康毅力发展储层保护与改造技术打造致密气藏开发两大利器（青岛）课件

康毅力油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学新能源研究中心2011年7月26 27日山东青岛 发展储层保护与增产改造技术打造致密气藏经济开发两大利器 1 非常规天然气资源2 致密气藏工程地质特性3 储层保护技术及应用4 增产改造技术及应用5 结语 报告提纲 WhatIsUnconventionalGas coalbedmethaneSelf SourcingReservoirGasAdsorbedinCoalRequiresDepressuringandUsuallyDewatering GASSHALESSelf SourcingPlusTraditionalPorosityReservoirsGasAdsorbedinOrganicMatterRequiresPervasiveNaturalorCreatedFractureNetwork TIGHTGASSANDSContinuousDepositionLowPermeabilityBothTraditionaland Basin Center Settings Unconventionalgasformationsare continuous depositedoverlargeareasratherthanindiscretetraps Thegeologicsettingofunconventionalgasisseveralordersmorecomplexthanconventionalgas Forcoalbedmethaneandgasshales thegassource trapandreservoirarethesame notthreedistinctelementsasforconventionalgas VelloA Kuuskraa 2010 Dr Holditch 2005 资源分布2 8法则 Dr Holditch 2009 美国主要页岩气盆地资源潜力 张金川等 2009年 中国典型盆地页岩分布 美国落基山区巨型油气田勘探开发经验 落基山区占据美国1990年代大发现的8 10 使用新技术 重新发现 并开发 从分散的 孤立煤层甲烷气藏升格为巨型气田 盆地中央 向斜 深盆 气藏升格为巨型气田新技术应用与突破 基础地质理论创新 测井技术 地震技术 裂缝探测技术 储层保护 水平井 大型压裂 重复完井 加密钻井 Eightofthetop10U S onshoregiantgasdiscoveriesareunconventional Source Anadarko HowardWeil33rdAnnualEnergyConference April2005 非常规天然气开发技术 1967 1971年 试验核爆炸改造气层1974 1980年 大型水力压裂1983 1988年 多井试验 MWX 1989 1990年 斜井试验1994 1998年 钻井 完井 增产系统 DCS GRI80年代末 进阶矿场试验 StagedFieldExperiment 4个阶段1996 2000年 钻加密井 重复压裂2000年以来 水平井分段压裂 复杂结构井 美国 加拿大 中国油气资源三角图 常规资源 低渗透 近致密油气资源 对技术进步的依赖程度 低 高 好 差 资源质量 2007年底低渗透石油储量99 4亿吨 致密砂岩气12 20万亿m3 煤层甲烷36 8万亿m3 气水合物 万亿m3 页岩气26 5 50万亿m3 页岩油476亿t 中国至2050年油气资源科技发展路线图 储层保护与改造的重要性 我国未动用 新发现油气藏越来越复杂 开发技术难度大 成本高 效益差防止储层损害 实施增产改造技术是经济地开发复杂 低效油气藏不可缺少的手段有利于及时发现 准确评价和经济开发 中途测试与完井测试产量对比表 引自李雪 2009 1986 1990年孔隙型中 低渗透碎屑岩油气层 1991 1995年浅层致密砂岩气藏特低渗透砂岩油藏孔隙型高渗透油气层 1996 2000年裂缝性致密砂岩气层浅层疏松砂岩气藏孔隙型碳酸盐岩油气层 深层漏失性超致密砂岩气层 深层缝洞漏失性碳酸盐岩油气藏 微裂缝型致密碳酸盐岩油气层 孔隙型 裂缝型 溶洞型 技术难度增加 奠定我国储层保护与改造技术研究的坚实基础 奋力前行加油 中国 中国储层保护与改造技术发展进程 深层页岩 煤岩气层 1 非常规天然气资源2 致密气藏工程地质特性3 储层保护技术及应用4 增产改造技术及应用5 结语 报告提纲 致密砂岩气藏多尺度描述及传递过程 1 致密型气藏具有空间多尺度结构 煤的双重孔隙度示意图 