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2016年12月15日 ⁄ 暗潮 石油综合 ⁄ 评论数 0+ ⁄ 被围观 +

页岩气分布广泛,具有巨大的开发潜力。2013年美国能源信息署(EIA)对全球非常规油气资源进行统计,结果显示,全球页岩气技术可采储量约为207.0×1012m3。其中,中国待发现的页岩气技术可采资源量约为31.6×1012m3,居世界首位。然而,由于页岩储层具有低孔隙度?低渗透率以及非均质性强等特性,与常规油气资源相比,开采难度大,绝大部分情况下,需要对页岩储层采取有效的增产改造措施。

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21世纪初,以美国为代表的北美国家与地区,依靠水平井压裂技术对储集层进行改造,实现了页岩气的商业化开采,该区页岩气的勘探及开发技术取得了巨大的进步。然而,页岩气压裂仍然面临诸多问题,如环境污染、成本高等,因此页岩气压裂工艺技术仍在不断完善之中。与北美相比,中国在页岩气勘探开发领域起步较晚,整体上处于前期探索和准备阶段。了解国内外页岩气压裂技术现状及发展方向,对中国页岩气勘探开发具有一定的借鉴和指导意义。

1、国外页岩气压裂发展历程

1821年,美国钻出第1口页岩气井,成为世界上最早进行页岩气勘探开发的国家。然而,由于开采难度大、成本高,在很长一段时间内,页岩气大规模开发并不具备可行性。随着压裂技术的不断进步,页岩气商业化开发逐渐成为可能。总的来说,页岩气压裂发展历程可分为探索起步、快速发展以及大规模推广应用3个阶段。

探索起步阶段(1978—1997年):1978年,美国《国家天然气政策法》重启了美国页岩气的开发进程,当时主要依靠硝化甘油爆炸增产改造技术实现量产;1981年,美国页岩气井首次实施压裂改造并取得了成功,验证了水力压裂技术开发页岩气的可行性,页岩气开发实现了历史性突破。

快速发展阶段(1997—2002年):1997年,Mitchell公司首次将清水压裂液应用于页岩气开发;1999年,重复压裂应用于页岩气开发,增产效果显著;2002年,Devon公司对Vossburg地区的7口页岩气水平井进行了压裂试验,取得巨大成功,为实现页岩气的大规模商业化开发奠定了基础。

大规模推广应用阶段(2002年至今):水平井成功后,页岩气水平井数量迅速增加,2004年,水平井分段压裂+清水压裂的压裂工艺迅速推广,广泛应用于页岩气开发中;2005年,国外进行了水平井同步压裂技术试验,进而发展为“工厂化”压裂模式。

2、页岩储层压裂地质评价技术

储层岩石力学特征、脆性特征、地应力以及天然裂缝分布等对人工裂缝的延伸以及裂缝网络的形成起着重要作用,客观地决定了储层改造的效果和质量。因此,压裂地质特征评价技术在页岩储层改造中的地位日益突出。

2.1地应力分布研究

压裂裂缝的形态取决于地层三向应力状态,裂缝延伸方向总是平行于最大主应力,垂直于最小主应力。研究还表明,两向应力差是实现体积压裂的重要因素。水平应力差越小,压裂过程中越容易形成复杂的缝网。水力压裂法、岩石声发射Kaiser效应法、测井资料计算法以及数值模拟法是获取地应力的主要方法。然而,各方法略有不同:水力压裂方法是现场确定地应力最直接?最可靠的方法之一,岩石声发射Kaiser效应法是实验室确定地应力的重要方法,测井资料计算法能够给出随深度变化的地应力剖面,数值模拟方法可得到地应力在一定区域的宏观分布。

2.2岩石脆性评价

页岩储层岩石的脆性是控制裂缝网络形成和获得有效增产效果的关键因素,脆性越大,越容易形成裂缝网络。

1990年,R.J.Evans等阐述了页岩脆性的概念,然而到目前为止,仍没有统一的岩石脆性指数的定义和测量方法。李庆辉等对国内外计算脆性指数的多种方法进行了总结,主要包括应变曲线法?剪切法和脆性矿物质量分数法等。应用较多的是岩石力学经验公式和脆性矿物质量分数2种评价方法。各评价方法差异较大,且都有一定的局限性,尚不能从宏观上反映压裂时岩石变形及破裂特征。

