非常规气实现潜力的技术关键进展

能源科学进展2007,Vol.4,No.2-21-非常规气实现潜力的技术关键进展编译：齐玉（西南石油大学研究生院）审校：刘廷元摘要：非常规资源可被定义为低渗透资源，它需要先进的钻井技术或增产措施才能实现商业性开采，多年来是美国国内天然气供应的重要部分。1引言早在1970年代，在几乎没有什么生产能力的情况下，非常规资源——包括致密气砂层、煤层甲烷气和含气油页岩——就供应了相当于今天美国国内天然气的30%。在美国，非常规资源中天然气的产量在未来25年内将显得更为重要，其产量可达8Tcf/年（万亿立方英尺/年）。常规天然气盆地似乎无法保证增长的供应需求，因此在将来，非常规气的供应显得更加重要。美国石油商比十年前多钻了三倍的气井，然而天然气的生产却达到临界。对此，有种解释认为常规气盆地的成熟及美国主要常规气生产基地的高消耗造成了该现状。随着消耗损失的增加，据估计今后十年美国国内盆地产出的总天然气的80%将仍需通过钻井生产。因此，另一个同等重要的因素：非常规资源的开发成了美国低陆上48个州开发的重要组成部分。事实上，在20世纪90年代，非常规资源占美国发现的大型气田的80%。非常规气体一个特征在于这些气藏的钻进一般不象常规气藏那样完井时要回收大量的气体。这就意味着需要钻更多的非常规井去抵消常规井的生产消耗。从2003年钻了两倍的气井而却没有出现明显的供应，至少没有时间记录，就说明了美国钻井和生产趋势之间出现的明显不连接的原因。事实上，能源信息管理局的资料表明，美国钻机钻井数目从2002年平均钻691井/月到2006年的1361井/月，并且同期美国每月干气产量下降，从2001年的1.63Tcf到2006年的1.54Tcf。在美国本土的48个州非常规气比常规气多，非常规远景区气产量已成为供应的重要部分。图1表示1990到2030年美国非常规气产量的历史及发展。非常规气产量曲线仍在增长，开发这类重要的资源盆地需要的不仅是大量连续的工业投资，还需要必要的技术手段去提高成功率和采收率，减少发现和开发成本。总之，提高非常规气的产量依赖于技术上的进步。非常规气资源的吸引力在于它能稳定天然气供应的需要。一旦新发现的资源远景区的技术挑战被克服，它将提供一个更大、更长期、经济基本负荷的天然气供应。2致密气砂层和CBM（煤层甲烷气）致密气砂层的开发比其它非常规气资源都多，原因在于致密气砂层开发的成熟性以及分布的广泛性，他们是当今也是未来非常规气产量的重要组成（如图1）。致密气砂层一般按砂岩/页岩排列，因此有许多层可去描述、完井以及增产。过去，先进的技术是开发该资源的关键。地层特征化和在这些复杂的多层层序中的水力压裂的进步尤为重要。致密气砂层的这些技术进步对于CBM和含气油页岩的开采同样也很重要，CBM和含气油页岩随后也开始了大规模商业开发。在天然气资源的认识和昀终开采上，技术发挥了重要作用，煤层甲烷气是很好的一个例子。虽然在煤矿工业开始之初人们就知道有气体存在于煤层中，但直到1989年才认识到天然气开采的意能源科学进展2007,Vol.4,No.2-22-义。CBM是多年来被人们钻进并观察过的资源，然而却没有被开采。对CBM的研究以及新技术昀终解决了该资源的难题并打开了产量大门。在美国，现在CBM气体的年产多于1.6Tcf。正如常规气资源一样，CBM生产在很多方面被制约，尽管它们在其它一些重要方法上有所不同。一个重要区别在于认识该资源，尤其是天然气地质储量。天然气在煤层中吸附于煤表面，同浅层低压地层中的常规岩相比，他们储存了更多气体。为了开采，这些吸附的气体被释放，油藏的压力随之显著下降。