三 页岩气藏的开采

页岩气藏的开采技术过去150年所钻的数百万口油气井在达到其目标深度之前，都钻透了大量页岩层段。既然页岩层段的暴露如此普遍，是否每口干井实际上都是潜在的页岩气井呢？当然不是，页岩气只有在某些特定条件下才可以被开采出来。页岩是一种渗透率极其低的沉积岩，通常被认为是油气运移的天然遮挡。在含气油页岩中，气产自其本身，页岩既是气源岩，又是储层。天然气可以储存在页岩岩石颗粒之间的孔隙空间或裂缝中，也可以吸附在页岩中有机物的表面上。对常规气藏而言，天然气从气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩地层中，并聚集在构造或地层圈闭内，其下通常是气水界面。因此，与常规气藏相比，将含气页岩看作非常规气藏也就理所当然了。美国地质调查局（USGS）认为，页岩气产自连续的气藏。USGS列举了16个特征，所有这些特征都可能在连续气藏中出现。与含气页岩有关的独特特征包括区域性分布，缺少明显的盖层和圈闭，无清晰的气水界面，天然裂缝发育，估算最终采收率（EUR）通常低于常规气藏，以及极低的基岩渗透率。此外，其经济产量在很大程度上还依赖于完井技术。尽管页岩具有很多明显的不利因素，但是美国已经将某些具有合适页岩类型、有机质含量、成熟度、孔隙度、渗透率、含气饱和度以及裂缝发育等综合条件的页岩作为开采目标。一旦经济上可行，非常规天然气开采活动将呈现出一派繁荣的景象。天然气需求的日益增长以及油田新技术的不断发展，促进了页岩气远景区的勘探与开发。在美国这一趋势正在扩大，天然气价格的不断上扬和每年23万亿英尺3（651.82亿米3）的天然气消耗量推动了其陆上钻井活动的发展。勘探与生产公司正在租赁数十万英亩的矿区钻井权，而先进的钻完井技术正在帮助作业者扩大已知页岩气盆地的范围。这些远景区同时也促进了技术的发展，使人们对这种普通的碎屑岩有了更深入的认识，并且推动了评价页岩资源的新设备、新技术的发展。气藏开发岩石内必须具备足够的通道以使天然气流入井筒，产至地面。在页岩中，气源岩中裂缝引起的渗透性在一定程度上可以补偿基质的低渗透率。因此将页岩作为开采目标的作业者应事先考虑系统渗透率，即由页岩基质和天然裂缝的综合渗透率。为了更好地利用储层中的天然裂缝，并且使井筒穿越更多储层，越来越多的作业者都在应用水平钻井技术（下图）。虽然该技术在石油工业中并不是一项新技术，但它对扩大页岩气成功开发的战果却有着重大的意义。钻井穿过裂缝。FMI全井眼微电阻率扫描成像测井显示出水平井钻遇的裂缝和层理特征。钻井诱发的裂缝沿着钻井轨迹顶部和底部出现，但沿着该井筒侧面终止，井筒侧面的应力最高。井筒钻穿的原有天然裂缝以垂直线的形态穿过井筒的顶部、底部和侧面。图中颜色较深的黄铁矿结核非常明显，与层理面平行出现。通过得克萨斯州中北部FortWorth盆地Barnett页岩的开发进程可以清楚地看到水平钻井的作用。1981年，Mitchell能源公司开始在该地区钻了第一口直井，15年以后井的数量才超过300口。2002年，在收购Mitchell公司后，丹文能源公司开始在该地区钻水平井。截至2005年，水平井数量已超过2000口。此外，Barnett页岩实际钻井经验表明，从水平井中获得的估计最终采收率大约是直井的三倍，而费用只相当于直井的两倍。除水平井技术之外，其它技术也发挥了重要作用。如作业者通过采用三维地震解释技术能够更好地设计水平井轨迹。由于采用了该技术，作业者将Barnett页岩钻井活动扩展了那些原来被一直误认为没有产能、含水且位于页岩下方的喀斯特白云岩区域。一般情况下，作业者通过沿垂直于最大水平应力方向钻井的方法来增加井筒与裂缝相交的可能性，从而打开更多的页岩表面进行开采。但是，常规的定向钻井技术可能受到扭矩和阻力的影响，扭矩和阻力通常是司钻在井筒造斜过程中由滑动和旋转所造成的。在更复杂的井眼轨迹中，扭矩和阻力可能限制横向位移，加大测井难度。为了避免上述问题的发生，在开采较直的、曲折度不大的井时，可采用旋转导向系统。某些情况下，从水平段底部到顶部的倾角变化低于0.5°。