油气井前沿

页岩气勘探开发前沿技术摘要：页岩气是一种非常规天然气,其开发难度高,但储量巨大,可以作为常规能源的重要补充，能够有效地缓解世界能源压力。页岩气开采对于中国来讲既是机遇又是挑战。本文介绍了页岩气勘探开发的前沿技术以及页岩气理论研究取得的主要进展。关键字：页岩气，前沿技术，理论研究页岩气是一种非常规天然气,其开发难度高,但储量巨大,这一点是引起关注的主要原因。根据国内外资料的调研可知,目前全球页岩气资源量约为456万亿立方米,相当于煤层气和致密气的总和,是常规天然气资源量的2倍。在世界能源日益紧张的今天,页岩气作为非常规能源已经引起了全世界的广泛关注,成为世界油气勘探开发的一个热点。页岩气拥有巨大的资源量,据统计全世界的页岩气资源量约为,而中国页岩气可采资源量约为,可见储量很大,大致和美国的页岩气储量相当[1-6]。美国正处于页岩气开发的快速发展阶段,美国页岩气开采是从20世纪20年代开始,到70年代中期步入规模化发展阶段,1980年,美国为了摸清页岩气的分布规律已经开始对页岩气进行全面系统研究,进入20世纪90年代特别是2000年以来,相关勘探开发技术得到广泛应用,年产量和经济、技术可采储量迅速攀升,并且依靠页岩气开发新技术,2011年美国天然气总产量超过俄罗斯,成为世界第一天然气生产大国。而我国页岩气的研究和勘探开发正处于探索阶段,在国家能源勘探战略上,国土资源部高度关注页岩气资源开发利用。2004年,中国地质大学(北京)国土资源部油气资源战略研究中心即开始了页岩气资源的研究工作。通过研究,有关专家认定不少地方有形成大规模页岩气的可能。其中重庆綦江、彭水、酉阳、万盛、南川、武隆、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带,因此被确定为首批实地勘查工作的目标区。2009年末,中国首个页岩气合作开发项目富顺—永川区块页岩气项目正式进入实施阶段,这是中国石油与壳牌公司的首个页岩气开发项目,对我国的油气能源开发具有标志性意义。本文主要对页岩气开采技术进行研究,以期对我国页岩的开采具有一定的意义。一、非常规能源页岩气开采技术1水平井钻井技术页岩气是存在于页岩裂缝等空隙中的天然气。要使其尽可能地流入井筒.就必须合理利用储层中的裂缝,使井简穿过尽可能多的储层。现在业界多利用水平钻井技术来进行页岩气的开采,虽然该技术并不是一项新技术,但是对于扩大页岩气开发却具有重大意义。美国页岩气井钻井主要包括直井和水平井两种方式。直井主要目的用于试验,了解页岩气藏特陛,获得钻井、压裂和投产经验,并优化水平井钻井方案。水平井主要用于生产,可以获得更大的储层泄流面积,得到更高的天然气产量。在水平井钻井中采用了旋转钻井导向工具,可以形成光滑的井眼,更易获得较好的地层评价。同时采用欠平衡钻井技术,实施负压钻井,避免损害储层。随钻测井技术(LWD)和随钻测量技术(MWD),可以使水平井精确定位,同时作出地层评价,引导中靶地质目标。水平井形式包括单支、多分支和羽状水平井。水平井的成本一般是垂直井的1.5倍左右,例如800～1000m水平段的常规水平井钻井及完井投资约700万美元,而产量是垂直井的3倍左右。与此同时,现代钻井技术已发展到了允许钻机转弯。钻头还可以准确地停留在一个狭窄的定向垂直窗口。由于水平部分很容易控制,所以能使页岩气资源从相同储层但面积大于单直井的地理区域流出。以美国宾夕法尼亚州的Marcellus页岩气田为例,一口垂直井的驱替体积大约只有直径1320ft、高50ft的圆柱体体积那么大。相比之下,水平井可延长至2000——6000ft,驱替体积较大,大约是直井驱替体积的5.79倍还多。驱替体积的增加使水平井比直井具有更多的优势。同时开采页岩气可以采用以下技术:①超短半径水平井技术。利用超短半径水平井技术,在垂直井眼内对页岩气夹层打水平孔,即沿着页岩水平钻进形成井眼开采页岩气;②注气开采。就是向储层注入二氧化碳和氮气等,其实质是向页岩气层注入能量,改变压力传导性和增加扩散速率,从而提高单井产量;③定向羽状水平井技术。是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的,是指一个主水平井眼的两侧在钻出多个分支井眼作为泄气通道。