非常規(guī)油氣藏鉆完井技術(shù)研究

超臨界CO2開發(fā)非常規(guī)油氣藏鉆完井技術(shù)研究沈忠厚中國石油大學(xué)2011.92011年非常規(guī)油氣藏開發(fā)技術(shù)ChinaUniversityofPetroleum匯報(bào)提綱一、前言二、超臨界CO2鉆井技術(shù)三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)五、結(jié)論與建議

ChinaUniversityofPetroleum一、前言1、我國油氣勘探開發(fā)趨勢(shì)

天然氣作為一種清潔、優(yōu)質(zhì)、高效、低成本和污染少的理想生態(tài)能源，已被國際社會(huì)廣泛認(rèn)同，預(yù)計(jì)將在2030年替代煤和石油成為世界主要能源。

近十年新增探明儲(chǔ)量中70~80%為低滲特低滲油氣藏，同時(shí)我國頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等非常規(guī)油氣資源非常豐富。目前我國常規(guī)油氣資源探明程度相當(dāng)高，儲(chǔ)量增長“入不敷出”穩(wěn)產(chǎn)難度越來越大。非常規(guī)油氣資源將成為我國新的油氣增長點(diǎn)。

我國已經(jīng)從21世紀(jì)初開始逐步加大非常規(guī)油氣藏開發(fā)力度，使之成為常規(guī)油氣的有力補(bǔ)充！一、前言2、非常規(guī)油氣藏及開發(fā)特點(diǎn)

非常規(guī)油氣藏界定致密砂巖氣藏低滲特低滲油氣藏頁巖氣藏煤層氣藏非常規(guī)油氣藏開發(fā)特點(diǎn)（以頁巖氣為例）鉆井速度極慢，建井周期長，成本高；孔隙度和滲透率極低，儲(chǔ)層極易受污染；成藏機(jī)理復(fù)雜，需根據(jù)成藏方式確定開發(fā)方法；均須經(jīng)過壓裂才能投產(chǎn)，增加了成本；單井產(chǎn)量和采收率均較低；開采周期長（有的高達(dá)30年）；一、前言2、非常規(guī)油氣藏及開發(fā)特點(diǎn)

非常規(guī)油氣藏共有及顯著的特點(diǎn)是：整體儲(chǔ)量高、單井產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值低、開發(fā)成本高；

非常規(guī)油氣藏“兩低兩高”的特點(diǎn)，使得它的開發(fā)急需一種低成本、高效率的鉆完井及開發(fā)方法！

超臨界CO2鉆完井及開發(fā)技術(shù)滿足了這一開發(fā)要求！一、前言二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)五、結(jié)論與建議

匯報(bào)提綱ChinaUniversityofPetroleum二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

CO2廣泛存在于自然界中，俗稱碳酸氣，又名碳酸酐?？諝庵泻繛?.03%~0.04%，但隨工業(yè)化發(fā)展其含量不斷增高。1、超臨界CO2物理特性無色無臭水溶液呈酸性不能燃燒易被液化物理特性氣體（常溫常壓）超臨界流體液體（常溫常壓）（1）密度（g/cm3）0.0006~0.0020.2~0.90.6~1.6（2）黏度mPa.s10-20.03~0.10.2~3.0（3）擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）10-110-410-5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)

密度接近于液體能夠?yàn)榫埋R達(dá)提供足夠扭矩、溶劑化能力強(qiáng)黏度接近于氣體擴(kuò)散系數(shù)大于液體傳熱、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易流動(dòng)、摩阻系數(shù)低二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

1、超臨界CO2物理特性二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

2、超臨界CO2鉆井超臨界流體：

當(dāng)一種物質(zhì)的溫度和壓力同時(shí)高于其臨界溫度(Tc)和臨界壓力(Pc)時(shí)，則稱之為超臨界流體(Super-criticalFluid)

。超臨界CO2流體：

將CO2氣體加溫加壓至臨界點(diǎn)之上(Tc>31.1℃，Pc>7.38MPa)時(shí)稱為超臨界CO2流體（SC-CO2—supercriticalCO2）。超臨界CO2鉆井：

利用超臨界CO2作為鉆井流體的一種新型鉆井方法，它利用高壓泵將低溫液態(tài)CO2泵送到鉆桿中，液態(tài)CO2下行到一定井深后達(dá)到超臨界態(tài)，利用高壓超臨界CO2射流輔助破巖來達(dá)到快速鉆井的目的。

二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

2、超臨界CO2鉆井連續(xù)油管超臨界CO2噴射輔助鉆井a(chǎn)、易于破碎堅(jiān)硬及難鉆巖層，可較大幅度提高鉆井速度。二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

