頁巖氣勘探開發技術研究

許 潔,許明標

(長江大學石油工程學院,湖北荊州434023)

1 頁巖氣成藏機理

頁巖在地層組成上,多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。在頁巖中,天然氣的賦存狀態多種多樣。除極少量的溶解狀態天然氣外,大部分均以吸附狀態賦存于巖石顆粒和有機質表面,溶解于干酪根和瀝青里,或以游離狀態賦存于粒間孔隙和天然裂縫中。其中吸附狀態天然氣的含量變化于20%～85%[1]。

頁巖氣成藏具有隱蔽性,成藏機理上具有遞變過渡的特點,一般原生頁巖氣藏具有高異常壓力。頁巖氣藏不以常規圈閉的形式存在,但頁巖中裂縫發育有助于游離相天然氣的富集和自然常能的提高。當發生構造升降運動時,其異常壓力相應升高或降低,因此頁巖氣藏的地層壓力多變。

頁巖氣產自富有有機質的頁巖中,氣源主要來自于熱成熟作用或生物作用,是天然氣在烴源巖中大規模滯留的結果[2],為典型的自生自儲型天然氣藏,其成藏至少分為2個階段:第1階段是天然氣的生成 (生物作用和熱成熟作用)與吸附;第2階段是天然氣的造隙及排出。由于天然氣的生成來自于化學能的轉化,可以形成高于地層壓力的排氣壓力,從而導致沿巖石的薄弱面產生小規模的裂縫,天然氣就近在裂縫中保存。

2 頁巖氣特性

2.1 頁巖氣基本特征

頁巖氣具有如下基本特征:①頁巖巖性為瀝青質或富含有機質的暗色、黑色泥頁巖,巖石組成一般為30%～50%的粘土礦物、15%～25%的粉砂質 (石英顆粒)和1%～20%的有機質,多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層,TOC(總有機碳)一般介于0%～25%之間,鏡質體反射率介于0.4%～2%之間;②頁巖本身既是氣源巖又是儲集層,目前可采的工業性頁巖氣藏埋深最淺為182m,頁巖產層厚度一般為15～100m,頁巖總孔隙度一般為4%～6%,而含氣的有效孔隙度一般只有1%～5%,滲透率小于0.001×10-3μm2;③頁巖氣成藏具有隱蔽性特點,不以常規圈閉的形式存在,但當頁巖中裂縫發育時,有利于游離相天然氣的富集和自然產能的提高[3]。

2.2 頁巖氣藏開發特征

頁巖氣藏具有如下典型的開發特征:

1)低產或無自然產能 據美國東部早期的頁巖氣井完井數據統計,40%的頁巖氣井初期裸眼測試時無天然氣流,55%的頁巖氣井初期流量較小,沒有工業價值,所有的頁巖氣井都要實施儲層壓裂改造。直井壓裂改造后的產能平均為8063m3/d,水平井壓裂改造后的產能平均為10×104m3/d。

2)生產周期長 頁巖氣在投入生產后,頁巖中的天然裂縫引起的滲透性在一定程度上彌補了基質滲透率低的缺陷。因為,頁巖氣藏生產中首先排出的是裂縫中的游離氣,隨即是與裂縫溝通或自然連通的孔隙中的游離氣。頁巖氣井在進入穩產期后的遞減速度較慢,使得生產周期比較長。根據估算,認為一般頁巖氣井生產壽命可在30～50年。

3)氣藏采收率變化較大 據美國5個主要頁巖氣產氣盆地的統計,頁巖氣藏的采油率變化范圍為5%-60%。如埋藏較淺、地層壓力較低、有機質豐度較高、吸附氣含量較高的Antrim頁巖氣藏的采收率可達60%;而埋藏較深、地層壓力較高、吸附氣所占比例較低的Barnett頁巖氣藏的采收率早期為7%～8%,隨著技術進步,目前采收率達到16%[4]。

