页岩气藏开发的专项技术[1]

　　国外油田工程第25卷第1期(200911)　　

页岩气藏开发的专项技术

编译:张言(中油长城钻探工程公司物探公司)审校:郭振山(中油长城钻探工程公司钻井一公司)能力。

经济的旋转导向钻井组合、大功率的压裂设备和多用途的压裂充填技术可最大、最优地裸露储层。

必须通过钻井和压裂产生尽可能大的压裂面来调合复杂的储层脆性,进而使天然气运移最大化。

新设计包括提高全套压裂系统的功率,使用高速泵,及安全性、空间利用、作业效率和实时自动化,以便最终提高采气量。多层储层特征和超低的地层渗透性要求沿井眼有最优位置的精确压裂,这可大大提高开采效果。

使用如下方法可有效压裂多重产层:

◇使用配有水力喷射技术的挠性软管或管形物;

◇将动态转换技术用于垂直充填或者水平充填;

◇结合完井的机械井下组合(以强化套和膨胀

的弹性封隔器为特征)压裂多个产层,而不必用桥塞来封隔要处理的井段。这些精确的技术为作业者在一次钻机安装中压裂多个产层提供了有效的方法。

页岩技术

几种增强开采的工艺在页岩天然气储层中的应用:・前景评估和岩心测试

・页岩按岩性分类,确定可开采页岩的主要特征・对页岩测井数据进行专业的组合和分析・垂直井或水平井的增产设计和钻进・支撑剂的尺寸和充填考虑

・页岩水力压裂液化学性能的优化和选择・获得长期可持续开采的修井工艺

　　摘要　随着世界油气价格的上涨,对低渗透页岩气藏的开发价值越来越突出。由于这是一种非常规的气藏,从页岩中采气就存在技术上的难题。讨论了用于此类气藏的压裂增产技术和用于致密地层天然气开发的流体。介绍了页岩这种低渗透性气藏的特征和开发此类气藏的一些关键技术。就开发页岩气藏的流体处理、多油层气藏、毛细压力、地层损害、生命周期的各个阶段、前景评估、测井数据要求、如何提高开采量等专项技术进行了阐述。最终得出结论,应用于低渗透性非常规气藏的专项技术使在得克萨斯州中北部FortWorth盆地的密西西比系的Barnett和俄克拉荷马州页岩井的开发获益匪浅。

关键词　页岩气藏　微乳状液表面处理剂　被动式微地震压裂监测　最终采气量　表面改性剂　酸溶水泥

1　页岩

从页岩中采气有技术上的难题,页岩有超低的渗透性,其脆性也不相同。多层页岩储层的特征和流动机理极不相同。在水力压裂方案里,地层一般都有很高的毛细压力,处理液有可能损害页岩地层。

各个油气藏特征的多层页岩储层,要求有专业评估、钻井技术,以及“邻井”的地质、地震和开采对比来确定最优的压裂目标层。

在页岩地层确定适当的裂缝充填是产生大面积、高产的裂缝网络的关键。测井系统采用一种创新的方法,此方法结合所选岩石的力学性质、地质力学、总的有机物含量和孔隙度来帮助确定页岩地层内最好的裂缝起始位置。微震方法也提供了压裂增产期间关于多次压裂深度和宽度的宝贵信息。

由于页岩超低的渗透性,要想从页岩储层成功获得经济的采收率,这取决于通过水平或垂直钻井和压裂或两者同时使用来使地层最大化的裸露

可采页岩地层的组成

一般而言,可开采的页岩地层包括如下特征:

・产层厚度>34108m

・井封闭,并且包含水力压裂能量

・在气窗口里的成熟度Ro=111～114

・好的气含量>100ft3/t

・高级有机物总含量(TOC)>3%・低氢含量

・中等黏土含量<40%,有很低的混合层组分・脆性成分,低泊松比和高杨氏模量

・把储层和增强天然气生产能力的岩性特征同岩石组构结合起来

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111　流体处理114　地层损害

在渗透性很有限的页岩层,无伤害、增强负荷

采收率的压裂液是最基本的。专业化学药剂产生的最有效的裂缝与保护地层现存的天然气的渗透性相结合,可大大促进页岩开采的成功。这些压裂液的组分包括:

◇专用降阻剂:能减小由长链式的聚合物引起的潜在的压裂面损害,但不降低摩擦压力;