2固井、完井技术页岩气固井水泥主要有泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰水泥等四种类型,火山灰水泥成本最低,泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥成本相当,高于其它两种水泥。页岩气井通常采用泡沫水泥固井技术,由于泡沫水泥具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水少、抗拉强度高等特点,因此泡沫水泥有良好的防窜效果,能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题,而且水泥侵人距离短,可以减小储层损害,泡沫水泥固井比常规水泥固井产气量平均高出23%。页岩气井的完井方式主要包括组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井和机械式组合完井。组合式桥塞完井是页岩气水平井最常用也是最耗时的完井方法,在套管井中,用组合式桥塞分隔各段,分别进行射孔或压裂。水力喷射射孔完井是以高速喷出的流体射穿套管和岩石的射孔完井方式,不用下封隔器或桥塞,可缩短完井时间,适用于直井或水平套管井。机械式组合完井采用特殊的滑套机构和膨胀封隔器,适用于水平裸眼井段限流压裂,一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工。目前一些列新型完井技术也在涌现,如Halliburton公司的DeltaStim完井技术,聚能射孔和多级完井,各个阶段对射孔产层使用挠性油管或扣连接的油管供水或喷砂等。3压裂增产技术对页岩气开发来说,裂缝系统是压裂液进入储层的主要通道,因此页岩气开发的核心技术之一是压裂技术[7]。由于页岩气藏储层厚度薄,渗透率较低,需要运用压裂技术进行储层改造以保证井正常生产。页岩气目前的压裂技术主要有水平井多级压裂技术、重复压裂技术、清水压裂技术、水力喷射压裂技术、同步压裂技术。天然裂缝的发育程度是影响页岩气运移聚集,经济开采效益的关键因素之一嘲。页岩气水力压裂应该尽量选择天然裂缝发育程度高的层位,来沟通天然裂缝,提高井筒附近的导流能力。水力裂缝方位垂直最小主地应力方位,因此,依据水平井井筒方向与最小主地应力方位的关系,水平井压后水力裂缝形态一般有横向裂缝、纵向裂缝和复杂裂缝三种类型。对于一口水平井,水力压裂后将形成哪一种形态的水力裂缝,取决于地应力状态与水平井井筒方位的相互关系,如果井筒平行最小主应力方向,则产生与井筒相垂直的横向裂缝,如果井筒与最小主应力方向垂直,则产生与沿井筒方向延伸的纵向裂缝。对于高渗透率地层或裂缝性地层采用纵向裂缝较好,而对于低渗透油气层则产生多条横向裂缝效果较好。因此,页岩气水平井进行分段压裂时,井筒一般平行最小主应力方向进而产生横向裂缝,能有效地沟通储层本身所含有的大量微裂缝进而产生裂缝网络。实践证明,沟通储层微裂缝是开发页岩气的核心技术。水力喷射分段压裂技术。其原理是根据伯努利方程,用高速和高压流体携带砂体进行射孔,打开地层与井筒之间的通道后,提高流体排量,从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术。哈利伯顿的定点压裂技术(PinpointFRAC)。利用公司自己的滑套完井和连续油管压裂两项新技术,并结合应用增产套、膨胀封隔器和无封隔高压水射流底部钻具组合(BHA)等工具,可以对水平井套管完井水平段进行准确的压裂,操作风险更低、效果更好。斯伦贝谢的水平井分段压裂技术(StageFRAC)。结合了先进的压裂液体系,可以准确放置压裂液,裂缝导流能力高、压裂液损害小,可将完井时间从几天缩短到几小时,一次压裂级数可达17级。加拿大封隔器能源服务公司的StackFrac技术,使用可彭胀封隔器,可以随井眼变化而变形,极好地适应井下高温高压环境,目前应用的水平井最深达到7620m。贝克休斯的裸眼封隔器组合分段压裂,其系统除了有裸眼封隔器和小球座封压裂滑套之外,还增加了衬管顶部封隔器和压力座封滑套,在美国北达科他贝肯页岩层进行了8级压裂[8]。