关于我国发展页岩气开发技术的几点看法

1 关于我国发展 页岩气 开发技术的几点看法 罗平亚 西南石油大学 油气藏地质与开发工程国家重点实验室 2012.5 一、概述 页岩气是油气资源中新的矿种 ； 它属于 非常规天然气 中的重要组成部份 : 非常规天然气定义：通常而言，泛指相对于常规天然气之外，在非传统的储集层、笼型固态沉积物等非常规地质条件下存在的天然气资源。 主要包括致密气、煤层气、页岩气、火成岩气和天然气水合物等。 （据 SPE） 3 非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探开发方式等方面有别于常规天然气的烃类 (或非烃类 )资源 ,主要指 页岩气、煤层气、致密砂岩气 和天然气水合物 等。 重点讨论 页岩气、煤层气、致密砂岩气 . 具有资源丰度低、低孔、低渗、日产量低“ 四低 ”、投产递减快等特征，但是具有资源量大、单井生产寿命长等特点。 4 1、全球非常规天然气资源大 世界常规天然气总资源量为 436万亿立方米， 2010年 产天然气约 3万亿立方米 ，储采比保持在 60以上 ； 世界非常规天然气总资源量 921万亿方，是常规天然气 2倍多（其中，致密气 209.6万亿方、煤层气 256.1万亿方、页岩气 456万亿方），但产量只占 1/7左右； 天然气水合物资源量超过 2万万 亿方，是目前化石能源资源总量 2倍以上。 其中仅页岩气 456万亿方就大于 常规天然气总资源量 436万亿 5 致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约 84.5万亿方，是常规气资源量 1.5倍。 中国非常规油气可采资源 中国 非常规天然气资源量大，发展前景广阔 种类 资源量 备注 非常规气 (万亿方 ) 致密砂岩气 12 主要包括鄂尔多斯和四川盆地 煤层气 36.8 国土资源部新一轮资评， 2006年 页岩气 30.7 2008年 火成岩气 5 2010年 天然气水合物 80 主要指南海 6 2、非常规天然气历经百年探索，近年呈现快速发展态势 ,非常规天然气发展世界瞩目 1821年，钻第一口页岩气井； 1921年，钻第一口致密气井； 1951年，钻第一口煤层气井 ； 20世纪 80年代，致密气实现规模开发； 20世纪 90年代中后期，煤层气快速发展； 近年来，页岩气 迅速发展 世界瞩目 。 天然气水合物勘探加速 ,各国加强基础研究 . 7 010002000300040001960 1970 1980 1990 2000 2010 美国非常规天然气发展历程为其典型代表 1821 1921 第 1口 页岩气井 第 1口 致密气井 第 1口 煤层气井 致密气 页岩气 非常规气产量，亿方 /年 美国非常规天然气发展历程 020004000600080001930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030美国天然气百年发展的历史、现状及趋势 常规天然气 煤层气 致密砂岩气 页岩气 8 非常规天然气美国全球领先，他的发展历程为其典型代表。 9 3、非常规气主要特点 类 型 常规气 非常规气 成藏特征 多为源外成藏 近源或源内成藏，多自生自储 分布特征 局部高度富集 大面积分布，丰度低 赋存方式 渗流特征 游离态，微米级空间渗流 致密气以游离态为主、微米级及以下空间渗流， 煤层气以吸附态为主、微米级及以下空间渗流， 页岩气两种形态并存、纳米级空间渗流； 火成岩气以游离态为主、毫米级、微米级、纳米级空间渗流， 水合物为固态，纳米级空间渗流 储层物性 物性好，一般具自然产 能 复杂致密，低压、 (超 )低渗、 (超 )低孔 (隙 )、低丰度 ,一般不具自然产能 开采特征 压力驱动开采，单井产量高 需采用专用的系列配套技术才能有效开采 ； 单井产量很低 ,递减快 ,生产周期长 经济效益 成本低，回收期短，效 益好 成本高，回收期长，效益差 10 二、页岩气有效开发技术 11 1.