页岩气开发现状及关键技术

页岩气开发现状、核心技术和关键问题

页岩气：新闻热点•

页岩气成为各家媒体新闻焦点：

•

“页岩气革命席卷全球，中国何时开启‘页岩气时代’？”

•

“中国投入页岩气革命”

•

“页岩气：未来能源的主力军”

•“

页岩气：我国第172个独立矿种

或可替代天然气”•

“政策松绑欲打破三桶油垄断

，民企将成页岩气盛宴座上宾”•“

民企破冰：首获页岩气勘探‘门票’”•

页岩气？请叫它涨停催化剂！•

“页岩气热背后的冷思考”页岩气（1）•

天然气是一种清洁、高效的化石能源:•

燃烧同等热值的天然气，其二氧化碳排放只有煤的一半和石油的70%•

若采用冷热电三联供，经过能源的梯级利用可以使能源利用效率从常规发电系统的40%左右提高到80%左右•

燃气电厂启动迅速：天然气发电成为间歇性可再生能源的极佳补充•

天然气在我国一次能源结构中的比例仅为4%，远低于亚洲平均10%和全球平均24%的水平•

城市化：燃气需求迅速增加•

2020年，天然气缺口达1000亿方（相当于2011年全国天然气产量）•

天然气对外依存度达24％；价格倒挂•

页岩气：一种非常规天然气•

存在于致密泥页岩中，较常规天然气开采难度大页岩气（2）•

页岩气储量:•

全球：456万亿方•

技术可采储量：189万亿方•

美国：24.4万亿方•

中国：26万亿方全球非常规天然气资源储量表Billion

Cubic

Feet•

2011年，页岩气产量1800亿方，占全国天然

气总产量34%•

预计到2035年，页岩气产量比将提高至46%。2,0004,0003,0005,0001,000

0

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010BarnettWoodfordMarcellusFayettevilleHaynesvilleEagle