20世纪90年代，对煤层吸附气有更深入地研究，但要实现开发仍需要对CBM气藏开采进行技术研究。3页岩气页岩既是源岩也是储集岩。天然气以三种形式储存在页岩中：页岩孔隙中的游离气、天然裂缝系统中的游离气、有机质和矿石表面的吸附气。这些不同的存储机理影响着页岩天然气开采的速度和效率。1997年的一项研究表明，美国页岩气资源在1483-1859Tcf之间。美国的商业性页岩气开发大多在于阿巴拉契亚、密执安、伊利诺斯、沃思堡和圣胡安盆地。20世纪90年代其产量上升迅速。在2004年，美国页岩气产量达700Bcf/年，与2000年的350Bcf/年相比其上升速度极快。在九十年代晚期，昀大的页岩气产量来自于沃思堡的Barnett页岩，虽然技术进步使得每口井的气体采收率增加到20%，但相当部分的增产原因在于井的密度的增加。值得一提的是这些增产的数字并不包括大多数近来的气体开采，比如Oklanhoma和Arkansas的Fayettville页岩。美国含气油页岩开采经验表明，增产技术尤其是水力压裂，对于页岩气的开发一直都是必要的，其它重要的技术进步有水平及定向钻井的应用，以及气藏描述。对于Barnett页岩井，使用有工业价值的技术，每口井的采收率是气体储量的7%，这远低于潜在的20%的采收率。Barnett页岩在页岩气资源中是昀好的，在1998年以前，大多数Barnett页岩井使用水力压裂技术，用100000-1000000磅的支撑剂，多数用砂。该方法成本高，因为有压裂前置液清井问题，其效果并不明显。在1998年，采用了流砂压裂（水基液压裂）技术，该技术在Barnett页岩的许多区域都取得了成功。同胶结压裂处理相比，水基液压裂技术成本低，但同在裂缝中胶结处理使用高支撑剂含量一样能提高生产率。在垂直井中，水基液压裂是Barnett页岩开发昀重要的技术，直到现在仍在使用。在受地面和土地所有者限制的区域则使用水平井。与垂直井相比，水平井井筒与气藏岩石接触更多。Devon能源公司一项研究表明，在前180天里，水平井的水力压裂的产量比垂直井多2到3倍多。微震裂缝测绘也成功地改进对水平井的水力压裂的评估。4非常规技术如上所述，非常规气藏需要水力压裂，水平钻井或其它特殊的技术使之具有工业生产价值。当然，不用上述技术这些气藏也可进行开发，只是要增加成本和复杂性。美国RPSEA公司对全美勘探开发行业进行一项调查，调查内容是关于下一代非常规资源技术进展的预计。表1、2、3总结了该调查的结果。表1包括现在及近期技术的发展，表2关于中期技术的发展，而表3则列举了更多的长期待发展技术。在未来20年，美国对非常规气的需求将增加，开发这些资源取决于技术的进步，这需要开发行业、相关服务公司、政府实验室和大学的共同努力。很多先进的技术仍有待发展，相信市场的需求将促进该行业所能预见的和现在所不能预见的技术的发展。能源科学进展2007,Vol.4,No.2表1非常规气技术的发展及展望技术类型应用压裂建模和分析，新型全3维处理模型在裂缝延伸中，结合新的物理学应用于天然裂缝性储层，支撑剂运输，以及更好的水平和多边井模型。新的压裂液和支撑剂需要强的、轻的支撑剂，开发更好的压裂液使其对储层以及裂缝不造成损害。对水平井使用水力压裂沃思堡盆地（Barnett含气油页岩）使用该技术其产量比垂直井增加了2-3倍。天然裂缝地层中使用增产技术含气油页岩和煤层通常是天然裂缝气藏。需要更好模型及更好的认识和技术，使用多种气体体系如CO2、湿气、N2存储和开发天然气。微震裂缝测绘和压裂前诊断沃思堡盆地（Barnett含气油页岩）使我们对水平井的水力压裂有了更深认识，因此需要做出更好的设计。