美國頁巖氣勘探開發(fā)中的儲層改造技術(shù)

美國頁巖氣勘探開發(fā)中的儲層改造技術(shù)

頁巖氣地質(zhì)概況巖質(zhì)氣指天然氣，集于富有機細粒巖中。一些是在空隙和裂縫中收集的，一些是在有機質(zhì)和粘土中吸附的。生物、熱分解或混合因素可以在一定的地質(zhì)條件下收集并達到經(jīng)濟開采價值。全世界頁巖氣資源估計為456×1012m3,頁巖氣資源主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián),其中北美最多,為108.7×1012m3。我國各地質(zhì)歷史時期海相、陸相頁巖分布廣泛,元古界和古生界頁巖分布面積達100×104km2以上,演化程度高,TOC高,具備頁巖氣成藏的地質(zhì)條件,開發(fā)潛力巨大,而國內(nèi)的頁巖氣基本上還未進行系統(tǒng)研究。頁巖氣儲量大、生產(chǎn)周期長,美國已發(fā)現(xiàn)埋深最淺的工業(yè)性頁巖氣只有182m,平均深度也只有1200m,通常介于450～2300m之間,與其他非常規(guī)類型氣藏相比,高豐度富集區(qū)的頁巖氣勘探成本并不高。陸上天然氣產(chǎn)區(qū)過去曾經(jīng)在四川盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等一些地區(qū)頁巖層段獲得工業(yè)氣流。所以開展具有中國地質(zhì)特點的頁巖氣資源潛力研究分析,對于促進頁巖氣的勘探與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。早期開采階段美國將頁巖氣田開發(fā)周期劃分為5個階段,即資源評估、勘探啟動、早期開采、成熟開采和產(chǎn)量遞減階段。在資源評估階段需要對頁巖及其儲層潛力做出評估。在勘探啟動階段開始鉆探試驗井,測試壓裂并預(yù)測產(chǎn)量。進入早期開采階段后,開始快速開發(fā),建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在成熟開采階段進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比,確定氣藏模型,形成開發(fā)數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過一定時間的開采后,進入到產(chǎn)量遞減階段,為了減緩產(chǎn)量遞減速度,在此階段通常需要實施再增產(chǎn)措施,如重復(fù)壓裂、人工舉升等。整體看這5個階段,開發(fā)頁巖氣所采用的技術(shù)與常規(guī)天然氣開發(fā)技術(shù)有所區(qū)別,下面將分別說明。1.微地震監(jiān)測和地震解釋技術(shù)應(yīng)用頁巖氣儲集在厚層的泥頁巖中(中間可以有薄夾層),解釋、識別這樣的地層相對比較容易,從勘探到開發(fā)都離不開地震勘探技術(shù)。三維地震技術(shù)有助于準(zhǔn)確認識復(fù)雜構(gòu)造、儲層非均質(zhì)性和裂縫發(fā)育帶,以提高探井(或開發(fā)井)成功率,微地震監(jiān)測是一種主要用于油氣田開發(fā)的新的地震方法。由于泥頁巖地層與上下圍巖的地震傳播速度不同,在泥頁巖的頂?shù)捉缑鏁a(chǎn)生較強的波阻抗界面,結(jié)合錄井、測井等資料識別解釋泥頁巖,進行構(gòu)造描述并不難。裂縫的存在會引起地震反射特征的改變,應(yīng)用高分辨率三維地震可以依據(jù)反射特征的差異識別預(yù)測裂縫。利用三維地震繪制頁巖裂縫帶圖主要是通過相干分析技術(shù)、地震屬性分析、層時間切片等預(yù)測泥頁巖裂縫。