页岩气钻采技术

来源: 中国庆华集团规划发展部
编辑: 阿勇
发布时间: 2012-12-21
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     一、开采特点
    页岩气是从页岩层中开采出来的,主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气聚集。页岩气产自渗透率极低的沉积岩中,大部分产气页岩分布范围广、厚度大,且普遍含气,使得页岩气井能够长期地稳定产气。一般情况下,页岩气开采具有3个特点:
    (一)生产能力低或无自然生产能力。由于页岩气储集层通常呈低孔、低渗透率,气流阻力比常规天然气大,难以开采,因此所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。目前,在页岩气井中实施2次以上增产措施的尝试已在美国实现了。
    (二)井的寿命和生产周期长。页岩气在泥页岩地层中主要以游离态和吸附态存在。游离气渗流速度快,初期产量较高,但产量下降快;相反,吸附气解析、扩散速度慢,产量相对较低,但属于页岩气稳产期,进入该时期后产量递减速度慢,使得生产周期变长,一般页岩气井生产寿命可达30~50年。
    (三)采收率变化较大,并且低于常规天然气采收率。根据埋藏深度、地层压力、有机质含量和吸附气量等,不同页岩气藏的采收率不同。而且相关数据还表明,页岩气采收率通常低于常规天然气采收率,常规天然气采收率可达60%以上,而页岩气仅为5%~60%。
    二、开发方式
    不同于常规天然气的开采特点,决定了页岩气开发具有其独特的方式。目前美国已经拥有一些先进技术可以提高页岩气井的产量,主要包括水平井技术和多层压裂技术、清水压裂技术、重复压裂技术、同步压裂技术等,这些技术正在不断提高着页岩气井的产量。
    (一)水平井技术
    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,使井筒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。
    水平井的成本一般是垂直井的1~1.5倍,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倍左右。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(1ft=304.8mm,下同)、高50ft 的圆柱体体积那么大。相比之下,水平井可延长至2000~6000ft,驱替体积可达6000ft×1320ft×50ft, 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。
    (二)压裂技术
    1.清水压裂技术
    水力压裂是一种储层增产技术,用于产生更密集的裂缝网络,形成额外的渗透率,使气体能更容易流向井中,从而生产出大量地层天然气。水力压裂技术的不断改进,使之成为一项在特殊地层区域布置裂缝网络的非常复杂的工程过程。
    水力压裂处理方法针对目标页岩设置了专门的参数,包括厚度、局部应力条件、压缩性和刚性。局部条件用于计算机模型来设计具体地点的水力压裂处理过程,并优化新裂缝。页岩气藏和它们之间要进行压裂的间隔都很厚,所以将水力压裂分为几个阶段往往更加有效,每一个阶段都重点对储层的一个连贯部分进行处理。每个工作阶段都孤立于井内,从而使压裂设备的所有容量可用于单个储层单元,这可以在垂直或水平井中收到良好效果。
    在对一口井(不论是水平井还是直井)实施压裂措施之前,通常会进行一系列的测试,以确保井、井口设备和压裂设备的正常工作,并经得起压裂措施的压力和泵率。
    2.多层压裂技术
    多层压裂技术是对增产措施的一种改变。大多数情况下,第一阶段必须要向储层中泵入前置液,前置液是一种没有支撑剂的压裂液;接下来,第二阶段要运送含有一定浓度支撑剂的压裂液进入储层;第三阶段则要使用含有较高浓度支撑剂的压裂液,随后还有数量不定的压裂液泵入储层,且每一种压裂液都含有比之前压裂液更大浓度的支撑剂。
    以上描述的是单一储层区域的多层压裂。需要注意的是,多层压裂也可能是对储层中几个不相连区域或间隔区域进行处理,这样每一个区域或间隔带的压裂都是一个不同的阶段,所以要注意多层压裂是针对一个单独区域还是多个区域而言的。
    多层压裂技术常常用于垂直堆叠的致密地层的增产。致密气井可能会遇到几个含气的砂岩间隔区域,从而需要不同的增产措施。作业者一般会想方设法尽可能地减少在单一或多个区域实施压裂的时间。
    连续油管是水力压裂的一种节省时间的解决措施,有几种不同类型的压裂技术使用连续油管。封隔器用于在压裂过程中封隔不同区域。通常,有一个专门的封隔器用于区域封隔, 在压裂过程中,压裂液和支撑剂要么沿着油管要么沿着环空泵入,封隔器将压裂液隔离在被处理的区域外面。
    其他用于压裂多个非常规地层的技术是整体隔离系统,其中有一种被称为外部套管射孔(ECP)。ECP是一种通过允许每一单独的间隔区域进行射孔、隔离和增产从而完井的方法。在ECP中,射孔枪和射孔/信号系统连接在油管外面,在钻孔中运行,并用水泥封固。射孔枪沿着液压控制管线或电线射孔,能射穿油管,且可在其他方向上射孔。整个系统也包含射孔时开动的隔离装置,通过设置隔离装置,既可以防止在较低间隔区域的射入,也能防止来自较低间隔区域的流体的侵入。
    在压裂过程中,支撑剂也是一个重要的考虑因素。球形支撑剂颗粒是最合适的选择,因为它满足支撑剂充填层的孔隙度和渗透性好于形状不规则、大小不均匀的砂粒的要求。此外,陶土的强度比砂粒高,且不容易在高的压裂闭合应力下发生破碎,也是比较好的选择。除了选择良好的支撑剂,还应注意支撑剂在实际生产中出现的问题,如支撑剂沉积(由于液体黏度低于悬浮支撑剂的门限压力)、支撑剂返排等。可以通过向压裂液中加入表面活性剂、纤维材料、变形粒子等解决这些问题。
    3.重复压裂技术
    重复压裂技术用于在不同方向上诱导产生新的裂缝,从而增加裂缝网络,提高生产能力。如果初始压裂已经无效,或现有的支撑剂因时间关系已经损坏或质量下降,那么对该井进行重复压裂将重建储层到井眼的线性流。该方法可以有效改善单井产量与生产动态特性,在页岩气井生产中起着积极作用,压裂后产量接近甚至超过初次压裂时期。
    4.同步压裂技术
    除了上述3种技术外,还有最新的同步压裂技术,即同时对两口或两口以上的井进行压裂。在同步压裂中,压力液及支撑剂在高压下从一口井沿最短距离向另一口井运移,这样就增加了裂缝网络的密度及表面积,从而快速提高页岩气井的产量。目前已发展到3口甚至4口井间同时压裂。

(  来源:中国庆华集团 王瑗 整理)

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