頁巖氣勘探開發(fā)水力壓裂技術(shù)綜述

頁巖氣勘探開發(fā)水力壓裂技術(shù)綜述

1儲層改造技術(shù)類型巖漿巖的儲層厚度薄，滲透性低，在水平井中添加多層次壓力破壞是美國巖漿巖氣開發(fā)和應(yīng)用最廣泛的方法。目前常用的技術(shù)有多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復(fù)壓裂和同步壓裂等。在美國頁巖氣開發(fā)中使用過的儲層改造技術(shù)還有氮?dú)馀菽瓑毫押痛笮退毫?氮?dú)馀菽瓑毫涯壳斑€使用在某些特殊條件的頁巖壓裂作業(yè)中,大型水力壓裂由于成本太高,對地層傷害大已經(jīng)停止使用。頁巖氣水力壓裂技術(shù)特點(diǎn)及適用性見表1。1.1儲層壓裂技術(shù)多級壓裂是利用封堵球或限流技術(shù)分隔儲層不同層位進(jìn)行分段壓裂的技術(shù)。多級壓裂能夠根據(jù)儲層的含氣性特點(diǎn)對同一井眼中不同位置地層進(jìn)行分段壓裂,其主要作業(yè)方式有連續(xù)油管壓裂和滑套完井兩種。多級壓裂技術(shù)是頁巖氣水力壓裂的主要技術(shù),在美國頁巖氣生產(chǎn)井中,有85%的井是采用水平井和多級壓裂技術(shù)結(jié)合的方式開采,增產(chǎn)效果顯著。美國Newfield公司在Woodford頁巖中的部分開發(fā)井采用了5～7段式的分段壓裂,頁巖氣單井最大初始產(chǎn)量達(dá)到28.32×104m3/d,最大最終產(chǎn)量達(dá)16.99×104m3/d。多級壓裂的特點(diǎn)是多段壓裂和分段壓裂,它可以在同一口井中對不同的產(chǎn)層進(jìn)行單獨(dú)壓裂。多級壓裂增產(chǎn)效率高,技術(shù)成熟,適用于產(chǎn)層較多,水平井段較長的井(圖1)。頁巖儲層不同層位含氣性差異大,多級壓裂能夠充分利用儲層的含氣性特點(diǎn)使壓裂層位最優(yōu)化。在常規(guī)油氣開發(fā)中,多級壓裂已經(jīng)是一個成熟的技術(shù),國內(nèi)有很多成功應(yīng)用的實(shí)例。多級壓裂技術(shù)用于我國的頁巖氣開發(fā)有一定的技術(shù)基礎(chǔ),是可行的壓裂技術(shù)。1.2政、巖、空等材料的壓裂清水壓裂是利用大量清水注入地層誘導(dǎo)產(chǎn)生具有足夠幾何尺寸和導(dǎo)流能力的裂縫以實(shí)現(xiàn)在低滲的、大面積的凈產(chǎn)層里獲得天然氣工業(yè)產(chǎn)出的壓裂措施。清水壓裂利用儲層的天然裂縫注入壓裂液,使地層產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫,在壓裂過程中,巖石碎屑脫落并沉降在裂縫中,起到支撐作用,使裂縫在壓裂液退去之后仍保持張開。1997年,Mitchell能源公司首次將清水壓裂應(yīng)用在Barnett頁巖的開發(fā)作業(yè)中,清水壓裂不但使壓裂費(fèi)用較大型水力壓裂減少了65%,而且使頁巖氣最終采收率提高了20%。事實(shí)上,清水壓裂的成功就在于它以較低的開支獲得了和凝膠壓裂相同甚至更好的增產(chǎn)效果。目前的清水壓裂多是使用混合的清水壓裂液,它是在傳統(tǒng)的清水壓裂液中加入了減阻劑、凝膠、支撐劑等添加劑,又叫減阻水壓裂。清水壓裂用低黏度的減阻水替代通常使用的凝膠壓裂液,這樣既降低了壓裂成本,又減小了大量使用凝膠對地層的傷害,但由于壓裂液黏度小,清水壓裂相比凝膠壓裂液來說攜砂能力弱,壓裂半徑小。清水壓裂以巖石的天然裂縫為通道注入壓裂液,巖石楊氏模量越高裂越易形成粗糙的節(jié)理,保持裂縫的導(dǎo)流能力。因此適用于天然裂縫系統(tǒng)較發(fā)育,巖層楊氏模量高的地層。當(dāng)頁巖層中水敏性礦物(如蒙脫石)含量高時,水敏性礦物溶解會堵塞裂縫通道,影響壓裂的效果。