裂縫預(yù)測技術(shù)對井位優(yōu)化也起到關(guān)鍵作用。2.水平井鉆井美國頁巖氣井鉆井主要包括直井和水平井兩種方式。直井主要目的用于試驗,了解頁巖氣藏特性,獲得鉆井、壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗,并優(yōu)化水平井鉆井方案。水平井主要用于生產(chǎn),可以獲得更大的儲層泄流面積,得到更高的天然氣產(chǎn)量。在水平井鉆井中采用了旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向工具,可以形成光滑的井眼,更易獲得較好的地層評價。同時采用欠平衡鉆井技術(shù),實施負壓鉆井,避免損害儲層。隨鉆測井技術(shù)(LWD)和隨鉆測量技術(shù)(MWD),可以使水平井精確定位,同時作出地層評價,引導(dǎo)中靶地質(zhì)目標(biāo)。水平井形式包括單支、多分支和羽狀水平井。3.氣層測井識別頁巖氣井測井內(nèi)容主要指氣層、裂縫、巖性的定性與定量識別。頁巖氣與常規(guī)氣一樣,是不導(dǎo)電介質(zhì),具有密度值很小、含氫指數(shù)低、傳播速度慢等物理特性。氣層測井顯示高電阻、高聲波時差、低體積密度、低補償中子、低光電效應(yīng)等特征。DEN-CNL,AC-CNL曲線經(jīng)巖性及環(huán)境影響校正后進行重疊,可根據(jù)差異判斷氣層,利用三條孔隙度曲線和電阻率曲線及數(shù)字處理成果進行綜合評價。核磁雙Tw測井進行差譜分析,根據(jù)差譜識別油、氣、水層,對雙TE測井進行移譜分析,判斷氣層。時間推移測井,下套管后最佳時間測量的中子與固井后24h內(nèi)測量的中子曲線重疊,利用其差值可以評價氣層。4.巖心解吸及吸附氣過流資料的注意由于頁巖的孔隙度低,以裂縫和微孔隙為主,絕大多數(shù)的頁巖氣以游離態(tài)、吸附態(tài)存在。游離態(tài)頁巖氣在取心鉆進過程中逸散進入井筒,主要是測定巖心的吸附氣含量。頁巖氣在錄井過程中需要在現(xiàn)場做頁巖層氣含量測定、頁巖解吸及吸附等重要資料的錄取。這些資料對評價頁巖層的資源量具有重要意義。針對頁巖氣鉆井對錄井的影響,可以通過改進錄井設(shè)備、方法和措施,達到取全、取準(zhǔn)錄井資料的目的。5.泡沫水泥固井的工程利用需要將其作為一個開國外從事油氣勘探開發(fā)的一些公司認為,頁巖氣井的鉆井并不困難,難在完井。主要由于頁巖氣大部分以吸附態(tài)賦存于頁巖中,而其儲層滲透率低,既要通過完井技術(shù)提高其滲透率,又要避免地層損害是施工的關(guān)鍵,直接關(guān)系到頁巖氣的采收率,因此在固井、完井方式、儲層改造方面有其特殊技術(shù)。頁巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術(shù)。由于泡沫水泥具有漿體穩(wěn)定、密度低、滲透率低、失水小、抗拉強度高等特點,因此泡沫水泥有良好的防竄效果,能解決低壓易漏長封固段復(fù)雜井的固井問題,而且水泥侵入距離短,可以減小儲層損害。根據(jù)國外經(jīng)驗,泡沫水泥固井比常規(guī)水泥固井產(chǎn)氣量平均高出23%。頁巖氣井的完井方式主要包括組合式橋塞完井、水力噴射射孔完井和機械式組合完井。組合式橋塞完井是在套管井中,用組合式橋塞分隔各段,分別進行射孔或壓裂,這是頁巖氣水平井最常用的完井方法,但因需要在施工中射孔、坐封橋塞、鉆橋塞,也是最耗時的一種方法。水力噴射射孔完井適用于直井或水平套管井。該工藝利用柏奴利(Bernoulli)原理,從工具噴嘴噴射出的高速流體可射穿套管和巖石,達到射孔的目的。