岳硯華 伍賢柱 張 慶 趙 晗 姜 巍
頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣在全球分布廣泛、儲量豐富,中國頁巖氣技術(shù)可采資源量約為21.8h1012m3,資源價值、社會價值巨大,四川盆地是我國當(dāng)前最有利的頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域[1-3]。中國石油川慶鉆探工程公司(以下簡稱川慶鉆探)具有從地質(zhì)前期評價到采輸作業(yè)的完整業(yè)務(wù)鏈,自2009年率先進入頁巖氣工程服務(wù),打成了中國第1口頁巖氣井,之后創(chuàng)造了多項國內(nèi)第一,并承擔(dān)威遠國家級頁巖氣示范區(qū)建設(shè),參與制訂頁巖氣專項標(biāo)準(zhǔn)29項,已形成服務(wù)與開發(fā)一體化的六大類41項頁巖氣技術(shù)系列,整體配套完善,強力助推了川渝地區(qū)頁巖氣優(yōu)質(zhì)高效建設(shè)。目前,川慶鉆探已完成頁巖氣鉆井進尺近100h104m、壓裂井?dāng)?shù)180余口,威遠井區(qū)頁巖氣累計產(chǎn)量約13h108m3。
1)頁巖氣藏為自生自儲氣藏,頁巖氣以吸附和游離態(tài)賦存于泥頁巖中,常規(guī)氣藏的儲量計算方法難以適應(yīng)頁巖氣,而頁巖基質(zhì)孔隙度的計算、含氣量的測定、裂縫系統(tǒng)的準(zhǔn)確評價難度極大,頁巖氣資源難以準(zhǔn)確評價。
2)頁巖氣井產(chǎn)能受到的影響因素較多,包括氣藏地質(zhì)條件、儲層物性、水平段長度及巷道位置、壓裂改造方式、壓后返排控制等,產(chǎn)能控制因素復(fù)雜,對開發(fā)方式提出了極高的要求。
3)頁巖氣實現(xiàn)效益開發(fā)必須以水平井為主,以增大滲流面積,以提高單井產(chǎn)量,而頁巖氣最有利箱體厚度薄,導(dǎo)致水平井軌道控制難度較大,最優(yōu)箱體鉆遇率直接影響單井產(chǎn)量,而頁巖氣井完井對井眼軌道的光滑程度也提出了較高要求。
4)儲層改造是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),和常規(guī)井不一樣,頁巖氣井沒有天然產(chǎn)能,必須進行大規(guī)模的加砂壓裂才能獲得產(chǎn)量,而壓裂效果直接影響了產(chǎn)量。如何優(yōu)化壓裂、提高人工縫網(wǎng)的復(fù)雜程度是頁巖氣效益開發(fā)必須解決的難題之一。
5)頁巖氣建產(chǎn)周期直接影響到效益開發(fā),如何縮短建井周期、快速投產(chǎn)、實現(xiàn)提速增效是頁巖氣效益開發(fā)的必由之路,這對頁巖氣開發(fā)工程技術(shù)提出了更高的要求。
6)頁巖氣井產(chǎn)量遞減快、壓裂液長期返排,長期處于氣水同產(chǎn)狀態(tài),如何采取經(jīng)濟有效的開采方式確保低壓、低產(chǎn)階段的穩(wěn)定生產(chǎn),提高采收率。需采取針對性強、經(jīng)濟有效的排水采氣措施,技術(shù)難度高。
7)環(huán)保壓力大。川渝頁巖氣作業(yè)區(qū)域多處于環(huán)境敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū),按2015年實施的新《環(huán)境保護法》的要求,鉆完井作業(yè)的鉆井廢液、壓裂返排液、廢棄鉆井液和油基巖屑是鉆井作業(yè)最大的環(huán)境問題。
四川盆地是目前中國頁巖氣勘探開發(fā)重點區(qū)域,也是最成功的地區(qū),經(jīng)歷了先導(dǎo)試驗和高速發(fā)展階段,目前已逐步進入規(guī)模開發(fā)階段。圍繞“高效益、高效率”開發(fā),通過強化集成配套和技術(shù)攻關(guān),借鑒學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進適用技術(shù),突出“國產(chǎn)化、自主化、集成化”,在水平井優(yōu)快鉆完井、體積壓裂、工廠化作業(yè)、清潔生產(chǎn)、開發(fā)和采輸?shù)?個專業(yè)領(lǐng)域逐步形成了41項頁巖氣勘探開發(fā)特色工程技術(shù)(表1),規(guī)?;瘧?yīng)用效果顯著,有力支撐了川渝地區(qū)長寧—威遠、昭通等國家級頁巖氣示范區(qū)安全清潔效益開發(fā)。