◇微乳状液表面处理剂:有助于降低毛细压力,释放吸入的处理水,提高气渗透性,替换水堵处理中的甲醇;

◇压裂清洗增强剂和传导率增强剂:可加速裂缝清洗和处理液的回流。

总之,这些组分形成了一种增效的流体处理方法,促使从原始渗透率超低的地层开采天然气。112　多层储层

多层储层大范围地展示了储层的特性,这需要进行评价、模拟和监测。一个特定的页岩模拟和分析系统对地层的力学特性、有机碳的总含量、页岩成熟度、镜质体反射率、气含量(以ft3/t计)、游离和吸附气的含量进行评价。专业的页岩测井分析、油藏模拟、开采史拟合、注入测试分析、微震和油田的全面特征为新油井和新油田的开发决策提供信息。

被动式微地震压裂监测(PMM)应用包括:水力压裂处理期间压裂范围的图示、断层图示、跟踪水或气的前缘。基于PMM的功能,一项最近研发的结合测井和微地震科学的井眼地震技术可在裂缝产生时对其进行监测。

测井方法提供了:

◇用于预压裂垂直应力剖面模拟的偶极声波;◇用于井眼地震模拟的速度剖面。

在压裂处理期间,光纤监测提供了全井段的温度剖面。随时间比较和分析温度剖面,可直接表明井内各处的注水分配情况。根据实时信息可立即对处理进行优化,作业后的跟踪有助于未来的优化。113　毛细压力

页岩通常有很高的毛细压力。一种独特的微乳状液表面处理剂能控制水力压裂期间处理液所引起的压裂面损害,可释放圈闭水,增加低压、致密底层的开采量;还可降低因相圈闭引起的压裂面损害,增强液态烃的流动性(包括凝析液);有助于压裂后的渗透率恢复,增大负荷采收率,通过替换甲醇改善环境和安全运行。

一种新型的减阻剂有助于降低来自长链式聚合物对压裂面的损害。在页岩地层可使用最大的功率,而不是将其浪费到流体通过的机械系统上。因为这种降阻剂不包含酚,它改善了环保质量,与常规减阻剂相比絮凝较少。

降黏剂通过降低流体黏度,有助于使水压裂处理的效果最大化,改善负荷采收率,使减阻剂聚合物的损害最低,防止聚合物吸附到压裂面上,从而提高开采量。115　生命周期的各个阶段

遵循项目开发的五个阶段,仔细选择适合项目每个阶段的技术,页岩的天然气开采能够更成功:

(1)储层评价:评价页岩和储层的潜在产量。(2)启动勘探:钻试验井、勘查压裂设计和开采量预测。(3)早期开发(大量生产):优化设计,开发数据库和标准。

(4)成熟开发阶段(收获储量):在现金流动循环周期内,拟合产量曲线,调整储层模型,对数据库进行影像处理。

(5)下降阶段(维护和修井):识别修井对象,再次评价和启用举升机制和波及方法。116　测井数据要求

γ射线、可应用triple-combo测井获取密度、电阻率、中子和密度孔隙度。应用声波测井获取岩

石的力学性质。下入电磁映像(EMI)工具获取天然的和诱导裂缝的方向,随后分析以识别无硫点和引发裂缝的位置。脉冲伽马能谱(PSG)测井可通过精确测量大范围不同性能下的含油饱和度和井眼状况来提高采收率。PSG测井也有助于黏土定型,这将增加对储层的了解,有益于将来井的规划。

2　提高开采量

在页岩中进行商业开采主要取决于天然气含量、天然储量和岩石的供油能力。增产措施的主要目的是使用最便宜的材料,让岩石的体积和表面积最大程度地接触和暴露,实际上是利用水马力和注入水对页岩进行开采。这种水力开采能把毫微达西级的页岩井转变成商业天然气生产井。

重新应用增产措施可将开采储量提高50%～100%。沿垂直或水平井眼,通过选择性处理、封隔、再处理未压裂的区域来实现垂直井和水平井的完井。应当根据特定页岩的矿物成分设计压裂液和

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反应性液体。211　直井压裂

目前的直井压裂设计特征如下:

◇4或5处射孔位置,长度0161～1122m;◇5孔/ft(SPF)和60°定相;