通過拖動管柱可進行多層作業(yè),免去下封隔器或橋塞,縮短完井時間。機械式組合完井采用特殊的滑套機構(gòu)和膨脹封隔器,適用于水平裸眼井段限流壓裂,一趟管柱即可完成固井和分段壓裂施工。目前主要技術(shù)有Halliburton公司的DeltaStim完井技術(shù),施工時將完井工具串下入水平井段,懸掛器坐封后,注入酸溶性水泥固井。井口泵入壓裂液,先對水平井段最末端第一段實施壓裂,然后通過井口落球系統(tǒng)操控滑套,依次逐段進行壓裂。最后放噴洗井,將球回收后即可投產(chǎn)。膨脹封隔器的橡膠在遇到油氣時會自動發(fā)生膨脹,封隔環(huán)空、隔離生產(chǎn)層,膨脹時間也可控制。6.水力壓裂施工在新井、老井、井的外包頁巖氣儲層改造技術(shù)包括水力壓裂和酸化,可以通過常規(guī)油管或連續(xù)油管進行施工。水力壓裂適用于致密儲層。關(guān)鍵在于壓裂液處理,除了使用大量的活性水外,還要加入一些特殊的添加劑,如特殊的降阻劑(不含苯酚)、微乳化表面活性劑、裂縫清潔加強劑和導(dǎo)流增強劑等。在這些添加劑的綜合作用下,可以改善頁巖氣層本身超低的滲透率,提高導(dǎo)流性,優(yōu)化頁巖氣的生產(chǎn)條件,減小地層損害。水力壓裂施工時,采用大量的活性水和少量的支撐劑。根據(jù)國外的實踐經(jīng)驗,頁巖氣采收率與支撐劑尺寸之間不存在對應(yīng)關(guān)系,許多井在無支撐劑或只有少量支撐劑的情況下,也可達到商業(yè)采收率。在水力壓裂施工中采用微地震監(jiān)測這一輔助技術(shù),通過傾斜儀和傳感器可以遠距離在地面或井下對壓裂效果進行監(jiān)測,記錄在水力壓裂期間由巖石剪切造成的微地震或聲波傳播情況。通過處理微地震數(shù)據(jù)確定水力壓裂產(chǎn)生的裂縫走向、傾向、高度、長度等。國外在新井或老井再次增產(chǎn)或二次完井中經(jīng)常采用連續(xù)油管進行施工作業(yè),可用于單支或多分支水平裸眼井或套管井。當(dāng)開采進入到產(chǎn)量遞減階段時,需要采取再次增產(chǎn)措施以提高采收率。重復(fù)壓裂就是在老井中再次進行水力壓裂,直井中的重復(fù)壓裂可以在原生產(chǎn)層再次射孔,注入的壓裂液體積至少比其最初的水力壓裂多出25%,可使采收率增加30%-80%。頁巖氣技術(shù)開發(fā)要選擇適合我國的頁巖氣開發(fā)技術(shù),首先要了解我國各地區(qū)頁巖儲層的特性(如粘土礦物成分及含量、脆性等),在借鑒國外頁巖氣開發(fā)先進工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化出適應(yīng)性較強的頁巖氣開發(fā)技術(shù)。1.巖相沉積特征美國頁巖儲層屬于海相沉積,層位深度范圍在76～2440m,厚度通常大于30m。例如NewAlbaney和Antrim有9000口頁巖氣井深度在76～610m;Appalachian、Devonian和Lewis有20000口頁巖氣井深度在915～1525m;Barnett和Woodford頁巖氣井要更深些,在1525～2440m,厚度為30～150m;Caney和Fayetteville頁巖氣井深度在610～1830m。我國四川盆地頁巖氣比較有利的儲層是下志留系龍馬溪組和下寒武系九老洞組,這兩個層位的深度分別在2188～4131m和1948～4618m,也屬于海相沉積。下志留系龍馬溪組黑色頁巖厚度由威遠地區(qū)的0～170m向東南增厚到650,下寒武系九老洞組頁巖厚度基本穩(wěn)定在200～300m。通過以上比較我們可以發(fā)現(xiàn),我國四川盆地的頁巖氣富集儲層埋深比美國的大,厚度相當(dāng)。2.