煤層氣藏與頁巖氣藏

編譯:馮利娟 朱衛(wèi)平 劉川慶 (西南石油大學(xué))

審校:郭大立 (西南石油大學(xué))

煤層氣藏與頁巖氣藏

編譯:馮利娟 朱衛(wèi)平 劉川慶 (西南石油大學(xué))

審校:郭大立 (西南石油大學(xué))

介紹了煤層氣藏和頁巖氣藏形成的基本原理,以及用于評價煤層氣藏和頁巖氣藏的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其獲取方法。概述了這些氣藏的鉆井、完井及開采過程。在煤層氣藏中,天然氣地層儲量絕大部分被認(rèn)為是吸附氣;頁巖氣則是吸附氣和游離氣的混合體,其普遍依賴于水力壓裂來連接井筒與天然裂縫。煤層氣藏與頁巖氣藏都具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性,兩種氣體將在世界能源供給中占有越來越重要的地位。

氣藏 煤層氣 頁巖氣 割理鉆井完井

1 引言

美國每年的煤層氣藏和頁巖氣藏的天然氣產(chǎn)量約為2.7×1012ft3(1 ft3=28.317 dm3),約占總天然氣產(chǎn)量的15%,其中大約有1.7×1012ft3產(chǎn)氣量產(chǎn)自20多個不同盆地中的40 000多口煤層氣井,剩下的1.0×1012ft3產(chǎn)氣量則來自于5大主要盆地中的頁巖氣藏的40 000口井。

澳大利亞、加拿大、中國以及印度已經(jīng)有了開采煤層氣的商業(yè)方案,40多個國家已經(jīng)開始研究煤層氣的潛能。除美國外,現(xiàn)今還沒有商業(yè)頁巖氣項(xiàng)目,但開發(fā)新的頁巖氣藏與增加現(xiàn)有氣藏中頁巖氣產(chǎn)量的工作仍在繼續(xù)。假設(shè)全世界的煤層氣超過9 000×1012ft3而頁巖氣超過16 000×1012ft3的話,那么很明顯,未來天然氣的增長存在著巨大的潛能。

2 氣藏基本原理

在煤層氣藏中,控制產(chǎn)氣量的重要參數(shù)包括煤層厚度、煤的成分、含氣量、氣體成分。煤層氣產(chǎn)量主要取決于滲透率和氣體飽和度。頁巖氣藏中的資源儲量和產(chǎn)量的控制與煤層氣藏中的情況類似。但典型的頁巖氣藏比較厚 (30～300 ft),不過吸附氣量要低一些 (＜10 m3/t),且孔隙中含有比較多的游離氣。另外,頁巖氣藏的滲透率通常比煤層氣藏的低,變化范圍一般在毫微達(dá)西至微達(dá)西之間。在如此低的滲透率下,為了得到有工業(yè)價值的氣體流率,要經(jīng)常打開一長的完井層段 (滲透率-厚度比值最大),且需要進(jìn)行水力壓裂。表1給出評估這些氣藏的重要數(shù)據(jù)。

表1 用于評價煤層氣藏和頁巖氣藏的關(guān)鍵數(shù)據(jù)

3 鉆井、完井與開采方法

隨著井底技術(shù)的提高及成本費(fèi)用的減少,水平鉆井已經(jīng)成為了非常有吸引力的備選方案。從水平井筒鉆出多水平井段,形狀類似于一片葉子上的葉脈。在頁巖氣藏中水平和多邊技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很大,尤其是在Barnett頁巖氣藏中,90%的新井都是水平井。

在煤層氣藏中使用各種各樣的壓裂增產(chǎn)技術(shù)。在美國新墨西哥州的Raton盆地,使用砂子作為壓裂支撐劑的凝膠液,在薄的單一的煤層中實(shí)施多套管井、撓性管壓裂增產(chǎn)技術(shù)。在美國懷俄明州Powder River盆地煤層滲透率高的井都是裸眼井,煤與水一起以5 bbl/min(1 bbl=0.159 m3)的速度沖刷煤粉,開啟割理系統(tǒng),并且有效地把井眼與氣藏連接在了一起。總之,無論是下套管井還是射孔井,單層或者是多層水力壓裂都是煤層氣井最常用的完井形式。