表1 頁巖氣特色工程技術(shù)表
通過對優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)及軌道設(shè)計,簡化套管程序,提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率的技術(shù)攻關(guān)與集成配套,完善形成了頁巖氣鉆完井工程主體技術(shù)系列10項技術(shù),整體處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,分區(qū)域分井段提煉出的優(yōu)快鉆完井技術(shù)模板為頁巖氣規(guī)模上產(chǎn)提供了技術(shù)支撐(圖1)。
1)以地質(zhì)工程一體化設(shè)計技術(shù)研究為導(dǎo)向,綜合應(yīng)用三維地震、三維地質(zhì)建模、鉆井分析軟件[4],為優(yōu)化井部署、井軌道和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計提供詳實、可靠的儲層地質(zhì)資料,有力保障地質(zhì)甜點鉆遇率和實現(xiàn)優(yōu)快鉆井。
2)形成了各層段“專層專打”PDC鉆頭系列,并全面實現(xiàn)國產(chǎn)化,機械鉆速明顯提升、鉆頭成本大幅下降。自主研發(fā)的水平段高效5刀翼19 mm切削齒PDC鉆頭CFS5194,在7口井志留系龍馬溪組應(yīng)用試驗,平均機械鉆速較同類鉆頭提高10%~12%(圖 2)。
圖1 威遠頁巖氣示范區(qū)優(yōu)快鉆完井技術(shù)模板圖
圖2 4種鉆頭應(yīng)用效果對比圖
3)自主研發(fā)白油基、柴油基等多套鉆井液體系,處理劑實現(xiàn)了國產(chǎn)化,綜合性能達到國際先進水平(表2);自主研發(fā)的高性能水基鉆井液[5]抑制封堵性、潤滑性、流變性三大性能指標(biāo)接近油基鉆井液,單位成本明顯下降,先后在威遠、長寧等區(qū)域規(guī)模應(yīng)用120井次,較好地解決了油基巖屑處理問題。
4)針對水平段靶體2~4 m的嚴(yán)格要求,大力推進地質(zhì)工程一體化導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用[6],自主研發(fā)的CG-Steer旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)(圖3)在長寧H24-7井完成斜井段、水平段進尺610.79 m,循環(huán)工作時間208 h,取得階段性成果。在威遠地區(qū)通過集成三維地質(zhì)建模+旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向+特殊錄井技術(shù)+工程參數(shù)輔助,準(zhǔn)確實施地質(zhì)導(dǎo)向,優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率達到97%,實現(xiàn)了地質(zhì)目標(biāo)。
5)研發(fā)了過鉆具存儲式伽馬能譜、交叉偶極聲波、陣列感應(yīng)等儀器(圖4),配置了元素俘獲等儀器,實現(xiàn)了“一趟鉆完成全部測量項目”,較鉆具傳輸測井節(jié)約時間2 d。
表2 油基鉆井液性能對比表
圖3 國產(chǎn)CG-Steer旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)圖
圖4 過鉆具存儲式測井儀器圖
6)研發(fā)了微膨脹韌性水泥漿體系[7](其與常規(guī)水泥石性能的對比結(jié)果見表3)、沖洗隔離液[8]關(guān)鍵處理劑,集成安全快速下套管技術(shù)、漿柱結(jié)構(gòu)及注替工藝優(yōu)化,配套套管變形預(yù)防措施,提高長水平段水平井固井質(zhì)量和井筒完整性,滿足體積壓裂需要。川渝頁巖氣井推廣應(yīng)用200余口,水平段固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達到92.5%,合格率95.2%,井筒完整性由86%提高至95%。