2.3天然裂缝识别

储层天然裂缝的发育程度以及方位对人工裂缝的延伸?缝网的形成有着重要影响。研究表明,储层天然裂缝发育程度越好,越容易形成复杂的缝网,与此同时,人工裂缝与天然裂缝之间的角度也对网络裂缝的形成有影响。

页岩储层天然裂缝的识别方法与其他岩石类型略有不同,目前主要利用的方法有地质及岩石学法?录井法?地震法?井间压力干扰试井法等。然而,对天然裂缝的研究仍然还停留在定性描述上,缺乏深入的定量分析。

2.4岩石力学特征研究

水力压裂中,岩石力学性质对于研究岩石的破裂?水力裂缝延伸过程中裂缝宽度的变化,以及确定最终的裂缝几何形状非常重要。岩石力学参数的确定方法主要有2种:一种是对岩心进行加载实验,另一种是根据地球物理测井资料计算。

3、页岩气压裂施工工艺

随着页岩气开发的不断深入,常规压裂已不能满足大规模商业化开发的要求,水平井分段大规模水力压裂成为当前页岩气开发的关键技术。此外,同步压裂?重复压裂?工厂化压裂模式以及裂缝监测技术同样被广泛应用于页岩气压裂施工中。

3.1水平井分段压裂

可钻桥塞分段压裂?封隔器分段压裂以及水力喷射分段压裂是当前北美地区页岩气开发中常用的水平井分段压裂技术。

3.1.1可钻桥塞分段压裂

可钻桥塞分段压裂技术是集水力泵送?射孔与桥塞联作以及快钻桥塞于一体的压裂工艺。该技术适用于套管完井,其流程为:下入可钻桥塞压裂管柱—坐封桥塞—打掉桥塞并上提管柱—将射孔枪对准预定位置射孔—将管柱全部提出井筒—压裂。重复以上步骤进入下段压裂。

由于可钻桥塞分段压裂技术采用射孔?压裂联作的方式,压裂后短时间内即可钻掉所有桥塞,与常规压裂方法相比,能够大幅提高作业效率,同时减小了压裂液对储层的伤害。

3.1.2封隔器分段压裂

这是一项一次性入井即可实现水平井选择性隔离以及分段改造的工艺技术,由于封隔器在套管内及裸眼段均能达到理想的耐压指标,因此适用于多类油气井的增产改造。

该技术分2类:一类是适用于套管完井的滑套封隔器压裂技术,该技术工艺过程复杂,施工风险较大,目前应用较少;另一类为膨胀式封隔器压裂技术,主要适用于裸眼完井,其工作原理为,封隔器下入井底预定位置后,遇油气或水以后膨胀,实现坐封。由于裸眼封隔器分段压裂具有可靠性高?成本低?风险低以及压裂后投产快等优点,在北美地区得到广泛应用。

3.1.3水力喷射分段压裂

1998年,Surjaatmadja第一次提出水力喷射分段压裂方法,并应用于水平井压裂工程。水力喷射压裂是集喷射射孔?水力压裂及酸化?封隔于一体的高效增产改造技术。该技术依据伯努利原理,将压能转化为流体动能。由于高速流体的冲击作用,射孔孔道顶端产生微裂缝,之后受环空压力以及射流增压效应的影响,孔道内压力不断增大,直至压裂地层。水力喷射压裂可实现自动封堵,具有封隔准确?用时短?成本低等特点。该技术应用范围广,适用于各种完井方式,在全世界范围内发展迅速,已在美国?加拿大?巴西等国家得到了应用。

3.2同步压裂

同步压裂是指对2口或者2口以上的相邻井同时进行压裂,或者在相邻井之间进行拉链式交替压裂。在同步压裂过程中,相邻井之间相互影响,产生应力干扰,增大裂缝复杂性指数(FCI),增加压裂改造体积(SRV),从而提高产量和最终采收率。

2006年,同步压裂技术首次应用于Barnett地区的页岩气开发中,随后在多个地区得到了广泛应用,现已发展到3口井甚至4口井同时压裂的水平。同步压裂可显著提高页岩气井的短期产量,且对环境影响小,常应用于页岩气的中后期开发。