3、超臨界CO2鉆井優(yōu)勢(shì)花崗巖曼柯斯頁巖SC-CO2Jet大面積坑道輪廓不明顯破碎體積較大大面積崩落WaterJet小的溝槽輪廓較為清晰破碎體積較小193MPaWater90MPaSC-CO2b、易于破碎堅(jiān)硬及難鉆巖層，可較大幅度提高鉆井速度。噴射破巖實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)巖樣流體類型門限壓力MPa花崗巖水CO2比值：CO2/水755067%曼柯斯頁巖水CO2比值：CO2/水1245544%

利用水力輔助機(jī)械聯(lián)合破巖方式對(duì)曼柯斯頁巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明利用超臨界CO2是用水的鉆進(jìn)速度的3.3倍。

3、超臨界CO2鉆井優(yōu)勢(shì)壓力低于124MPa時(shí)，水力射流不能破巖；超臨界CO2噴射破巖的有效壓力低至55MPa。

曼柯斯頁巖噴射鉆井實(shí)驗(yàn)二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

c、在低滲及特低滲油氣層開發(fā)中，可有效保護(hù)油氣層。水基鉆井液打開低滲透儲(chǔ)層的危害

固相顆粒進(jìn)入儲(chǔ)層堵塞孔隙吼道；泥漿濾液侵入到油氣層中，導(dǎo)致油氣層中粘土膨脹，進(jìn)一步堵塞地層孔隙吼道；引發(fā)水鎖效應(yīng)、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)、原油乳化等。

超臨界CO2流體打開低滲透儲(chǔ)層的優(yōu)勢(shì)

致密的砂巖儲(chǔ)層超臨界CO2流體中不含固相顆粒，不會(huì)堵塞孔隙吼道；超臨界CO2流體不是液相、也不含液相，不會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層中粘土膨脹。從根本上避免了水鎖效應(yīng)、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)、原油乳化等危害的發(fā)生。3、超臨界CO2鉆井優(yōu)勢(shì)二、超臨界CO2鉆井技術(shù)

一、前言二、超臨界CO2鉆井技術(shù)三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)五、結(jié)論與建議

匯報(bào)提綱ChinaUniversityofPetroleum三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

頁巖氣生氣機(jī)理1、頁巖氣特性生物化學(xué)生氣階段熱裂解生氣階段天然氣首先吸附在有機(jī)質(zhì)和粘土顆粒表面飽和后富余天然氣以游離相和溶解相存在生烴伊始裂解生成的甲烷氣充滿巖石孔隙孔隙壓力不斷升高產(chǎn)生裂縫以游離相存在頁巖氣賦存狀態(tài)吸附狀態(tài)（吸附于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面，含量約20%~85%）游離狀態(tài)（貯存于孔隙裂縫中）溶解狀態(tài)（在石油伴生盆地中，溶解在地層水和液態(tài)烴中）1、頁巖氣特性頁巖氣吸附量影響因素

頁巖氣主要成分為甲烷（CH4），其含量在90%左右，除此之外還有少量的氮?dú)猓∟2）、二氧化碳（CO2）、重?zé)N以及惰性氣體。甲烷的臨界溫度為196.6K，臨界壓力為4.54MPa，在1000~3000米的儲(chǔ)層埋深條件下，甲烷以超臨界態(tài)存在。有機(jī)碳含量（TOC）地層溫度地層壓力粘土礦物含量產(chǎn)層性質(zhì)三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

1、頁巖氣特性有機(jī)碳含量（TOC）與吸附氣量關(guān)系三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

1、頁巖氣特性粘土礦物含量與吸附氣量關(guān)系三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

2、儲(chǔ)層特性頁巖礦物成分

粘土礦物

碎屑及自生礦物高嶺石蒙脫石等伊利石

石英長石云母等頁巖中粘土礦物成分含量較高，被劃為粘土巖的一種

石英物性較脆，容易被壓碎或形成裂紋，因此石英含量相對(duì)較高的頁巖，在生烴過程中，容易被孔隙中的高壓氣體壓出裂縫，有利于頁巖氣開采。三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

2、儲(chǔ)層特性頁巖主要類型

黑色頁巖（含較多的有機(jī)質(zhì)）硅質(zhì)頁巖（含有較多的玉髓、蛋白石等）主要產(chǎn)氣頁巖粘土和泥質(zhì)為頁巖最主要組分（粒徑較小，5~63μm）碳質(zhì)頁巖（含有大量已碳化的有機(jī)質(zhì)）油頁巖（含一定數(shù)量的瀝青）鐵質(zhì)頁巖（含少量鐵的氧化物、氫氧化物等）砂所占的組分相對(duì)較少（粒徑>63μm）粒徑小滲透率極低，10-4～10-6md（致密砂巖10-2~10-3md）

孔隙度極低（通常小于5%，以微孔隙為主）三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

比表面積大吸附能力強(qiáng)3、開發(fā)特性

頁巖氣充填于頁巖裂隙、微細(xì)孔隙及層面內(nèi)，其儲(chǔ)層滲透率極低、氣流阻力比傳統(tǒng)天然氣大得多，導(dǎo)致其生產(chǎn)的速度和效率均較低。三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