體積壓裂技術(shù)是提高頁巖氣產(chǎn)能及收益的一項關(guān)鍵技術(shù),直接關(guān)系到頁巖氣井的產(chǎn)能建設(shè)。通過技術(shù)攻關(guān)與現(xiàn)場試驗,形成了體積壓裂從設(shè)計到室內(nèi)實驗評價、井中地震壓裂縫網(wǎng)實時檢測的配套技術(shù)[9],保障了增產(chǎn)實施方案的效果。
1)開發(fā)一套頁巖儲層水平井多級壓裂優(yōu)化設(shè)計決策系統(tǒng),建立了優(yōu)化設(shè)計流程,結(jié)合評價地質(zhì)工程關(guān)鍵參數(shù)、預(yù)測改造裂縫網(wǎng)絡(luò)擴展、模擬不同方案的結(jié)果并進行對比,優(yōu)化了體積壓裂設(shè)計。
2)建成復(fù)雜縫網(wǎng)流動模擬等8套壓裂模擬實驗平臺(圖5),提升了壓裂技術(shù)評價及原創(chuàng)能力;創(chuàng)新形成滑溜水[10]—弱凝膠混合壓裂等8項頁巖氣壓裂專項技術(shù)。
3)采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分段多級分簇射孔,定向、定面射孔技術(shù),開發(fā)了泵送可視化平臺;連續(xù)油管智能多級起爆射孔一次可實現(xiàn)最多10級起爆,一次下井最多可完成5簇射孔,解決了復(fù)雜井多簇射孔的難題。
4)現(xiàn)場探索形成了停泵轉(zhuǎn)向、膠液處理、變排量壓裂、裂縫強制閉合、密集式段塞加砂、膠液前置+階梯排量6種復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂工藝,有效保障了頁巖增產(chǎn)改造體積(SRV)的形成。
表3 韌性水泥石與常規(guī)水泥石性能對比表
圖5 頁巖壓裂評價模擬實驗平臺照片
5)研發(fā)的耐剪高抗鹽反相乳液降阻劑——滑溜水,簡化了配方、提高了攜砂效果、降低了成本。研發(fā)了高耐鹽膠液體系實現(xiàn)了聚合物替代胍膠、提升了性能、減小了地層傷害;開發(fā)了6種頁巖氣水平井分段壓裂特色工具(圖6),大通徑橋塞、可溶橋塞廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。
圖6 頁巖氣水平井分段壓裂特色工具圖
6)自主研發(fā)了微地震監(jiān)測技術(shù),具備深井、淺井、地面監(jiān)測采集、處理、解釋一體化能力,實時指導(dǎo)壓裂、調(diào)整參數(shù)、了解壓裂波及體積[11],為EUR計算提供了依據(jù)(圖7)。
創(chuàng)新形成鉆井壓裂、鉆井采輸、壓裂采輸?shù)韧阶鳂I(yè)模板,優(yōu)化平臺布置,實現(xiàn)“批量化、模塊化、程序化、一體化”作業(yè)[12],大幅加快投產(chǎn)進度,平臺投產(chǎn)周期縮短約25%。
1)采用集中建井、雙鉆機作業(yè)模式,自主研發(fā)鉆機快速平移系統(tǒng)實現(xiàn)了分開鉆次序批量鉆井(圖8-a),鉆機平移和固井候凝同步作業(yè),較常規(guī)作業(yè)模式鉆井周期縮短約40%。
圖7 威204井區(qū)微地震監(jiān)測圖
2)在國內(nèi)首次采用兩口井“拉鏈?zhǔn)健眽毫炎鳂I(yè)模式,通過地面標(biāo)準(zhǔn)化流程、拉鏈?zhǔn)绞┕13-15](圖8-b)、流水線作業(yè)和井下交錯布縫、微地震實時監(jiān)測,最大限度增加儲層改造體積,拉鏈?zhǔn)綁毫炎鳂I(yè)效率可達到5段/d,充分體現(xiàn)了“工廠化”壓裂對頁巖氣叢式水平井平臺大規(guī)模體積壓裂改造的提速、提效作用。
3)通過細(xì)化安全保障措施,同平臺開展“半支壓裂、半支鉆井”安全同步作業(yè)(圖8-c),有效縮短平臺投產(chǎn)周期,提升了頁巖氣規(guī)模開發(fā)效益。
圖8 “工廠化”壓裂作業(yè)圖
圖9 頁巖氣清潔化生產(chǎn)模式圖
形成了以清污分流、巖屑不落地、鉆井液回收利用、油基巖屑處理及資源化利用[16-17]、電代油減排降噪、采出水重復(fù)利用及綜合治理等為主體的6項頁巖氣環(huán)保節(jié)能技術(shù)(圖9),通過內(nèi)外溝,圍堰和雨棚進行清污分流,通過巖屑實時傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)不落地,通過綜合處理站集中處理和回收利用,在合作區(qū)鉆井全部實現(xiàn)了電代油作業(yè),采用熱解析、萃取等處理油基巖屑,采出水部分回注井下或工業(yè)制鹽,回用率達80%,實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能開發(fā)。
