頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)探討

頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)探討

巖氣是指天然氣的主要存在于黑色粘土或高碳粘土中，主要存在于附件或疏遠(yuǎn)狀態(tài)中。在頁巖氣藏中,天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中,為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果,表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式,或游離于基質(zhì)孔隙和裂縫中,或吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面,在一定質(zhì)條件下聚集成藏并達(dá)到經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值。一、巖漿巖的國內(nèi)外開發(fā)1.頁巖氣產(chǎn)量穩(wěn)步發(fā)展,罪犯、儲(chǔ)美國頁巖氣開采最早可追溯到1821年,20世紀(jì)20年代開始現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),70年代中期步入規(guī)模化發(fā)展階段,70年代末期年產(chǎn)約19.6×108m3。1980年,為了摸清頁巖氣的分布規(guī)律及發(fā)現(xiàn)新的頁巖氣田并進(jìn)行資源潛力評(píng)價(jià),美國開始對(duì)頁巖氣進(jìn)行全面系統(tǒng)研究,進(jìn)入20世紀(jì)90年代,特別是2000年以來,相關(guān)勘探開發(fā)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,年產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可采儲(chǔ)量迅速攀升。2002年、2004年頁巖氣產(chǎn)量分別占天然氣總產(chǎn)量的3%和4%;根據(jù)美國地質(zhì)勘探局?jǐn)?shù)據(jù),FortWorth盆地中部Barnett組頁巖氣技術(shù)可采儲(chǔ)量由1990年的3.9×1010m3提高到2005年1.1×1012m3,頁巖氣產(chǎn)量從1998年的9.7×109m3增加到2007年的3.12×1011m3,增長了30倍。至2006年,美國有頁巖氣井40000余口,年生產(chǎn)頁巖氣3.11×1010m3,占天然氣總產(chǎn)量的6%。參與頁巖氣開發(fā)的石油企業(yè)從2005年的23家發(fā)展到2007年的64家。預(yù)計(jì)頁巖氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的比例將從2007年的12%上升到2013年的35%,到2030年這一比例將上升到55%。頁巖氣勘探開發(fā)已成為美國天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。美國頁巖氣勘探開發(fā)正由東北部地區(qū)盆地向中西部盆地及以及圣胡安丹佛(Niobrara白堊巖)、富特沃斯、阿納達(dá)科(Woodford頁巖)等盆地?cái)U(kuò)展。此外加拿大等北美部分國家已開始了頁巖氣的勘探開發(fā),并取得了一定效益。2.巖相基層頁巖氣勘探方向較我國頁巖氣勘探開發(fā)才起步,在國家能源勘探戰(zhàn)略上,國土資源部高度關(guān)注頁巖氣資源開發(fā)利用。2004年,國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)即開始了頁巖氣資源的研究工作。經(jīng)過比對(duì)湖南、四川等8省市成礦條件后,認(rèn)為重慶市渝南、東南地區(qū)廣為分布下寒武、下志留、中二疊三套地層,不少地方有形成大規(guī)模頁巖氣的可能。其中重慶綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽、秀山和巫溪等區(qū)縣是頁巖氣資源最有利的成礦區(qū)帶,因此被確定為首批實(shí)地勘查工作目標(biāo)區(qū)。四川盆地華蓉山以西的下寒武統(tǒng)筇竹寺組和以東的下志留統(tǒng)龍馬西組厚層頁巖發(fā)育去,其頁巖具有干酪根生烴、成巖作用以及構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的條件,是未來頁巖氣資源的勘探方向。中國主要盆地和地區(qū)頁巖氣資源量約為26×1012m3,與美國28.3×1012m3大致相當(dāng),經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。