非常规油气藏钻完井技术研究

超临界CO2开发非常规油气藏钻完井技术研究沈忠厚中国石油大学2011.92011年非常规油气藏开发技术ChinaUniversityofPetroleum汇报提纲一、前言二、超临界CO2钻井技术三、页岩气、储层及开发特性四、超临界CO2开发页岩气优势五、结论与建议

ChinaUniversityofPetroleum一、前言1、我国油气勘探开发趋势

天然气作为一种清洁、优质、高效、低成本和污染少的理想生态能源，已被国际社会广泛认同，预计将在2030年替代煤和石油成为世界主要能源。

近十年新增探明储量中70~80%为低渗特低渗油气藏，同时我国页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气资源非常丰富。目前我国常规油气资源探明程度相当高，储量增长“入不敷出”稳产难度越来越大。非常规油气资源将成为我国新的油气增长点。

我国已经从21世纪初开始逐步加大非常规油气藏开发力度，使之成为常规油气的有力补充！一、前言2、非常规油气藏及开发特点

非常规油气藏界定致密砂岩气藏低渗特低渗油气藏页岩气藏煤层气藏非常规油气藏开发特点（以页岩气为例）钻井速度极慢，建井周期长，成本高；孔隙度和渗透率极低，储层极易受污染；成藏机理复杂，需根据成藏方式确定开发方法；均须经过压裂才能投产，增加了成本；单井产量和采收率均较低；开采周期长（有的高达30年）；一、前言2、非常规油气藏及开发特点

非常规油气藏共有及显著的特点是：整体储量高、单井产量低、经济开采价值低、开发成本高；

非常规油气藏“两低两高”的特点，使得它的开发急需一种低成本、高效率的钻完井及开发方法！

超临界CO2钻完井及开发技术满足了这一开发要求！一、前言二、超临界CO2钻井技术

三、页岩气、储层及开发特性四、超临界CO2开发页岩气优势五、结论与建议

汇报提纲ChinaUniversityofPetroleum二、超临界CO2钻井技术

CO2广泛存在于自然界中，俗称碳酸气，又名碳酸酐。空气中含量为0.03%~0.04%，但随工业化发展其含量不断增高。1、超临界CO2物理特性无色无臭水溶液呈酸性不能燃烧易被液化物理特性气体（常温常压）超临界流体液体（常温常压）（1）密度（g/cm3）0.0006~0.0020.2~0.90.6~1.6（2）黏度mPa.s10-20.03~0.10.2~3.0（3）扩散系数（cm2/s）10-110-410-5超临界流体既不同于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性质

密度接近于液体能够为井下马达提供足够扭矩、溶剂化能力强黏度接近于气体扩散系数大于液体传热、传质性能良好表面张力接近于零可进入到任何大于超临界流体分子的空间易流动、摩阻系数低二、超临界CO2钻井技术

1、超临界CO2物理特性二、超临界CO2钻井技术

2、超临界CO2钻井超临界流体：

当一种物质的温度和压力同时高于其临界温度(Tc)和临界压力(Pc)时，则称之为超临界流体(Super-criticalFluid)

。超临界CO2流体：

将CO2气体加温加压至临界点之上(Tc>31.1℃，Pc>7.38MPa)时称为超临界CO2流体（SC-CO2—supercriticalCO2）。超临界CO2钻井：

利用超临界CO2作为钻井流体的一种新型钻井方法，它利用高压泵将低温液态CO2泵送到钻杆中，液态CO2下行到一定井深后达到超临界态，利用高压超临界CO2射流辅助破岩来达到快速钻井的目的。

二、超临界CO2钻井技术

2、超临界CO2钻井连续油管超临界CO2喷射辅助钻井a、易于破碎坚硬及难钻岩层，可较大幅度提高钻井速度。二、超临界CO2钻井技术

3、超临界CO2钻井优势花岗岩曼柯斯页岩SC-CO2Jet大面积坑道轮廓不明显破碎体积较大大面积崩落WaterJet小的沟槽轮廓较为清晰破碎体积较小193MPaWater90MPaSC-CO2b、易于破碎坚硬及难钻岩层，可较大幅度提高钻井速度。喷射破岩实验实验岩样流体类型门限压力MPa花岗岩水CO2比值：CO2/水755067%曼柯斯页岩水CO2比值：CO2/水1245544%