诸如geoVISION随钻成像之类的随钻测井系统已应用于某些油气井，以解决水平井测井存在的一些问题。应用该系统后可以在整个井筒长度范围内产生电阻率成像和井筒地层倾角分析。成像测井提供构造信息、地层信息和力学特性信息，用于优化随后的完井作业。例如，成像能够将地层天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较，帮助作业者确定射孔和油井增产的最佳目标。在Barnett页岩远景区，利用这些测井得到的成像资料来识别地震资料无法识别的断层以及与之相关的从下伏喀斯特白云岩中产水的天然裂缝群。在进行加密钻井时，井眼成像有助于识别邻井中的水力裂缝，从而帮助作业者将注意力集中在储层中原先未被压裂部分的增产措施上。井中有无钻井诱发裂缝的存在及钻井诱发裂缝的方向对确定整个水平井的应力变化及力学特性非常有用。这一信息在减轻Barnett页岩完井难度及降低相关费用方面也起到了很大的作用。1.储层评价技术通过分析测井和取心资料进行页岩气储层评价。利用成像测井技术识别裂缝和断层，对页岩进行分层；利用声波测井技术识别裂缝方向和最大主应力方向，为实施气井增产措施提供基础数据；利用岩心分析来确定孔隙度、储层渗透率、泥岩组分、流体和储层敏感性，确定TOC和吸附等温曲线。测井和取心是页岩气储层评价的两种主要手段。Schlumber公司应用测井数据，包括ECS（ElementalCaptureSpectroscopy）来识别储层特征。单独的GR不能很好地识别出粘土，干酪根的特征是具有高GR值和低Pe值。成像测井可以识别出裂缝和断层，并能对页岩进行分层。声波测井可以识别裂缝方向和最大主应力方向，进而为气井增产提供数据。岩心分析主要是用来确定孔隙度、储层渗透率、泥岩的组分、流体及储层的敏感性，并分析测试TOC和吸附等温曲线。烃源岩潜力评估技术烃源岩评估主要通过对页岩岩样的地球化学分析结合对先前所钻井测井资料的详细评价结果来完成。对全直径岩心、井壁取心、岩屑及露头岩样进行地球化学测试。其主要目的是为了确定岩样是否含有丰富的有机物，以及是否可以形成碳氢化合物。一般情况下，岩石中有机物含量越高，其源岩潜力越大（下表）。已经开发了多种复杂的地球化学技术来评估岩样中总有机质含量（TOC）及岩样的成熟度。TOC值可以从经过去杂质处理并被置于1200°C（2192°F）温度下燃烧的重量为1克（0.0022磅）的粉碎岩样中取得。干酪根中的碳被转换成一氧化碳和二氧化碳。碳的具体转化数量可以在红外线室中得到测定，然后转换成总有机质含量，以岩石质量百分比的形式进行记录。如果最初的筛选测试证明岩样含有足够丰富的有机物，则将对这些岩样实施更多测试。源岩的有机质含量。通常认为页岩的总有机质含量（TOC）的最小截止值为0.5%。一些地学家认为另一种极端情况是有机物含量可能过多，多余的干酪根将可能会填充碳氢化合物将要占据的孔隙空间。为了进一步描述有机物的丰富程度，许多地球化学实验室都采用法国石油研究院开发的程序化热解技术。该技术已经成为源岩地球化学测试的工业标准，测试过程中只需使用50－100毫克（0.00011－0.00022磅）的粉碎岩石，整个测试过程也只需大约20分钟。在热解测试中，每个岩样都需要在各个不同的温度控制范围内受热。在受热的第一阶段[加热至300°C（572°F）]，游离烃从岩石基质中释放出来[20]。当第二阶段温度增加到550°C（1022°F）时，释放出热裂化作用下形成的挥发性碳氢化合物。除碳氢化合物外，干酪根在温度从300°C增加到390°C（572°F－734°F）的过程中释放出二氧化碳。热力作用下的有机化合物释放可以通过火焰电离检测器测得。气峰值-温度图。分两个阶段对岩样加热。S1峰值表明第一阶段加热至300°C时每毫克岩石受热后释放出来的游离碳氢化合物数量。S2峰值表明第二阶段加热至500°C时干酪根受热裂化后产生的碳氢化合物数量。从该曲线中我们可以了解岩石中的残余油潜能，或者埋藏深度和热度继续增加后岩石仍然能够产出的碳氢化合物量。