頁巖氣藏基本上依賴于水力壓裂來連接井筒與天然裂縫。盡管已經(jīng)在美國的伊利諾斯州盆地的New Albany頁巖嘗試過一些裸眼水平井,但大多數(shù)的頁巖氣藏水平井都是沿著水平斷層的長度進(jìn)行泵壓多級處理的下套管井、膠結(jié)井及射孔井。為了實(shí)時監(jiān)控這些作業(yè)及調(diào)整壓裂增產(chǎn)泵注計劃,使用了包括測斜儀及微地震在內(nèi)的新技術(shù)。為了防止裂縫增長到底層的 Ellenburge群濕巖中去,這些技術(shù)在Barnett頁巖氣藏中尤為重要。

大多數(shù)煤層氣藏與一些頁巖氣藏 (如美國密執(zhí)安盆地的Antrim頁巖氣藏)是水飽和的氣藏,初始產(chǎn)量由水和少量的氣所控制。由于天然裂縫系統(tǒng)產(chǎn)水,氣藏壓力下降,氣就從基巖中解吸,并且產(chǎn)氣量隨著產(chǎn)水量的降低而增加。在以一個由氣藏關(guān)鍵參數(shù) (尤其是滲透率)與鄰井的干擾效應(yīng)控制的速度下降之前,產(chǎn)氣量最終會達(dá)到一個峰值或者過段時間后趨于平穩(wěn)狀態(tài)。相反,干煤氣藏和頁巖氣藏像常規(guī)氣藏一樣,具有一個初始峰值產(chǎn)量,后來由于解吸氣體再次充滿整個天然裂縫系統(tǒng)而產(chǎn)量慢慢地下降。

表2 選自具有商業(yè)價值的煤層天然氣方案中的儲性對比

表3 選自美國具有商業(yè)價值的頁巖天然氣方案中的儲性對比 [修改自Curtis(2000)]

4 資源與儲量

準(zhǔn)確地測定煤層氣和頁巖氣的地質(zhì)儲量是一項(xiàng)困難且耗時的過程,這是因?yàn)檫@些氣藏的非均質(zhì)性及其不確定性數(shù)據(jù)所致。在煤層氣藏中,天然氣地層儲量的絕大部分被認(rèn)為是吸附氣。地質(zhì)儲量(m3)是由煤層厚度 (m)、面積區(qū)域 (m2)、密度(t/m3)以及氣體含量 (m3/t)決定的。為了測定煤層厚度,經(jīng)常采用保守的密度界限值 1.75 g/cm3,但為了收集到與煤層共存的頁巖氣藏蘊(yùn)氣性,該值應(yīng)該增加到2.5 g/cm3。利用密度測井或巖心測量可以估算出原儲層煤層密度。傳統(tǒng)的氣體含量測量都是在實(shí)驗(yàn)室中通過煤樣解吸得到,然后再根據(jù)氣體的逸散和滯留對這些值進(jìn)行校正。近來引入井底激光光譜法來測量儲層煤的吸附氣量。

在頁巖氣藏開發(fā)中,需要測定吸附氣的組成(使用與煤層氣相同的技術(shù))和游離氣的組成。游離氣的總量可以通過常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)獲得,但是該方法由于基巖孔隙度低、束縛水含量大、過渡帶可能很長等原因而變得復(fù)雜。巖心測量,尤其是孔隙度和排泄毛細(xì)管壓力對于估計基巖的儲藏特性非常重要。裂縫孔隙度對于儲氣量也非常重要,盡管它通常都比較低 (不足儲層總?cè)莘e的2%),但對于低基巖孔隙度的頁巖氣藏,裂縫孔隙度卻能影響其10%或更多的儲存容量。