页岩气定义及基本特征 页岩气是一种特殊的非常规天然气 ,赋存于泥岩或页岩中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征，一般无自然产能或低产，需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生产周期长。 基本特征： （一）、基本情况 美国四种典型页岩 自生自储 游离气 +吸附气 孔隙度 0.5-12% 基质渗透率 0.0001md 天然裂缝发育 含气量 1m3/t 页 岩 气 12 大部分是自生自储于古生界志留寒武系。 游离相态存在于裂缝、孔隙及其它储集空间 ；吸附状态(20 85%)存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面 ； 极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中 . 按照美国页岩气业界的划分，当页岩埋藏深度低于1000m时，称为浅层页岩气藏；埋藏深度在 1000m4000m之间为深层页岩气藏；埋藏深度超过 4000m，则称为超深层页岩气藏。 13 岩性 ：暗色页岩，层理发育，含有硅质和钙质，较好的矿物成分是 :粘土 较少，方解石较多，硅质多（即 E值 较大），最好的泥页岩储层是粘土含量较少的 粉砂质泥岩 ； 物性 ：致密，孔隙度一般低于 10%，渗透率一般在 0.01-0.00001md。在构造活跃地区或者上覆地层剥蚀，地层压力下降的情况下 发育裂缝 ，并被钙质或泥质充填。 泥页岩储集空间： 无机孔隙、有机孔隙、微裂缝 14 据 IHS（ 2005年）预测，全球页岩气总资源量 456万亿方 ，相当于常规天然气 1.4倍，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非等地区 2010年美国页岩气产量高达 1380亿方，较 2008年增长了 80%.页岩气的大规模开发使美国改变了原引进 5000万吨 LNG的计划，改变天然气供给格局 美国页岩气开发取得成功后，加拿大、澳大利亚、欧洲各国、中国等国家重视页岩气资源勘探开发，开展大量工作 ,“ 形成热潮” 2.全球页岩气资源丰富，受到世界各国广泛重视 15 3、美国作为世界上页岩气资源勘探开发最早的国家，已在北美地区形成成熟的评价方法和勘探开发技术， 实现了页岩气的工业开发 ,从理论和技术上证实了页岩气资源有效开发的可能性 ,因此加快页岩气资源勘探开发，已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同而热切的愿望。 16 、国外成熟的 页岩气勘探开发技术 経过近二、三十年艰苦攻关， 美国率先形成页岩气的评价方法和 勘 探开发 系列配套技术 ，而且日趋成熟，实现了页岩气的工业开发。 页岩气资源评价 (“甜点 ” 评价 )技术 ； 页岩中长段水平井钻完井技术； 水平井分段压裂及体积改造技术； 钻完井及压裂 “ 工厂化作业 ” 17 1、页岩气资源评价 (甜点”评价 )技术 .评价 参数 : 储层厚度 ,埋深 , 温度 ,压力 有机碳含量 ,热演化程度 ,总含气量 页岩物性 页岩力学性质 硅质含量 %,方解石 /白云石 %,粘土含量 % 裂缝发育程度 18 参数 方深 1井 安深 1井 建 111井 河页 1井 元坝 9井 美国 厚度 75m 90m 36m 25.6m 75 30m 埋深 1700-1775m 2450-2540m 610-646m 2139.4-2165.0m 4035-4110 3000m 储层温度 63 90 99 2% 2.54% 0.71% 2.56-3.67% 2.54 3.69% 2% 热演化程度 0.52-1.08% 2.62-2.80% 1.7% 1.4-3.5% 总含气量 3.3m/t 0.67m/t 4.8-6.2 m/t 0.4m/t 页岩力学性质 =0.21-0.24 E=23-31Gpa =0.31 E=26.3Gpa =0.198-0.354 E=25.49-33.20Gpa =0.30 E=25.4-31.3Gpa =0.235-0.27 E=27-33Gpa 页岩物性 K-0.05md K=227nd； =6.67% K=0.3-0.58nd；=3.8-4.5% K=0.1-0.3nd； =2.4-3.6% K=1nd； =0.1% K100nd； 4% 硅质含量 % 14.97 54.01 63.12 50 30 方解石 /白云石 % 28.89 18.33 1-15.08，平均 1.95 20 粘土含量 % 20.15 24.44 24.10 30 25 裂缝发育程度 未见 部分层段发育 较发育 未见 较发育 完全发育 .