利用水力辅助机械联合破岩方式对曼柯斯页岩进行实验，结果表明利用超临界CO2是用水的钻进速度的3.3倍。

3、超临界CO2钻井优势压力低于124MPa时，水力射流不能破岩；超临界CO2喷射破岩的有效压力低至55MPa。

曼柯斯页岩喷射钻井实验二、超临界CO2钻井技术

c、在低渗及特低渗油气层开发中，可有效保护油气层。水基钻井液打开低渗透储层的危害

固相颗粒进入储层堵塞孔隙吼道；泥浆滤液侵入到油气层中，导致油气层中粘土膨胀，进一步堵塞地层孔隙吼道；引发水锁效应、岩石润湿性反转、原油乳化等。

超临界CO2流体打开低渗透储层的优势

致密的砂岩储层超临界CO2流体中不含固相颗粒，不会堵塞孔隙吼道；超临界CO2流体不是液相、也不含液相，不会导致储层中粘土膨胀。从根本上避免了水锁效应、岩石润湿性反转、原油乳化等危害的发生。3、超临界CO2钻井优势二、超临界CO2钻井技术

一、前言二、超临界CO2钻井技术三、页岩气、储层及开发特性四、超临界CO2开发页岩气优势五、结论与建议

汇报提纲ChinaUniversityofPetroleum三、页岩气、储层及开发特性

页岩气生气机理1、页岩气特性生物化学生气阶段热裂解生气阶段天然气首先吸附在有机质和粘土颗粒表面饱和后富余天然气以游离相和溶解相存在生烃伊始裂解生成的甲烷气充满岩石孔隙孔隙压力不断升高产生裂缝以游离相存在页岩气赋存状态吸附状态（吸附于岩石颗粒和有机质表面，含量约20%~85%）游离状态（贮存于孔隙裂缝中）溶解状态（在石油伴生盆地中，溶解在地层水和液态烃中）1、页岩气特性页岩气吸附量影响因素

页岩气主要成分为甲烷（CH4），其含量在90%左右，除此之外还有少量的氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、重烃以及惰性气体。甲烷的临界温度为196.6K，临界压力为4.54MPa，在1000~3000米的储层埋深条件下，甲烷以超临界态存在。有机碳含量（TOC）地层温度地层压力粘土矿物含量产层性质三、页岩气、储层及开发特性

1、页岩气特性有机碳含量（TOC）与吸附气量关系三、页岩气、储层及开发特性

1、页岩气特性粘土矿物含量与吸附气量关系三、页岩气、储层及开发特性

2、储层特性页岩矿物成分

粘土矿物

碎屑及自生矿物高岭石蒙脱石等伊利石

石英长石云母等页岩中粘土矿物成分含量较高，被划为粘土岩的一种

石英物性较脆，容易被压碎或形成裂纹，因此石英含量相对较高的页岩，在生烃过程中，容易被孔隙中的高压气体压出裂缝，有利于页岩气开采。三、页岩气、储层及开发特性

2、储层特性页岩主要类型

黑色页岩（含较多的有机质）硅质页岩（含有较多的玉髓、蛋白石等）主要产气页岩粘土和泥质为页岩最主要组分（粒径较小，5~63μm）碳质页岩（含有大量已碳化的有机质）油页岩（含一定数量的沥青）铁质页岩（含少量铁的氧化物、氢氧化物等）砂所占的组分相对较少（粒径>63μm）粒径小渗透率极低，10-4～10-6md（致密砂岩10-2~10-3md）

