页岩气钻完井技术

页岩气钻完井工程发展趋势页岩气钻完井技术2011.8页岩气钻完井工程发展趋势当前，我国正处于工业化快速推进阶段，对能源需求量越来越大，同时减少碳排放的压力也与日俱增。这些都为非常规天然气快速发展提供了机会。页岩气，是一种重要的非常规天然气资源。页岩气在非常规天然气中异军突起，已成为全球油气资源勘探开发的新亮点，并逐步向一场全方位的变革演进。由此引发的石油上游业的一场革命，必将重塑世界油气资源勘探开发新格局。加快页岩气资源勘探开发，已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。美国作为世界上页岩气资源勘探开发最早的国家，在政策、价格和开发技术进步等因素推动下，已在北美地区形成成熟的评价方法和勘探开发技术，值得我国页岩气研究和勘探开发工作者学习借鉴。我国与美国在页岩气地质条件上具有许多相似之处，页岩气富集地质条件优越，具有与美国大致相同的页岩气资源前景和开发潜力。目前我国页岩气资源调查与勘探开发还处于探索起步阶段，至今尚未对其潜力进行全面估算，页岩气资源有利目标区有待进一步落实，勘探开发还处于“空白”状态。2目录前言一国内外页岩气开发状况二页岩气钻完井技术三启示和建议3中国页岩气资源量约为30.7万亿方（类比法），总面积达300万KM2,资源丰富、分布广阔，潜力巨大，勘探开发刚刚起步南方海相21万亿占70%，四川古生界12万亿，需尽快探明示范工程威201、宁201井昭104直井压裂初见成效，为开发提供了宝贵经验中国页岩气资源分布图4一、国内外页岩气开发状况5页岩气是主体上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。大部分是自生自储于古生界志留寒武系。游离相态存在于裂缝、孔隙及其它储集空间吸附状态(20～85%)存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中页岩气（shalegas）是从页岩层（or泥岩层）中开采出来的天然气。二、页岩气钻完井技术6二、页岩气钻完井技术Barnett页岩含石英矿物37.38%，碳酸盐矿物19.13%，粘土矿物41.13%；其中粘土矿物成分不含蒙脱石，以伊/蒙混层为主。（SPE106070）北美不同区域页岩地层矿物组分（%）前期气藏工程研究是页岩气大幅度提高单井产量的基础储层岩性具有显著的脆性特征，是实现体积改造的物质基础北美页岩数据库的矿物三角图表明1区脆性页岩富含石英2区脆性页岩富含碳酸盐3、4区塑性页岩富含泥质压裂困难易形成缝网789二、页岩气钻完井技术10二、页岩气钻完井技术页岩气开发特点虽然有吸附与游离相天然气的同时存在，但页岩气的开发并不需要排水降压11二、页岩气钻完井技术12页岩气开发特点二、页岩气钻完井技术254.7226.4198.1169.8141.5113.284.956.628.30千立方米月未考虑初期返排的产量递减曲线美国四大页岩气藏（Barnett、Haynesville、Fayetteville、Marcellus）的单井费用构成中，储层改造和钻井费用两者之和占总费用的80%以上，且各占1/2。不同区域建井成本显著不同，但低成本是体积改造实现有效开发的关键BarnettMarcellusHaynesvilleFayetteville初产104m3/d712285.3第一年递减率%70758168采收率0.740.750.820.62建井成本104$280350700300稳定产量14000m3/d左右低成本战略是体积改造实现有效开发的技术关键页岩气生产寿命长达30-50年，Barnett页岩可达80年以上13由于孔隙度和渗透率较低天然气的生产率和采收率也较低，因此页岩气的最终采收率依赖于有效的压裂措施，压裂技术和开采工艺均直接影响着页岩气井的经济效益。