存儲(chǔ)機(jī)理天然氣的儲(chǔ)量生產(chǎn)速度和效率根據(jù)不同存儲(chǔ)機(jī)理選擇開發(fā)方式產(chǎn)出順序裂縫中游離氣

裂縫表面吸附氣頁巖基質(zhì)中吸收氣快速釋放

速度慢、產(chǎn)量低

穩(wěn)定而又極其緩慢

頁巖氣20%~85%以吸附狀態(tài)存在，排水降壓開采解析程度有限，單井產(chǎn)量低，開發(fā)速度慢。亟待尋找一種適合的開發(fā)方法！微孔隙表面吸附氣速度慢、產(chǎn)量低

3、開發(fā)特性

天然裂縫系統(tǒng)發(fā)育程度直接影響頁巖氣開采效益，世界頁巖氣資源非常豐富，但尚未得到廣泛勘探開發(fā)，根本原因是致密頁巖的滲透率一般很低(小于10-3md)，僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁巖氣井可直接投入生產(chǎn)，其余90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通其天然裂縫，提高井筒附近儲(chǔ)層導(dǎo)流能力。三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性

大型水力壓裂成本高對(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)量降低開發(fā)成本，尋找適合的增產(chǎn)措施，是高效開發(fā)頁巖氣的前提！一、前言二、超臨界CO2流體的物理特性三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)五、結(jié)論與建議

匯報(bào)提綱ChinaUniversityofPetroleum1、提高鉆井速度，縮短建井周期，減少鉆井費(fèi)用四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)

超臨界CO2噴射破巖效率高超臨界CO2噴射破巖門限壓力低

超臨界CO2噴射破巖效率較水射流破巖高，可大幅提高鉆井速度，縮短鉆井周期。

超臨界CO2噴射破巖門限壓力較水射流破巖低，非常適合難鉆頁巖鉆進(jìn)，同時(shí)它降低了鉆井設(shè)備的高承壓要求，減少鉆井費(fèi)用。減少井下復(fù)雜問題的出現(xiàn)

低注入壓力小鉆壓鉆井，在高陡構(gòu)造地層中能有效控制井斜；CO2密度變化大易調(diào)節(jié)，可通過回壓閥對(duì)井底壓力進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可減少漏、噴、塌、卡等事故發(fā)生。2、有效保護(hù)儲(chǔ)層不受損害四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)

致密的頁巖超臨界CO2流體中不含固相顆粒，不會(huì)堵塞孔隙吼道；超臨界CO2流體不是液相、也不含液相，不會(huì)導(dǎo)致頁巖層中粘土膨脹；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；利用超臨界CO2進(jìn)行噴射壓裂，對(duì)儲(chǔ)層無任何污染，其低黏特性能夠使頁巖儲(chǔ)層產(chǎn)生更多微裂縫，有助于生產(chǎn)。四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)

超臨界CO2超短半徑輻射水平井

超短半徑輻射水平井，由主井筒向四周鉆輔助井眼形成的輻射井網(wǎng)作為排油通道把主井眼之間的大片油層連通起來，達(dá)到增加油氣通道，改善氣流方向，提高氣藏動(dòng)用程度的目的，可大大提高采收率。3、可有效提高油氣井單井產(chǎn)量和采收率

超臨界CO2對(duì)儲(chǔ)層無污染，而且容易鉆水平井、多分支井、超短半徑輻射水平井以及各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，均可大幅提高油氣單井產(chǎn)量。3、可有效提高油氣井單井產(chǎn)量和采收率四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)

高效置換甲烷—CO2與頁巖的吸附強(qiáng)度大于CH4與其吸附強(qiáng)度，因此進(jìn)行超臨界CO2驅(qū)替開采時(shí)，它可以置換吸附在頁巖層上的CH4，增加游離態(tài)氣體含量，從而進(jìn)一步提高頁巖氣采收率。改善流動(dòng)通道—超臨界CO2流體密度大，溶劑化能力強(qiáng)，能溶解近井地帶的重油組分及其他有機(jī)物，疏通流動(dòng)通道，減小近井地帶油氣流動(dòng)阻力；高效驅(qū)替甲烷—超臨界CO2流體表面張力為零，粘度小、擴(kuò)散系數(shù)大，容易進(jìn)入任何大于其分子的空間（包括毛管孔隙），有利于驅(qū)替氣藏中的甲烷氣體；一、前言二、超臨界CO2流體的物理特性三、頁巖氣、儲(chǔ)層及開發(fā)特性四、超臨界CO2開發(fā)頁巖氣優(yōu)勢(shì)五、結(jié)論與建議

匯報(bào)提綱ChinaUniversityofPetroleum五、結(jié)論與建議

1、超臨界CO2破巖門限壓力低、破巖速度快，對(duì)于典型的難鉆頁巖層來說，能夠大大縮短建井周期，降低鉆井費(fèi)用；2、超臨界CO2流體既不含