煤层气产出机理 煤岩储层结构与多尺度传质 煤岩孔隙特征 页岩样品来源 渝页2井 YY2 酉阳县溶溪镇井岗村 寒武系牛蹄塘组 灰色页岩 TOC 0 5 6 37 Ro 1 5 4 0 长滩 CT 彭水县长滩乡彭水一中斜对面 下志留统龙马溪组 黑色炭质页岩 TOC 0 5 3 0 Ro 2 0 3 0 储层基本特征 气体以压缩的方式存在孔隙中 页岩气 2 建井和开采过程易发生储层损害 陕211井密闭取心与常规取心含水饱和度结果对比 长庆油田对苏里格庙进行的气驱水实验测得束缚水饱和度值为40 60 丛连铸等 2002 对塔巴庙大10井岩心水锁实验得出其束缚水饱和度值为52 5 79 2 当水饱和度在65 以上时气藏的气测渗透率基本上变为0 水相自吸方式 顺流自吸 逆流自吸 顺流自吸 逆流自吸 基块岩样 裂缝岩样 毛细管自吸实验 多裂缝系统毛细管自吸实验 裂缝的存在加快了自吸进程 120 C碱敏 120 C盐敏 基块 裂缝 应力敏感与井漏相关 基于原地有效应力条件下 正压差作业有效应力减小孔隙呈增大趋势 裂缝逐渐张开导致井漏 开采时有效应力增大 孔隙呈减小趋势 裂缝宽度逐渐变小 渗透率变差 煤岩与常规储层岩石应力敏感性对比 应力敏感系数Ss与渗透率关系图 吸附在岩心裂缝面内的非渗透材料 返排恢复率低 滤饼强度低 裂缝性致密砂岩气层损害地质模型 煤岩储层气体产出的四个基本过程 a 气体分子从煤岩孔隙表面解吸 b 气体分子在煤岩孔隙中扩散 c 气体分子在界面水膜内扩散 d 基块扩散气体进入裂缝系统渗流并最终流入井筒 3 气体传质动力学过程多时间尺度效应 气体分子在煤岩孔隙中的扩散速率的数量级为 10 8cm s 基块扩散气体进入裂缝系统的渗流速率的数量级为 10 1cm s 气体分子在界面水膜内的扩散速率的数量级为 10 5cm s 平衡的时间最短为10 10 10 5s 解吸是瞬间完成 基块高渗透率弱化了扩散速率 量 与渗流速率 量 之间的矛盾关系 A 基块渗透率高的情况 基块低渗透率强化了扩散速率 量 与渗流速率 量 之间的矛盾关系 B 基块致密的情况 只提高扩散速率 虽然增加了扩散量 但对产量作用微弱 C 基块致密 仅提高扩散速率的情况 提高水力裂缝渗透率虽然增加了渗流速率 但扩散速率过低使得扩散量远远低于理想渗透量 单井产能也得不到提高 高渗透率与低扩散量 D 基块致密 仅提高水力裂缝渗透率的情况 只有同时提高扩散速率 量 和渗流速率 量 并且使两者协调匹配才能使单井产能得到显著提高 E 基块致密 同时提高扩散与渗流速率的情况 1 非常规天然气资源2 致密气藏工程地质特性3 储层保护技术及应用4 增产改造技术及应用5 结语 报告提纲 伊利石丝缕支架状微结构 绿泥石支架状微结构 蒙皂石蜂窝状微结构 3 1岩石物理 化学应用基础研究 油气藏保护技术系统 油气藏开发技术系统 油气藏评价技术系统 油气藏改造技术系统 油气藏保护系统其它系统的关系 仪器研发室油气井仿真室储层损害静态评价室储层损害动态评价室油井工作液室相关实验室及平台储层微观分析岩石力学 3 2储层保护实验评价技术 CMS 300 SCMS I岩心分析仪 储层损害动态评价实验室 进口端有效应力 围压 流压出口端有效应力 围压 测试结果受应力敏感性影响 N2 平流泵 温度围压控制系统 岩心夹持器 橡胶套 微小容器 中间容器 压力衰减法实验流程 相差0 55 DK22 22C地层水两次压力衰减压力时间数据 两次实验压力半衰期相对误差2 5 确定2个损害评价指标 1 压力半衰期比 2 压力衰减指数比 自制多功能损害评价仪 MFC I 模拟水平井损害各向异性 模拟长岩心动态损害 压力 电磁 声波探测系统 不同缝宽模拟实验 缝宽相近时 累积滤失量 滤失速率和自然返排恢复率都表现出底部侵入损害更严重的各向异性特征 累积滤失量大小取决于瞬时滤失量底部滤失量和滤失速率最大 返排恢复率最小缝宽增大 返排恢复率减小 基块岩样损害模拟实验 3 3原地裂缝宽度预测技术 裂缝分析和描述技术预测配套技术 岩心描述 矿场测试结合法 岩心造缝模拟应力实验法 光电三维面形自动测试系统法 三维应力有限元数学模拟法 储层岩石裂缝宽度参数研究 加载岩石微观图像分析法裂缝宽度研究 随着围压的增加 裂缝宽度不断变小 不同有效应力下裂缝宽度变化图 岩心裂缝面高度分布曲线 X3 2 50 26 2 X3 2 50 5 3 4保护储层屏蔽暂堵技术 既然正压差会使外来颗粒堵塞孔喉 那就利用这个作用 1974 1977 2000 罗平亚 1990 2000年以来重点保护裂缝性储层 非规则粒子裂缝暂堵计算机模拟 DY1 40 62 2 4615 72 4619 45m 孔隙度 3 41 渗透率 0 094354 