王冕冕,郭 肖,曹 鵬,陳 玲,鄧 玄

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué),四川 成都 615000; 2.中油大慶油田有限責(zé)任公司,黑龍江 大慶 166500; 3.中海油湛江油氣田分公司,廣東 湛江 524057)

影響頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)因素及勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)展望

王冕冕1,郭 肖1,曹 鵬1,陳 玲2,鄧 玄3

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué),四川 成都 615000; 2.中油大慶油田有限責(zé)任公司,黑龍江 大慶 166500; 3.中海油湛江油氣田分公司,廣東 湛江 524057)

頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)在緩解能源供給壓力、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等方面具有不可忽視的作用。以此為契機(jī),在系統(tǒng)研究頁(yè)巖氣藏地質(zhì)特征、開(kāi)發(fā)特征和成藏機(jī)理的基礎(chǔ)上,主要從有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、礦物成分、裂縫發(fā)育程度等幾個(gè)方面著手,綜述分析了影響頁(yè)巖氣產(chǎn)能的客觀控制因素;針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性差、開(kāi)采難度大的特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了北美開(kāi)采頁(yè)巖氣過(guò)程中采用的特殊完井工藝、水平井鉆井技術(shù)、水力壓裂等儲(chǔ)層改造技術(shù)及裂縫監(jiān)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣資源的勘探開(kāi)發(fā)前景進(jìn)行了簡(jiǎn)述,為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)采,提供理論依據(jù)和技術(shù)思路。

頁(yè)巖氣;地質(zhì)特征;影響因素;勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)

引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展,能源消費(fèi)日益增加,非常規(guī)能源越來(lái)越受到重視。北美頁(yè)巖氣的成功開(kāi)發(fā)利用,促使人們將目光轉(zhuǎn)向新型能源資源頁(yè)巖氣[1]167-169。

1 頁(yè)巖氣概念及資源量

1.1 頁(yè)巖氣概念

張金川等對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行了定義,他指出頁(yè)巖氣是指以熱成熟作用或連續(xù)的生物作用為主以及兩者相互作用生成的,聚集在烴源巖中的天然氣,在主體上包括了游離態(tài) (存在于天然裂縫與粒間孔隙中)、吸附態(tài)(存在黏土礦物顆粒、干酪根顆粒表面)和溶解態(tài)(存在于干酪根和瀝青質(zhì)中),基本上包括了天然氣存在的所有可能相態(tài)。

1.2 資源量分析

1.2.1 儲(chǔ)量

據(jù)預(yù)測(cè),世界頁(yè)巖氣資源量為 456.24×1011m3[2],主要分布在北美、中亞和東亞的中國(guó)、中東和北非、拉丁美洲以及歐洲的前蘇聯(lián)等地區(qū),其中北美的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量為 108.79×1011m3,占總資源量的 23.84%。中國(guó)南方海相頁(yè)巖地層是頁(yè)巖氣的主要富集地區(qū),除此之外,松遼、鄂爾多斯、吐哈、準(zhǔn)噶爾等陸相沉積盆地的頁(yè)巖地層也具有頁(yè)巖氣富集的基礎(chǔ)和條件。

1.2.2 產(chǎn)量

目前美國(guó)和加拿大是頁(yè)巖氣資源實(shí)現(xiàn)商業(yè)開(kāi)發(fā)的 2個(gè)主要國(guó)家。2009年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量接近1 000×108m3,超過(guò)我國(guó)常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量,頁(yè)巖氣的快速勘探開(kāi)發(fā)使美國(guó)天然氣儲(chǔ)量增加了40%,預(yù)計(jì) 2010年頁(yè)巖氣產(chǎn)量將占全美天然氣產(chǎn)量的 15%以上[3]。除美國(guó)和加拿大外,澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、波蘭等國(guó)家也開(kāi)始了頁(yè)巖氣的研究和勘探開(kāi)發(fā)[4]。

