頁巖氣開發(fā)關鍵技術探討

頁巖氣開發(fā)關鍵技術探討

巖氣是指天然氣的主要存在于黑色粘土或高碳粘土中，主要存在于附件或疏遠狀態(tài)中。在頁巖氣藏中,天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中,為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結果,表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式,或游離于基質(zhì)孔隙和裂縫中,或吸附于有機質(zhì)和黏土礦物表面,在一定質(zhì)條件下聚集成藏并達到經(jīng)濟開采價值。一、巖漿巖的國內(nèi)外開發(fā)1.頁巖氣產(chǎn)量穩(wěn)步發(fā)展,罪犯、儲美國頁巖氣開采最早可追溯到1821年,20世紀20年代開始現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn),70年代中期步入規(guī)?；l(fā)展階段,70年代末期年產(chǎn)約19.6×108m3。1980年,為了摸清頁巖氣的分布規(guī)律及發(fā)現(xiàn)新的頁巖氣田并進行資源潛力評價,美國開始對頁巖氣進行全面系統(tǒng)研究,進入20世紀90年代,特別是2000年以來,相關勘探開發(fā)技術得到廣泛應用,年產(chǎn)量和經(jīng)濟、技術可采儲量迅速攀升。2002年、2004年頁巖氣產(chǎn)量分別占天然氣總產(chǎn)量的3%和4%;根據(jù)美國地質(zhì)勘探局數(shù)據(jù),FortWorth盆地中部Barnett組頁巖氣技術可采儲量由1990年的3.9×1010m3提高到2005年1.1×1012m3,頁巖氣產(chǎn)量從1998年的9.7×109m3增加到2007年的3.12×1011m3,增長了30倍。至2006年,美國有頁巖氣井40000余口,年生產(chǎn)頁巖氣3.11×1010m3,占天然氣總產(chǎn)量的6%。參與頁巖氣開發(fā)的石油企業(yè)從2005年的23家發(fā)展到2007年的64家。預計頁巖氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的比例將從2007年的12%上升到2013年的35%,到2030年這一比例將上升到55%。頁巖氣勘探開發(fā)已成為美國天然氣勘探開發(fā)的重要領域。美國頁巖氣勘探開發(fā)正由東北部地區(qū)盆地向中西部盆地及以及圣胡安丹佛(Niobrara白堊巖)、富特沃斯、阿納達科(Woodford頁巖)等盆地擴展。此外加拿大等北美部分國家已開始了頁巖氣的勘探開發(fā),并取得了一定效益。2.巖相基層頁巖氣勘探方向較我國頁巖氣勘探開發(fā)才起步,在國家能源勘探戰(zhàn)略上,國土資源部高度關注頁巖氣資源開發(fā)利用。2004年,國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心、中國地質(zhì)大學(北京)即開始了頁巖氣資源的研究工作。經(jīng)過比對湖南、四川等8省市成礦條件后,認為重慶市渝南、東南地區(qū)廣為分布下寒武、下志留、中二疊三套地層,不少地方有形成大規(guī)模頁巖氣的可能。其中重慶綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽、秀山和巫溪等區(qū)縣是頁巖氣資源最有利的成礦區(qū)帶,因此被確定為首批實地勘查工作目標區(qū)。四川盆地華蓉山以西的下寒武統(tǒng)筇竹寺組和以東的下志留統(tǒng)龍馬西組厚層頁巖發(fā)育去,其頁巖具有干酪根生烴、成巖作用以及構造應力產(chǎn)生裂縫的條件,是未來頁巖氣資源的勘探方向。中國主要盆地和地區(qū)頁巖氣資源量約為26×1012m3,與美國28.3×1012m3大致相當,經(jīng)濟價值巨大。我國的地質(zhì)因素給頁巖氣的形成與富集創(chuàng)造了得天獨厚的條件。連續(xù)式富集頁巖氣藏往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖地層中,與常規(guī)油氣藏有著密切的成因關系。我國陸相沉積盆地較多,海象陸相沉積都比較發(fā)育,且油氣資源豐富,良好的地質(zhì)因素為頁巖氣的富集創(chuàng)造了非常有利的條件。2009年末,隨著中國石油與殼牌公司的合作開發(fā)項目―富順-永川區(qū)塊頁巖氣項目在成都啟動,標志著中國首個頁巖氣合作開發(fā)項目正式進入實施階段。二、頁巖氣與油氣的關系較常規(guī)天然氣相比,頁巖氣開發(fā)有以下幾個特點:一是采收率變化較大(5%~60%),鉆井的產(chǎn)氣量相對較低。二是生產(chǎn)周期長,頁巖氣田開采壽命一般可達30~50年,甚至更長。三是頁巖氣在成藏、開采機理上與煤層氣具有相似性,頁巖在地層層序上,多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。頁巖氣在頁巖中除極少量的溶解狀態(tài)天然氣以外,大部分均以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機質(zhì)表面,或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中,吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20%~85%之間。