4页岩气水平井分段压裂技术页岩气藏是一种典型的“连续型”油气藏。所谓“连续型”油气藏尤其是“连续型”气藏指的是持续产气、持续供气,产量低、产能稳,资源量大,但采收率较低,需要人工改造增产[9]。分段水平井压裂技术被公认为目前是开采页岩气极佳的办法,页岩气生产周期比较长,开采寿命可达30~50年。这意味着可开发利用的价值大,决定了其发展潜力。(l)水力喷射分段压裂技术,其原理是根据伯努利方程,用高速和高压流体携带砂体进行射孔,打开地层与井筒之间的通道后,提高流体排量,从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术,它将水力喷砂射孔与水力压裂完美地结合了起来。利用这种技术可以在裸眼井中不使用密封元件而维持较低的井筒压力,迅速、准确地压开多条裂缝,尤其对于裸眼完井的页岩水平井来说,是一种非常有效的压裂增产措施。(2)哈利伯顿的定点压裂技术(PinPointFRAC),利用公司自己的滑套完井和连续油管压裂两项新技术,并结合应用增产套、膨胀封隔器和无封隔高压水射流底部钻具组合(BHA)等工具,扩大了完井和压裂技术的应用范围,可以对水平井套管完井水平段进行准确的压裂,与传统工艺相比速度更快、操作风险更低、效果更好。(3)斯伦贝谢的水平井分段压裂技术(StageFRAC),结合了先进的压裂液体系,可以准确放置压裂液,裂缝导流能力高、压裂液损害小,可将完井时间从几天缩短到几小时,一次压裂级数可达17级。(4)加拿大封隔器能源服务公司的stackFrac技术,使用可彭胀封隔器,可以随井眼变化而变形,极好地适应井下高温高压环境,目前应用的水平井最深达到7620m。(5)贝克休斯的裸眼封隔器组合分段压裂,其系统除了有裸眼封隔器和小球座封压裂滑套之外,还增加了衬管顶部封隔器和压力座封滑套。在美国北达科他贝肯页岩层进行了8级压裂[10]。二、页岩气实验测试技术现状与研究进展储层表征技术:页岩的岩石矿物组成直接影响页岩吸附气体的能力，页岩孔隙度和渗透率的大小则控制着游离态页岩气的储集空间以及决定着页岩气藏是否具有经济开采价值，因此目前页岩储层表征技术主要围绕页岩矿物组成,孔隙度和渗透率开展实验技术研究1页岩矿物组成分析:页岩的矿物成分主要是黏土矿物!陆源碎屑(石英、长石等)以及其他矿物(碳酸盐岩、黄铁矿和硫酸盐等)，由于矿物结构!力学性质的不同，所以矿物的相对含量会直接影响页岩的岩石力学性质、物性、对气体的吸附能力以及页岩气的产能[11,12]。目前，国内外主要是利用X射线衍射法(XRD)对页岩进行全岩矿物组分和黏土矿物的分析[13,14,15,16,17]，北美裂缝性页岩气的综合评价中也采用元素俘获能谱测井(ElementalCaptureSpectroscopy,ECS)手段，通过谱图分析观测页岩的矿物含量[18,19]2页岩孔隙度和渗透率测定:孔隙度大小直接控制着游离态页岩气的含量[20],渗透率则是判断页岩气藏是否具有开发经济价值的重要参数，页岩的孔隙度和渗透率越大，游离态页岩气的储集空间就越大,游离态页岩气的储集空间就越大。测定孔隙度的传统方法是利用岩芯，通过氦置换法和汞置换法直接在实验室进行测定但是，页岩气藏的储集空间包括基质孔隙和裂缝，裂缝的张开度受压力的影响较大，在岩芯的采集过程中压力的改变会使岩芯的裂缝孔隙度发生改变，不适合用岩芯直接测定，因此，应该分别确定基质孔隙度和裂缝孔隙度。目前，一般以岩芯孔隙度为基础，利用测井资料测定基质孔隙度由于页岩基质孔隙度小，用单一的测井方法求取的孔隙度的值误差大，因此利用声波中子和密度测井曲线，根据双矿物体积模型，列出三孔隙度测井响应方程，这样求取的孔隙度数据比较可靠。此外，核磁共振测井作为一种新方法近年来被用于孔隙度的测定，它能弥补常规测井受气层和岩性影响的不足。对于裂缝孔隙度的测定，双侧向测井(探测深度不同的两种侧向测井的组合)是较为成熟的方法，该方法适用于评价致密砂岩!碳酸盐岩等低渗储层裂缝孔隙度页岩储层渗透率极低，难以应用常规渗透率测试方法进行测试目前一般采用脉冲降压法和美国天然气研究协会(GasResearchInstitute,GRI)制定的GRI法，测试速度较快[21]。三、页岩气钻采技术现状及展望1页岩气钻井发展过程及水平井技术美国