3 勘探和開發技術

3.1 儲層評價技術

測井和取心是頁巖氣儲層評價的主要手段。測井和取心是頁巖氣儲層評價的 2種主要手段。Schlumber公司應用測井數據,包括ECS(Elemental Capture Spectroscopy)來識別儲層特征。單獨的GR不能很好地識別出粘土,干酪根的特征是具有高GR值和低Pe值。成像測井可以識別出裂縫和斷層,并能對頁巖進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應力方向,進而為氣井增產提供數據。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性,并分析測試 TOC和吸附等溫曲線。

3.2 鉆井技術

美國頁巖氣鉆井主要包括直井和水平井2種方式。直井主要目的用于試驗,了解頁巖氣藏特性,并優化水平井鉆井方案。水平井主要用于生產,可以獲得更大的儲層泄流面積,獲得更高的天然氣產量。目前多采用水平井或斜井開采,斜井鉆進時開發透鏡狀氣藏可選擇的最佳方法,而水平井將成為開發邊緣海相和海相席狀砂巖的最佳方法。

3.3 頁巖氣井測井技術

頁巖氣井測井內容主要指氣層、裂縫、巖性的定性與定量識別。頁巖氣層測井顯示高電阻、高聲波時差、低體積密度、低補償中子、低光電效應等特征。

3.4 頁巖氣含氣量錄井和現場測試技術

由于頁巖氣的孔隙度低,以裂縫和微孔隙為主,絕大多數的頁巖氣以游離態,吸附態存在。游離態頁巖氣在取心鉆進過程中逸散進入井筒,主要是測定巖心的吸附氣含量。頁巖氣在錄井過程中需要在現場做頁巖氣含量測定,頁巖解吸及吸附等重要資料的錄取。針對頁巖氣鉆井對錄井的影響,可以通過改進錄井設備、方法和措施,達到取全和取準錄井資料的目的[5]。

3.5 完井技術

國外從事油氣勘探開發的一些公司認為,頁巖氣井的鉆井并不困難,難在完井。主要由于頁巖氣大部分以吸附態賦存于頁巖中,而其儲層滲透率低,既要通過完井技術提高其滲透率,又要避免地層損害時施工的關鍵。

頁巖氣井的完井方式主要包括組合式橋塞完井、水力噴射射孔完井。目前主要技術有Haliburton公司的Delta Stim完井技術,施工時將完井工具串下入水平井段,懸掛器坐封后,注入酸溶性水泥固井。井口泵入壓裂液,依次逐段進行壓裂。

3.6 儲層改造技術

頁巖氣儲層改造技術包括水力壓裂和酸化,可以通過常規油管或連續油管進行施工。

關鍵在于壓裂液處理,除了使用大量的活性水外,還要加入一些特殊的添加劑,如特殊的降阻劑(不含苯酚)、微乳化表面活性劑、裂縫清潔加強劑和導流增強劑等。20世紀70年代,美國對東部泥盆紀頁巖氣開發中曾采用裸眼完井,硝化甘油爆炸增產技術來提高天然氣的采油率;20世紀80年代使用高能氣體壓裂以及氮氣泡沫壓裂,使得頁巖氣產量提高了3～4倍。

沃斯堡盆地Barnett頁巖氣藏的開發先后經歷了直井小型交聯凝膠或泡沫壓裂,直井大型交聯凝膠或泡沫壓裂,直井減阻水力壓裂與水平井水力壓裂等多個階段,增產效果極大地提高。

1)泡沫壓裂 在壓裂液中加入起泡劑,并且與氮氣一起泵入。泡沫使氣體在水中乳化,使用表面張力來懸浮和攜帶支撐劑[6]。

2)氮氣壓裂 使用氮氣的原因是頁巖具有水敏性,將氮氣或氣體作為唯一的壓裂液,可以根除所有由清水引起的問題。

3)水力壓裂 由于頁巖氣產能較低,通常埋深大,地層壓力高的頁巖儲層必須進行水力壓裂改造才能實現經濟開采。水力壓裂以清水為壓裂液,支撐劑較膠凝壓裂少90%,并且不需要黏土穩定劑與表面活性劑,大部分地區完全可以不用泵增壓,較之凝膠壓裂技術可以節約成本50%～60%[7]。

