頁巖氣開發(fā)地質(zhì)理論創(chuàng)新與鉆完井技術(shù)進(jìn)步

1、    頁巖氣開發(fā)地質(zhì)理論創(chuàng)新與鉆完井技術(shù)進(jìn)步    楊素紅 齊文博【摘要】地質(zhì)認(rèn)識的進(jìn)步、天然氣需求的增加和高價的耦合，促進(jìn)了鉆井和壓裂技術(shù)革新。工程技術(shù)上的革新，包括滑溜水/輕砂壓裂、水平井多級壓裂、重復(fù)壓裂、同步和順序壓裂等，及頁巖儲層改造中壓裂液配方選擇和水力壓裂設(shè)計等【關(guān)鍵詞】頁巖氣；地質(zhì)理論；頁巖氣開發(fā)；地質(zhì)認(rèn)識1 前言頁巖氣是三大主要非常規(guī)資源，成為近年來在北美地區(qū)廣泛勘探開發(fā)的天然氣新目標(biāo)，在全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中異軍突起，成為突破最晚、近期發(fā)展最快的非常規(guī)天然氣資源、從2011年起，按照中國石化集團(tuán)公司“在頁巖油氣開發(fā)上，中國石化要成

2、為中國的代表，技術(shù)和評價要走在最前面”戰(zhàn)略要求，中國石化石油工程技術(shù)研究院（下稱工程院）作出重大決策，將頁巖油氣工程技術(shù)列入核心技術(shù)。2 地質(zhì)理論認(rèn)識的進(jìn)步頁巖氣儲集在裂縫、頁巖顆粒問微孔隙、有機(jī)質(zhì)內(nèi)和糞球粒內(nèi)微孔隙及納米級孔隙中，吸附在頁巖中有機(jī)質(zhì)及部分礦物顆粒上，溶解于孔隙流體中。其中，頁巖粒間孔隙和天然裂縫中的游離氣和有機(jī)質(zhì)吸附的氣體為頁巖氣的主要組成部分。由于頁巖看起來是黑色又比較單純的細(xì)粒沉積，因此，雖然可以簡單說有潛力的頁巖分布于海相陸棚、深海及陸相的半深湖到深湖的沉積環(huán)境，但是通過頁巖組分的定量分析和成分的結(jié)構(gòu)可以把頁巖進(jìn)一步分為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、白云質(zhì)頁巖、富磷頁巖和富化石頁

3、巖等_1：通過高精度顯微儀器可以分析頁巖組分特征、識別不同組分分布結(jié)構(gòu)，從而劃分不同頁巖相并研究不同頁巖相形成的環(huán)境、不同環(huán)境對應(yīng)的地球化學(xué)特征、測井曲線的響應(yīng)特征、巖石物理屬性差別、力學(xué)性質(zhì)的差異、地震響應(yīng)等。巖氣儲量主要包括游離氣體和吸附氣體的含量。中國富有機(jī)質(zhì)泥頁巖類型及其主要特征3 水平井技術(shù)的進(jìn)步目前，用于頁巖氣水平鉆井的技術(shù)有欠平衡鉆井技術(shù)、控制壓力鉆井技術(shù)及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)。欠平衡鉆井技術(shù)能很好地克服鉆井作業(yè)過程中的卡鉆、井漏和井塌等問題，能夠提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產(chǎn)能?？刂茐毫︺@井的最終目的是使鉆井作業(yè)最優(yōu)化，縮短非生產(chǎn)時間和減少鉆井事故，有效控制地層流體侵入井

4、眼，減少井涌、井漏和卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況。4 頁巖氣水力壓裂技術(shù)頁巖常用的水力壓裂技術(shù)包括清水壓裂、多級壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂及重復(fù)壓裂技術(shù)，目前最常用的是多級壓裂技術(shù)。多級壓裂是利用封堵球或限流技術(shù)封隔頁巖儲層不同位置，對不同地質(zhì)特點(diǎn)的頁巖進(jìn)行分段壓裂的技術(shù)，其作業(yè)方式有連續(xù)油管壓裂和滑套完井兩種。這種多級壓裂能夠在橫向上延長水平井段的生產(chǎn)段，同時在垂向上也可形成復(fù)雜的、連通的網(wǎng)絡(luò)，增加泄氣面積。以bakken頁巖為例：水平井壓裂，特別是長水平井段壓裂和小間距壓裂，使水平井頁巖油的最終采收率提高了至少6倍。重復(fù)壓裂可以處理壓裂無效或者壓裂效果下降的井段，通過再壓裂能重建儲層到井筒的通

5、道，恢復(fù)或提高生產(chǎn)能力。在barnett很多地方的經(jīng)驗表明，重復(fù)壓裂后比初次壓裂效果還好。水力噴射壓裂不受完井方式限制，無需機(jī)械封隔，定位準(zhǔn)確，尤其適用于裸眼完井的水平井，但受壓裂井深和加砂規(guī)模的限制。5 壓裂液頁巖氣壓裂液的組成包括99.5的水、少量小顆粒砂子支撐劑（常用100目砂子）和一些化學(xué)劑，化學(xué)劑包括酸、降阻劑、表面活性劑、交聯(lián)劑、防垢劑、ph值調(diào)節(jié)劑、除氧劑、破乳劑、膠凝劑、鐵控制劑、防腐劑、黏土穩(wěn)定劑和抗菌劑等。壓裂液的成分和比例及其與地層的配伍性對壓裂效果都很重要。在常用的滑溜水壓裂液中，減阻劑是滑溜水壓裂液的主體，常用陰離子聚合物，有時用低濃度瓜膠，比如氯化鉀、聚丙烯酰胺或其

