关于我国发展页岩气开发技术的几点看法

1关于我国发展页岩气开发技术的几点看法罗平亚西南石油大学油气藏地质与开发工程国家重点实验室2012.5一、概述页岩气是油气资源中新的矿种;它属于非常规天然气中的重要组成部份:非常规天然气定义：通常而言，泛指相对于常规天然气之外，在非传统的储集层、笼型固态沉积物等非常规地质条件下存在的天然气资源。主要包括致密气、煤层气、页岩气、火成岩气和天然气水合物等。（据SPE）3非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探开发方式等方面有别于常规天然气的烃类(或非烃类)资源,主要指页岩气、煤层气、致密砂岩气和天然气水合物等。重点讨论页岩气、煤层气、致密砂岩气.具有资源丰度低、低孔、低渗、日产量低“四低”、投产递减快等特征，但是具有资源量大、单井生产寿命长等特点。41、全球非常规天然气资源大世界常规天然气总资源量为436万亿立方米，2010年产天然气约3万亿立方米，储采比保持在60以上；世界非常规天然气总资源量921万亿方，是常规天然气2倍多（其中，致密气209.6万亿方、煤层气256.1万亿方、页岩气456万亿方），但产量只占1/7左右；天然气水合物资源量超过2万万亿方，是目前化石能源资源总量2倍以上。其中仅页岩气456万亿方就大于常规天然气总资源量436万亿5致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约84.5万亿方，是常规气资源量1.5倍。中国非常规油气可采资源中国非常规天然气资源量大，发展前景广阔种类资源量备注非常规气(万亿方)致密砂岩气＞12主要包括鄂尔多斯和四川盆地煤层气36.8国土资源部新一轮资评，2006年页岩气30.72008年火成岩气＞52010年天然气水合物＞80主要指南海62、非常规天然气历经百年探索，近年呈现快速发展态势,非常规天然气发展世界瞩目1821年，钻第一口页岩气井；1921年，钻第一口致密气井；1951年，钻第一口煤层气井;20世纪80年代，致密气实现规模开发；20世纪90年代中后期，煤层气快速发展；近年来，页岩气迅速发展世界瞩目。天然气水合物勘探加速,各国加强基础研究.701000200030004000196019701980199020002010美国非常规天然气发展历程为其典型代表18211921第1口页岩气井第1口致密气井第1口煤层气井致密气页岩气非常规气产量，亿方/年美国非常规天然气发展历程0200040006000800019301940195019601970198019902000201020202030美国天然气百年发展的历史、现状及趋势常规天然气煤层气致密砂岩气页岩气8非常规天然气美国全球领先，他的发展历程为其典型代表。93、非常规气主要特点类型常规气非常规气成藏特征多为源外成藏近源或源内成藏，多自生自储分布特征局部高度富集大面积分布，丰度低赋存方式渗流特征游离态，微米级空间渗流致密气以游离态为主、微米级及以下空间渗流，煤层气以吸附态为主、微米级及以下空间渗流，页岩气两种形态并存、纳米级空间渗流；火成岩气以游离态为主、毫米级、微米级、纳米级空间渗流，水合物为固态，纳米级空间渗流储层物性物性好，一般具自然产能复杂致密，低压、(超)低渗、(超)低孔(隙)、低丰度,一般不具自然产能开采特征压力驱动开采，单井产量高需采用专用的系列配套技术才能有效开采;单井产量很低,递减快,生产周期长经济效益成本低，回收期短，效益好成本高，回收期长，效益差10二、页岩气有效开发技术111.页岩气定义及基本特征页岩气是一种特殊的非常规天然气,赋存于泥岩或页岩中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征，一般无自然产能或低产，需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生产周期长。基本特征：（一）、基本情况美国四种典型页岩自生自储游离气+吸附气孔隙度0.5-12%基质渗透率＜0.0001md天然裂缝发育含气量＞1m3/t页岩气12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.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。13岩性：暗色页岩，层理发育，含有硅质和钙质，较好的矿物成分是:粘土较少，方解石较多，硅质多（即E值较大），最好的泥页岩储层是粘土含量较少的粉砂质泥岩；物性：致密，孔隙度一般低于10%，渗透率一般在0.01-0.00001md。在构造活跃地区或者上覆地层剥蚀，地层压力下降的情况下发育裂缝，并被钙质或泥质充填。泥页岩储集空间：无机孔隙、有机孔隙、微裂缝14据IHS（2005年）预测，全球页岩气总资源量456万亿方，相当于常规天然气1.4倍，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非等地区2010年美国页岩气产量高达1380亿方，较2008年增长了80%.页岩气的大规模开发使美国改变了原引进5000万吨LNG的计划，改变天然气供给格局美国页岩气开发取得成功后，加拿大、澳大利亚、欧洲各国、中国等国家重视页岩气资源勘探开发，开展大量工作,“形成热潮”2.全球页岩气资源丰富，受到世界各国广泛重视153、美国作为世界上页岩气资源勘探开发最早的国家，已在北美地区形成成熟的评价方法和勘探开发技术，实现了页岩气的工业开发,从理论和技术上证实了页岩气资源有效开发的可能性,因此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而热切的愿望。16㈡、国外成熟的页岩气勘探开发技术経过近二、三十年艰苦攻关，美国率先形成页岩气的评价方法和勘探开发系列配套技术，而且日趋成熟，实现了页岩气的工业开发。页岩气资源评价(“甜点”评价)技术；页岩中长段水平井钻完井技术；水平井分段压裂及体积改造技术；钻完井及压裂“工厂化作业”171、页岩气资源评价(“甜点”评价)技术⑴.