4)清潔壓裂液 有些地方頁巖遠景區的作業者發現,壓裂過程中存在水力壓裂裂縫中支撐劑充填不充分的情況。該現象可能是由于壓裂液產生的裂縫寬度不夠,不足以容納支撐劑顆粒所造成的,也可能是因為泵入裂縫的砂粒從攜砂液中快速脫離懸浮狀態造成的。

國外開發出清潔壓裂液體系來解決這一困難。這種體系造縫和攜帶支撐劑方面具有高粘度液體體系的所有優點,并且不需要破膠劑來降低粘度。

一些作業者采用了ClearFRAC無聚合物壓裂液或FiberFRAC纖維基壓裂液。ClearFRAC的目的是為了將支撐劑送入裂縫深處,此體系中不含可能降低裂縫滲透率的固相成分,并且可以與富含有機質的頁巖配伍,該體系不需要另外添加破膠劑,遇到烴類和地層水便能自動破膠[8]。FiberFRAC中的纖維使支撐劑砂粒處于懸浮狀態,直至裂縫在砂粒閉合并將其鎖定。最后流體中的纖維溶解,從而增加裂縫中流體的流動能力。此外還有水平井分段壓裂技術[9]、重復壓裂[10]、同步壓裂等。

3.7 裂縫綜合監測技術

頁巖氣井實施壓裂改造措施后,需要有效的方法來確定壓裂作業效果,獲取壓裂誘導裂縫導流能力、幾何形態、復雜性及其方位等諸多信息,改善頁巖氣藏壓裂增產作業效果以及氣井產能,并提高天然氣采收率。

推斷壓裂裂縫幾何形態和產能的常規方法主要包括利用凈壓力分析進行裂縫模擬、試井以及生產動態分析等間接的井響應方法。利用地面、井下測斜儀與微地震監測技術結合的裂縫綜合診斷技術,可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表征所產生裂縫網絡,評價壓裂作業效果,實現頁巖氣藏管理的最佳化。該技術有以下優點:①測量快速,方便現場應用;②實時確定微地震事件的位置;③確定裂縫的高度、長度、傾角及方位;④具有噪音過濾能力[11]。

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[2]張利萍,潘仁芳.頁巖氣的主要成藏要素與氣儲改造[J].中國石油勘探,2009,14(3):20-23.

[3]張金川,薛會,張德明,等.頁巖氣及其成藏機理 [J].現代地質,2003,17(4):466.

[4]閆存章,黃玉珍,葛春梅,等.頁巖氣是潛力巨大的非常規天然氣資源 [J].天然氣工業,2009,29(5):1-6.

[5]劉洪林,王莉,王紅巖,等.中國頁巖氣勘探開發適用技術探討 [J].油氣井測試,2009,18(4):68-71,78.

[6]許衛,李勇明,郭建春,等.氮氣泡沫壓裂液體系的研究與應用 [J].西南石油學院學報,2002,24(3):64-67.

[7]黃玉珍,黃金亮,葛春梅,等.技術進步是推動美國頁巖氣快速發展的關鍵[J].天然氣工業,2009,29(5):7-10.

[8]赫澤.無聚合物壓裂液 [J].國外油田工程,2007,17(1):13-16.

[9]付玉,郭肖.煤層氣儲層壓裂水平井產能計算[J].西南石油學院學報,2003,25(3):44-46.

[10]Pollastro RM.Total petroleum sy stem assessment of undiscovered resources in the giant Barnett Shale continuous(unconventional)gas accumulation,Fort Worth Basin,Texas[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):551-578.

[11]李艷春.改進Barnett頁巖增產效果的綜合裂縫監測技術 [J].油氣田開發與開采,2009,25(1):20-23.