14页岩气开发特点二、页岩气钻完井技术以美国Barnett页岩开发为例，可分五个基本阶段：1、钻直井，对下部Barnett页岩进行泡沫压裂（567800～1135600L），氮气辅助，20/40目砂量136000～226800kg。压裂速度约为40bbl/min。1981-1985年间使用该技术2、钻直井，使用交联凝胶对下部Barnett页岩进行压裂，将用量增加至1514100～2271200L，用砂量增加至453600～680300kg。直至1995年，一直使用氮气辅助、降滤失剂、表面活性剂和粘土稳定剂。1995年后，减去了氮气和降失水剂。这种大型水力压裂技术在1985—1997年间使用15页岩气开发特点二、页岩气钻完井技术3、钻直井，用大约3407方和1893方清水分别对上部和下部Barnett页岩进行压裂，20/40目砂总用量为90700kg。压裂速度约为50～70bbl/min。不需使用粘土稳定剂和表面活性剂，且在大部分地区，可完全不用泵增压。这种简单的水力压裂或加砂压裂可比凝胶压裂节约成本50%～60%，从1998年至今一直是垂直井的压裂方式4、1997年，随着水力压裂的盛行，最初由凝胶压裂的井在能量衰竭后，用清水进行二次压裂，可采储量增加了60%。二次压裂技术至2006年仍较为常见16二、页岩气钻完井技术5、钻水平井，水平段长1000～3500ft（304.8～1066.8m），用2000000～6000000gal（7570180～22712400L）清水和400000～1000000lb（181400～453600kg）砂进行压裂。压裂速度50～100bbl/min。此技术开始于2003年。2006年，“同步压裂”技术产生，即作业者相隔500～1000ft（152～305m）钻两口平行的水平井，然后对两口井同时进行压裂17二、页岩气钻完井技术页岩气储层钻井所需水量（m3）压裂所需水量（m3）总水量（m3）Barnett1514.28706.410220.6Fayetteville227.1*10977.711583.4Haynesville3785.410220.614006.0Marcellus302.8*14384.614687.4不同区域页岩气储层每口井钻井及压裂预计用水量对比表资料来源：（ALLConsultingfromdiscussionswithvariousoperators），2008美国不同页岩气区域用水量大致相同，一般11000m3最为常见；回收处理再利用技术——低成本。18二、页岩气钻完井技术受地形、水源、设备等限制无法进行在线混配时只能采用液罐现场配液技术液量大，需要配备大量的配液罐需要充足的时间来进行备水、配液53个60个52个5个5个12个累计使用水罐187个地面配液技术——液罐现场配液技术配套的设备及现场施工技术确保了体积改造的顺利实施19主要施工设备☆场地：90×50m2000型压裂车14台混砂车2台仪表车2台管汇车2台700型压裂车1台连续油管车1套液氮泵车+槽车1套压裂液罐（45m3）12只砂罐（30m3）6只压裂液池3200m3昭104井压裂施工20昭104井试验了新的配液、供液模式，实施平稳良好123456789101112211、钻井深度按照美国页岩气业界的划分，当页岩埋藏深度低于1000m时，称为浅层页岩气藏；埋藏深度在1000m～4000m之间为深层页岩气藏；埋藏深度超过4000m，则称为超深层页岩气藏。Barnett页岩（石油&天然气）Haynesville页岩（天然气）Marcellus页岩（石油&天然气）EagleFord页岩（石油&天然气）垂深（ft）5400-950010500-135004500-80005000-12000厚度（ft）100-50060-35050-300100-250井底温度（°F）150280-380100-140150-350水平井成本（百万美元）2.5-4.56-103-45-722二、页岩气钻完井技术23二、页岩气钻完井技术1、钻井深度2002年以前，直井是美国页岩气开发主要的钻井方式，随着2002年Devon能源公司7口Barnett页岩气试验水平井取得了巨大成功，业界开始大力推广水平钻井，水平井已然成为页岩气开发的主要钻井方式。