中石化页岩气地球化学参数与美国同类参数对比表 从对比情况分析，储层具有一定的 可采性 19 .页岩评价测试系列技术： .页岩含气量测试技术 有效确定页岩储层中的气体含量， 吸附含气量 . 致密岩石测试技术 总孔隙度、充气孔隙度、充水孔隙度 ；含水饱和度、含气饱和度、可动流体饱和度、束缚水饱和度 ； 扩散系数 ；页岩基质和岩心渗透率 .页岩微观孔隙表征技术 用于解剖岩石内部结构，直接观察和处理解译岩石内部及表面的裂隙、裂缝、孔隙、岩石矿物组合等； 20 2.页岩气开发技术 页岩气开发技术发展大致可分五个基本阶段 (以美国为例 )： 、钻直井，进行泡沫压裂 (大液量、大排量 6.4方 /分，要加砂；传统压裂液 ) 、钻直井，大型水力压裂技术 (大液量、大排量 6.4方 /分，要加砂 29；传统压裂液 ) 、钻直井，清水压裂或清水加砂压裂 (加沙 2.66-4.8 )可比凝胶压裂节约成本 50% 60%，从 1998年至今一直是垂直井的压裂方式。 、 1997年，最初由凝胶压裂的井在能量衰竭后，用清水进行二次压裂，可采储量增加了 60%。二次压裂技术至 2006年仍较为常见。 、钻水平井，水平段长 304.8 1066.8m，分段清水和砂进行压裂。 此技术开始于 2003年。 2006年 “同步压裂”技术产生。 21 最终形成 : 长水平段 （ 304.8 1066.8m） ； 分多段 ； 大液量 7500-22000方 (一般 11000m3最为常见 ) 、 大排量 8-16方 /分， 加砂 180450顿 (2.20 -2.24 )； 非传统压裂液 滑溜水 ,体积改造压裂 系列配套技术 . 22 3.水平井钻井、完井技术 .长段水平井钻井技术 对于低渗、低压、低丰度储层要提高单井产量及提高采收率必须采用 MRC技术。因此应采用长段水平井以增大储层泄气面 (体 )积 (远不够 )；以水平井为基础分 多 段压裂以达到极大的增大储层泄气面 (体 )积的目的 (实现体积改造的“平台” ) 。 23 .水平段的长度依页告类型不同而异，例 Barnett页岩气开发水平井水平段长一般在 304.8 1066.8m； Haynesville页岩气开发水平段长 1219m；Woodford地区长水平段长接近 1500m .水平井技术 : .布井方位必须在页岩中垂直最大主应力方向 (坍塌应力大 ) .一般采用 MWD和随钻自然伽马进行地质导向钻井 .保证井壁稳定 (难点 :低成本保证页岩中长段水平井眼井壁稳定 )： .在多数的页岩气开发水平井中使用的是油基泥浆 .雪弗龙公司开发了硅酸钾基钻井液体系 .贝克休斯开发了专用于页岩的 performax水基钻井液体系 .当井壁稳定不突出的时候，可以使用低固相不分散钻井液体系 24 .完井方式 裸眼完井 筛管完井 套管完井（ 目前 80%北美页岩气井完井方式） “分段多簇”射孔 (分段压裂 ,体积改造技术需要 )技术 : .分段多簇射孔基本特点 一次装弹 +电缆传输 +液体输送 +桥塞脱离 +分级引爆 .分段多簇射孔核心技术 桥塞以及射孔枪定位技术 桥塞与射孔枪分离技术 分级引爆技术 25 4.水平井分段压裂及体积改造技术 水平井分段压裂的段数越多，页岩气单井产量越高 . 随着分段压裂技术的不断成熟，页岩气压裂段数还在不断增加 ,例如 : 5-1/2 套管完井，水平段 1372 2134m， 压裂10-24段 ，段间距约为 90m，每段使用 2067m3滑溜水， 175t支撑剂 包括 :水平井多段分簇 体积 改造技术 水平井多井同步 体积 压裂技术 26 已成为体积改造中的技术关键 : 转变理念 :压裂主要是沟通裂缝及扩大泄气面积，以控制缝长、缝宽、缝高和增加裂缝导流能力为目标 ，转变为在水平井筒周围储层形成一定 ” 密度的裂缝网络 ” 从而增加单井产量为目的。 