頁巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85%以上)和常規(guī)圈閉氣(吸附氣含量通常忽略為零)之間。頁巖氣藏因其儲層物性差、孔隙度和滲透率低,使其開采難度大,需要應用特殊的勘探開發(fā)技術。1.天然氣地質(zhì)儲量頁巖氣產(chǎn)量是否可以長期保持經(jīng)濟產(chǎn)量開采主要取決于原始天然氣地質(zhì)儲量、完井質(zhì)量及基巖滲透率這三個因素。其中天然氣地質(zhì)儲量通常是遠景區(qū)經(jīng)濟評價的關鍵參數(shù),其重要性高于基巖滲透率和完井質(zhì)量。評價手段有取心評價,斯倫貝謝旗下的TerraTek公司開發(fā)的專門分析低滲透率、低孔隙度地層巖樣的技術,這種被稱為致密巖石分析(TRA)的專有熱解技術可以對含氣頁巖巖樣提供綜合評價。2.孔長和孔隙率大量頁巖氣井開發(fā)實踐證明,定向射孔應遵循的原則是,在射孔過程中,主要射開低應力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū)。采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流通阻力。3.巖氣壓裂法低壓法目前頁巖氣開發(fā)主要靠壓裂技術增產(chǎn),包括氮氣壓裂技術、泡沫壓裂技術、凝膠壓裂技術,二次壓裂技術、多段壓裂技術、清水壓裂技術和近期出現(xiàn)的同步壓裂技術。壓裂過程要注意避免采用高黏度膠體壓裂液,壓裂過程中的高初始壓力可能導致對井筒附近的傷害,避免水泥、鉆井液引入裂縫,適當?shù)乃峄梢詼p少傷害,微地震可以檢測出沒有被壓裂改造的區(qū)域。業(yè)界對開發(fā)頁巖氣資源的一個重要擔心,是碳氫化合物或化學品可能流入到提供飲用水的蓄水層。但在大多數(shù)情況下,含氣層和含水層的垂直距離很大,頁巖氣水力壓裂法污染飲用水的可能性不大。雖然水力壓裂法用水量大,但與其他能源生產(chǎn)過程相比,水的消耗要少得多。1524~3048m之間的高壓頁巖中泵入低黏度水基減阻流體和支撐劑進行增產(chǎn)處理;在深度較淺或油氣藏壓力較低的頁巖中,則泵入氮泡沫壓裂液。4.鉆井、壓裂、水平井、井-井合作發(fā)展模式在開發(fā)初期,可以先選擇較淺(深度2000m左右)的頁巖儲層鉆直井進行試驗,了解目的層特性,獲得鉆井、壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗,獲取一定數(shù)據(jù)資料和施工經(jīng)驗后再向深井(深度3000~4000m)和水平井發(fā)展。先期水平井壓裂試驗應在單支水平井中進行,積累一定成功經(jīng)驗后再試驗同步壓裂等技術。Barnett頁巖實際鉆井經(jīng)驗表明,從水平井中獲得的估計最終采收率大約是直井的三倍,而費用只相當于直井的兩倍。5.超臨界co鉆井技術優(yōu)勢目前常用的大型水壓裂技術成本高,對儲層傷害大降低了頁巖氣經(jīng)濟開采價值,減少了頁巖氣經(jīng)濟技術可采儲量。中國石油大學沈忠厚教授提出了超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體,具有許多獨特物理化學性質(zhì):密度接近于液,能夠為井下馬達提供足夠扭矩、溶劑化能力強;黏度接近于氣,易流動、摩阻系數(shù)低;擴大系數(shù)大于液,傳熱、傳質(zhì)性能良好;表面張力接近于零,可進入到任何大于超臨界流體分子的空間。超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術的優(yōu)勢表現(xiàn)在:超臨界CO2噴射破巖效率高、門限壓力低,可采用連續(xù)油管超臨界CO2噴射輔助鉆井,減少井下復雜問題的出現(xiàn),提高鉆井速度,縮短建井周期,減少鉆井費用;超臨界CO2流體中不含固相顆粒,不會堵塞孔隙喉道;超臨界CO2流體不是液相、也不含液相,不會導致儲層中黏土膨脹,從根本上避免了水鎖效應、巖石潤濕性反轉(zhuǎn)等危害的發(fā)生,鉆井過程中,有效保護儲層不受損害;超臨界CO2能有效改善流動通道,高效驅(qū)替甲烷,高效置換甲烷,可有效提高油氣井單井產(chǎn)量和采收率。6.充井工藝在上下施工困難的情況下,廣泛、穩(wěn)定國內(nèi)目前正在試驗開發(fā)的長寧、威遠頁巖氣區(qū)塊,上部鉆井液鉆井過程中大部分井出現(xiàn)了機械鉆速慢、惡性井漏等問題,以至于下部施工困難,如寧201井等,采用充氣鉆井技術后,順利鉆達固井井深,成功解決了本井因惡性井漏導致下部鉆井實施困難的問題,保證了下部工程得以順利實施,減少了因井漏造成的處理復雜時間,縮短了鉆井周期,節(jié)約了鉆井成本,經(jīng)濟效益明顯。采用欠平衡鉆井技術提速治漏,可以加快頁巖氣工程的開發(fā)進程。三、巖相儲層影響(1)通過國內(nèi)外文獻跟蹤、調(diào)研可知,國外頁巖氣開發(fā)正處于發(fā)展階段,美國進入頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展階段,我國儲量大,分布廣,四川盆地、鄂爾多斯盆地在國內(nèi)具備較好的頁巖氣勘探開發(fā)條件,但我國頁巖氣的開發(fā)才剛剛起步。(2)目前頁巖氣的開發(fā)主要集中在壓裂增產(chǎn)技術及水平井增產(chǎn)技術,可能導致地下飲用水層污染及儲層傷害。水平井增產(chǎn)技術的推廣應用加速了頁巖氣的開發(fā)進程,使其具有更大的儲層泄流面積,更高的天然氣產(chǎn)量。(3)超臨界CO2開發(fā)頁巖氣技術噴射破巖效率高、門限壓力低,減少井下復雜問題的出現(xiàn),提高鉆井速度,縮短建井周期,減少鉆井費用;不含固相顆粒,不會堵塞孔隙