頁巖儲層材質(zhì)對有機質(zhì)含量的影響以美國Barnett頁巖和四川盆地龍馬溪組和九老洞組頁巖為例,從頁巖儲層的鏡質(zhì)組反射率、總有機質(zhì)含量、孔隙度、滲透率等方面進行對比(見表1)。通過比較,以上幾組頁巖各指標(biāo)基本相當(dāng),但是對于四川盆地頁巖儲層的改造還需參考其它因素,通過試驗進一步驗證。3.油氣井采用水力壓裂、氧化技術(shù)我國水平井鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)已比較成熟,2005年以來,西南油氣田先后引入LWD、旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向、FEMWD等先進裝備,2007年應(yīng)用欠平衡鉆井技術(shù)完成廣安002-H1井鉆井作業(yè),水平井段超過2000m。在固井方面,泡沫水泥固井技術(shù)從20世紀80年代就已在我國部分油氣田進行應(yīng)用,目前在青海油田花土溝、吐哈油田巴喀、勝利油田草橋、鄂爾多斯氣田、河南油田氣井中均取得了較好的應(yīng)用效果,技術(shù)已相對成熟。目前國內(nèi)完井常采用工藝包括射孔完井,如TCP射孔、水力噴射射孔,以及多功能組合管柱試油完井等,這些技術(shù)在國內(nèi)各油氣田均得到廣泛應(yīng)用。對于儲層的改造技術(shù),水力壓裂、酸化工藝廣泛應(yīng)用于國內(nèi)油氣井增產(chǎn)。其中連續(xù)油管水力噴射加砂壓裂在大慶、長慶、四川、吐哈等油田得到成功應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上發(fā)展的水平井分段水力噴射加砂壓裂技術(shù)也較成熟。在壓裂設(shè)備方面,我國許多油氣田已從國外進口了大型的壓裂設(shè)備,如四川井下作業(yè)公司先后引進了FC-2251-Q型壓裂車、HQ2000型壓裂車、FBRC100ARC混砂車、HR10M連續(xù)油管作業(yè)等設(shè)備,可以完全滿足水力壓裂施工的需要。再次增產(chǎn)可采用重復(fù)壓裂技術(shù)、人工舉升技術(shù)。大慶油田成功應(yīng)用了裂縫轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂技術(shù),可以實現(xiàn)裂縫有效控制,氣舉排水在煤層氣開發(fā)中已經(jīng)被大量采用。儲層壓裂試驗技術(shù)向水平方向發(fā)展1.頁巖氣儲層的鉆完井技術(shù)包括直井和水平井,以目前國內(nèi)技術(shù)完全可以實現(xiàn)。為了提高固井質(zhì)量,在成本允許的條件下可以采用泡沫水泥固井技術(shù)。目前國內(nèi)從頁巖氣井的鉆探到儲層改造均已具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ),但還未投入實踐,需要開展試驗性的工作進行驗證,并從中摸索經(jīng)驗。在開發(fā)初期,可以先選擇較淺(深度2000m左右)的頁巖儲層鉆直井進行試驗,了解目的層特性,獲得鉆井、壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗,獲取一定數(shù)據(jù)資料和施工經(jīng)驗后再向深井(深度3000～4000m)和水平井發(fā)展。先期水平井壓裂試驗應(yīng)在單支水平井中進行,積累一定成功經(jīng)驗后再試驗同步壓裂等技術(shù)。2.儲層改造技術(shù)上,可以借鑒國外的經(jīng)驗。根據(jù)四川志留系龍馬溪組頁巖分析,其中石英含量較高,具有