2 頁(yè)巖氣的基本特征與成藏機(jī)理

2.1 頁(yè)巖氣的基本特征

(1)頁(yè)巖氣源巖特征。頁(yè)巖氣源巖類型多樣,可包括富含有機(jī)質(zhì)的暗色 -黑色泥頁(yè)巖、高炭泥頁(yè)巖及富含瀝青質(zhì)泥頁(yè)巖等。源巖組成一般為 30%～50%的黏土礦物、15%～25%的粉砂質(zhì) (石英顆粒)和 1%～20%的有機(jī)質(zhì),多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。頁(yè)巖氣產(chǎn)自有機(jī)質(zhì)豐富的源巖中,是典型的自生自儲(chǔ)型天然氣藏,源巖既具有烴源巖的作用,也具有儲(chǔ)層以及蓋層的作用。

(2)儲(chǔ)集層特征。頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層具有低孔隙度低滲透率的特點(diǎn),頁(yè)巖儲(chǔ)集層孔隙度一般小于10%,而含氣的有效孔隙度一般只有 1%～5%,滲透率則隨裂縫發(fā)育程度的不同而有較大變化,一般滲透率小于 0.001×10-3μm2,處于斷裂帶或裂縫發(fā)育帶滲透率可達(dá) 1×10-3μm2左右[1]267-269。據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)主要頁(yè)巖氣藏孔隙度為 4.22%～6.51%,滲透率為 40.9×10-6μm2。與常規(guī)氣藏相比,頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)是否具有商業(yè)價(jià)值,很大程度上要依賴裂縫的發(fā)育情況。

(3)分布特征。頁(yè)巖氣的分布特征具有多樣性和隱蔽性的特點(diǎn)。與常規(guī)油氣藏不同,頁(yè)巖氣成藏不需要在構(gòu)造高部位[5],頁(yè)巖氣藏的分布與有效烴源巖分布范圍相當(dāng),呈區(qū)域性分布。其分布特點(diǎn)受構(gòu)造背景和沉積條件、有機(jī)質(zhì)類型、豐度、成熟度及裂縫、斷裂等多種因素的影響,這些因素決定了其是否具有工業(yè)勘探開(kāi)發(fā)價(jià)值。

(4)開(kāi)發(fā)特征。頁(yè)巖氣藏是一種典型的“連續(xù)型”油氣藏。所謂“連續(xù)型”油氣藏尤其是“連續(xù)型”氣藏指的是持續(xù)產(chǎn)氣、持續(xù)供氣,產(chǎn)量低、產(chǎn)能穩(wěn),資源量大,但采收率較低,需要人工改造增產(chǎn)[6]。“連續(xù)型”氣藏本身不具備開(kāi)采連續(xù)的地質(zhì)特征,而是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中豐度低的游離氣、吸附氣、自由氣(分散氣)不斷聚集,使得氣體可以源源不斷地被采出,顯示出開(kāi)采過(guò)程中的連續(xù)性。

裂縫性頁(yè)巖氣藏投入生產(chǎn)時(shí),首先排出游離氣,隨著地層壓力降低,巖石表面的吸附氣開(kāi)始解吸,并從基質(zhì)中通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入裂縫系統(tǒng),裂縫中的頁(yè)巖氣則以滲流方式進(jìn)入井底,采至地面。游離氣滲流速度較快,吸附氣擴(kuò)散速度慢,產(chǎn)量相對(duì)較低,但穩(wěn)產(chǎn)后的遞減速度較慢,一般為 2%～3%,生產(chǎn)周期比較長(zhǎng),開(kāi)采壽命可達(dá) 30～50 a[5]。美國(guó)沃思堡盆地Barnett頁(yè)巖氣田開(kāi)采壽命可達(dá) 80～100 a[1]167-189。開(kāi)采壽命長(zhǎng),就意味著可開(kāi)發(fā)利用的價(jià)值大,這也決定了其發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 頁(yè)巖氣的成藏機(jī)理

