中国南方海相页岩气开发潜力分析

中国南方海相页岩气开发潜力分析

0岩相页岩气勘探开发展望岩浆岩是富有机岩浆岩系的常规天然气。近年来,由于勘探开发技术的突破和大规模推广,尤其是水平井钻井及压裂技术的进步,美国页岩气勘探开发取得突破性进展,2012年页岩气产量达到2499×108m3,占美国天然气总产量的35%。页岩气的大规模开发影响着世界天然气供给格局,带动全球掀起了一场“页岩气革命”,欧洲、亚洲的诸多国家都启动了页岩气勘探开发计划,预计到2020年,全球页岩气产量将达到4000×108m3。中国在不同地质层位、不同区域广泛发育富有机质泥页岩,南方地区、华北地区、塔里木盆地和羌塘盆地发育海相页岩,准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等广泛发育陆相页岩,页岩气资源潜力较大,全国页岩气技术可采资源量为(10~15)×1012m3。其中南方古生界寒武系、奥陶系和志留系中发育多套海相富有机质页岩,如志留系的龙马溪组和寒武系的筇竹寺组,分布范围广,厚度大(30~50m),总有机碳(TOC)含量高,含气丰富,是中国页岩气资源的主体,其技术可采资源量为(8~11)×1012m3,占中国页岩气资源量的3/4。中国南方海相页岩气储集层具有其特殊性,本文基于国内页岩气开发现状及与北美对比,探讨有效开发页岩气需要解决的科学问题。1中国页岩气产业仍面临资源调查和气藏试验的问题中国页岩气储集层具特殊性,诸多开发难题亟待解决。与美国相比,中国页岩气储集层条件更为复杂,具有特殊性(见表1)。中国海相页岩构造改造强烈,页岩气储集层受多次改造,断裂发育,保存条件欠佳,而美国页岩层构造活动简单,断裂稀少,页岩气保存条件相对较好。中国海相页岩沉积时代老(多为寒武系、志留系和泥盆系)、热演化程度高(Ro值普遍大于3.0%)、总有机碳含量相对较低(见表1)。与美国相比,中国页岩气储集层深度较大,地表条件更为复杂。目前中国页岩气产业整体上仍处于资源调查和勘探先导试验阶段,开发刚起步,缺乏储集层描述、钻完井、储集层改造、气藏工程等基础理论的支撑,主要表现在以下4个方面。①对页岩气储集层特征及流体流动规律缺乏研究,造成核心区不落实。对页岩气可采储量、单井产量、开发井距和井网等开发参数的确定方法只能借鉴美国相关方法,没有考虑中国海相页岩气自身的特殊性,容易造成开发与评价的误差。②钻井过程中井壁垮塌严重是页岩气井长水平段钻井的主要技术难点。目前绝大多数页岩气井在页岩水平井段发生井筒垮塌,严重影响评价井的钻井周期和压裂施工效果。中国第1口页岩气水平井威201-H1井采用了油基防塌钻井液体系,并逐步提高了钻井液密度,但在主力页岩层段井壁垮塌仍然十分严重。③照搬美国技术,水平井分段压裂增产效果不明显。美国页岩水平井分段压裂后页岩气产量可达直井的10~15倍。中国在四川盆地南部等地区应用美国公司的压裂技术开展水平井压裂试气,压裂7~12段。位于长宁—威远示范区的宁201-H1井初始产量达到15×104m3/d,其余3口井初始产量(1~3)×104m3/d,仅为直井的1~3倍,增产改造远没有达到预期效果,离高效开发差距甚远。④中国尚未实现页岩气规模化商业开发,页岩气气藏工程理论研究尚属空白。目前长宁、威远等区块的页岩气井产能评价、开发井网部署等参数主要通过类比美国同类气藏确定,尚无相关理论基础。2中国岩气开发理论研究现状2.1页岩微观孔隙结构过去页岩主要被视为烃源岩和盖层,作为储集层还处于摸索和重新认识阶段。2005—2010年,国内学者应用钻井过程中油气显示(如井涌、井漏)、烃源岩地球化学特征(有机质丰度、热成熟度、生烃潜力、富有机质页岩厚度、含气量、脆性矿物)和X射线衍射分析(黏土矿物相对含量)等研究、认识页岩气储集层,并进行资源潜力评价和有利区带优选。