清水壓裂在國內(nèi)有較多的理論研究和作業(yè)實(shí)踐,用于我國的頁巖氣開發(fā)有一定的技術(shù)基礎(chǔ),是可行的壓裂技術(shù)。1.3影響增收效果水力噴射壓裂是用高速和高壓流體攜帶砂體進(jìn)行射孔,打開地層與井筒之間的通道后,提高流體排量,從而在地層中打開裂縫的水力壓裂技術(shù)(圖2)。當(dāng)頁巖儲層發(fā)育較多的天然裂縫時,如果用常規(guī)的方式對裸眼井進(jìn)行壓裂,大而裸露的井壁表面會使大量流體損失,從而影響增產(chǎn)效果。水力噴射壓裂能夠在裸眼井中不使用密封元件而維持較低的井筒壓力,迅速、準(zhǔn)確地壓開多條裂縫。2005年,水力噴射壓裂技術(shù)第一次使用在美國Barnett頁巖中,作業(yè)者使用水力噴射環(huán)空壓裂工藝對Barnett頁巖中的53口井進(jìn)行了壓裂,其中26口井取得了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的成功,有21口井被認(rèn)定為技術(shù)成功。水力噴射壓裂能夠用于水平井的分段壓裂,不受完井方式的限制,尤其適用在裸眼完井的井眼中,但是受到壓裂井深和加砂規(guī)模的限制。水力噴射壓裂在國內(nèi)油氣開發(fā)中的應(yīng)用時間不長,主要依靠國外公司提供技術(shù)服務(wù),壓裂成本高。由于頁巖井眼井壁坍塌情況嚴(yán)重,一般使用套管完井,再加上水力噴射壓裂技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用并不成熟,且成本較高。因此該技術(shù)在我國頁巖氣開發(fā)起步時期適用性不強(qiáng),日后的推廣有待于技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的成熟。1.4重復(fù)壓裂井選擇重復(fù)壓裂是指當(dāng)頁巖氣井初始壓裂處理已經(jīng)無效或現(xiàn)有的支撐劑因時間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降,導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時,采用壓裂工藝對氣井經(jīng)行重新壓裂增產(chǎn)的工藝。頁巖氣井初始壓裂后,經(jīng)過一段時間的生產(chǎn),井眼周圍的應(yīng)力會發(fā)生變化,重復(fù)壓裂能夠重新壓裂裂縫或使裂縫重新取向,使頁巖氣井產(chǎn)能恢復(fù)到初始狀態(tài)甚至更高(圖3)。美國Barnett頁巖在1995年前廣泛使用凝膠壓裂,1997年開始發(fā)展清水壓裂,作業(yè)者對先前使用凍膠壓裂增產(chǎn)產(chǎn)量下降的井使用清水壓裂重新改造,改進(jìn)處理液回收工作流程,氣井產(chǎn)量明顯提高,部分井產(chǎn)量甚至超過了初次壓裂時的產(chǎn)量。重復(fù)壓裂適用于天然裂縫發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層,在頁巖氣開發(fā)后期當(dāng)初始壓裂效果下降時或初始壓裂方式效果不理想的情況下對儲層重新壓裂,對產(chǎn)量相對較高的井同樣適用。重復(fù)壓裂不是一種新的壓裂技術(shù),而是壓裂作業(yè)的一種工藝,其關(guān)鍵在于候選井的選擇。國內(nèi)對重復(fù)壓裂工藝有較多的研究和實(shí)踐,可以作為我國頁巖氣開發(fā)中后期儲層改造的措施。1.5美國ft.wolh盆地的barnett頁巖同步壓裂指對2口或2口以上的配對井進(jìn)行同時壓裂。