浅谈页岩气开采技术

摘要:2009年末,中国首个页岩气合作开发项目富顺—永川区块页岩气项目正式进入实施阶段,这是中国石油与壳牌公司的首个页岩气开发项目,对我国的油气能源开发具有标志性意义。本文主要对页岩气开采技术进行研究,以期对我国页岩气的勘探开发具有一定的指导。

关键词:页岩气;水平井;固井;完井

中图分类号：TD8 文献标识码：A 文章编号：

1页岩气成藏条件和开发特征

页岩气是一种介于煤层吸附气和常规圈闭气之间的非常规天然气藏。其主要分布于暗色泥页岩或高碳泥页岩以及少数夹层状的粉砂岩、泥质粉砂岩等地层中,储集方式主要包括三种:以游离状态存在于天然裂缝或空隙中;以吸附状态存在于不溶有机质或矿物颗粒表面;以及少量溶解在沥青等有机溶剂中。结合天然气成藏机理,页岩气是从根状气到根缘气的连续过渡,即当地层主体为具有生气能力的泥页岩(泥岩多、砂岩少)时,天然气是以多种方式存在的页岩气;而当地层以致密砂岩为主(砂岩多、泥岩少)时,天然气主要以活塞式整体推进为主要运移及聚集方式。

页岩气产自于有机质丰富的页源岩中,成藏过程中基本无运移,是典型的“自生自储”型天然气藏,成藏具有隐蔽性特点,不以常规圈闭的形成存在。页岩气的储集条件主要包括以下三点:

理想的页岩厚度和埋深是页岩气成藏的关键因素。一方面足够的页岩埋深能够保证有机质具备向油气转化所必须的温度和压力,另一方面足够的页岩厚度以及连续的分布面积才能够提供足够的气源和储集空间。页岩孔隙度越大,渗透率越大,游离气的储集空间就越大。而作为储层,含气页岩显示出低空隙度、低渗透率和高含气饱和度的特点。根据资料分析发现,页岩储集层含气的有效孔隙度一般只有1%～5%,渗透率一般小于10-6Lm2。页岩中天然裂缝为页岩气提供储集空间和运移通道。含气页岩孔隙度和渗透率都较低,所以天然裂缝的存在对页岩气的开采具有非常重要的意义。页岩中裂缝数量越多、走向越分散、连通性越好,页岩

气的产量越高。

页岩气藏具有持续产气、供气,产量低、产能稳,资源量大,但采收率较低,需要人工改造增产等特点。页岩气的开发特征主要表现为:低产或无自然产能。据美国东部早期的页岩气井完井数据统计,40%的页岩气井初期裸眼测试时无天然气流,55%的页岩气井初期流量较小,没有工业价值,所有的页岩气井都要实施储层压裂改造。生产周期长。页岩气井投入生产后,排出的气体前期主要为裂缝以及与裂缝连通的孔隙中的游离气,而阶段生产的天然气主要来自裂缝表面以及基质中的吸附气,稳产期递减速度较慢,生产周期较长,约为30～50年。

美国页岩储层属于海相沉积,层位深度范围在76—2440m,厚度通常大于30m。我国四川盆地页岩气比较有利的储层是下志留系龙马溪组和下寒武系九老洞组,这两个层位的深度分别在2188—4131m和1948—4618m,也属于海相沉积。以美国Barnett页岩和四川盆地龙马溪组和九老洞组页岩为例,从页岩储层的镜质组反射率、总有机质含量、孔隙度、渗透率等方面进行对比(见表1)。通过比较,以上几组页岩各指标基本相当,因此我国在勘探开发四川盆地页岩气藏时可以借鉴美国Barnett页岩的成功开发案例。但是对于页岩储层的改造还需参考其它因素,通过试验进一步验证。