Ford•

美国有8000家油气公司，85%的页岩

气由中小公司生产•

核心关键技术分别由各个中小专业技

术掌握

美国页岩气开发现状•

1821,第一口井，Devonian

Dunkrik

Shale，

Fredonia•

70年代之后-90年代，压裂技术发展•

1990年起页岩气产量每五年翻一番•

2009年，页岩气产量1000亿方，占全国天然

气的14%，超过了我国常规天然气总产量•

2010年，页岩气产量1379亿方，占全国天然

气总产量23%页岩气改变美国能源结构和产业格局•

美国和世界能源格局•

产量迅速上升：2009年页岩气产量达1000亿方，使美国成为第一大天然气生产国•

动摇了世界液化天然气（LNG）市场格局，进而改变世界能源格局•

价格快速下降：十年最低•

更多的燃气电厂取代燃煤电厂•

美国产业格局•

便宜的天然气价格为美国的制造业和化工业提供了更多的竞争力：能源价格、化工原材料•

美国外交格局•

页岩油的开发使美国原油进口压力减少：2020年，北美有望成为世界第一油气生产基地•

燃气发电减少温室气体和污染物排放：气候谈判给其它国家的压力简要历史回顾•

Mitchell

Energy

&

Development

Co.•在极低经济效益的情况下持续投入了17年•上世纪90年代末，在水力压裂取代冻胶压裂后，经济效益得到了提高•

2002年，Devon

Energy

收购了Mitchell•

Devon的经验带动了大量中小企业投资开发页岩气•几年后，Barnett成为美国最大的气田•

Barnett成功经验推动美国页岩气的开发•

推广到多个盆地•

页岩气的开发技术又推动了美国页岩油的开发•《页岩气发展规划（2011-2015）》

•

2015年完成资源潜力调查与评价

•

2015年实现产量65亿方

•力争2020年达到600~1000亿方

中国页岩气开发现状•中国开发进展

•

2008年：扬子地区为富集远景区

•

2009年

：“中国重点地区页岩气资源潜

力及有利区带优选”项目

•

2010年：川渝黔鄂页岩气资源战略调查

先导试验区

•

完钻页岩气井60余口，水力压裂40余口，

工业气流30口

页岩气开发瓶颈：•

地质特点：埋深大、盆

地小、断层多；陆相为

主；地势险峻•

资源风险、技术风险、

投资风险、环境风险•

2012年5月17日，国土资源部发布《页岩气探矿权投标意向

调查公告》，公布2012年页岩气探矿权招标投标资格条件：•

内资企业，注册资金：人民币3亿元以上•

投标人应具有石油天然气或气体矿产勘查资质，或已与具有勘查资质的企事业单位建立合作关系

•

投标人应为独立法人，不得以联合体投标•

促进民营企业进入页岩气勘探开发•

9月进行了页岩气探矿权第二轮招标，近百家投标20个区块•

但我国目前还不掌握页岩气勘探开发的核心技术国家放宽页岩气探矿门槛页岩气开发的核心关键技术

页岩气特性•成藏机理•与煤层气对比

•基质渗透率更低

•游离气含量高•开采一般不需要排水降压原地成藏、自生自储页岩气评估•地质储量

•

总有机碳含量TOC>2%，成熟度

Ro>1.4

•

厚度>30m，含气孔隙度>2%

•

气体含量，含水饱和度<40%•埋深、温度、压力储层评价勘探阶段早期开发成熟开发下降维护页岩气总量天然裂缝矿物质含量脆性地层压力岩石强度渗透率

页岩厚度

页岩气产量游离气页岩基础物性测试

有机物含量页岩气开发流程页岩气开采•

页岩气中没有“干井”!

问题的关键是怎样开采天然气？•

Barnett页岩渗透率相当低,

开采天然气需要人工增产手段，比如水力压裂•

冻胶压裂:

成本太高•

轻砂水力压裂:

有效•

15%-35%

采收率Source:

Devon

水平井•已经证明,

在水平完井段进行水力压裂比在垂直完井段更高效:•

2－3倍成本•

15－20倍产量Source:

Devon

水平井•

水平井扩大接触面积

关键问题：

井身结构设计、钻完

井，保证安全稳定。•

水平井方向••••沿最大水平应力方向：纵向裂缝垂直最大水平应力：横向裂缝低渗气藏，横向裂缝增产显著一般垂直最大水平应力方向钻井完井决策图深度、厚度、TOC、石英含量、气体含量等直井

V.S

水平井单层

V.S

多段对非常规气藏的非常规考虑•

当渗透率低到一定程度，渗透率具体是1

nD,

10

nD还是

100

nD已不再那么重要•

扩散起作用•

问题在于岩层怎样被压裂:•

整齐的大裂缝？•

零碎的小裂缝？•

岩相对压力的响应决定压裂的裂缝网络的形态

水力压裂•

第一步：泵入“岩石酸”（一般是盐酸HCl），

清理可能被钻井泥浆和水泥封堵的近井地带。•

第二步：压入前置液，大量滑溜水被压入地

层引起地层破裂形成裂缝。•

第三步：泵入含有支撑剂的压裂液，首先泵

入大量含有低浓度细砂支撑剂的压裂液，不断

增加泵入支撑剂数量和大小。•

第四步：冲洗，清除设备和井壁附近的支撑

剂。•

微震监测——在压裂过程中，要持续监测裂缝

生长，确保这些裂缝没有偏移出页岩储层或者

延伸到邻近水域。水力压裂流程南北向

(ft)