數(shù)值模擬是一種強(qiáng)明力的手段,它通過估算油氣藏重要參數(shù)變化的影響并結(jié)合獨(dú)特的組分 (如定向滲透率、游離氣和吸附氣)來評價各種各樣的開發(fā)策略 (包括井距、井網(wǎng)及壓裂措施設(shè)計),結(jié)合巖心、測井、試井?dāng)?shù)據(jù)來量化描述氣井動態(tài)。一旦建立,模型就能隨著產(chǎn)量、氣藏靜態(tài)壓力以及井底生產(chǎn)壓力而更新,從而更好地理解和預(yù)測未來氣井動態(tài)。

當(dāng)氣藏進(jìn)行排水后,或者根本不需要排水,生產(chǎn)動態(tài)和儲量能夠通過常規(guī)技術(shù),如物質(zhì)平衡及遞減曲線分析方法,進(jìn)行估測。在這些氣藏中對儲量最大化開發(fā)的一個重要因素就是最小廢棄壓力。吸附氣藏的儲存特性決定了大量的氣體在低的氣藏壓力下即可解吸。圖1表明,對于煤層的不同成熟度,如果平均氣藏壓力從100降到50 psia(1 psi =6.895 kPa),與從200降至150 psia的50 psia相比,更多的氣體解吸出來。

5 評估策略與商業(yè)前景

評估煤層和頁巖氣藏儲量是確定最具前景的區(qū)域以及對其進(jìn)行評價和開發(fā)的有效方法。成功的方案有許多共同點(diǎn),其中包括獲得技術(shù)、天然氣市場、密集的氣藏資源以及有利的儲層特性 (表2和表3)。

圖1 表明不同成熟度煤層甲烷吸附能力變化的Langmuir等溫線

分析一個新區(qū)域的第一步是在對常規(guī)井、地質(zhì)學(xué)和地球物理調(diào)查中搜集現(xiàn)有的信息。一個重要的卻經(jīng)常被忽略的是信息源,它包括井下圖、煤層特性以及鉆取巖心孔的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可通過分析熱成熟度、有機(jī)物富集程度、厚度、深度來辨別是煤層還是頁巖層。廣泛地布置并鉆探垂直評價井,以確定含氣量、氣體飽和度、有機(jī)物特性以及滲透率。鉆探足夠量的評價井對于量化氣藏特性是非常必要的,尤其是滲透率,即使是近井之間,也可能在幾個數(shù)量級之間變化。

如果評價井的特性令人鼓舞,那么就可以繼續(xù)一些其他的選項(xiàng),包括評價井布井。如果該氣藏沒必要排水,那么就可能產(chǎn)出可觀的氣體;或鉆水平井或鉆多分支井來迅速排水以便產(chǎn)氣。

并不是所有的煤層氣藏都要進(jìn)行多井測試試驗(yàn)。一些氣藏剛開始就能用水平井開發(fā),如由厚的、淺層的連續(xù)煤層組成的美國阿巴拉契亞山脈盆地氣藏。對于低揮發(fā)氣藏的煤層,如加拿大阿爾伯塔的 Horseshoe Canyon煤層氣藏,不要求排水,只在評價井產(chǎn)氣率的基礎(chǔ)上就能進(jìn)行開發(fā)。這一開發(fā)現(xiàn)象也同樣適用于巴尼特、俄亥俄州以及Lewis頁巖氣藏。

無論需不需要試驗(yàn)井,評估煤層氣和頁巖氣藏的含氣遠(yuǎn)景是一項(xiàng)多階段的活動,需要全面的策略及退出標(biāo)準(zhǔn)。許多公司當(dāng)初放棄了現(xiàn)今非常有商業(yè)價值的方案,就是因?yàn)樗鼈兡菚r沒有進(jìn)行一個全面的評估或者缺乏持續(xù)投資的毅力。一旦一個方案具有商業(yè)價值時,對于公司而言就要考慮成本最小化。