水平井分段压裂， 形成一定密度的裂缝网络 27 . 页岩气水平井体积改造关键技术之一： “ 分段多簇 ” 射孔 (套管完井 ) 常规水平井分段压裂：采用单段射孔，单段压裂模式 体积改造：优化段间距，采用 “ 分段多簇 ” 射孔， 多段一起压裂模式，利用缝间干扰，促使裂缝转向， 产生复杂缝网 28 . 页岩气水平井体积改造关键技术之二： 水平井分段压裂技术 . 快速可钻式桥塞工具 下入方式 : ( 连续 )油管 -水力爬行器 -水力泵入 技术特点 节省钻时（同时射孔及座封压裂桥塞） 易钻，易排出（ 4h） 适用范围：套管压裂（ 3.5/4.5/5.5/7) .关键技术 快速可钻式桥塞材料 桥塞送入及座封技术 桥塞与射孔枪分离技术 29 .体积改造关键技术之三：大型滑溜水压裂技术 大液量、大排量、小粒径、低砂比 水平井分多段压裂主要技术参数 水平井段长 1000-1500m 一般分 8-15段，每段分 4 6簇 排量 10m3/min以上 平均砂比 3-5% 每段压裂液量 1000-1500m3(1000022500m3) 每段支撑剂量 2%-5% 滑溜水 +线性胶 40/70 支撑剂为主体 30 .体积改造关键技术之四 (2口水平井同步压裂技术 )： 促使水力裂缝扩展过程中相互作用相互影响，以产生更复杂的缝网，增加改造体积，更好现实体积改造。 31 实施方法： 同步压裂 2口井 2套车组同时压裂 交叉式压裂 2口井， 1套车组、配合射孔等作业， 交互施工、逐段压裂 应用效果： 提高初始产量和最终采收率 减少作业时间、设备动迁次数，降低施工成本 平均产量比单独压裂可类比井提高 21-55% 32 5.工厂化”作业 : 低成本战略是体积改造实现有效开发的技术关键 ,美国四大页岩气藏 （ Barnett、 Haynesville、 Fayetteville、 Marcellus） 的单井费用构成中， 储层改造和钻井费用两者之和占总费用的80%以上，且各占 1/2。 因此，研究发展储层改造和钻井技术尽可能降低投资是其必要途径，而 .工厂化”作业是页岩气低成本开发的一个重大而有效的创新 ,而且也是实现水平井钻完井技术和 水平井分段压裂及体积改造技术等 关健技术的需要和保证。 33 .对我国发展页岩气的几点看法 1.中国页岩气资源丰富、分布广阔，潜力巨大。加快页岩气资源勘探开发己成为国家能源发展的重要战略目标 ,是支持国民经济发展的重大需求，国内三大石油公司积极调整结构和重点，将页岩气勘探开发列为非常规油气资源的首位。 同时也引起国内相关部门及各地方极大的的关注和兴趣。并抱有很大的希望！ 34 同时也引起国内相关部门及各地方极大的的关注和兴趣。并抱有很大的希望！ 一时间页岩气的开发问题成了全国的热点 : 不少人认为 :大规模开发页岩气缓解我国油气供应紧张局面 ,从而改变我国能源结构的大好形势即将到来 ! 35 但总的说来， 我们现在并不具备对我国页岩气进行工业化开采的技术条件： .我国页岩地质条件与国外成功开发的页岩储层的地质条件有较大差异，国外有效技术难以直接应用； .我们对国外成熟技术还未完全掌握； .我国自然环境条件对国外现技术不适应； .国外有效技术本身还存在很多需要改进和发展的问题。 36 2.当务之急： 对页岩气的开发开展和加强基础和基础理论及其应用研究，完成 ： 加强我国页岩气地质特征研究，摸清页岩气资源家底； 加强对于关健技术的攻关研究；尽快建立适合国情的系列配套技术 开展好页岩气开发先导试验（产业化示范区） 形成适合中国地质条件、环境条件 的页岩气勘探、开发系到配套技术 37 超低渗油气 ,致密气 ,页岩气 ,煤层气有效开发技术应保证对 其 経济 有效开发 : 提高单井产量和采收率达到具有工业价值 (日产量初产 ？ 万方 /天 ,稳产 几千方 /天 )； 降低开发综合成本到如此低的单井产量仍有経济效益。 3.