頁(yè)巖氣的成藏體現(xiàn)出非常復(fù)雜的多機(jī)理遞變特點(diǎn),兼有典型煤層氣、常規(guī)圈閉氣藏及根緣氣成藏的多重機(jī)理。頁(yè)巖氣的形成是天然氣在烴源巖中大量滯留的結(jié)果,頁(yè)巖氣從生烴初期時(shí)的吸附聚集到大量生烴時(shí)期的活塞式運(yùn)聚,再到生烴高峰時(shí)期的置換式運(yùn)聚,體現(xiàn)出了頁(yè)巖氣自身所構(gòu)成的完整性天然氣成藏機(jī)理序列。由于頁(yè)巖氣在主體上表現(xiàn)為吸附態(tài)與游離態(tài)天然氣之間的遞變過(guò)渡,體現(xiàn)為成藏過(guò)程中的無(wú)運(yùn)移或極短距離的有限運(yùn)移。因此,頁(yè)巖既是烴源巖又是儲(chǔ)層,具有典型的過(guò)渡性成藏機(jī)理及“自生、自儲(chǔ)、自封閉”成藏模式[7]。

3 影響頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)效果的主要因素

與常規(guī)氣藏相比,頁(yè)巖氣藏主要表現(xiàn)為孔隙度小,滲透率超低,同時(shí)頁(yè)巖氣的賦存方式和成藏機(jī)理比常規(guī)氣藏、煤層氣和根緣氣復(fù)雜得多,相應(yīng)地影響開(kāi)發(fā)效果的因素也較多。因此,加強(qiáng)對(duì)影響頁(yè)巖氣產(chǎn)氣率的地質(zhì)因素分析及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)的研究顯得尤為重要。

3.1 總有機(jī)碳含量(TOC)的影響

根據(jù)頁(yè)巖氣的定義,有機(jī)質(zhì)既是生烴的物質(zhì)基礎(chǔ),也是頁(yè)巖氣吸附的重要載體之一。TOC的高低會(huì)導(dǎo)致吸附氣量發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化,最終影響頁(yè)巖氣藏的產(chǎn)氣率。福特沃斯盆地 Barnett頁(yè)巖氣藏生產(chǎn)表明,氣體產(chǎn)量大的區(qū)塊,有機(jī)碳含量對(duì)應(yīng)也高。多數(shù)盆地研究表明,頁(yè)巖氣的含量與頁(yè)巖產(chǎn)氣率有良好的正相關(guān)關(guān)系[8]。

Ross等人在研究加拿大大不列顛東北部侏羅系 Gordondale Member頁(yè)巖儲(chǔ)層時(shí)發(fā)現(xiàn),有機(jī)碳含量與甲烷吸附能力具有一定的線性關(guān)系[9],TOC值大,甲烷的吸附量也多,主要原因是有機(jī)質(zhì)含有大量微孔隙,它對(duì)氣體有較強(qiáng)的吸附能力。

在評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源時(shí),既要考慮儲(chǔ)集層的生烴能力,也要考慮不溶有機(jī)質(zhì)的含量與吸附氣之間的關(guān)系,確定具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的頁(yè)巖氣藏TOC起算值。若有機(jī)質(zhì)含量比較低,則吸附的氣體量也隨之減少,開(kāi)采效率相對(duì)比較低。

3.2 成熟度的影響

頁(yè)巖氣藏的熱成熟度越高,表明頁(yè)巖生氣量越多,頁(yè)巖中賦存的氣體也就越多。在熱成因的頁(yè)巖中,有機(jī)質(zhì)的成熟度是用來(lái)評(píng)價(jià)烴源巖的生烴潛力。干酪根的成熟度Ro<0.5%時(shí)為未成熟階段; 0.5%≤Ro≤2.0%時(shí)為成熟階段;Ro>2.0%時(shí)為過(guò)成熟階段[10]。

據(jù) DanielM Jarvie等人的研究[11],在 Barneet頁(yè)巖氣田,熱成熟度低的區(qū)塊,氣體流動(dòng)速度低,這是由于只有少量的氣體生成,另外殘留的碳?xì)浠衔锒氯撕淼?在熱成熟度高的井中,氣體的流動(dòng)速度高,由于干酪根和油的裂解,生成大量的氣體。因此,熱成熟度是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣高速流動(dòng)可能性的重要地球化學(xué)參數(shù)。