0

-500-1000-1500-2000-2500-3000-1000-500050010001500200025003000东西向

(ft)观测井

水力压裂15001000

500水力压裂岩石力学

特征压裂设计应力分布矿物组成钻井设计裂缝网络

SRV生产•

常规储层：

高黏度压裂液形成二维裂缝，并使用高浓度、大颗粒

的支撑剂填充•

页岩储层：

大量低黏度压裂液和低浓度小颗粒支撑剂形成复杂的

三维裂缝网络，增加储层改造总体积（SRV）岩石特征压裂液压裂流体体积支撑剂浓度脆性（Brittle）滑溜水高低层状（Laminated）混合物中中塑性（Ductile）线性或交联凝胶低高水力压裂•

压裂液压裂液选择•

欠压实地层，需要辅以二氧化碳或泡沫压裂•

最近采用液化石油气（LPG）压裂效果显著

压裂液选择

滑溜水压裂液成分压裂技术技术特点适用性泡沫压裂地层伤害小、滤失低、携砂能力强水敏性、埋深浅地层凝胶压裂成本高、携砂能力较强塑性高、天然裂缝不发育地层清水压裂滑溜水压裂液、成本低、携砂能力有限脆性高、天然裂缝发育地层多级压裂分段压裂、技术成熟、应用广泛水平段较长的水平井快速可钻式桥塞封隔分段压裂套管压裂、多段分簇射孔，储层伤害低美国页岩气开发主要技术多级滑套封隔分段压裂通过井口落球系统操控滑套，降低施工时间和成本、风险较高技术要求高膨胀式封隔器分段压裂遇油（水）膨胀式封隔器，满足裸眼完井分隔压裂的需要裸眼完井的生产井水力喷射压裂定位准确、无需机械封隔、节省时间裸眼完井的生产井同步压裂相邻井同时作业、增加裂缝复杂性井眼密度大、井位距离近重复压裂重新开启裂缝增产产能下降的井水力压裂压裂技术对比不同压裂技术的基本原理是一样的，只是实施过程、工具和材料有所差别页岩气生产速率生产机制主裂缝的储量微裂缝中的储量解吸&扩散生产机制控制产量的关键因素1.

与井连通的裂缝网络2.

基质中的气含量

流动机理•

双重介质模型•

多尺度流动模型•

三孔双渗模型双重介质三孔双渗关键：刻画吸附气、游离气在不同尺度下的运移规律与井连通的裂缝网络对生产有重要意义

多尺度流动模型Fracture

MatrixFracture

MatrixCacas

et

al.,

2001

Shaul

et

al.,

2005Warren

&

Root,

1963

方法讨论

裂缝储层的数值模拟

局部网格细化

离散裂缝网络

双孔双渗模型

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m黑油模型—双孔单渗

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o黑油模型—双孔双渗

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m控制方程

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组分模型—双孔单渗组分模型—双孔双渗

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o控制方程（1）生产速率产气速率产水速率两个阶段：开采初期生产速率较高但下降很快，稳产期产量较低但可以长期保持。初期：排气降压、产水量很少,产气速率迅速下降，1000天左右进入稳产期。稳产期：气水产量都趋于稳定，长期稳产。一般页岩气井可稳产30年。数值模拟裂缝单元渗透率提高5倍，（10,10,10）mD基质单元渗透率提高10倍，（0.001,0.001,0.001）mD裂缝在页岩气开采中起着关键作用，影响着初期生产速率以及稳产期的整体产出速率，由此可见储层压裂改造的重要性。

数值模拟（2）裂缝渗透率

VS

基质渗透率准化

产孔隙度

(%)

标

水

量标准化浓度0

2

4

6

80

1.5

3.0

4.50

20

40孔隙度

(%)产速率

(标标准化浓度

水生

准桶0

1.5

3.0

4.5/天)0

2

4

60

5

10

8实测值

值EnKF3

5

7

1009Time

块编号(Days)3

5

50

100

9块编号Stage11Stage

411*10-3(Stage

6)实测生产速率

裂缝孔隙最缝

水生产

度

孔隙01050

100

50

Time

(Days)

01

050

100

7

Time

(Days)

Time

(Days)实实测值示踪剂含量气生