2水平井钻井技术

页岩气是存在于页岩裂缝等空隙中的天然气。要使其尽可能地流入井筒.就必须合理利用储层中的裂缝,使井简穿过尽可能多的储层。现在业界多利用水平钻井技术来进行页岩气的开采,虽然该技术并不是一项新技术,但是对于扩大页岩气开发却具有重大意义。美国页岩气井钻井主要包括直井和水平井两种方式。直井主要目的用于试验,了解页岩气藏特陛,获得钻井、压裂和投产经验,并优化水平井钻井方案。水平井主要用于生产,可以获得更大的储层泄流面积,得到更高的天然气产量。在水平井钻井中采用了旋转钻井导向工具,可以形成光滑的井眼,更易获得较好的地层评价。同时采用欠平衡钻井技术,实施负压钻井,避免损害储层。随钻测井技术(LWD)和随钻测量技术(MWD),可以使水平井精确定位,同时作出地层评价,引导中靶地质目标。水平井形式包括单支、多分支和羽状水平井。水平井的成本一般是垂直井的1.5倍左右,例如800～1000m水平段的常规水平井钻井及完井投资约700万美元,而产量是垂直井的3倍右。与此同时,现代钻井技术已发展到了允许钻机转弯。钻头还可以准确地停留在一个狭窄的定向垂直窗口。由于水平部分很容易控制,所以能使页岩气资源从相同储层但面积大于单直井的地理区域流出。以美国宾夕法尼亚州的Marcellus页岩气田为例,一口垂直井的驱替体积大约只有直径1320ft、高50ft的圆柱体体积那么大。相比之下,水平井可延长至2000——6000ft,驱替体积较大,大约是直井驱替体积的5.79倍还多。驱替体积的增加使水平井比直井具有更多的优势。同时开采页岩气可以采用以下技术:¹超短半径水平井技术。利用超短半径水平井技术,在垂直井眼内对页岩气夹层打水平孔,即沿着页岩水平钻进形成井眼开采页岩气;º注气开采。就是向储层注入二氧化碳和氮气等,其实质是向页岩气层注入能量,改变压力传导性和增加扩散速率,从而提高单井产量;定向羽状水平井技术。是在常规水平井和分支井的基础上发展起来的,是指一个主水平井眼的两侧在钻出多个分支井眼作为泄气通道。

3固井、完井技术

页岩气固井水泥主要有泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰水泥等四种类型,火山灰水泥成本最低,泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥成本相当,高于其它两种水泥。页岩气井通常采用泡沫水泥固井技术,由于泡沫水泥具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水少、抗拉强度高等特点,因此泡沫水泥有良好的防窜效果,能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题,而且水泥侵人距离短,可以减小储层损害,泡沫水泥固井比常规水泥固井产气量平均高出23%。页岩气井的完井方式主要包括组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井和机械式组合完井。组合式桥塞完井是页岩气水平井最常用也是最耗时的完井方法,在套管井中,用组合式桥塞分隔各段,分别进行射孔或压裂。水力喷射射孔完井是以高速喷出的流体射穿套管和岩石的射孔完井方式,不用下封隔器或桥塞,可缩短完井时间,适用于直井或水平套管井。机械式组合完井采用特殊的滑套机构和膨胀封隔器,适用于水平裸眼井段限流压裂,一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工。目前一些列新型完井技术也在涌现,如Halliburton公司的Delta Stim完井技术,聚能射孔和多级完井,各个阶段对射孔产层使用挠性油管或扣连接的油管供水或喷砂等。

5结论及建议

页岩气产自于有机质丰富的页源岩中,成藏过程中基本无运移,成藏具有隐蔽性特点,不以常规圈闭的形成存在。同时开采周期长,低产或无自然产能。开采页岩气主要采用水平井技术,包括超短半径水平井技术和定向羽状水平井技术,也可以采用注气开采法。具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水少、抗拉强度高等特点,具有良好的防窜效果,能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题,新型完井技术如聚能射孔和多级完井技术逐渐兴起。储层改造主要采用压裂技术,包括水力喷射分段压裂技术、哈里伯顿PinpointFRAC技术、斯伦贝谢的StageFRAC技术、加拿大封隔器能源服务公司的StackFrac技术、贝克休斯的裸眼封隔器组合分段压裂技术。页岩气拥有巨大的资源量,各国对其开采技术的研究越来越重视。美国正处于页岩气开发的快速发展阶段,而我国还处在初级阶段,在全球资源日益紧张的今天,我国应加快对页岩气开采技术的研究,这在我国能源战略上具有重要的意义。

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