◇每个射孔孔眼的泵速是1～2bbl/min(1bbl=01159m3),或者每个起始位置的泵速是20bbl/min。

入球或扣连接油管、挠性油管上的机械转换装置来打开。

水压裂产生一种复杂的窄孔径的裂缝网络,这或者是因扩散的剪切破坏诱发的,或者是因页岩里原生的初期裂缝或薄弱平面的膨胀而产生的。裂缝的宽度必须是支撑剂最大颗粒直径的115倍,这可对诱生的裂缝提供辅助支撑。

因为基岩的渗透性一般都超低(010001～01001mD,1mD=1102×10-3μm2),除了近井眼处,裂缝的传导性一般不会很高,通过裂缝网络20～50mD/ft的渗透率就足够了。减阻剂、表面改性剂(SMA)、微乳状液、反絮凝剂和可反应流体的应用对水力压裂起到重要作用。SMA使支撑剂沉降最少,控制微粒的产生,增强裂缝的传导性。微乳状添加剂有助于消除水负荷,提高压裂液的回收率,采收率和估算的最终储量(EUR)明显上升。

加入含减阻剂的反絮凝剂是为了防止减阻剂同地层微粒和液态烃相互作用的负面影响。常规的减阻剂必定会在已形成的裂缝体系内产生损害性的、油泥一样的物质,封堵窄孔径的裂缝。213　可与页岩反应的流体

通常,组成页岩地层的主要成分黏土、粉砂和有机物在酸内几乎不表现本体溶解性,所以认为页岩不与低pH值或弱酸的流体发生反应。然而,页岩单元高度分层,包含酸溶的矿物质均匀地混合在页岩的本体基岩和原生裂缝里。X射线的衍射分析和页岩样品的电子显微放大图片都显示:在页岩的开采段里,有各种各样大量分布的可溶性物质。通过解吸附作用开采的天然气量直接同裸露的表面积有关,与页岩反应的流体或许会增加新生成的水力压裂裂缝的表面积。水力压裂产生的天然气开采量源于解吸附作用和微孔隙度或裂缝的扩散作用。与页岩反应的流体或许有助于消除在大块页岩里(及矿物充填的裂缝里)的酸溶矿物质,因此加强了天然气进入裂缝网络的扩散作用。

在页岩压裂方面使用可反应的流体是一种相对新的理念,发展于对页岩的岩性里包含、分布着含量较低的与酸反应的矿物质的观测。在与弱酸反应的体系实验中,当通过水压裂吸入了20000～200000gal的反应性流体的页岩地层同弱酸接触时,发生了未预料到的压力降。

初始产量比反应性流体没有参与处理前翻了一番。

泵入的体积约2500gal/ft(1gal/ft=121418L/m),供给400lb/ft(1lb/ft=11488kg/m)的支撑剂。

在生命周期的早期阶段,通常钻垂直井,有助于作业者掌握储层特征。利用从钻井、压裂和开采垂直井获得的经验,可以有效地规划和实施更复杂的生命周期的第三、四阶段。212　水平井压裂和完井

目前的水平井压裂设计一般包括:◇2～8段/水平井眼◇2～4压裂开始位置/段◇0161～1122m的射孔/位置,6孔/ft,60°定相

◇每个压裂点20～30bbl/min,每个射孔点2～4bbl/min

◇体积平均1800gal/ft水平井完井有如下三种类型:

◇用组合塞下套管、固井、多阶段分离压裂段;

◇各个阶段对射孔产层使用挠性油管或扣连接的油管供水或喷砂;

◇机械井下组合。

聚能射孔和多级完井消除了射孔或坐塞的必要。这项作业靠挠性油管或扣连接油管下到第一段的破裂位置;射孔和通道由于在高压下通过油管泵注受到侵蚀,使用砂或水作为切割气流。在喷射位置产生裂缝并开始蔓延。因为喷射速度在喷射出口处产生一个压力降,所以不需要封隔器。此压力降把液体从环空推入裂缝。

作为一种新的替代方案,井下钻具组合(BHA)型完井封隔器下入到水平页岩井中来固井和射孔。这些系统也可作为生产套管的一部分,提供机械封隔和可选择的注入位置,这些注入位置能够打开,在某种情况下可手动关闭。