同步壓裂采用的是使壓力液及支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運(yùn)移距離最短的方法,來增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度及表面積,利用井間連通的優(yōu)勢來增大工作區(qū)裂縫的程度和強(qiáng)度,最大限度地連通天然裂縫。2006年,同步壓裂首先在美國Ft.Worth盆地的Barnett頁巖中實(shí)施。作業(yè)者對同一平臺上相隔10m,水平井段相隔305m大致平行的2口井9個層位進(jìn)行同步壓裂。作業(yè)后,2口井均以相當(dāng)高的速度生產(chǎn),其中1口井以日產(chǎn)25.5×104m3的速度持續(xù)生產(chǎn)30d,而其他未壓裂的井日產(chǎn)速度在5.66×104～14.16×104m3之間。同步壓裂在國外頁巖氣開發(fā)中是一個應(yīng)用廣泛的工藝,特別是當(dāng)區(qū)塊開發(fā)比較充分,井眼密集時,通過對多口井進(jìn)行同步壓裂,能夠獲得比依次壓裂更好的效果。同步壓裂適用于2口或多口井眼位置相對較近,水平井段大致平行的頁巖氣井之間。同步壓裂目前在國內(nèi)還是一個較新的概念,其在國內(nèi)的技術(shù)可行性還有待進(jìn)一步實(shí)踐,且在頁巖氣開發(fā)初期尤其是在勘探階段井眼稀疏,并不適用。即使如此,同步壓裂工藝仍然是頁巖氣開發(fā)水力壓裂的重要工藝。2應(yīng)用于頁巖氣田的氣壓裂技術(shù)2.1裂縫系統(tǒng)發(fā)育差頁巖氣開發(fā)水力壓裂原理是利用儲層的天然或誘導(dǎo)裂縫系統(tǒng),使用含有各種添加劑成分的壓裂液在高壓下注入地層,使儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大,并依靠支撐劑使裂縫在壓裂液返回以后不會封閉,從而改善儲層的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),達(dá)到增產(chǎn)的目的。和砂巖相比,頁巖裂縫系統(tǒng)發(fā)育差,且不同地區(qū)儲層特點(diǎn)差異大,這是水力壓裂面臨的主要問題。裂縫系統(tǒng)既是壓裂液注入的通道,又是氣體溢出通道,壓裂液與儲層的配伍性直接關(guān)系到水力壓裂的成敗,因此裂縫系統(tǒng)和壓裂液配制是頁巖水力壓裂的關(guān)鍵因素。2.1.1開通天然裂縫對頁巖儲層來說,裂縫系統(tǒng)既是氣體的主要儲存空間,也是滲流的主要通道,對頁巖氣開發(fā)來說,裂縫系統(tǒng)是壓裂液進(jìn)入儲層的主要通道。天然裂縫的發(fā)育程度是影響頁巖氣開采效益的直接因素,因此頁巖氣水力壓裂應(yīng)該盡量選擇天然裂縫發(fā)育程度高的層位。Bowker通過對Ft.Worth盆地Barnett頁巖天然裂縫的研究認(rèn)為,充填的天然裂縫是力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié),能夠增強(qiáng)壓裂作業(yè)的效果,開啟的天然裂縫對頁巖氣產(chǎn)能并不重要;Gale研究認(rèn)為盡管大多數(shù)小型裂縫都是封閉的,儲存能力較低,但是由于在距離相對較遠(yuǎn)的裂縫群中存在大量開啟裂縫,因此也可以提高局部的滲透率。Barnett頁巖不是裂縫性頁巖層帶,但由于其天然裂縫系統(tǒng)發(fā)育,使其成為一個可以被壓裂的頁巖層帶。天然裂縫系統(tǒng)在水力壓裂的中的作用還表現(xiàn)在其對誘導(dǎo)裂縫的影響上,天然裂縫對誘導(dǎo)裂縫既有促進(jìn)作用,又有抑制作用。一方面,壓裂液通過天然裂縫注入儲層從而產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫,而當(dāng)天然裂縫周圍富集誘導(dǎo)裂縫后,儲層滲透性發(fā)生改變,隨著氣體的產(chǎn)出地層壓力下降,原先開啟的裂縫又會發(fā)生閉合;另一方面,天然裂縫開啟效應(yīng)導(dǎo)致的局部濾失增加,消耗誘導(dǎo)裂縫擴(kuò)展的部分能量,從而抑制誘導(dǎo)裂縫的增長。