钻井、完井、增产及开采中数据的收集及应用随着钻井的增加和新技术、新工艺的出现，收集了许多重要数据，其利用和处理是一个难点。这些数据需要被详细地评价以便对地层评价、压裂及开采有更多了解。地质、地震、油层物理和油藏工程数据的储层描述集成。低渗透、埋藏更深以及成本更高的更复杂的储层需要对其油层物理有更深刻的认识，要建立能合理集成所有数据和优化钻井、完井方法的更好模型。水平钻井和多边井筒容量煤层的堆叠、薄层的发展以及减少环境的影响都需要发展多井单前置液。该技术在页岩储层中很重要，有时在致密地层天然气储层也有用。通过实验室实验进行储层描述对基本参数如渗透率、孔隙度以及含水饱和度需要更好的岩心分析测量。在煤层和页岩中,需要更好的方法去评价吸收气体的容积和天然气地质储量。储层成像技术对所有非常规储层进行储层描述是一个不断上升的挑战和进步。所有环境性技术减少浪费、噪音、小型钻井衰减器以及适当的污水处理，以降低对环境的影响。采出水处理煤层和页岩气不断出水，需要进行环境安全、有效的影响小的处理。个人培训/发展改进技术，增强活动和环境性挑战需要有高技能的有效的劳动力。对盆地范围石油体系的研究和资源评估了解每个盆地完整的地壳结构及沉积历史以便为将来的开采和提高热成因及生物成因的烃类采收率奠定基础。基础性研究随着挑战的增加，有必要发展所有技术学科中的原理部分。快速的技术转移信息技术，包括网络是用来快速的分享和传播昀优技术的。表2中期非常规气技术技术类型应用钻井过程中实时的不含硫点检测将使钻头转向储层昀多产区域。不到5000英尺井的连续油管钻井对复杂的钻井区将体现连续油管钻井的优势（钻井迅速、占地面积小、快速的钻机搬运）。页岩储层中成像层和天然裂缝的使用试井技术将提高采收率，更好的了解储层。-23-能源科学进展2007,Vol.4,No.2-24-三维地震应用采出水处理采出水可经过处理和应用便不再是废水，而是对农业、工业和所有钻井、完井有用的宝贵产品。深层钻井能发展多深的煤层甲烷气，页岩气和其它天然压裂的非常规储层？通过CO2注入/退出的ECBM需确定技术性方法和适当的沉积/CO2线对检查。数据处理和数据库数据库可用，使用者可进入查询绝大多数北美盆地数据，对盆地进行世界范围的开发。二次完井和重复压裂技术为提高所有已知非常规气田的采收率，需要开发和整合小直径工具，重复压裂技术，下管后烃类检测和侧向钻井技术。技术整合/发展计划需要开发CBM气田整合所有技术的一个系统的方法，包括在完井前评价煤层。需要有效的方法去模拟煤层。裂缝性页岩地层测试技术如果试井方法能更好地了解储层，我们将从存在井中提高采收率。综合所有层状储层描绘、水平井及水力压裂效果的储层模拟技术对储层更进一部了解以制定加密钻井和完井方法的计划，从而优化气体采收率。用地球化学源岩分析和录井去鉴别页岩相对基本原理深入理解能提高页岩气储层的开采成功率。表3长期“不能预见”的非常规气技术技术类型应用资源描述及天然气地质储量潜力世界范围内所有盆地都需要进行非常规气潜力评估。其结果将被记录在数据库中以便在全球进行生产合作。钻井和完井通过改进下钻井体系，改进冶金术和能钻到“无硫点”的实时井下传感器，在需要时使用非平衡钻进、连续油管钻进的优势和多边井的有效性来改进钻井技术。提高采收率通过技术整合扩大井的生命以提高采收率，超过2007年所达到的水平。全世界技术传播非常规气技术必须在全球传播。全球大多数盆地将被投产，技术所需数据将随时可提供，每个远景区的地质信息都将被使用。煤层生产在未来，将实现生物生气增产和原地采收率。（来源：TheAmericanOil&GasReporter，2007年）