评价参数:储层厚度,埋深,温度,压力有机碳含量,热演化程度,总含气量页岩物性页岩力学性质硅质含量%,方解石/白云石%,粘土含量%裂缝发育程度………18参数方深1井安深1井建111井河页1井元坝9井美国厚度75m90m36m25.6m7530m埋深1700-1775m2450-2540m610-646m2139.4-2165.0m4035-41103000m储层温度63℃90℃99135℃有机碳含量2%2.54%0.71%2.56-3.67%2.54～3.69%2%热演化程度0.52-1.08%2.62-2.80%1.7%1.4-3.5%总含气量3.3m³/t0.67m³/t4.8-6.2m³/t0.4m³/t页岩力学性质μ=0.21-0.24E=23-31Gpaμ=0.31E=26.3Gpaμ=0.198-0.354E=25.49-33.20Gpaμ=0.30E=25.4-31.3Gpaμ=0.235-0.27E=27-33Gpa页岩物性K-0.05mdK=227nd；Ф=6.67%K=0.3-0.58nd；Ф=3.8-4.5%K=0.1-0.3nd；Ф=2.4-3.6%K=1nd；Ф=0.1%K100nd；Ф4%硅质含量%14.9754.0163.125030方解石/白云石%28.8918.331-15.08，平均1.9520粘土含量%20.1524.4424.103025裂缝发育程度未见部分层段发育较发育未见较发育完全发育⑵.中石化页岩气地球化学参数与美国同类参数对比表从对比情况分析，储层具有一定的可采性19⑶.页岩评价测试系列技术：①.页岩含气量测试技术有效确定页岩储层中的气体含量，吸附含气量②.致密岩石测试技术总孔隙度、充气孔隙度、充水孔隙度;含水饱和度、含气饱和度、可动流体饱和度、束缚水饱和度;扩散系数;页岩基质和岩心渗透率③.页岩微观孔隙表征技术用于解剖岩石内部结构，直接观察和处理解译岩石内部及表面的裂隙、裂缝、孔隙、岩石矿物组合等；202.页岩气开发技术页岩气开发技术发展大致可分五个基本阶段(以美国为例)：①、钻直井，进行泡沫压裂(大液量、大排量6.4方/分，要加砂；传统压裂液)②、钻直井，大型水力压裂技术(大液量、大排量6.4方/分，要加砂29％；传统压裂液)③、钻直井，清水压裂或清水加砂压裂(加沙2.66--4.8％)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，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。⑤、钻水平井，水平段长304.8～1066.8m，分段清水和砂进行压裂。此技术开始于2003年。2006年“同步压裂”技术产生。21最终形成:长水平段（304.8～1066.8m）;分多段;大液量7500---22000方(一般11000m3最为常见)、大排量8--16方/分，加砂180—450顿(2.20％-2.24％)；非传统压裂液—滑溜水…,体积改造压裂系列配套技术.223.水平井钻井、完井技术⑴.长段水平井钻井技术对于低渗、低压、低丰度储层要提高单井产量及提高采收率必须采用MRC技术。因此应采用长段水平井以增大储层泄气面(体)积(远不够)；以水平井为基础分多段压裂以达到极大的增大储层泄气面(体)积的目的(实现体积改造的“平台”)。23⑵.水平段的长度依页告类型不同而异，例Barnett页岩气开发水平井水平段长一般在304.8～1066.8m；Haynesville页岩气开发水平段长1219m;Woodford地区长水平段长接近1500m⑶.水平井技术:①.布井方位必须在页岩中垂直最大主应力方向(坍塌应力大)②.一般采用MWD和随钻自然伽马进行地质导向钻井⑷.保证井壁稳定(难点:低成本保证页岩中长段水平井眼井壁稳定)：①.在多数的页岩气开发水平井中使用的是油基泥浆②.雪弗龙公司开发了硅酸钾基钻井液体系③.贝克休斯开发了专用于页岩的performax水基钻井液体系④.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24⑸.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(分段压裂,体积改造技术需要)技术:①.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②.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254.水平井分段压裂及体积改造技术水平井分段压裂的段数越多，页岩气单井产量越高.随着分段压裂技术的不断成熟，页岩气压裂段数还在不断增加,例如:5-1/2〞套管完井，水平段1372～2134m，压裂10-24段，段间距约为90m，每段使用2067m3滑溜水，175t支撑剂包括:水平井多段分簇体积改造技术水平井多井同步体积压裂技术26已成为体积改造中的技术关键:转变理念:压裂主要是沟通裂缝及扩大泄气面积，以控制缝长、缝宽、缝高和增加裂缝导流能力为目标…，转变为在水平井筒周围储层形成一定”密度的裂缝网络”从而增加单井产量为目的。水平井分段压裂，形成一定密度的裂缝网络27⑴.页岩气水平井体积改造关键技术之一：“分段多簇”射孔(套管完井)常规水平井分段压裂：采用单段射孔，单段压裂模式体积改造：优化段间距，采用“分段多簇”射孔，多段一起压裂模式，利用缝间干扰，促使裂缝转向，产生复杂缝网28⑵.页岩气水平井体积改造关键技术之二：水平井分段压裂技术①.快速可钻式桥塞工具下入方式:(连续)油管-水力爬行器-水力泵入技术特点节省钻时（同时射孔及座封压裂桥塞）易钻，易排出（35min钻掉，常规铸铁4h）适用范围：套管压裂（3.5″/4.5″/5.5″/7″)②.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29⑶.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、小粒径、低砂比水平井分多段压裂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