6、他的化學(xué)品。這些化學(xué)品加入水中可以降低壓裂液的泵人壓力，管路摩阻降低約50，同時也可用低聚合物壓裂液或纖維提高支撐劑懸浮時間。硼酸鹽交聯(lián)凝膠壓裂液利用硼酸鹽粒子去交聯(lián)含水聚合物從而提高黏度，這種交聯(lián)液的性質(zhì)可隨壓裂液的ph值改變，是可逆的，且其具有較好的支撐劑運(yùn)輸功能、有穩(wěn)定的流變性及濾失量小的特點(diǎn)。人們可以利用其可逆的特點(diǎn)進(jìn)行有效的壓裂，從而獲得好的頁巖層滲透率和連通性。6 壓裂設(shè)計壓裂設(shè)計包括壓裂前、壓裂后、地質(zhì)研究、微裂縫編圖和用于改善未來模擬的數(shù)據(jù)積累。利用準(zhǔn)確的地質(zhì)模型和前期壓裂的數(shù)據(jù)可改進(jìn)壓裂設(shè)計，使目標(biāo)層內(nèi)裂縫系統(tǒng)更加優(yōu)化，從而提高頁巖氣產(chǎn)量和確保裂縫不擴(kuò)展到頁巖氣層外。北美地區(qū)

7、目前的壓裂設(shè)計基本上是從含氣頁巖的基本區(qū)域和頁巖地質(zhì)情況人手，結(jié)合已鉆井的資料和地震解釋，設(shè)計壓裂地質(zhì)模型，然后模擬壓裂裂縫在地層中擴(kuò)展及最終三維裂縫的幾何形體，通過壓裂效果分析以及油藏模擬并結(jié)合微地震檢測裂縫擴(kuò)展情況修正模型，以更好地用于未來的壓裂設(shè)計。7 地質(zhì)和工程結(jié)合成功的頁巖氣地質(zhì)評價取決于盡可能地了解頁分布面積、側(cè)向連續(xù)度、凈厚度、深度、原地頁、氣儲量、天然裂縫、壓力、有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、成巖作用、礦物、脆性、游離氣體、吸附氣、深度、當(dāng)前產(chǎn)能、干酪根類型、足夠的基質(zhì)滲透率、水管理、壓裂隔擋層、地質(zhì)構(gòu)造演化、構(gòu)造復(fù)雜程度、地層壓力和頁巖敏感性等。只有通過這些詳細(xì)的地質(zhì)研究，才能找到地質(zhì)

8、的甜點(diǎn)。地質(zhì)甜點(diǎn)確定并完成鉆井后，壓裂是關(guān)鍵。只有通過詳細(xì)的巖石物理、巖石力學(xué)、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力及礦物組分等研究，才能確定工程壓裂的甜點(diǎn)，而地質(zhì)和工程甜點(diǎn)疊合的地帶是頁巖氣開發(fā)的首選區(qū)域。目前石油地質(zhì)和地球物理的結(jié)合比較緊密，尤其是高精度的地震和測井等資料可以用來預(yù)測巖性和沉積環(huán)境等。利用很多地震屬性能預(yù)測頁巖氣藏分布和脆性分布，同時，利用地震速度和振幅隨方位角的變化可以預(yù)測裂縫的密度及方位。井深、巖心、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)經(jīng)校正后，可以與地震資料結(jié)合預(yù)測頁巖氣地質(zhì)和工程上的甜點(diǎn)。未來將會有更多的溝通地質(zhì)、地球物理和工程的工具，通過地質(zhì)和工程結(jié)合，用最優(yōu)化的鉆井、完井技術(shù)搭建通道將頁巖氣從致密的儲集空間中釋放出來。8 結(jié)束語頁巖氣系統(tǒng)是復(fù)雜地質(zhì)形成的復(fù)雜系統(tǒng)，是大量沉積、構(gòu)造、應(yīng)力場演化疊加的結(jié)果。非均質(zhì)的沉積、構(gòu)造和應(yīng)力場形成的非均質(zhì)的頁巖分布、巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)決定了頁巖氣形成、分布及開發(fā)的復(fù)雜性。要想有效開發(fā)頁巖氣，必須從本質(zhì)上研究頁巖的地質(zhì)屬性，只有這樣才能找到最優(yōu)的水力壓裂方式和參數(shù)。對中國而言，該項工作目前沒有國外經(jīng)驗可以借鑒，需要靠扎實的工作去實踐、創(chuàng)新，并將地質(zhì)和工程結(jié)合，以找到真正的頁巖氣甜點(diǎn)區(qū)和最合適的增產(chǎn)措施。參考文獻(xiàn)：1大偉.加速我國頁巖氣資源調(diào)查和勘探開發(fā)戰(zhàn)略構(gòu)想u1.石油與天然氣地質(zhì)，2010