3.3 頁(yè)巖礦物組成的影響

頁(yè)巖的礦物成分較復(fù)雜,除高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物以外,還混雜石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、云母等許多碎屑礦物和自生礦物。圖 1為美國(guó) 4大頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物組成三角圖[12]。其相對(duì)組成對(duì)頁(yè)巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、儲(chǔ)層特性及氣體的吸附能力均有一定影響。與方解石相比,黏土礦物和石英具有更多的微孔隙和更大的表面積,吸附和賦存更多的氣體。那些有機(jī)質(zhì)和石英含量高的頁(yè)巖,脆性較強(qiáng),容易在外力的作用下形成天然裂縫和人工誘導(dǎo)裂縫,有利于天然氣的滲流,同等情況下可以采出更多的天然氣。頁(yè)巖的礦物成分在一定程度上影響著裂縫的發(fā)育程度,從而影響頁(yè)巖氣的產(chǎn)能[13]。

3.4 天然裂縫的發(fā)育程度

世界頁(yè)巖氣資源很豐富,但尚未得到廣泛勘探開(kāi)發(fā),最根本原因是頁(yè)巖氣藏的滲透率一般很低(小于 1×10-3μm2)。只有增加天然裂縫網(wǎng)絡(luò),才能增加頁(yè)巖基質(zhì)滲透率。那些已經(jīng)投入開(kāi)發(fā)利用的頁(yè)巖儲(chǔ)層往往天然裂縫系統(tǒng)比較發(fā)育[14],例如Michigan盆地北部 Antrim組頁(yè)巖生產(chǎn)帶主要發(fā)育2組正交高角度天然裂縫 (北西向和北東向)。在主產(chǎn)區(qū)以外,盡管也鉆到了富含天然氣的 Antrim頁(yè)巖,但由于天然裂縫不發(fā)育,滲透率很低而不具備商業(yè)價(jià)值[15]。Big Sandy氣田高產(chǎn)井大多沿北東方向分布,與高角度多組裂縫發(fā)育緊密相關(guān)。FortWorth盆地Newark East氣田Barnett組頁(yè)巖氣產(chǎn)量高低與頁(yè)巖內(nèi)部微裂縫發(fā)育程度有關(guān);Illinois盆地New Albany組頁(yè)巖經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量也與裂縫系統(tǒng)相關(guān)。裂縫發(fā)育程度是決定頁(yè)巖氣藏品質(zhì)的重要因素。一般來(lái)說(shuō),裂縫對(duì)頁(yè)巖氣藏具有雙重作用:既是儲(chǔ)集空間,也是滲流通道。一方面裂縫為天然氣提供了聚集空間,有助于頁(yè)巖氣總含氣量的增加;另一方面是頁(yè)巖氣從基質(zhì)孔隙流入井底的必要途徑。

頁(yè)巖氣藏的油藏描述重點(diǎn)是地層裂縫,包括裂縫的生成、形態(tài)、展布、規(guī)模以及對(duì)流體滲流的影響[16],裂縫是控制地層滲流的主要因素。因此,頁(yè)巖氣藏的勘探目標(biāo)應(yīng)首選那些擁有較高滲透能力或具有可改造條件的泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育帶。

圖 1 頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物組成三角圖

4 國(guó)外頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀和進(jìn)展

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)氣儲(chǔ)層差異很大,具備一些獨(dú)特性質(zhì),如區(qū)域性分布、缺少明顯蓋層和圈閉、無(wú)清晰氣 -水界面、天然裂縫發(fā)育以及極低的基質(zhì)滲透率,一般在 0.000 1×10-3～0.000 001×10-3μm2之間,比致密砂巖儲(chǔ)層的滲透率低 2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。這些特性給頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)了較高的難度。近年來(lái),國(guó)外加強(qiáng)了對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)攻關(guān),頁(yè)巖氣藏的成功開(kāi)發(fā)取決于先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,如頁(yè)巖氣的水平井鉆井技術(shù)、裂縫的設(shè)計(jì)和增產(chǎn)措施,三維地震監(jiān)測(cè)技術(shù)等[17]。