2010年,邹才能等利用氩离子抛光、场发射扫描电子显微镜和纳米CT数字岩心定量描述等先进技术手段研究页岩的微观孔隙结构,发现中国南方高成熟海相页岩气储集层发育大量纳米级孔隙,孔隙直径5~750nm,以有机质孔、粒内孔及晶间孔为主。同时一些研究人员开始借鉴北美先进经验,尝试利用井壁取心分析、成像测井、等温吸附曲线及美国天然气研究院提出的页岩孔渗参数测试、岩石力学分析等技术与手段,研究页岩气储集层测井响应特征、地球化学特征、物性参数等,以评价页岩气储集层,发现优质页岩气储集层具有自然伽马值偏高,含油、含水饱和度较低,天然微裂缝比较发育,脆性矿物含量高,且呈现较强的非均质性和各向异性等特点。2.2岩相储集层含水层缺失结构与常规储集层相比,页岩气储集层具有2个显著特征:①储集层致密,渗透率极低,页岩气储集层孔隙和喉道直径普遍小于1000nm,流体流动主要为非线性渗流;②储集层含有吸附气,天然气在页岩中主要以吸附态、游离态和溶解态形式存在,其中吸附态和游离态占主体,少数为溶解状态。页岩中吸附气的多少与有机质含量密切相关,一般在20%~85%。在页岩气储集层内,不同尺度和不同相态条件下页岩气流动不能用达西定律描述。因此目前大多沿用常规气藏渗流与气藏工程理论、方法对页岩气藏进行分析。2.3井壁稳定问题国内学者对非储集层的页岩井壁稳定性进行了初步研究。以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理论和计算方法基本成熟,而具有显著结构性(层理、裂缝)的泥页岩地层井壁失稳问题,特别是以页岩为储集层的长段水平井井壁稳定问题是目前研究的重点和难点。在稳定井壁的钻井液理论方面,国内针对非页岩气储集层提出了通过采用油基钻井液和在水基钻井液中采用抑制和封堵方法降低页岩坍塌压力、延长井壁稳定周期的理论,但对南方海相页岩气水平井井眼稳定机理尚未认识清楚,并缺乏相关有效应对措施。在页岩气随钻测井和地质导向,特别是旋转导向钻井的理论及技术方面,国内研究起步较晚,与先进国家有很大差距,还没有形成对页岩气储集层的有效识别与导向钻井理论,导致钻井的中靶率不理想,很难形成完井所需优质井眼。页岩气储集层的保护工作还未有效开展。已经完钻的页岩气水平井多数固井质量不理想,压裂施工过程中常发生套管变形等问题。2.4岩气井压裂改造技术在中国岩随着中国第1口页岩气井威201井压裂并获工业气流,国内开始重视页岩压裂理论与技术的研究工作。2010年部分学者在分析和总结国外成功经验的基础上,开展了中国页岩气井压裂改造的相关研究。中国石油勘探开发研究院系统分析了美国页岩气压裂改造技术发展,提出了中国页岩气压裂改造技术的发展方向。中国石油大学(北京)在诱导应力计算分析的基础上,提出了通过控制诱导应力形成垂直井筒方向缝网的方法。在页岩气储集层压裂改造评估方面,中国还不能同时进行压裂裂缝监测和解释,不能远程控制和实时指导施工,而国外公司只提供井下微地震的实时解释服务,该技术目前受制于外国公司。2.5页岩气气藏工程理论的初步探索由于页岩气储集层性质与常规储集层的差异性,常规气藏开发理论和气藏工程方法不适用于页岩气藏的开发,少数学者也进行了页岩气气藏工程理论的初步探索。一些学者考虑页岩气的吸附、解吸特征,根据朗缪尔(Langmuir)等温吸附方程,在双重介质压裂井渗流数学模型的基础上运用点源函数分析了朗缪尔体积、朗缪尔压力、弹性储容比、窜流系数、边界大小、裂缝长度等对页岩气井产能的影响。3国外黄岩气开发研究3.1储集层与页岩岩性从20世纪70年代美国能源部启动“东部页岩气项目”至今,北美诸多页岩气田开发经历了3个阶段:勘探早期评价、开发前期和大规模生产阶段。期间始终将储集层特征作为重点研究内容。早期学者认为有机质成熟度、丰度和类型是优质储集层的主要控制因素。