在水力壓裂前,需要結(jié)合儲層的特點(diǎn)和壓裂參數(shù)來預(yù)測裂縫發(fā)育的寬度、長度和方向(如使用美國Meyer&Associates公司的MeyerFracturingSimulators平臺),在壓裂過程中通過微地震來隨時監(jiān)測裂縫的方位和尺寸。2.1.2添加劑及其用量無論是在頁巖氣開發(fā),還是在常規(guī)油氣開發(fā)的壓裂過程中,壓裂液及其性能都是影響壓裂最終效果的重要因素。壓裂液及其性能對能否造出一條足夠尺寸的、有足夠?qū)Я髂芰Φ牧芽p有直接關(guān)系。清水壓裂液組成以水和砂為主,含量占總量的99%以上,其他添加劑成分占壓裂液總量的不足1%。添加劑在壓裂液中所占的比例很小,但對提高頁巖氣井的產(chǎn)量說卻是至關(guān)重要。頁巖水力壓裂常見添加劑類型及其作用見表2。在壓裂作業(yè)中,應(yīng)該根據(jù)儲層的實(shí)際情況選擇合適的添加劑類型和比重。據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn),壓裂液添加劑選擇要考慮泵速及壓力,黏土含量,硅質(zhì)和有機(jī)質(zhì)碎屑的生成潛力,微生物活動以及壓裂液返回等因素。當(dāng)儲層水敏性礦物含量高時,應(yīng)該提高防塌劑的比重以防止礦物溶解堵塞裂縫;在一些淺井中,由于微生物較發(fā)育,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加抗菌劑的比重,從而減少微生物對裂縫的封堵以及清除細(xì)菌產(chǎn)生的腐蝕性產(chǎn)物;在一些充填裂縫發(fā)育的層位,增加酸的比重有助于溶解礦物和造縫。2.2油氣開發(fā)中的壓裂技術(shù)中國頁巖氣資源豐富,主要盆地和地區(qū)的頁巖氣資源量約為26×1012m3。中國在低滲透氣藏儲集層改造、裂縫性油藏壓裂以及常規(guī)油氣藏水力壓裂等方面積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn),但現(xiàn)代意義的頁巖氣開發(fā)還是一個新課題。水力壓裂是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵步驟,其技術(shù)要求高,壓裂成本大,在我國頁巖氣勘探開發(fā)起步階段,可以分別從老井壓裂和新井壓裂兩個方面入手。李新景等通過對川南、川西南下寒武統(tǒng)筇竹寺組威5、威18等井及下志留統(tǒng)龍馬溪組陽63、太15、陽深1、陽深2等老井的資料復(fù)查,認(rèn)為在這些老井中存出現(xiàn)頁巖氣顯示。陽63井3505～3518m井段黑色碳質(zhì)頁巖段射孔后,經(jīng)土酸酸化處理,獲得天然氣3500m3/d。對于像這些在鉆井中存在良好的頁巖氣顯示,特別是經(jīng)過初次酸化壓裂改造后在頁巖層段獲得較好的天然氣產(chǎn)出的老井,在現(xiàn)階段,采用現(xiàn)代的水力壓裂技術(shù),對非頁巖層封堵后重新壓裂頁巖層段,改善儲層的滲透性能,是獲得頁巖氣產(chǎn)量突破的最佳辦法。重復(fù)壓裂候選井選擇方法有產(chǎn)量統(tǒng)計法、模式識別技術(shù)(尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、虛擬智能和模糊邏輯)以及產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)曲線法。