，压垮药型罩，形成高温高压高速聚能射流，射流冲击目的物，在目的物内形成孔道，达到射孔目的。装药量、药型罩配方及药型罩几何形状尺寸决定了聚能射孔弹的穿透深度。射孔弹结构示意图一油气井射孔概述-4导爆索——导爆索能以每秒6000m以上的速度传爆并能引爆与它接触的炸药、射孔弹、切割弹、传爆管等。如果密集盘绕，其爆炸威力很大，可用于爆炸松扣或段管作业。分类：1）按耐温性能可分为常温(120℃)和高温(170℃)导爆索。2）按承受压力的性能可分为承压导爆索和不承压爆索，承压导爆索用于无枪身射孔和爆炸松扣；不承压导爆索用于有枪身射孔。一油气井射孔概述-5雷管——用来引爆导爆索的关键部件，按起爆条件分为电雷管和撞击雷管两大类。电磁雷管属于电雷管的一种，因