通過持續(xù)攻關(guān)研究、完善,形成了以高精度三維地震勘探技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)體系,包括高精度三維地震勘探、測井處理解釋、資源快速評價、地質(zhì)工程一體化建模、井位優(yōu)選和頁巖氣藏動態(tài)分析等6項技術(shù)。
1)通過持續(xù)攻關(guān)研究、應(yīng)用完善,高精度三維地震處理解釋技術(shù)的應(yīng)用,不斷提升了在構(gòu)造預(yù)測、裂縫預(yù)測、小層厚度及儲層關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測精度。
2)建立了一套儲層綜合評價及分類的測井處理解釋方法,該方法以綜合數(shù)字巖心實驗測試與分析為基礎(chǔ),利用測井解釋及綜合評價模塊對儲層物性參數(shù)、礦物成分進行解釋,獲取儲層綜合評價參數(shù),再由儲層綜合評價及分類模塊按綜合評價標(biāo)準(zhǔn),得出“地質(zhì)甜點”建議。該方法的應(yīng)用使解釋地質(zhì)甜點符合率達95%,大幅度提升了測井解釋準(zhǔn)確度。
3)地質(zhì)工程一體化建模技術(shù):利用三維地質(zhì)模型(圖10),可開展儲層參數(shù)平面分布預(yù)測、優(yōu)化井軌道設(shè)計、指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向、預(yù)測壓裂異常等[4],為打造“透明”氣藏奠定了基礎(chǔ)。
圖10 三維地質(zhì)構(gòu)造模型及天然、人工裂縫模型圖
4)井位優(yōu)選技術(shù):平面上優(yōu)選地質(zhì)、工程甜點區(qū)域,縱向上選擇TOC含量高、物性好、含氣量高、脆性高的最優(yōu)水平段靶體,地表地形、地下地質(zhì)目標(biāo)一體化考慮,因地制宜實施了雙排、勺式(圖11)、交叉、下傾式等4種布井方式,優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率和單井測試產(chǎn)量明顯提高。
圖11 井位優(yōu)化部署示意圖
5)頁巖氣藏動態(tài)分析技術(shù):針對頁巖氣較常規(guī)氣藏開采的難點,形成綜合氣藏地質(zhì)、鉆完井、氣井開采情況的氣藏動態(tài)分析技術(shù)(圖12),明確了高產(chǎn)主控因素、修正了復(fù)雜滲流機理下EUR計算方法、創(chuàng)新了體積壓裂壓后評估技術(shù),為提高氣田開發(fā)水平提供技術(shù)支撐。
圖12 頁巖氣藏動態(tài)分析技術(shù)流程圖
優(yōu)化地面集輸工藝,實現(xiàn)了采輸智能化、數(shù)字化管理;摸索開發(fā)生產(chǎn)管理制度,提高采收率。
1)鉆前、地面一體化設(shè)計技術(shù):針對頁巖氣集群化井位部署特點,采輸?shù)孛婀こ膛c鉆前工程同步設(shè)計,合理利用部分設(shè)備基礎(chǔ)[18],避免重復(fù)開挖,建設(shè)周期縮短30%,平臺站綜合投資下降5%。
2)標(biāo)準(zhǔn)化地面建設(shè)技術(shù):在地面采輸及管理方面形成具有明顯技術(shù)特點的“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化施工、智能化控制、數(shù)字化管理”模式,自主設(shè)計、研制分離計量一體化集成裝置,推行“無人值守、集中監(jiān)控、電子巡井、周期維護”的扁平化生產(chǎn)管理,全面推進了氣田數(shù)字化管理[19]。
3)采氣工藝配套技術(shù):針對頁巖氣長水平段特點,形成了基于井筒完整性的完井—采氣一體化工藝技術(shù),在完井期間就為后續(xù)采氣工藝實施創(chuàng)造井筒條件,為實現(xiàn)氣井生產(chǎn)過程中的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供了條件(圖13)。2017年,在威遠井區(qū)實施連油沖砂、泡排、柱塞、增壓等排水采氣工藝措施201井次,累計增產(chǎn)氣量7 274h104m3。