4.1 固井、完井技術(shù)

(1)固井技術(shù)。頁(yè)巖氣井通常采用泡沫水泥固井技術(shù)。泡沫水泥具有漿體穩(wěn)定、密度低、抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn),具有良好的防竄效果及減少儲(chǔ)層傷害的特性。在俄克拉荷馬州Woodford頁(yè)巖氣藏最近的勘探和生產(chǎn)實(shí)踐中,使用泡沫水泥固井比用常規(guī)水泥漿固井所獲得的天然氣峰值 (產(chǎn)量)平均高23%[18]。

(2)完井技術(shù)。頁(yè)巖氣井的完井多采用定向射孔完井技術(shù),射孔完井技術(shù)多用于直井和水平井。定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒,減少井筒附近裂縫的彎曲程度,進(jìn)而減少井筒附近的壓力損失。通過(guò)大量頁(yè)巖氣井的開(kāi)發(fā)實(shí)踐,開(kāi)發(fā)人員總結(jié)出定向射孔的經(jīng)驗(yàn):在射孔過(guò)程中,主要射開(kāi)低應(yīng)力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū),采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流體的阻力,在對(duì)水平井射孔時(shí),射孔垂直向上或向下。

4.2 水平井的應(yīng)用

2002年以前,美國(guó)開(kāi)采頁(yè)巖氣的主要鉆井方式為垂直井。為了擴(kuò)大井身中油層的泄油面積, Devon能源公司在 Barnett油田進(jìn)行了水平井試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果與直井相比,采收率是直井的 3倍,而水平井的費(fèi)用是直井費(fèi)用的 2倍。隨著B(niǎo)arnett頁(yè)巖氣田水平井試驗(yàn)成功,業(yè)界開(kāi)始大力推廣水平井,2003～2007年 Barnett頁(yè)巖累計(jì)鉆水平井達(dá) 4 960口,占 Barnett頁(yè)巖氣生產(chǎn)井總數(shù)的 50%以上,2007年完鉆 2 219口水平井,占該年頁(yè)巖氣完井?dāng)?shù)的 94%[19]。

與直井相比,水平井主要有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

(1)水平井成本為直井的 1.5～2.5倍,但初始開(kāi)采速度、控制儲(chǔ)量和最終評(píng)價(jià)可采儲(chǔ)量卻是直井的 3～4倍。

(2)水平井與頁(yè)巖層中天然裂縫及人工誘導(dǎo)裂縫(主要為垂直裂縫)相交機(jī)會(huì)大,更能使裂縫保持在儲(chǔ)層目的段中[20]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,水平段為 200 m或更長(zhǎng)時(shí),比直井鉆遇裂縫的機(jī)會(huì)多幾十倍,明顯改善儲(chǔ)層流體的流動(dòng)狀況,水平井技術(shù)的應(yīng)用可以使無(wú)裂縫或少裂縫通道的頁(yè)巖氣藏得到有效的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。

(3)在直井收效甚微的地區(qū),水平井開(kāi)采效果良好。如在 Barnett頁(yè)巖氣外圍開(kāi)采區(qū)內(nèi),水平井克服了 Barnett組頁(yè)巖上下石灰?guī)r層的限制,避免了 Ellenburger組白云巖層的水侵,降低了壓裂風(fēng)險(xiǎn),增產(chǎn)效果明顯[21]。

(4)水平井可以提高油層的鉆遇率和油氣的采收率,同時(shí)還可以減少地面設(shè)施,減少生產(chǎn)占地,降低環(huán)境污染,避免部分地面風(fēng)險(xiǎn)[22]。

水平井水平段在油層中的位置、延伸長(zhǎng)度和延伸方向是決定水平井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素[23],因此在水平井的建井過(guò)程中必須應(yīng)用能保證水平井以最佳井身軌跡鉆進(jìn)的新工藝。在水平井鉆井的過(guò)程中采用了旋轉(zhuǎn)鉆井導(dǎo)向工具,同時(shí)采用隨鉆測(cè)井技術(shù)(LWD)和隨鉆測(cè)量技術(shù)(MWD),可以使水平井精確定位,引導(dǎo)中靶地質(zhì)目標(biāo)。