成功开发页岩气的原理与技术途径： 38 长期以来页岩气因其丰度低、气体在岩体中的运移速度极低，使其单井产量 (初产、稳产 )达不到工业化生产目标，技术复杂、投入大，毫无经济效益 ,现行开发理论认定不能工业化开发的气藏。 它的有效开发是新的理念 (论 )，新的思路，新的技术 (原有技术的发展和优化集成 ) 的重大成果。 39 .如何 提高单井产量达到具有工业价值 、 单井产量和采收率达不到工业价值的根本原因是气体在页岩中运移速度太低，由于页岩中所含天然气有游离气和吸附气 , 吸附状态存在的甲烷，形成为单井日产量取决于三个过程 （解吸、扩散、渗流）中最慢的一步 , 通常是解吸、扩散最慢 ,成为其主控因素 ,故单井日产量必然很低 。 因此要想获得较高的 单井产量最好还是选择以游离气为主 (占 80%以上 )的页岩为好。 40 、“增加” 页岩中游离态气体的运移速度 : 页岩渗透率太低 (0.001-0.0001md),在页岩中，气体游离态在其基岩中运移速度远小于在裂缝中的运移速度，裂缝越宽小得越多，但一般页岩的裂缝的宽度和密度都太小。故使得气体在其中的运移速度极低。 这样：单位时间内进入井筒形成日产量的气体太少，不可能达到工业化产量， 增加气体运移速度及扩大泄气面积是增加单井产量的两条途径。 目前增加气体在页岩中的运移速度还无法实现。 41 采用水平井等特殊结构井的 MRC技术，可以几十倍、上百倍的增加泄气面积（例如厚度 50m的页岩，水平段长1000m，则增大 20倍），但由于页岩的渗透率太低 (0.001-0.0001md), 即使如此还是远远不够。 (仅从泄气面积看与超低渗气藏相比应增大几千倍才能获得工业性气流 ) 采用长段水平井分（多）段（ 1020段以上）压裂，则其泄气面积增加千倍以上成为可能。但这样只能获得工业化的初产 ,由于页岩的渗透率太低运移速度太小 ,其补充速度赶不上需要 ,无法获得稳定的工业化产量。 (有初产而不能稳产 ) 42 倘若在水平井筒周围地层人工形成一个致密的裂缝网络体系（由较宽的主裂缝，不宽的支干裂缝、窄的支裂缝，更窄的细裂缝、微裂缝、加上页岩自身存在的细微裂缝构成），此网络不仅 大大增大泄气面积 ，而且，由裂缝网络将整个 被改造的岩体“分割成若干小块”。 43 对于每 “ 一块页岩 ” (包括岩体中心部份的岩块 )其四周各面都在向裂缝泄气 ,则整块页岩周边部份压力成倍下降(与只有一边泄气页岩相比而言 ),大大加快了页岩气藏里的压力向裂缝传递的能力和速度 (即页岩岩块中心气体向周边运移的速度 )； 同时，大大缩短了页岩基体中的气体移向裂缝的距离：从而 使单位时间内从页岩基体中运移到裂缝的气体的量大幅度增加 ,相当于提高了岩体内气体的 “ 运移 ” 速度 44 而且被改造岩体的中心部位同样被 “ 分割 ” 成这种岩块 ,使储层 “ 深部 ” 的气体也参与运移到井筒成为日产量的组成部份。既可能保证足够的单井产量，又在短期内大大提高了被改造地层的采收率，从而保证其稳产， 在短期内提高了储层动用体积 。 即 :利用长水平井为依托进行多段压裂体积改造 ,既大幅度增加泄气面积又 “ 提高 ” 了岩体内气体的 “ 运移 ” 速度 ,又动用了被改造储层的深部的气体 ,从而有效提高了产量补充速度 ,提高了单井产量 (稳产 )达到工业化要求 ,同时提高了所改造储层的采收率。 45 .体积改造： 以水平井分（多）段压裂在井筒周围页岩储层中形成各级裂缝构成的一个致密裂缝网络 (主裂缝周边形成稠密且相互连接的裂缝网络 ) ，从而极大幅度提高储层泄气面积及其压力由内部向裂缝传递速度和大大缩短页岩内部气体移向裂缝的距离以实现提高单井产量和提高采收率目的压裂改造技术。 46 储层传统压裂改造与压裂体积改造的差别 储层压裂改造 压裂体积改造 以岩石力学理论为基础，在最小主应力的垂直方向 形成对称的两条裂缝 ，以沟通地层深部（含裂缝）与井筒的 联系 ，同时扩大 泄气面积 ，从而 增加单井产量和提高采收率。 以岩石力学 理论为基础，在水平井筒周围地层压裂形成 密集的裂缝网络 ，以增大泄气面积，增大内部气体向裂缝运够速度同时缩短所动用储层内部气体移到裂缝的距离， 从而达到所需的单井产量，