在頁巖儲層中,虛擬智能模擬得出的結(jié)論最有效,其次是標(biāo)準(zhǔn)曲線法,單獨(dú)使用生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方法效果最差。在選擇候選井時,應(yīng)該綜合3種方法優(yōu)選的結(jié)果選擇最合適的井進(jìn)行壓裂(圖4)。對于新完鉆的頁巖氣井,要獲得工業(yè)性氣流,必須采用水力壓裂改善儲層的滲透能力,在進(jìn)行壓裂作業(yè)時,應(yīng)該結(jié)合完井方式,儲層特點(diǎn)選擇合適的壓裂工藝。根據(jù)國外頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗(yàn),深度較淺(低于1500m)或壓力較低的頁巖儲層一般使用氮?dú)馀菽瓑毫?中等深度(1500～3000m)的儲層則適宜使用清水壓裂開采。氮?dú)馀菽瓑毫褜搸r儲層無傷害,成本低,收益快,是我國頁巖氣勘探開發(fā)初期淺井開發(fā)比較合適的壓裂方式,美國頁巖氣開發(fā)早期曾使用氮?dú)馀菽瓑毫?在當(dāng)時取得了良好的效果,現(xiàn)在在某些特殊儲層壓裂仍然使用。我國頁巖氣儲層除少數(shù)地區(qū)埋深較淺外,大多數(shù)埋深大于1500m,對于埋深小于1500m的有利儲層或開發(fā)前期的勘探淺井,可以嘗試使用氮?dú)馀菽瓑毫?對于埋深在1500～3000m的有利儲層,清水壓裂是最適宜的壓裂方式。對于開采長度(厚度)大的頁巖氣井,可以結(jié)合儲層的特點(diǎn),嘗試使用清水壓裂與多級壓裂相結(jié)合的水力壓裂技術(shù);對于埋深在3000m以下的儲層,考慮到開采成本和技術(shù)的可行性,可暫時不用開發(fā)。2009年完鉆的渝頁1井是我國第一口勘探淺井,通過對渝頁1井的巖心分析,我國上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組頁巖天然裂縫系統(tǒng)較發(fā)育,蒙脫石含量少,水敏性弱,不同深度含氣性各異,因此可采用清水分段壓裂(圖5)。隨著勘探開發(fā)的深入,單一的壓裂技術(shù)難以滿足作業(yè)的需求。清水分段壓裂是我國現(xiàn)階段頁巖氣勘探開發(fā)比較適用的壓裂技術(shù),對產(chǎn)量高的生產(chǎn)井來說,生產(chǎn)初期沒有重復(fù)壓裂的必要,但在生產(chǎn)中后期產(chǎn)量下降時可以通過重新壓裂恢復(fù)產(chǎn)能,并且,隨著我國開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步,井眼密度的增大,發(fā)展同步壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的客觀的需要。當(dāng)然,任何一種技術(shù)都是不斷發(fā)展的,中國的頁巖氣開發(fā)要在借鑒國外頁巖氣水力壓裂的基礎(chǔ)上,結(jié)合儲層特點(diǎn)和技術(shù)條件發(fā)展適用于中國頁巖氣開發(fā)的水力技術(shù)。3水平井段采用重復(fù)壓裂技術(shù)1)水力壓裂是頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)之一。天然裂縫發(fā)育是水力壓裂成功的重要條件,應(yīng)根據(jù)儲層特征配制合適的壓裂液。常用的頁巖氣水力壓裂技術(shù)有多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復(fù)壓裂和同步壓裂等。2)多級壓裂技術(shù)特點(diǎn)是分段壓裂,多段壓裂,適用于產(chǎn)層較多,水平井段較長的生產(chǎn)井;清水壓裂成本低,對地層傷害小,適用于黏土含量適中,天然裂縫發(fā)育的儲層;水力噴射壓裂不受完井方式限制,尤其適用于裸眼完井的水平井,但受壓裂井深和加砂規(guī)模的限制