孔隙度极低（通常小于5%，以微孔隙为主）三、页岩气、储层及开发特性

比表面积大吸附能力强3、开发特性

页岩气充填于页岩裂隙、微细孔隙及层面内，其储层渗透率极低、气流阻力比传统天然气大得多，导致其生产的速度和效率均较低。三、页岩气、储层及开发特性

存储机理天然气的储量生产速度和效率根据不同存储机理选择开发方式产出顺序裂缝中游离气

裂缝表面吸附气页岩基质中吸收气快速释放

速度慢、产量低

稳定而又极其缓慢

页岩气20%~85%以吸附状态存在，排水降压开采解析程度有限，单井产量低，开发速度慢。亟待寻找一种适合的开发方法！微孔隙表面吸附气速度慢、产量低

3、开发特性

天然裂缝系统发育程度直接影响页岩气开采效益，世界页岩气资源非常丰富，但尚未得到广泛勘探开发，根本原因是致密页岩的渗透率一般很低(小于10-3md)，仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产，其余90%以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施沟通其天然裂缝，提高井筒附近储层导流能力。三、页岩气、储层及开发特性

大型水力压裂成本高对储层伤害大降低了页岩气经济开采价值减少了页岩气经济技术可采储量降低开发成本，寻找适合的增产措施，是高效开发页岩气的前提！一、前言二、超临界CO2流体的物理特性三、页岩气、储层及开发特性四、超临界CO2开发页岩气优势五、结论与建议

汇报提纲ChinaUniversityofPetroleum1、提高钻井速度，缩短建井周期，减少钻井费用四、超临界CO2开发页岩气优势

超临界CO2喷射破岩效率高超临界CO2喷射破岩门限压力低

超临界CO2喷射破岩效率较水射流破岩高，可大幅提高钻井速度，缩短钻井周期。

超临界CO2喷射破岩门限压力较水射流破岩低，非常适合难钻页岩钻进，同时它降低了钻井设备的高承压要求，减少钻井费用。减少井下复杂问题的出现

低注入压力小钻压钻井，在高陡构造地层中能有效控制井斜；CO2密度变化大易调节，可通过回压阀对井底压力进行快速调节，可减少漏、喷、塌、卡等事故发生。2、有效保护储层不受损害四、超临界CO2开发页岩气优势

致密的页岩超临界CO2流体中不含固相颗粒，不会堵塞孔隙吼道；超临界CO2流体不是液相、也不含液相，不会导致页岩层中粘土膨胀；从根本上避免了水锁效应、岩石润湿性反转等危害的发生；利用超临界CO2进行喷射压裂，对储层无任何污染，其低黏特性能够使页岩储层产生更多微裂缝，有助于生产。四、超临界CO2开发页岩气优势

超临界CO2超短半径辐射水平井

超短半径辐射水平井，由主井筒向四周钻辅助井眼形成的辐射井网作为排油通道把主井眼之间的大片油层连通起来，达到增加油气通道，改善气流方向，提高气藏动用程度的目的，可大大提高采收率。3、可有效提高油气井单井产量和采收率

超临界CO2对储层无污染，而且容易钻水平井、多分支井、超短半径辐射水平井以及各类复杂结构井，均可大幅提高油气单井产量。3、可有效提高油气井单井产量和采收率四、超临界CO2开发页岩气优势

高效置换甲烷—CO2与页岩的吸附强度大于CH4与其吸附强度，因此进行超临界CO2驱替开采时，它可以置换吸附在页岩层上的CH4，增加游离态气体含量，从而进一步提高页岩气采收率。改善流动通道—超临界CO2流体密度大，溶剂化能力强，能溶解近井地带的重油组分及其他有机物，疏通流动通道，减小近井地带油气流动阻力；高效驱替甲烷—超临界CO2流体表面张力为零，粘度小、扩散系数大，容易进入任何大于其分子的空间（包括毛管孔隙），有利于驱替气藏中的甲烷气体；一、前言二、超临界CO2流体的物理特性三、页岩气、储层及开发特性四、超临界CO2开发页岩气优势五、结论与建议

汇报提纲ChinaUniversityofPetroleum五、结论与建议

1、超临界CO2破岩门限压力低、破岩速度快，对于典型的难钻页岩层来说，能够大大缩短建井周期，降低钻井费用；2、超临界CO2流体既不含