4.3 壓裂增產(chǎn)技術(shù)

裂縫的發(fā)育程度是頁(yè)巖氣運(yùn)移聚集和經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的關(guān)鍵因素之一[24]。但據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,僅有少量發(fā)育良好的天然裂縫頁(yè)巖氣藏可直接投入開(kāi)發(fā)生產(chǎn),90%以上的頁(yè)巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施來(lái)溝通天然裂縫,提高井筒附近的導(dǎo)流能力[25]。

在 20世紀(jì) 80年代,高能氣體壓裂在美國(guó)東部泥盆系頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)中實(shí)施[26]。高能氣體壓裂可以有效地造成多條徑向裂縫,使之與天然裂縫相溝通的可能性大大提高,解除近井地帶的堵塞物,使地層滲透性大為改善。

21世紀(jì)以來(lái),清水壓裂、多級(jí)同步壓裂和水平井多段壓裂是近期壓裂工藝技術(shù)發(fā)展的重要方向。

(1)清水壓裂技術(shù)。水力壓裂技術(shù)采用清水添加適當(dāng)?shù)臏p阻劑、黏土穩(wěn)定劑和必要的表面活性劑作為壓裂液來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凝膠壓裂液。由于水是一種低黏度的流體,較之美國(guó) 20世紀(jì) 90年代實(shí)施的凝膠壓裂技術(shù)可以節(jié)約成本 50%～60%[27],并能提高最終估計(jì)采收率,目前已成為美國(guó)頁(yè)巖氣井主要的增產(chǎn)措施。但仍要求儲(chǔ)集層中膨脹性蒙脫石含量不能很高,原因是其水敏性強(qiáng),遇水易膨脹、分散和運(yùn)移,導(dǎo)致巖石滲透率下降。

(2)同步壓裂技術(shù)[28]。同步壓裂技術(shù)是美國(guó)近幾年在沃斯堡盆地Barnett頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中成功應(yīng)用的最新壓裂技術(shù)。其技術(shù)特點(diǎn)是促使水力裂縫擴(kuò)展過(guò)程中相互作用,對(duì)相鄰且平行的水平井交互作業(yè),增加改造體積,其目的是用更大的壓力和更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫壓裂泥頁(yè)巖,從而提高初始產(chǎn)量和采收率。2006年,同步壓裂技術(shù)首先在德克薩斯州 FortWorth盆地的 Barnett頁(yè)巖中實(shí)施,在相隔152～305 m范圍內(nèi) 2口平行的水平井同時(shí)進(jìn)行壓裂,顯示出廣闊的發(fā)展前景。同步壓裂采用的是使壓力液及支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運(yùn)移距離最短的方法,來(lái)增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度及表面積。目前已能夠同時(shí)進(jìn)行 4口井壓裂,采用該技術(shù)的頁(yè)巖氣井短期內(nèi)增產(chǎn)非常明顯。

(3)重復(fù)壓裂技術(shù)。當(dāng)開(kāi)采進(jìn)入到產(chǎn)量遞減階段時(shí),需要采取再次增產(chǎn)措施以提高采收率。重復(fù)壓裂就是在老井中再次進(jìn)行水力壓裂,直井中的重復(fù)壓裂可以在原生產(chǎn)層再次射孔,注入的壓裂液體積至少比其最初的水力壓裂多出 25%,可使采收率增加 30%～80%[29]。

(4)多段水平井壓裂技術(shù)[30]。在水平井段采用分段壓裂,能有效產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)。最初水平井的壓裂階段一般采用 1段或 2段,目前已增至 7段。在Arkoma盆地Woodford頁(yè)巖氣聚集帶的 Tipton-1H-23井,經(jīng)過(guò) 7段水力壓裂措施改造后,增產(chǎn)效果顯著,頁(yè)巖氣產(chǎn)量高達(dá) 14.16×104m3/d。水平井水力多段壓裂技術(shù)的廣泛運(yùn)用,極大地延伸了頁(yè)巖氣在橫向與縱向的開(kāi)采范圍,是目前美國(guó)頁(yè)巖氣快速發(fā)展關(guān)鍵的技術(shù)之一。

