全球頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)綜述

1、全球頁巖氣資源開發(fā)技術(shù)綜述譚 ?。ㄩL城鉆探工程有限公司鉆井二公司，遼寧 盤錦 124010）摘 要 “頁巖氣革命”在全球范圍內(nèi)掀起了頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮，根據(jù)EIA最新發(fā)布的全球頁巖氣資源評價最新數(shù)據(jù)顯示，全球頁巖氣技術(shù)可采資源約為2071012m3。本文介紹了目前頁巖氣資源分布現(xiàn)狀以及頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，如鉆井技術(shù)、鉆井液技術(shù)、固井技術(shù)、完井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)。關(guān)鍵詞： 頁巖氣 鉆井 完井 壓裂 鉆井液 一、全球頁巖氣資源現(xiàn)狀1.頁巖氣資源儲量情況以美國為首的“頁巖氣革命”推動了全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的進(jìn)程。其中，頁巖氣的勘探開發(fā)因其豐富的資源儲量，成為了全球各大能源行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。全

2、球范圍內(nèi)，頁巖氣資源主要分布與北美、中亞、中國、北非等國家和地區(qū)。根據(jù)2013年6月美國能源信息署（EIA）發(fā)布的全球頁巖氣資源評價最新數(shù)據(jù)顯示，全球頁巖氣技術(shù)可采資源約為2071012m3。其中，中國以31.571012m3的頁巖氣技術(shù)可采資源儲量，占全球頁巖氣資源總量的15%，排名世界第一。除中國外，其他頁巖氣資源豐富的國家還包括阿根廷、阿爾及利亞、美國和加拿大等。排名前十位的國家頁巖氣資源量總和達(dá)163.211012m3，占全球頁巖氣總資源量的79%（表1）。表1 2013年全球頁巖氣技術(shù)可采資源量排名前十位國家序號國家頁巖氣技術(shù)可采資源量(1012m3)1中國31.572阿根廷22.7

3、13阿爾及利亞20.024美國18.835加拿大16.236墨西哥15.437澳大利亞12.378南非11.049俄羅斯8.0710巴西6.942.頁巖氣資源分布從EIA發(fā)布的頁巖氣盆地分布圖（圖1）可以看出，世界上大型的頁巖氣盆地主要分布于北美、亞洲和南美等地區(qū)。圖1 全球頁巖氣盆地分布圖美國是最早開始研究頁巖氣勘探開發(fā)的國家，經(jīng)過多年的探索經(jīng)驗(yàn)，美國目前已經(jīng)擁有世界領(lǐng)先的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù),進(jìn)入了頁巖氣商業(yè)化開采的階段。美國的頁巖氣開發(fā)區(qū)塊主要分布于美國南部的Barnett頁巖、Woodford頁巖、Fayetteville頁巖、Marcellus頁巖和Haynesville頁巖氣區(qū)塊,以

4、及東部、中東部的Ohio頁巖、New Albany頁巖和Antrim頁巖氣區(qū)塊等。據(jù)EIA發(fā)布的2013年能源展望報(bào)告中預(yù)測，美國頁巖氣產(chǎn)量在2040年將達(dá)到4729108m3。加拿大作為頁巖氣開發(fā)的另一個重要國家, 其頁巖氣資源主要分布在東部和西部，包括Montney頁巖和Utica頁巖等九大頁巖氣區(qū)塊，可采資源量分別為0.91012m3和10.11012m3。目前，加拿大頁巖氣開發(fā)仍處于初級階段，尚未完全進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。中國是除美國和加拿大之外,正式開始頁巖氣資源勘探開發(fā)的國家,我國頁巖氣資源豐富,主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地，由中國石油、

5、中國石化以及延長石油三家公司進(jìn)行勘探開發(fā)。四川作為中國頁巖氣的主要生產(chǎn)區(qū)，目前已有中國石油和中國石化在此建設(shè)生產(chǎn)示范區(qū)。截止到2013年12月，全國累計(jì)完成頁巖氣鉆井285口，其中水平井86口。目前，由于技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟以及我國針對頁巖氣開發(fā)推出的補(bǔ)貼政策，全國頁巖氣正式進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)生產(chǎn)階段，產(chǎn)能及產(chǎn)量步入加速增長階段。二、頁巖氣勘探開發(fā)概況頁巖氣儲層與常規(guī)儲層的差異很大，因此頁巖氣的勘探開發(fā)必須采用先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的開發(fā)。針對頁巖氣藏的特點(diǎn)，借鑒美國在頁巖氣開發(fā)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，我們得知水平井鉆完井技術(shù)和壓裂改造技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。1.鉆井技術(shù)頁巖氣井鉆井主要包括直

