頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)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(tài)多種多樣。除極少量的溶解狀態(tài)天然氣外,大部分均以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機質(zhì)表面,溶解于干酪根和瀝青里,或以游離狀態(tài)賦存于粒間孔隙和天然裂縫中。其中吸附狀態(tài)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(guī)圈閉的形式存在,但頁巖中裂縫發(fā)育有助于游離相天然氣的富集和自然常能的提高。當發(fā)生構(gòu)造升降運動時,其異常壓力相應(yīng)升高或降低,因此頁巖氣藏的地層壓力多變。

頁巖氣產(chǎn)自富有有機質(zhì)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(guī)模滯留的結(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)生小規(guī)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(zhì)或富含有機質(zhì)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(zhì) (石英顆粒)和1%～20%的有機質(zhì),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(zhì)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(yè)性頁巖氣藏埋深最淺為182m,頁巖產(chǎn)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(guī)圈閉的形式存在,但當頁巖中裂縫發(fā)育時,有利于游離相天然氣的富集和自然產(chǎn)能的提高[3]。

2.2 頁巖氣藏開發(fā)特征

頁巖氣藏具有如下典型的開發(fā)特征:

1)低產(chǎn)或無自然產(chǎn)能 據(jù)美國東部早期的頁巖氣井完井數(shù)據(jù)統(tǒng)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(yè)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(chǎn)能平均為8063m3/d,水平井壓裂改造后的產(chǎn)能平均為10×104m3/d。

2)生產(chǎn)周期長 頁巖氣在投入生產(chǎn)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(zhì)滲透率低的缺陷。因為,頁巖氣藏生產(chǎn)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(wěn)產(chǎn)期后的遞減速度較慢,使得生產(chǎn)周期比較長。根據(jù)估算,認為一般頁巖氣井生產(chǎn)壽命可在30～50年。

3)氣藏采收率變化較大 據(jù)美國5個主要頁巖氣產(chǎn)氣盆地的統(tǒng)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(zhì)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(shù)進步,目前采收率達到16%[4]。

3 勘探和開發(fā)技術(shù)

3.1 儲層評價技術(shù)

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(yīng)用測井數(shù)據(jù),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(yīng)力方向,進而為氣井增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。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(shù)

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(yōu)化水平井鉆井方案。水平井主要用于生產(chǎn),可以獲得更大的儲層泄流面積,獲得更高的天然氣產(chǎn)量。目前多采用水平井或斜井開采,斜井鉆進時開發(fā)透鏡狀氣藏可選擇的最佳方法,而水平井將成為開發(fā)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(shù)

頁巖氣井測井內(nèi)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(yīng)等特征。

3.4 頁巖氣含氣量錄井和現(xiàn)場測試技術(shù)

由于頁巖氣的孔隙度低,以裂縫和微孔隙為主,絕大多數(shù)的頁巖氣以游離態(tài),吸附態(tài)存在。游離態(tài)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(xiàn)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(shè)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(shù)

國外從事油氣勘探開發(fā)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(tài)賦存于頁巖中,而其儲層滲透率低,既要通過完井技術(shù)提高其滲透率,又要避免地層損害時施工的關(guān)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(shù)有Haliburton公司的Delta Stim完井技術(shù),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(shù)

頁巖氣儲層改造技術(shù)包括水力壓裂和酸化,可以通過常規(guī)油管或連續(xù)油管進行施工。

關(guān)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(fā)中曾采用裸眼完井,硝化甘油爆炸增產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)量提高了3～4倍。

沃斯堡盆地Barnett頁巖氣藏的開發(fā)先后經(jīng)歷了直井小型交聯(lián)凝膠或泡沫壓裂,直井大型交聯(lián)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)經(jīng)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(wěn)定劑與表面活性劑,大部分地區(qū)完全可以不用泵增壓,較之凝膠壓裂技術(shù)可以節(jié)約成本50%～60%[7]。

4)清潔壓裂液 有些地方頁巖遠景區(qū)的作業(yè)者發(fā)現(xiàn),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(xiàn)象可能是由于壓裂液產(chǎn)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(tài)造成的。

國外開發(fā)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(yōu)點,并且不需要破膠劑來降低粘度。

一些作業(yè)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(zhì)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(tài),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(shù)[9]、重復壓裂[10]、同步壓裂等。

3.7 裂縫綜合監(jiān)測技術(shù)

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(yè)效果,獲取壓裂誘導裂縫導流能力、幾何形態(tài)、復雜性及其方位等諸多信息,改善頁巖氣藏壓裂增產(chǎn)作業(yè)效果以及氣井產(chǎn)能,并提高天然氣采收率。

推斷壓裂裂縫幾何形態(tài)和產(chǎn)能的常規(guī)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(chǎn)動態(tài)分析等間接的井響應(yīng)方法。利用地面、井下測斜儀與微地震監(jiān)測技術(shù)結(jié)合的裂縫綜合診斷技術(shù),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(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò),評價壓裂作業(yè)效果,實現(xiàn)頁巖氣藏管理的最佳化。該技術(shù)有以下優(yōu)點:①測量快速,方便現(xiàn)場應(yīng)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]。

[1]張金川,金之鈞,袁明生.頁巖氣成藏機理和分布 [J].天然氣工業(yè),2004,24(7):15-18.

[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(xiàn)代地質(zhì),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(guī)天然氣資源 [J].天然氣工業(yè),2009,29(5):1-6.

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

[6]許衛(wèi),李勇明,郭建春,等.氮氣泡沫壓裂液體系的研究與應(yīng)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(shù)進步是推動美國頁巖氣快速發(fā)展的關(guān)鍵[J].天然氣工業(yè),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(chǎn)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(chǎn)效果的綜合裂縫監(jiān)測技術(shù) [J].油氣田開發(fā)與開采,2009,25(1):20-23.