后期通过定向取心、成像测井、主应力大小与方向测算、区域构造环境比较,逐渐认识到储集层中天然裂缝、应力场、水平井井眼轨迹与压裂改造模式之间的关联性,并将此认识应用于单井设计和钻完井中,不断提高页岩气规模开发成效。Curtis认为页岩孔隙结构由各矿物组分的排列方式决定,与页岩沉积环境及成岩作用有关。依据页岩矿物组分,可以把页岩进一步分为硅质页岩、钙质页岩、白云质页岩、富磷页岩和富化石页岩等。Jarvie和Rickman等通过研究Barnett页岩脆性与矿物学的关系,发现石英、碳酸盐岩和黏土的相对比例影响岩石脆性,石英含量越高,脆性越好;黏土含量越高,脆性越差;而碳酸盐岩含量的影响居于前两者之间,并引入了脆性指数概念。Grieser和Halliburton利用全波形声波测井数据计算泊松比和杨氏模量,将杨氏模量大于34.5MPa且泊松比小于0.25的页岩视为脆性页岩。同时,为了从宏观尺度认识页岩气储集层特征,大量应用先进的岩心-测井-3D地震综合分析技术,进行断层精细解释、岩石物理属性分析,将结果应用于单井钻完井设计,指导水平井井眼轨迹设计和准确定位,并对压裂层段进行优选。3.2储集层气体流动规律国外对页岩气储集层多场耦合非线性渗流理论的研究取得很大进步,但仍处于初级阶段。例如,Javadpour等指出页岩气储集层纳米级孔隙中气体的流动不能简单地用线性渗流规律描述,并测试了页岩气储集层中气体的平均自由程、克努森数等。Wang和Reed等通过对页岩气储集层孔隙结构与流体流动规律的研究,认为由于滑脱效应的存在,单相气体在纳米级孔隙中的流动遵循非达西流动规律,而在天然裂缝及压裂缝中为达西流动。Schepers等指出页岩气在纳米级孔隙和微裂缝中的流动方式以非达西流为主(Klinkenberg效应、Forchheimer流动)。Freeman等分析了页岩气藏甲烷流动和压力曲线特征。但是,对于页岩气储集层特征参数应力敏感性的数学描述和气水两相渗流规律等问题还未涉及。3.3井壁稳定性力学研究国外泥页岩地层井壁失稳研究始于1940年,形成了以美国为代表的先进页岩气钻完井理论与技术。研究领域主要有井眼稳定性机理、现场实例与现场处理以及井眼稳定性参数获取方法等,具体内容包括力学意义的井壁失稳机理研究、物理化学意义的井壁失稳机理研究以及两者的耦合。泥页岩井壁稳定性力学研究又分为基于连续介质理论的均质地层研究、基于层理性地层和裂隙性地层的井壁稳定性研究,并在理论研究的基础上,形成了一系列配套高性能水基钻井液防塌处理剂及钻井液体系,还形成了配套的油基钻井液技术。美国早期采用直井进行页岩气开发,2000年以后水平井在页岩气开发中的优势逐步突显,并在水平井钻进中采用了旋转地质导向,使水平井精确定位,形成光滑的井眼,有利于水平井延伸和井眼净化,保证后期完井作业。同时采用了欠平衡钻井技术、控压钻井技术,避免储集层受到伤害。3.4水平井多段压裂工艺目前美国约有85%的页岩气井采用水平井与分段压裂技术相结合的开发方式,最大程度地增大复杂裂缝网络与基质的接触面积,增产效果显著。例如美国Newfield公司在Woodford页岩中的部分开发井采用了5~7段压裂,增产效果明显。2005年,美国Barnett页岩第1次采用水力喷射技术对53口井进行压裂,其中26口取得了技术和经济上的成功。2006年,同步压裂技术在Barnett页岩首次使用,对2口及2口以上井同时压裂,增加裂缝网络的密度和裂缝面积,能大幅度地提高页岩气井的产量。2009年,一种采用超轻支撑剂和超高气体质量的泡沫压裂技术在页岩水平井多段压裂中成功应用。国外页岩气压裂工艺技术发展的同时,有关页岩气压裂的设计理论、渗流理论与效果评价等研究也取得了进展。Rickman等用脆性指数表征储集层产生复杂缝网的难易程度,根据矿物组分以及杨氏模量和泊松比建立了两个脆性指数计算公式,脆性指数越大,越利于产生复杂缝网。