3.3重复压裂

当初始压裂失效或支撑剂破碎,造成页岩气井产气量大幅下降时,重复压裂可重新打开裂缝或使裂缝重新取向,从而再次建立储层到井筒的渗流通道,恢复或增加气井产能,是一种低成本增产方法。在NewarkEast气田,曾对页岩气井进行过重复压裂改造。试验结果表明,重复压裂后的页岩气井产量与初次压裂时期相比更高。

3.4“工厂化”压裂模式

随着北美地区页岩气的开发以及大规模水平井分段压裂技术的推广应用,哈里伯顿公司于2005年首次提出了一种新的压裂模式—“工厂化”压裂。该压裂模式采用循环压裂液体系,适用于丛式井组开发,是一种新型高效的综合开发模式。

“工厂化”压裂的最大特点就是连续性作业,可以大幅度提高压裂设备的利用率,同时减少设备动迁及安装频率,降低工人劳动强度。北美地区开发实践表明,该压裂模式在页岩气开发中效果显著,对提高压裂效率?降低页岩气开发成本贡献巨大。

3.5裂缝监测技术

裂缝监测是评价压裂效果的重要手段,也是优化压裂工艺及其设计的重要途径。常用的裂缝监测方法主要有微地震监测、测斜仪监测、直接近井筒裂缝监测?分布式声传感监测等。

各种监测方法都有其自身的优点和局限性。为了准确认识压裂裂缝特征,结合多种方法的综合诊断技术,如结合成像测井与微地震监测的诊断技术以及测斜仪检测与微地震监测相结合的综合裂缝监测技术,在页岩气开发过程中的应用将越来越广泛。

4、压裂液体系

压裂液的选取依据是页岩气储层的特征,针对不同的页岩储层应采用不同类型的压裂液。应用于页岩气开发的压裂液主要有冻胶压裂液?泡沫压裂液?清水压裂液以及复合压裂液等,其中清水压裂液和复合压裂液应用最广泛。

4.1清水压裂液

在清水压裂液中,水占了绝大部分,同时加入了一定量的支撑剂,还有极少量的降阻剂、表面活性剂、黏土稳定剂等。

清水压裂液作为一种清洁型压裂液,主要适用于水敏性弱?储层天然裂缝较发育?脆性较高的地层。与常规冻胶压裂液相比,清水压裂液的压裂效果更好,对储层伤害小且成本低。自1997年以来,清水压裂液在页岩气压裂中得到了广泛应用。然而清水压裂液也有其不足之处,如因黏度较低导致携砂能力差等。

4.2复合压裂液

复合压裂液主要由高黏度冻胶和低黏度滑溜水组成,主要针对黏土含量高?塑性强的页岩储层而设计。高黏度冻胶的主要作用是,在保证形成一定宽度裂缝的同时增大压裂液的携砂能力,而低黏度滑溜水可保证较好的造缝能力。复合压裂液的注入顺序为:先交替注入前置液滑溜水与冻胶,接着泵入小粒径支撑剂,然后泵入中等粒径支撑剂。携带支撑剂的滑溜水在冻胶中发生黏滞指进,支撑剂沉降速度降低,从而有效增大了裂缝的导流能力。

在Barnett地区页岩气藏曾采用过复合压裂液压裂,结果显示,其单井产量比采用其他方式压裂的邻井提高将近30%。Anadarko石油公司在北美Haynesville页岩气开发中,利用裂缝监测技术对复合压裂液和清水压裂液的压裂效果进行了对比,结果表明,复合压裂液形成的有效裂缝半长是清水压裂液的3倍。采用复合压裂液可显著增大有效裂缝长度,提高产量,但与清水压裂液相比,其成本较高且对储层伤害较大。

5、页岩气压裂技术发展方向

5.1 提升页岩气压裂施工效率

高昂的开采成本是制约页岩气开发的重要因素,如何提高压裂施工效率,降低成本仍是未来页岩气压裂技术发展的重要方向。研究结果表明,水平井开发过程中,大部分产能仅来自30%左右的有效层段,特别是非均质性较强的水平井,因为大部分压裂层段并没有出现在“甜点”处。实现压裂段数的少?精?准成为提高页岩气压裂施工效率的重要途径。