4.4 裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)

(1)地面傾斜監(jiān)測(cè)。它能夠監(jiān)測(cè)水力壓裂造成的地面變形或地下移位情況。傾斜儀是一種非常敏感的工具,它能夠感覺(jué)到小到十億分之一的位移梯度變化(或傾斜)。由傾斜儀測(cè)量到的地面位移可以直接用來(lái)確定水力裂縫的方位和傾斜情況;同時(shí),當(dāng)多個(gè)平面出現(xiàn)裂縫增長(zhǎng)時(shí),可以確定注入到每個(gè)水平或垂直裂縫中的流體比例的大小。

(2)井下傾斜監(jiān)測(cè)。可獲得裂縫頂端和底部的位置以及每個(gè)側(cè)翼的總長(zhǎng)度。

(3)微地震監(jiān)測(cè)。微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來(lái)在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要新技術(shù)[31]。通過(guò)在鄰井中的檢波器來(lái)監(jiān)測(cè)相對(duì)應(yīng)的壓裂井在壓裂過(guò)程中誘發(fā)微地震波來(lái)描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形狀和空間展布。它能實(shí)時(shí)提供壓裂施工產(chǎn)生裂隙的高度、長(zhǎng)度和方位,利用這些信息可以優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì),從而提高采收率。

5 中國(guó)頁(yè)巖氣資源前景

我國(guó)的頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)可劃分為四大區(qū)域,即南方、華北 -東北、西北和青藏等 4大區(qū)塊[32]。據(jù)初步估算,我國(guó)主要盆地和地區(qū)頁(yè)巖氣資源量約為15×1011～30×1011m3,中值為 23.5×1011m3,與美國(guó)的 28.3×1011m3大致相當(dāng),其中僅四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)和瀘州地區(qū)頁(yè)巖氣資源量就高達(dá) 6.8×1011～8.4×1011m3,相當(dāng)于該盆地常規(guī)天然氣資源總量。但我國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)尚未起步,總體上處于前期的探索和準(zhǔn)備階段。

6 結(jié)論及展望

頁(yè)巖氣資源在全球分布非常廣泛,并日益成為一種重要的油氣資源類型。我國(guó)頁(yè)巖氣資源也很豐富,開(kāi)展頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)是我國(guó)油氣能源工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的必由之路。但頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)過(guò)程受低孔低滲的特性以及復(fù)雜的成藏機(jī)理等因素的影響,采收率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng),均制約著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的步伐。能否從頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中獲得經(jīng)濟(jì)可采儲(chǔ)量和商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值是目前的主要風(fēng)險(xiǎn)。滿足一定的地球化學(xué)基本條件如有機(jī)碳豐富、有機(jī)質(zhì)成熟度高、硅質(zhì)含量高、具有可被壓裂的裂縫系統(tǒng)是有利的勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣藏,在美國(guó)已取得了成功的勘探和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),這很大程度上得益于成藏理論的進(jìn)步和勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的迅速發(fā)展,例如水平井、水力壓裂等先進(jìn)鉆完井技術(shù)以及裂縫監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

盡管我國(guó)具有形成頁(yè)巖氣藏的諸多有利條件,但與北美地區(qū)相比,存在一定的差異性,還需在堅(jiān)持以自主開(kāi)發(fā)為主的原則下,加強(qiáng)對(duì)外合作,借鑒先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行深入細(xì)致的研究和評(píng)估,加快國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣資源的勘探開(kāi)發(fā)。

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編輯 劉兆芝

TE132.2

A

1006-6535(2010)06-0012-06

20100520;改回日期:20100823

王冕冕 (1984-),女,2008年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè),現(xiàn)為西南石油大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)在讀碩士研究生,主要從事油藏工程及油藏?cái)?shù)值模擬研究。