储集层地应力及天然裂缝特征是压裂改造必须考虑的前提条件,储集层水平主应力差异越小,天然裂缝越发育,压裂改造时形成的裂缝越复杂。3.5扩散运移模型美国在页岩气气藏工程领域取得多项研究成果,为页岩气高效开发提供了有效评价手段。Gatens在分析800多口泥盆系页岩气井生产数据的基础上,建立了产量典型曲线及自动拟合的解吸双孔模型。Carlson提出了一种简单快速的方法来预测直井压裂裂缝间距与裂缝连续性。Javadpour等提出纳米孔隙与微米孔隙网络控制了页岩中气体流动,建立了扩散运移模型研究页岩气井产能。Freeman等论述了压裂水平井流体流动从初始地层线性流,过渡到复合线性流,最后到椭圆流的流态变化,分析了裂缝导流能力、解吸、裂缝间距及改造体积对产气量的影响。Hasan在传统双孔模型基础上,考虑裂缝性储集层中的裂缝具有不同的性质,建立了三孔(2种裂缝)模型,得出了线性流的Laplace空间解。Craig等研发了数值模拟器用于研究页岩气藏中压裂水平井的各种生产特征,结果表明,页岩中流体流态受裂缝结构的影响,这一认识有助于评价页岩储集层的物性与储量。Economides和Wang认为页岩气井采气能力取决于压裂所沟通的最大缝网系统,即“改造体积”。Fazelipour基于微地震资料反演提出水力压裂增产区域概念,即所谓的压裂增产导致的优势渗流场,也称SRV(StimulatedReservoirVolume)。4储集层及井壁坍陷情况由于中国海相页岩气具有复杂性和特殊性,国外现有理论和技术不能完全适用于中国的页岩气开发。目前在中国页岩气开发工作中,尚无优质储集层标准,核心区未确定;尚未建立相适应的渗流理论及气藏工程方法;水平井井壁垮塌严重,分段压裂效果不理想。需要解决纳米孔隙与微裂隙成因及表征方法、复杂介质多场耦合非线性流动机理及气藏工程方法、页岩失稳与缝网形成的力学机制等3个科学问题。4.1储集层覆岩结构及层位评价页岩气储集层是富有机质的细粒沉积岩,其岩石物性与常规气藏有很大差别。主要原因是孔隙空间以纳米—微米级有机质孔隙、粒间孔隙等为主,同时发育天然裂缝,具有独特的孔隙结构、润湿性、天然气赋存状态和流动机制,基质渗透率极低。干酪根类型、有机质丰度、成熟度及岩石组成控制了有机质孔隙分布;沉积环境、成岩作用、岩石力学性质、生烃过程、原地应力、构造活动等因素控制了页岩孔隙度演化趋势、天然裂缝组合特征和发育规模。由于页岩储集空间、渗流机制的多样性和复杂性,现有的储集层评价方法无法描述纳米级孔隙成因及多尺度孔隙-裂缝结构,难以对页岩气储集层的多孔性、含气性、渗透性和可改造性等进行定量表征,不能满足页岩气高效开发对储集层评价的要求。因此,页岩纳米—微米级孔隙成因以及不同尺度储集空间特征的定量表征成为页岩气开发地质研究的关键科学问题,除天然裂缝外,重点揭示页岩气储集层孔隙成因与赋存规律,解决储集空间发育程度及分布等问题。4.2材料渗流数学描述页岩气储集层孔隙尺度多在纳米、微米级范围,部分伴有裂缝介质。与常规储集层相比,页岩气的流动存在解吸、扩散、孔隙渗流、微裂缝渗流、压裂缝流-固耦合渗流等多种形式,需对吸附态气体解吸、游离态气体扩散渗流、各种流动和开采流体流动动力学行为及各类特性进行渗流数学描述。在渗流场-应力场-温度场耦合作用下,页岩介质变形对页岩裂隙结构和渗流特征产生较大的影响,其渗流机理和渗流规律与常规低渗透油气藏明显不同,达西定律已不再适用。必须建立页岩气开采渗流场-应力场-温度场压裂井开采基质-压裂缝耦合渗流数学模型,揭示页岩层纳米级孔隙流动、微米级孔隙流动、裂隙介质流动、压裂裂缝流动、多级压裂水平井流-固耦合非线性渗流规律,揭示页岩气压裂井开采基质-压裂缝耦合单相、两相非线性渗流规律,探究页岩气复杂介质耦合流动机制,为页岩气藏的开发和有效动用奠定理论基础。这一科学问题最大的意义在于探索孔隙与裂缝中流体传输规律,解决页岩气可采