2002年后，Barnett页岩气水平井完井数迅速增加，2003～2007年Barnett页岩水平井累计达4960口，占Barnett页岩气生产井总数的50%以上，2007年完钻2219口水平井，占该年页岩气完井数的94%。2009年，Barnett页岩气井数量13740口，水平井完井超过了95%242、井型二、页岩气钻完井技术25尤其是水平井多段压裂技术的突破，推动水平井技术再上新台阶。1000-2000米3000米20倍直井270倍直井1013倍直井13.5倍水平井50倍水平井直井水平井直井压裂水平井压裂水平井钻井技术实现储层接触最大化，增加可动用储量，增加单井产量；二、页岩气钻完井技术水平井布井方位必须垂直最大主应力方向Woodford某区块页岩气水平井的布井示意图水平井钻完井技术26二、页岩气钻完井技术页岩气水平井部署威远（5口）27水平段的长度从Barnett页岩气开发来看，水平井水平段长一般在304.8～1066.8m（1000～3500ft）在Haynesville页岩气开发过程中，水平段长已经延伸到了1219m（4000ft），采用10段压裂Woodford地区长水平段开发页岩气方面具有较大技术优势，公开资料称新田公司2006至2009年所钻井的平均水平段长接近5000ft（1500m）28二、页岩气钻完井技术水平井轨迹控制方法与要求一般采用MWD和随钻自然伽马进行地质导向常规马达。29二、页岩气钻完井技术水平井钻井液技术在多数的页岩气开发水平井中使用的是油基泥浆雪弗龙公司开发了硅酸钾基钻井液体系贝克休斯开发了专用于页岩的performax水基钻井液体系当井壁稳定不突出的时候，可以使用低固相不分散钻井液体系30二、页岩气钻完井技术主体技术：+水平井套管完井+分段多簇射孔+快速可钻式桥塞+滑溜水多段压裂页岩气水平井体积改造主体技术已经形成压裂改造技术水平井多段分簇改造技术水平井多井同步压裂技术完井方式裸眼完井筛管完井套管完井（目前80%北美页岩气井完井方式）“分段多簇”射孔技术电缆传输、一次装弹、分簇引爆相位角：60°/180°31压裂改造技术水平井多段分簇改造技术水平井多井同步压裂技术压裂改造技术水平井多段分簇改造技术水平井多井同步压裂技术主体技术：+水平井套管完井+分段多簇射孔+快速可钻式桥塞+滑溜水多段压裂压裂改造技术水平井多段分簇改造技术水平井多井同步压裂技术技术作用最大限度提高储层动用率降低储层有效动用下限分段多簇射孔基本特点一次装弹+电缆传输+液体输送+桥塞脱离+分级引爆分段多簇射孔核心技术桥塞以及射孔枪定位技术桥塞与射孔枪分离技术分级引爆技术连接排量16m3/min，单孔流量:0.27m3/min页岩气水平井体积改造关键技术之一：分段多簇射孔技术32页岩气水平井体积改造关键技术（1）下入方式(连续)油管-水力爬行器-水力泵入（2）技术特点节省钻时（同时射孔及座封压裂桥塞）易钻，易排出（35min钻掉，常规铸铁4h）（3）适用范围：套管压裂（3.5″/4.5″/5.5″/7″)（4）关键技术快速可钻式桥塞材料桥塞送入及座封技术桥塞与射孔枪分离技术SPE112377体积改造关键技术之二：快速可钻式桥塞工具耐温177°C耐压差70MPa页岩气水平井体积改造关键技术33主要技术参数水平井段长1000-1500m一般分8-15段，每段分4～6簇排量10m3/min以上平均砂比3-5%每段压裂液量1000-1500m3每段支撑剂量100-200吨滑溜水+线性胶40/70支撑剂为主体积改造关键技术之三：大型滑溜水压裂技术▲大液量、大排量、大砂量、小粒径、低砂比页岩气水平井体积改造关键技术34技术特点：促使水力裂缝扩展过程中相互作用，产生更复杂的缝网，增加