10 3 m2 X856 1 4715 7m 孔隙度 1 16 渗透率 0 03 10 3 m2 0 5min2min3min4min 处理后未处理处理后未处理处理后未处理处理后未处理 未处理处理后未处理处理后未处理处理后 0 5min2min3min 处理前后的岩心表面与煤油油滴接触不同时间照片 处理前后的岩心表面与水滴接触不同时间照片 界面修饰预防水相毛管自吸 t 0mint 5mint 20min滤液 t 0mint 5mint 10min水滴100 处理岩心片拍照结果 AFM三维图形 平面高度图和剖面图 1 川西致密砂岩气层保护技术 敏感性及工作液损害评价技术 专用设备裂缝渗流规律 损害机理 堵塞模型计算机模拟 裂缝架桥规律新型处理剂 非规则形态粒子 如纤维 新型钻井完井液 川西成功应用 产量提高1倍提出新的技术观点 保护与改造并举 二者相得益彰 川西坳陷气田分布 1 多套气层 长含气段 砂层厚度和规模差异显著2 地层压力剖面存在超高压异常 呈现多压力系统3 致密 超致密储层类型 基块毛管压力高4 裂缝发育非均质且提供了主要渗透性5 粘土矿物使致密砂岩内蕴强烈水敏和碱敏性6 对应力变化异常敏感7 初始含水饱和度低于束缚水饱和度 川西致密砂岩气层工程地质特征 暂堵性堵漏钻井完井液技术现场应用 1 实现快速堵漏 新10井 T3x2产层绝对无阻流量13 3803 104m3 d 2 预防井漏保护气层 促使气层准确评价 4813 00 4848 00m岩屑石英砂岩中见1920粒次生石英晶体 4852 00 4908 50m岩屑中见591粒次生石英 新10 1H T3x2 4925 94 5788 10m 气层在流动压力57 64MPa情况下获天然气日产量为6 4368 104m3 d 绝对无阻流量为10 1011 104m3 d 3 加速深层须家河组水平井开发步伐 T3x4水平段 4325 30 4913 90m 新21 1H井 钻开主气层前加LF 2 FD 2 FRD 1防漏剂 钻进过程补充消耗量 新21 1H一点法产能分析成果 2 大牛地气田致密砂岩气层保护 致密气藏 三低两高 气藏压力低 有效应力高 基块毛管压力高 应力敏感性强原地条件 低微裂缝形成闭合应力大 毛管自吸水相圈闭贾敏效应生产大压差射孔负压值高 能量不足易于衰竭动用孔喉尺寸有限反排时间长 液相滞留 两高 三低 孔隙度低渗透率低 促成了高产气层和高产井的出现 储层保护技术应用直接或间接促成了高产气层和高产井的出现 2001底以前 塔巴庙地区TCP DST联作及DST测试成果 射孔完井后最大产量仅504 3m3 d 多数低于60m3 d 测试的结论以含气层占绝对多数 进入2002年 项目开始现场试验 从而扭转了工区天然气勘探开发一直处于低迷 徘徊的被动局面 盒2 3段 提高了测井识别和评价气层的能力 有利于气层及时发现和准确评价 2005年7月 大牛地气田建设天然气生产能力10亿m3 年 并向北京供气 及时缓解天然气供应紧张的局面 过平衡屏蔽暂堵技术与欠平衡钻进保护储层技术 过平衡屏蔽暂堵技术 欠平衡钻进储层 3 5气体钻井储层保护技术 与现行技术呈互补性的新一代储层保护技术与水平井 分枝井 随钻储层评价 全过程可控欠平衡等技术相结合 服务于勘探中的油气层发现与评价 服务于开发中的动态完井决策和增产改造 欠平衡钻井 完井气层保护技术 研究内容2 工具 装备的配套与国产化 形成了钻井 完井 测试到HSE等各环节的配套工艺技术12项 1 放空型漏失的气体盲钻技术2 带压测井配套技术3 气体钻井取芯配套技术4 井控与可燃气体监测配套技术5 储层气体钻井配套工艺技术6 储层气体完井配套工艺技术7 带压起下管串配套技术8 超大尺寸井眼的气体钻井配套工艺9 储层保护与测试配套技术10 严重漏层空井眼下套管及固井技术11 不同井眼尺寸提高钻井速度气体配套钻井技术12 气体钻井施工操作规程及HSE规程 采用传统过平衡钻井完成的邛西1井产量700m3 天 邛西2井产微气美国德士古公司对邛西2井实施加砂压裂产量5200m3 天 1999年 采用全过程欠平衡完成的邛西3井产量45 67万m3 天 邛西4井产量89 34万m3 天连续10多口全过程欠平衡钻井 产量都在50 100万m3 天之间 四川邛西致密砂岩气藏 多年来用常规水基钻井液过平衡钻直井产量0 3 0 8万m3 天 压裂改造最高到3 5万m3 天2004年8月 采用柴油机尾气 气体钻井 水平井相结合的技术 完成我国第一口气体钻水平井 白浅111H井 测试产量6 8万m3 天 折算无阻流量10万m3 天 川西白庙致密砂岩气藏 1 非常规天然气资源2 致密气藏工程地质特性3 储层保护技术及应用4 增产改造技术及应用5 