圖13 威遠井區(qū)頁巖氣采氣工藝配套技術(shù)圖
4)帶壓作業(yè)技術(shù):研制了國內(nèi)首套中高壓氣井帶壓作業(yè)機CQ-BYJ-21/35,逐步完善了氣井帶壓作業(yè)工藝技術(shù)、風(fēng)險評估,為儲層保護、節(jié)能環(huán)保、老井穩(wěn)產(chǎn)提供了配套裝備和關(guān)鍵技術(shù),在威遠、長寧、涪陵等頁巖氣示范區(qū)帶壓完井100余井次,累積增產(chǎn)約為3.7h108m3。
得益于國家頁巖氣發(fā)展戰(zhàn)略,經(jīng)過8年的探索和實踐,頁巖氣工程技術(shù)得到了長足的進步和全面的發(fā)展。隨著川渝頁巖氣進入規(guī)模開發(fā)階段,對頁巖氣“高效益、高效率”勘探開發(fā)工程技術(shù)提出了更高要求,在鉆完井提速提效、高效儲層改造、儲量動用和提高單井產(chǎn)量等方面還需要持續(xù)深化和完善。
1)氣藏工程深入研究。綜合氣藏動態(tài)、氣藏三維地質(zhì)模型及數(shù)值模擬,以地質(zhì)、壓裂工程、試井及開采為基礎(chǔ),準(zhǔn)確認(rèn)識壓裂裂縫特征、優(yōu)化壓裂參數(shù)、評估壓后產(chǎn)量、確定合理開采制度,為頁巖氣藏的高效、經(jīng)濟開發(fā)提供技術(shù)支撐。
2)鉆完井提速技術(shù)配套完善。以集成適用技術(shù)為基礎(chǔ),發(fā)展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、動力鉆具等國產(chǎn)化工具,攻關(guān)小井眼井身結(jié)構(gòu)、頁巖層段高效鉆井液體系、個性化PDC鉆頭,強化鉆井參數(shù)和裝備配套,實現(xiàn)進一步提高鉆井速度和降低作業(yè)成本。
3)體積壓裂技術(shù)攻關(guān)。開展密集分段高密度完井、纖維輔助支撐劑均勻鋪置、自懸浮覆膜砂、無限級滑套等技術(shù)和工具試驗,完善暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù),推廣石英砂替代陶粒,加強套變機理研究,提高儲層改造效率和效果。
4)發(fā)展深層鉆完井和儲層改造技術(shù)。開展埋深超過3 500 m長水平段井眼軌道優(yōu)化設(shè)計及控制技術(shù)、高效鉆井液技術(shù)、長壽命提速配套工具、分段壓裂施工及壓后評估技術(shù)的攻關(guān)研究,實現(xiàn)深層頁巖氣資源的有效開發(fā)利用。
5)頁巖氣井壓后返排機理研究及制度優(yōu)化研究。認(rèn)識影響頁巖氣井體積壓裂返排率的關(guān)鍵因素,深入研究頁巖氣井壓后控制返排模型、壓后控制返排期間支撐劑沉降及回流規(guī)律、壓后返排控制制度優(yōu)化等,形成頁巖氣井高效、安全、經(jīng)濟的排采工藝技術(shù)。
6)持續(xù)提高安全環(huán)保技術(shù)。通過大力發(fā)展減量化技術(shù)和資源化技術(shù),著力推行鉆井廢水控制、壓裂液處理回收再利用、油基巖屑資源化利用,加大企業(yè)與地方政府合作,完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,解決油基巖屑資源利用后固相最終處置等問題。
8年實踐積累的開發(fā)成果和豐富的技術(shù)經(jīng)驗,有效地支撐了四川盆地長寧—威遠國家級頁巖氣開發(fā)示范區(qū)的上產(chǎn),在技術(shù)進步和管理創(chuàng)新等方面具有引領(lǐng)示范作用,對推動我國頁巖氣開發(fā)的科技進步、帶動經(jīng)濟發(fā)展、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和保障能源安全具有重要意義?!笆濉逼陂g,頁巖氣發(fā)展面臨機遇與挑戰(zhàn),必須緊跟頁巖氣技術(shù)革命新趨勢,堅持低成本發(fā)展戰(zhàn)略,大力推進科技攻關(guān),持續(xù)提升頁巖氣勘探開發(fā)工程技術(shù)水平,才能不斷開創(chuàng)頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展新局面。
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