新型多级酸化压裂工具正应用于裸眼和下套管完井,它们带有液压坐封封隔器和滑阀,可通过泵

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214　页岩井固井

在页岩气层的成功压裂增产过程中,在页岩井

水平段的周边创建一个适当的水泥环是一个关键因素。在俄克拉荷马州Woodford页岩最近的勘探和生产实践中,使用泡沫水泥固井比用常规水泥浆固井所获得的天然气峰值(产量)平均多23%。

常规的水泥固井没有提供充分的油层封隔,压裂液沿水平段套管流动,使目的层接收的压裂液和支撑剂的体积量比设计的体积量小。

在水力压裂期间,泡沫水泥相对低的抗压强度不会增加水泥环里裂缝产生和扩大的风险。

在Woodford页岩水力压裂作业过程中,泡沫水泥的持久性已得到多次证实,泡沫水泥比常规水泥更能承受高的套管内压力和高的流体静压力;两个因素可解释此性能:

◇泡沫水泥的机械性能容许它比常规水泥承受更大的井眼压力;

◇泡沫水泥的黏性有助于防止裂缝在水泥环里扩展,确保连续的油层封隔。215　酸溶水泥

期间,会引起过大的弯曲度。成功的水平限流压裂

要求:所有的射孔都是开着的,能同地层连通,设计的射孔摩阻控制流体沿井眼分布。

由常规水泥产生的弯曲度引起的堵塞射孔孔眼和井壁周围的摩阻会大大改变流体的分布,降低压裂的效果。常规的抗压强度高的水泥(一般酸溶性低于5%)不可能被完全消除,以使每个射孔都开着并同地层连通。

酸溶性水泥可用于油层封隔,而不会妨碍压裂和开采。这种水泥在酸基压裂液里溶解速度很快,并且溶解度很高(>90%)。ASC物理性能与常规水泥的物理性能十分相似。可专门配制ASC来提供适当的密度、失水、自由水、抗压强度和泵入时间,满足特殊井的要求。如果需要更低密度的水泥浆,ASC还可泡沫化。ASC物质容易从射孔串中清除,特别适用于限流水平井。高溶解性可在紧邻射孔处的环空里开发大片的连通区域,同时还可沿井眼提供极好的油层封隔。另外,在开采期间同常规水泥相关的表皮效应、井壁周围地区的传导性的降低和射孔堵塞问题都可以解决。

资料来源于美国《Oil&GasJournal》2007年12月24日

(收稿日期　2008204219)

对限流压裂而言,由酸溶水泥(ASC)进行油

层封隔。

因为常规水泥在酸里的溶解性低,所以射孔压裂可能很难,有可能抑制裂缝产生,在压裂和开采

(上接第19页)

为均质应力环境。侧钻井多点瞬时关井压力反映出破裂梯度变化较大,从趾部到跟部,瞬时关井压力的大小变化趋势不一致。

◇成像测井不仅成功地用于预测水平应力各向异性,也可通过选择性射孔定位,防止无效造缝。

◇射孔弹束必须合理定位,以减少应力盲区的影响。通过减少每段弹束的数量,使应力干涉最小化,从而降低不合理裂缝延伸的可能性。每段弹束的数量减少至1或2,增加每口井的压裂段数从217到312。

)◇射孔应当结合优先破裂面,取0°(或180°相位。当选用ASC时,可选择60°相位。已证实这

两种射孔方法都是有效的。

◇射孔弹束长度应当不大于井眼直径的4倍,以防止产生竞争性复杂裂缝。在本实例研究之前,71%的问题井都存在射孔弹束长度超过井眼直径4倍的现象。

◇侧钻井ASC的溶解取决于溶解度和接触时间。测井表明,距离射孔80ft以内的水泥被溶解,大多数裂缝的放射性延伸在射孔弹束的30ft以内。

◇采用ASC和(或)较短的射孔弹束使压裂处理过程中的平均作业压力与作业速率的比率降低了15%。这种减少直接关系到激产井所需的水力压裂功率。

◇添加100目砂至填塞段有助于控制处理液漏进可能存在的复杂的近井裂缝中。

◇起始的裂缝用胶联凝胶有利于提高压力衰减率,并保持足够的裂缝宽度,以达到工艺要求的支撑剂浓度。

资料来源于美国《SPEProduction&Operations》2008年8月

(收稿日期　2008212211)

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