结语 报告提纲 ApplyexistingtechnologytoEuropeancontext Developandapplynewtechnologyforglobalapplication GasShales 以页岩气增产改造为例 从北美传向欧洲 中国 页岩气经济开发评价参数 BrittleandDuctileBehaviourofRocks GrieserandBray 2007 SPE brittleshalefracgeometry ductileshalefracgeometry 页岩的脆性 页岩的脆性影响缝网的发育程度 BrittlenessfromLog Data Rickmanetal 2008 SPE Poissonratio Young smodulus MinimumrequirementYoung modulus 4GPaPoissonratio 0 25 FormationDamageMechanismsinaProppedFracture filtrationoffracfluidsfiltercakebuilduprelativeperm changesgascondensation generationofaFractureFaceSkin FFS sedimentationoffines proppantcrushingreductionoffracturewidth gelresiduesandchemicalprecipitation proppantembedmentduetomechanicalinteractionofrockandproppant Reinickeetal 2010 ChemErde multiplanarfracturegrowthinshalegasreservoirstimulationactivationofaperpendicularorientednaturalfracturesimportanceforlargeundergroundfootprintReductionofwaterusageandformationdamagerockbrittlenessinfluencesfracturepropagation FractureGrowthinConventionalandUnconventionalReservoirs UnconventionalShaleFracturing NarrowbutLongFractures enhancementofreservoirproductivity usageoflowviscousfluidsandsmallproppantconcentrations longbutnarrowfractures creationofahighpermeablepathwayandmaximizationofinflowarea creationofapartiallyproppedfracture Reinickeetal 2010 ChemErde 微地震监测技术及应用 水平井方位 井筒平行水平最小地应力形成有利的裂缝延伸方位 页岩气开发中的水平井 水平井方位对增产储层体积 SRV 的影响 小的SRV 大的SRV 页岩气开发中的水平井 天然裂缝对水平井完井的影响 成像测井显示水平井眼天然裂缝充分发育 水平井眼周围的天然裂缝 页岩气开发中的水平井 天然裂缝对水平井完井的影响 页岩气开发中的水平井 天然裂缝张开起裂 径向缝网形成机理 裂缝内的流体压力大于裂缝面所受的有效压应力时天然裂缝张开破裂 天然裂缝剪切起裂 远场应力作用在天然裂缝上剪切应力分量大于天然裂缝的抗剪强度时 天然裂缝发生剪切破裂 天然裂缝对水平井完井的影响 页岩气开发中的水平井 孔眼岩石本体起裂 径向缝网形成机理 孔眼壁面受到的有效张应力大于岩石抗张强度时 岩石破裂 孔眼周向上的不同破裂模式下的破裂压力 机理 井周上存在多个破裂压力近似相等的等效破裂点 径向缝网 天然裂缝对水平井完井的影响 页岩气开发中的水平井 水平井射孔优化 大段射孔对压裂的影响 产生径向缝网多裂缝延伸相互竞争导致高施工压力大量压裂液消耗在井眼附近 SRV受到限制 小段射孔对压裂的影响 减弱径向缝网发育减少主裂缝条数 促使水力延伸裂缝向油藏纵深区延伸 扩大SRV 页岩气水平井射孔 分段分簇射孔 Barnett页岩水平井射孔方式 每段分4 6簇 每簇射孔长度0 46 0 77m 簇间距20 30m 水力裂缝相交天然裂缝后的两种延伸方式 沿天然裂缝端部起裂转向延伸直接穿过天然裂缝 导致水力裂缝横向延伸有利于形成远场缝网 常规的水力裂缝延伸模式不利于形成缝网 远场缝网形成机理 