我國的地質(zhì)因素給頁巖氣的形成與富集創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。連續(xù)式富集頁巖氣藏往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖地層中,與常規(guī)油氣藏有著密切的成因關(guān)系。我國陸相沉積盆地較多,海象陸相沉積都比較發(fā)育,且油氣資源豐富,良好的地質(zhì)因素為頁巖氣的富集創(chuàng)造了非常有利的條件。2009年末,隨著中國石油與殼牌公司的合作開發(fā)項(xiàng)目―富順-永川區(qū)塊頁巖氣項(xiàng)目在成都啟動(dòng),標(biāo)志著中國首個(gè)頁巖氣合作開發(fā)項(xiàng)目正式進(jìn)入實(shí)施階段。二、頁巖氣與油氣的關(guān)系較常規(guī)天然氣相比,頁巖氣開發(fā)有以下幾個(gè)特點(diǎn):一是采收率變化較大(5%~60%),鉆井的產(chǎn)氣量相對(duì)較低。二是生產(chǎn)周期長,頁巖氣田開采壽命一般可達(dá)30~50年,甚至更長。三是頁巖氣在成藏、開采機(jī)理上與煤層氣具有相似性,頁巖在地層層序上,多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。頁巖氣在頁巖中除極少量的溶解狀態(tài)天然氣以外,大部分均以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面,或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中,吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20%~85%之間。頁巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85%以上)和常規(guī)圈閉氣(吸附氣含量通常忽略為零)之間。頁巖氣藏因其儲(chǔ)層物性差、孔隙度和滲透率低,使其開采難度大,需要應(yīng)用特殊的勘探開發(fā)技術(shù)。1.天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量頁巖氣產(chǎn)量是否可以長期保持經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量開采主要取決于原始天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量、完井質(zhì)量及基巖滲透率這三個(gè)因素。其中天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量通常是遠(yuǎn)景區(qū)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù),其重要性高于基巖滲透率和完井質(zhì)量。評(píng)價(jià)手段有取心評(píng)價(jià),斯倫貝謝旗下的TerraTek公司開發(fā)的專門分析低滲透率、低孔隙度地層巖樣的技術(shù),這種被稱為致密巖石分析(TRA)的專有熱解技術(shù)可以對(duì)含氣頁巖巖樣提供綜合評(píng)價(jià)。2.孔長和孔隙率大量頁巖氣井開發(fā)實(shí)踐證明,定向射孔應(yīng)遵循的原則是,在射孔過程中,主要射開低應(yīng)力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū)。采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流通阻力。3.巖氣壓裂法低壓法目前頁巖氣開發(fā)主要靠壓裂技術(shù)增產(chǎn),包括氮?dú)鈮毫鸭夹g(shù)、泡沫壓裂技術(shù)、凝膠壓裂技術(shù),二次壓裂技術(shù)、多段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)和近期出現(xiàn)的同步壓裂技術(shù)。壓裂過程要注意避免采用高黏度膠體壓裂液,壓裂過程中的高初始?jí)毫赡軐?dǎo)致對(duì)井筒附近的傷害,避免水泥、鉆井液引入裂縫,適當(dāng)?shù)乃峄梢詼p少傷害,微地震可以檢測出沒有被壓裂改造的區(qū)域。業(yè)界對(duì)開發(fā)頁巖氣資源的一個(gè)重要擔(dān)心,是碳?xì)浠衔锘蚧瘜W(xué)品可能流入到提供飲用水的蓄水層。但在大多數(shù)情況下,含氣層和含水層的垂直距離很大,頁巖氣水力壓裂法污染飲用水的可能性不大。雖然水力壓裂法用水量大,但與其他能源生產(chǎn)過程相比,水的消耗要少得多。1524~3048m之間的高壓頁巖中泵入低黏度水基減阻流體和支撐劑進(jìn)行增產(chǎn)處理;在深度較淺或油氣藏壓力較低的頁巖中,則泵入氮泡沫壓裂液。4.