S3峰值表明干酪根受热后释放出来的二氧化碳的体积。Tmax值可以大致指示源岩成熟度。上述测量结果和温度数据被记录在图表中后显示出三个明显的峰值（上图）。这三个峰值为地球化学家提供了干酪根中氢、碳和氧相对含量的信息[22]。为确定干酪根的类型及油气潜能提供了依据。碳氢化合物释放量最大时的温度与S2高点对应，称作Tmax，样品的热成熟度与Tmax值有关。鉴定岩样成熟度的另外一个指标是镜质体反射率。作为干酪根的一个关键部分，镜质体是植物细胞壁中木质素和纤维素受热转变后形成的一种发光物质。随着温度的增加，镜质体经历复杂的、不可逆转的芳构化反应，导致反射率增大。镜质体反射率最早用来确定煤炭的等级或成熟度，该技术后来被用于对干酪根热成熟度的评估。由于反射率随温度的增加而增大，因而可以通过使用该指标来评估碳氢化合物形成的各个温度范围。这些范围又可以被进一步划分成油窗或气窗。通过一个配有油浸物镜及光度计的显微镜可以测量反射率（R）。根据玻璃或矿物反射率标准仔细对镜质体反射率进行刻度，反射率测量反映反射到原油中的光度百分比（Ro）。如果通过多个岩样测试后确定了镜质体反射率均值，则该均值被称为Rm。作为热成熟度的一个指标，各类有机物中的Ro值都不尽相同。这就说明第一类有机物的碳氢化合物生成的起点与第二类有机物碳氢化合物生成的起点不同。而且由于形成气窗所需的温度范围大于油窗的温度范围，因而气的Ro值也相应地大于油的Ro值。通过上述描述可以得出以下结论：成熟度值高（Ro1.5）通常表示干气占主导优势，成熟度值中等（1.1%Ro1.5%）表示在该范围内的低端，气有不断向油转化的趋势。在0.8%Ro1.1%范围的低端能够发现湿气。Ro值低（0.6%Ro0.8%）时油占主导地位，而Ro0.6%则表明干酪根发育不成熟。Ro值本身容易使人产生误解，应与其它测量结果权衡后才能应用。其它常见的成熟度指标包括基于显微镜测量的孢子颜色的热变指数（TAI）、热解温度评估以及建立在小化石齿测量基础上的牙形石色变指数（CAI）。由于镜质体反射率的普遍性，这些指数通常与Ro值有关。含气页岩测井结果。与普通页岩相比，含气页岩具有自然伽马强度高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低等特征。可以通过测井资料对页岩的其它性质进行评价，在某些情况下，这些测井曲线具有明显的特征（上图）。高自然伽马强度被认为是页岩中干酪根的函数。通常情况下干酪根能形成一个使铀沉淀下来的还原环境，从而影响自然伽马曲线。高含气饱和度导致高电阻率，但电阻率也会随着流体含量和粘土类型而变化。粘土含量及干酪根的存在能降低地层体积密度，干酪根的比重较低，介于0.95－1.05克/厘米3之间。还可以根据测井资料确定页岩中复杂的矿物组分以及源岩孔隙空间内的游离气体积。通过综合应用常规三组合和地球化学测井资料，斯伦贝谢的岩石物理学家可以确定页岩中的有机碳含量并计算吸附气的含量。地球化学测井资料也能帮助岩石物理学家分辨粘土类型以及各自体积。这些信息对计算生产能力、确定随后的水力压裂作业中应使用流体的类型起着关键作用。ECS元素俘获能谱仪器。ECS探头记录和分析中子与地层作用后感生的自然伽马能谱。通过这些测量可以获得准确的地层成分评价结果，包括粘土、碳酸盐、硬石膏、石英、长石和云母等。ECS（元素俘获能谱）探头及PlatformExpress综合电缆测井仪器与先进的解释技术结合后用以评估Barnett页岩及其它盆地中的含气饱和度和天然气地质储量，确定岩性特征。ECS探头应用中子感生的俘获自然伽马能谱测定硅、钙、硫、铁、钛、钆、氯、钡和氢的含量（上图）。上述数据与诸如对利用中子感生自然伽马能谱仪器获得的能谱进行处理的SpectroLith岩性处理解释技术一起应用。通过SpectroLith技术的应用，可以确定地层中粘土、石英-长石-云母、碳酸盐、黄铁矿或硬石膏的含量。应用在SpectroLith处理中的元素在干酪根中并不存在。因而虽然可以准确表示岩性，但是却无法对有机物进