为了避免无效压裂作业,国内外正在探索可有效识别断层?出水层段以及油气富集区的随压“甜点”监测技术,以便显著提高页岩气压裂施工效率。然而,真正能够做到准确无误地高效压裂,还有待进一步的研究和突破。

5.2 改善页岩气的渗流条件

改善页岩气的渗流条件是提高页岩气产量的关键。在常规压裂过程中,支撑剂的嵌入降低了裂缝的导流能力,而HiWAY高速通道压裂技术的出现颠覆了传统压裂理念。整合了完井工艺、填砂工艺、流体控制工程的HiWAY高速通道压裂技术,通过间歇式交替注入支撑剂和高浓度凝胶压裂液,在支撑剂填充区形成开放性的高速渗流通道,极大地改善了页岩气的渗流状态。该技术已在全球多个地区得到了应用。统计结果显示,与常规压裂相比,运用该技术后的产量提高了15%。与直井相比,水平井极大地改善了页岩气的渗流条件。然而,复杂结构井具有更大的优势,以复杂结构井为主导的新技术将逐渐成为未来开发非常规油气资源的有效手段。在双分支水平井压裂试验中,每个分支长1500m以上,进行15段压裂。与单分支水平井相比,页岩气产量提高25%,而成本降低了35%,显示出巨大的应用潜力。在页岩气开发中,包括双分支水平井和多分支水平井压裂的复杂结构井压裂技术,将成为页岩气压裂的发展趋势。

5.3 降低页岩气压裂对环境的影响

首先,页岩气压裂消耗大量的水资源,造成水资源紧张。根据美国能源局公布的统计结果,Barnett地区的页岩气井平均用水量高达1×104m3/口,其中水力压裂的水量占总用水量的绝大部分。其次,压裂液对生态环境也有重大危害,在压裂过程中,有高达80%的压裂液不能返排,因其含有杀菌剂、阻垢剂、润滑剂以及表面活性剂等多种化学添加剂,有可能导致饮用水污染。因此,降低页岩气压裂造成的环境影响逐渐成为页岩气压裂技术的重要指标。研究新型无水压裂技术成为未来页岩气压裂关注的重点。

国内外已经开展LPG(液化石油气)压裂、超临界CO2压裂以及液氮压裂等新型无水压裂技术的可行性研究和应用。

LPG压裂以液化石油气作为压裂液,与常规水力压裂相比,该技术可显著增大有效裂缝长度,提高产能,同时避免水敏?返排液回收困难等问题,该技术已在北美地区取得了成功。然而LPG易燃,具有爆炸风险,需要进一步改进技术并完善安全标准。

超临界CO2不同于气体和液体,其黏度低,易扩散,同时表面张力可忽略不计。因此,在页岩气压裂中,超临界CO2压裂具有许多优势,不仅有利于产生复杂的缝网,同时由于不含液相和固相,对储层无污染,可有效避免黏土膨胀?水敏等危害。另外,CO2进入储层还可改善驱替效果,从而提高采收率。

2011年,国内学者李子丰提出了液氮压裂技术,同样具有不错的应用前景。然而,超临界CO2压裂以及液氮压裂技术主要还停留在理论研究及室内试验阶段,尚有许多技术层面没有突破。

6、结束语

页岩气压裂技术,经历了探索起步、快速发展及大规模推广应用阶段,正在逐渐成熟,有力地推动了页岩气的开发进程。作为配套技术,压裂地质特征评价在页岩气压裂中占有重要地位,主要包含地应力测量、岩石脆性评价、天然裂缝识别以及岩石力学特征测定。水平井分段压裂、重复压裂、同步压裂、裂缝监测技术以及“工厂化”压裂模式是当今页岩气压裂施工工艺的主体,而清水压裂液以及复合压裂液是应用最广泛的压裂液体系。提升页岩气压裂施工效率,提高改善页岩气渗流条件的程度,降低页岩气压裂对环境的影响,是未来页岩气压裂技术的发展方向。

(原文来自《断块油气田》,作者:刘广峰 , 王文举 , 李雪娇 )

 
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