6 煤層天然氣與頁巖天然氣方案調(diào)查

美國San Juan盆地的Fruitland煤層氣藏位于新墨西哥州的西北部、科羅拉多州的東南部,是世界上最大煤層氣藏之一。它形成于白堊紀(jì),其產(chǎn)量超過2.5 109ft3/d,占美國總產(chǎn)量的60%。該盆地劃分為兩個不同的區(qū)域:“富產(chǎn)區(qū)”和“非富產(chǎn)區(qū)”。富產(chǎn)區(qū)僅占整個產(chǎn)氣區(qū)域的大約15%,盡管其產(chǎn)量超過該盆地的總產(chǎn)氣量的75%。煤層氣藏在富產(chǎn)區(qū)的最深處,不僅具有最大的滲透率 (20～100 mD,1 mD=1.02×10-3μm2)而且還是超壓氣藏。富產(chǎn)區(qū)外,一般是低滲透率 (1～30 mD)的薄煤層 (20～40 ft),處正常或負(fù)壓的環(huán)境。

富產(chǎn)區(qū)內(nèi),超過90%的井是通過空穴技術(shù)完井的。該技術(shù)是在上部下套管的裸眼井中交替使壓力升高然后突然急速降壓來完井的。該過程使煤層破壞,增大了裸眼孔,而且還增加了滲透率的環(huán)形區(qū)域,這都增加了產(chǎn)氣量。除富產(chǎn)區(qū)外,通常使用常規(guī)水力壓裂。富集區(qū)產(chǎn)量是 6 MMscf/d(1 MMscf/d=2.832×104m3/d),據(jù)報道其峰值產(chǎn)量超過25 MMscf/d。非富集區(qū)的產(chǎn)量是100×103ft3/d至400×103ft3/d。

7 工程技術(shù)與未來趨勢

過去的20年里,無論是煤層氣藏還是頁巖氣藏的開采都取得了明顯的效益,這主要?dú)w功于上游的科技發(fā)展成果。這些科技包括水平鉆井技術(shù)、特殊完井技術(shù)以及新的水處理技術(shù)。這些新技術(shù)的使用必將對技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)量增長兩方面產(chǎn)生巨大動力。

技術(shù)需要把煤層氣藏與頁巖氣藏的開發(fā)歸入和常規(guī)氣藏開發(fā)一樣的基本類型:氣藏特征,鉆井、完井及生產(chǎn)作業(yè) (表4)。

但對于給定的煤層氣藏與頁巖氣藏所需要的關(guān)鍵技術(shù)取決于該氣藏的非均質(zhì)性、巖石的機(jī)械性能及其流體類型。一些新技術(shù)如3D地震,雖然價格昂貴,但非常有用,在產(chǎn)氣量與儲量的評估方面發(fā)揮著重要作用。

一種趨勢是注入二氧化碳來開采煤層氣與頁巖氣。頁巖中的煤和其他有機(jī)成分將釋放出吸附氣,這將增加甲烷采收率與碳的螯合物產(chǎn)出。當(dāng)煤層吸附二氧化碳時會膨脹,從而導(dǎo)致滲透率下降。盡管如此,一些國家仍然有計劃地進(jìn)行這些技術(shù)的研究。

表4 煤層氣藏與頁巖氣藏開發(fā)所需的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

8 結(jié)論

與常規(guī)氣藏相比,煤層氣藏與頁巖氣藏具有非均質(zhì)性、多種氣體共存及產(chǎn)量受控的特點(diǎn)。過去20多年中,對這些非常規(guī)氣藏已經(jīng)在鉆井、完井及開采技術(shù)等方面取得了重大突破。結(jié)果就是排水更快,可以達(dá)到更高的峰值產(chǎn)氣量。儲量預(yù)測更精及經(jīng)濟(jì)效益更高。

隨著技術(shù)的發(fā)展和氣體價格的高漲,可以相信在不遠(yuǎn)的將來煤層氣和頁巖氣將會有更大的發(fā)展?jié)摿?并將在世界能源供給中占有越來越重要的地位。

資料來源于美國《J PT》2008年2月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.007

2008-03-12)