鉆井、壓裂、水平井、井-井合作發(fā)展模式在開發(fā)初期,可以先選擇較淺(深度2000m左右)的頁巖儲(chǔ)層鉆直井進(jìn)行試驗(yàn),了解目的層特性,獲得鉆井、壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),獲取一定數(shù)據(jù)資料和施工經(jīng)驗(yàn)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(yàn)應(yīng)在單支水平井中進(jìn)行,積累一定成功經(jīng)驗(yàn)后再試驗(yàn)同步壓裂等技術(shù)。Barnett頁巖實(shí)際鉆井經(jīng)驗(yàn)表明,從水平井中獲得的估計(jì)最終采收率大約是直井的三倍,而費(fèi)用只相當(dāng)于直井的兩倍。5.超臨界co鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)目前常用的大型水壓裂技術(shù)成本高,對(duì)儲(chǔ)層傷害大降低了頁巖氣經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值,減少了頁巖氣經(jīng)濟(jì)技術(shù)可采儲(chǔ)量。中國石油大學(xué)沈忠厚教授提出了超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術(shù)。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體,具有許多獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì):密度接近于液,能夠?yàn)榫埋R達(dá)提供足夠扭矩、溶劑化能力強(qiáng);黏度接近于氣,易流動(dòng)、摩阻系數(shù)低;擴(kuò)大系數(shù)大于液,傳熱、傳質(zhì)性能良好;表面張力接近于零,可進(jìn)入到任何大于超臨界流體分子的空間。超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在:超臨界CO2噴射破巖效率高、門限壓力低,可采用連續(xù)油管超臨界CO2噴射輔助鉆井,減少井下復(fù)雜問題的出現(xiàn),提高鉆井速度,縮短建井周期,減少鉆井費(fèi)用;超臨界CO2流體中不含固相顆粒,不會(huì)堵塞孔隙喉道;超臨界CO2流體不是液相、也不含液相,不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層中黏土膨脹,從根本上避免了水鎖效應(yīng)、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)等危害的發(fā)生,鉆井過程中,有效保護(hù)儲(chǔ)層不受損害;超臨界CO2能有效改善流動(dòng)通道,高效驅(qū)替甲烷,高效置換甲烷,可有效提高油氣井單井產(chǎn)量和采收率。6.充井工藝在上下施工困難的情況下,廣泛、穩(wěn)定國內(nèi)目前正在試驗(yàn)開發(fā)的長寧、威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊,上部鉆井液鉆井過程中大部分井出現(xiàn)了機(jī)械鉆速慢、惡性井漏等問題,以至于下部施工困難,如寧201井等,采用充氣鉆井技術(shù)后,順利鉆達(dá)固井井深,成功解決了本井因惡性井漏導(dǎo)致下部鉆井實(shí)施困難的問題,保證了下部工程得以順利實(shí)施,減少了因井漏造成的處理復(fù)雜時(shí)間,縮短了鉆井周期,節(jié)約了鉆井成本,經(jīng)濟(jì)效益明顯。采用欠平衡鉆井技術(shù)提速治漏,可以加快頁巖氣工程的開發(fā)進(jìn)程。三、巖相儲(chǔ)層影響(1)通過國內(nèi)外文獻(xiàn)跟蹤、調(diào)研可知,國外頁巖氣開發(fā)正處于發(fā)展階段,美國進(jìn)入頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展階段,我國儲(chǔ)量大,分布廣,四川盆地、鄂爾多斯盆地在國內(nèi)具備較好的頁巖氣勘探開發(fā)條件,但我國頁巖氣的開發(fā)才剛剛起步。(2)目前頁巖氣的開發(fā)主要集中在壓裂增產(chǎn)技術(shù)及水平井增產(chǎn)技術(shù),可能導(dǎo)致地下飲用水層污染及儲(chǔ)層傷害。水平井增產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用加速了頁巖氣的開發(fā)進(jìn)程,使其具有更大的儲(chǔ)層泄流面積,更高的天然氣產(chǎn)量。(3)超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術(shù)噴射破巖效率高、門限壓力低,減少井下復(fù)雜問題的出現(xiàn),提高鉆井速度,縮短建井周期,減少鉆井費(fèi)用;不含固相顆粒,不會(huì)堵塞孔隙