提高页岩气井产量的水力压裂技术 水力裂缝与天然裂缝相交作用实验 相交作用的实验构架 Blanton 相交作用的实验结果 blanton 低逼近角下 水力裂缝沿天然裂缝转向延伸在高逼近角和高应力差下 水力裂缝直接穿过天然裂缝延伸在高逼近角和低应力差下 水力裂缝会发生转向和穿过的混合延伸模式 远场缝网形成机理 提高页岩气井产量的水力压裂技术 水力裂缝相交天然裂缝延伸的判断准则 远场缝网形成机理 满足 不满足 提高页岩气井产量的水力压裂技术 相交作用准则分析 高逼近角高应力差 水力裂缝穿过天然裂缝延伸中逼近角高应力差 水力裂缝穿过天然裂缝延伸中逼近角低应力差 水力裂缝沿天然裂缝转向延伸低逼近角 水力裂缝沿天然裂缝转向延伸 远场缝网形成机理 穿过区 转向区 提高页岩气井产量的水力压裂技术 天然裂缝剪切破裂 天然裂缝破裂面粗糙天然裂缝面受到的剪应力分量导致剪切滑移天然裂缝错动闭合后存在一定的残留宽度 页岩气缝网增产机理 破裂裂缝表面粗糙 提高页岩气井产量的水力压裂技术 天然裂缝剪切破裂导致的残留宽度具有一定的导流能力延伸主裂缝的支撑张开具有较高的导流能力汇聚到天然裂缝内的流体流入主裂缝 最后流入井筒 页岩气缝网增产机理 延伸主裂缝的支撑张开 提高页岩气井产量的水力压裂技术 EvolutionofStimulationConcepts ThreeConceptsGelProppantFracturingWaterFracturingHydridFracturing Dr BrianHorsfield 2011 页岩气地层压裂液选择 Barnett页岩最常用的压裂液体系是pH为中性的低浓度线性凝胶减阻水 该液体体系优点 降低凝胶对储层伤害低管路摩阻有利于形成复杂的缝网可回收利用 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层水平井分段压裂 美国85 的页岩气井采用水平井分段压裂技术 增产效果显著 单井最大初始产量达到28 32 104m3 d 最大稳定产量达到16 99 104m3 d 分段压裂的裂缝延伸监测图 页岩气分段压裂示意图 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层的重复压裂 应力反转导致重压裂缝转向延伸 重复压裂裂缝转向 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层的重复压裂 重复压裂增加井产量 初压裂缝监测 重压裂缝监测 SRV增大 水平最小地应力方向上的天然裂缝被激活 扩大了缝网的延伸体积初次使用凝胶压裂的井重复压裂改造效果明显 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层水平井同时压裂 地应力大小和方向的变化影响水力延伸裂缝方向 水力裂缝诱导应力 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层水平井同时压裂 缝网变得更加复杂和连通 扩大了SRV其中1口井以25 5 104m3 d的产量持续生产30d 而其它未采用该措施的井产量在5 66 104m3 d 14 16 104m3 d之间 同时压裂的裂缝延伸监测 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层水平井分段分步压裂 设想 不同裂缝间距下诱导应力差 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层水平井分段分步压裂 设想 分段分步压裂后的缝网变得更加的复杂 促进天然裂缝与延伸裂缝的连通 提高SRV 提高页岩气井产量的水力压裂技术 页岩气地层支撑剂选择 选择原则 低浓度支撑剂 页岩气储层基质渗透率极低对水力裂缝导流能力的要求降低适应减阻水压裂液体系运输支撑剂能力偏低的要求低密度支撑剂 有利于支撑剂在缝网裂缝中的远距离输送有利于沉降在整个裂缝高度剖面上 Barnett页岩支撑剂选用 常规支撑剂 40 70砂 40 80轻质陶瓷 大量100目砂 较高压地层采用40 70 30 50和或100目的中型密度陶瓷非常规支撑剂 复合材料轻型支撑剂 密度范围从1 75到接近于水的密度 超轻支撑剂 提高页岩气井产量的水力压裂技术 清水压裂技术 Barnett页岩 交联液支撑剂压裂 清水重复压裂 Simo Fracturing技术 是近期使用的最新压裂技术 该技术的理论依据是 同时对配对井 OFFSETWELLS 进行压裂 在压裂过程中 通过两口井地应力的互相诱导作用 促使两口井形成比单独压裂更多的裂缝网络 从而增加水力压裂网络的密度 或增加压裂作业