6、井和水平井兩種方式。直井主要目的用于試驗(yàn)，了解頁巖氣藏特性，獲得鉆井壓裂和投產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，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，得到更高的天然氣產(chǎn)量 一般情況下，若頁巖儲層為水平裂縫，主要采用垂直井 若頁巖儲層為垂直裂縫，多采用水平井，形式包括單支多分支和羽狀水平井等，直井與垂直裂縫相交的機(jī)會較少。根據(jù)美國開發(fā)頁巖氣的經(jīng)驗(yàn)，水平井的產(chǎn)量是直井的3-5倍，成本只相當(dāng)于直井的1.5倍。因此，水平井鉆井技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)。目前，國外頁巖氣鉆井技術(shù)中主要采用的技術(shù)有：軌跡控制技術(shù)、欠平衡及控壓鉆井技術(shù)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)以及鉆井液技術(shù)。1）軌跡控制技術(shù)（1）井眼方位選擇

7、 頁巖氣水平井井眼方位一般選擇在應(yīng)力較低、脆性礦物和干酪根富集、裂縫發(fā)育程度高、孔隙度較高的頁巖層區(qū)域，以便為后期壓裂提供有利條件。 一般情況下選擇與主要裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)大致平行的方位進(jìn)行水平井鉆井，能夠生成大量的橫向誘導(dǎo)裂縫，增大裂縫與氣體接觸的表面積，提高采收率。 （2）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 頁巖氣鉆井普遍采用三級井身結(jié)構(gòu)。由于后期需要進(jìn)行壓裂，因此對套管及套管頭承壓能力要求較高，固井質(zhì)量要好，水泥返高到地面。在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用三維地震技術(shù)，增加井筒與裂縫相交的可能性，打開更多的儲層。 （3）軌跡控制 隨著MWD技術(shù)、導(dǎo)向工具的發(fā)展，可基本實(shí)現(xiàn)對頁巖氣水平井軌跡的控制和實(shí)時優(yōu)化。 對于儲層均質(zhì)性良好

8、，水平段長度較小的井，使用穩(wěn)定器鉆具組合和彎外殼螺桿鉆具與MWD組合。對于水平段較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的井，使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，可以使井眼更加光滑。 2）欠平衡及控壓鉆井技術(shù)欠平衡及控壓鉆井技術(shù)的應(yīng)用，主要用于防漏、提高鉆速和儲層保護(hù)，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)在頁巖中鉆井。（1）欠平衡鉆井技術(shù) 欠平衡鉆井以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，能夠克服井壁坍塌和液體鉆井液對儲層的傷害，克服鉆井作業(yè)過程中的卡鉆、井漏、井塌等問題，提高鉆井速度，減輕地層傷害，提高油氣井產(chǎn)能，節(jié)省作業(yè)成本。 作為國內(nèi)頁巖氣主要開發(fā)試驗(yàn)區(qū)的長寧、威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊，上部井段多處出現(xiàn)了惡性井漏、機(jī)械鉆速偏低等難題，改用充氣鉆井技術(shù)后，有效解決了以上難題

9、，快速順利鉆至固井井深。（2）控壓鉆井技術(shù) 控制壓力鉆井是一種用于精確控制整個井筒環(huán)空壓力的鉆井技術(shù)，目的是確定井底壓力，并以此控制井筒環(huán)空壓力剖面。通過控制鉆進(jìn)過程的壓力使得鉆井作業(yè)最優(yōu)化，縮短非生產(chǎn)時間、減少井涌、井漏、卡鉆等復(fù)雜情況。 目前威德福、哈里伯頓等公司已進(jìn)行過該技術(shù)研究和現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。3）旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)常用于位移大、水平段長、風(fēng)險(xiǎn)高的頁巖氣水平井鉆井。該技術(shù)可以有效解決施工中的摩阻扭矩偏大、機(jī)械鉆速低和井下事故頻繁等技術(shù)問題。 目前，世界上先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，主要有貝克休斯公司的靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)AutoTrak、斯倫貝謝公司的動態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)

10、導(dǎo)向系統(tǒng)Power Drive以及哈里伯頓公司的靜態(tài)指向式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)Geo-pilot。4）鉆井液技術(shù)由于頁巖地層裂縫發(fā)育、水敏性強(qiáng)，容易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等問題，因此，選擇頁巖氣水平井鉆井液的原則是強(qiáng)抑制、高封堵、高潤滑。油基鉆井液可以提高水潤濕性頁巖的毛細(xì)管壓力，防止鉆井液對頁巖的侵入，有效保持井壁穩(wěn)定，還具有良好的潤滑、防卡作用，是目前國內(nèi)外采用最多的鉆井液體系。油基鉆井液自1920年開始使用至今，先后經(jīng)歷了原油鉆井液、柴油基鉆井液、白油基鉆井液、氣制油基鉆井液、全油基鉆井液。目前，該技術(shù)在國外已經(jīng)成熟且廣泛應(yīng)用。2.完井技術(shù)由于大部分頁巖氣是以吸附狀態(tài)存在于頁巖中，而儲層滲透率低，

11、因此，施工的關(guān)鍵是既要通過完井技術(shù)提高其滲透率，又要避免地層損害。因此，在固井、完井方面都有其特殊的處理技術(shù)。1）固井技術(shù) 頁巖氣固井技術(shù)的核心是水泥漿體系，所涉及的水泥漿包括泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H級水泥等4種類型。 頁巖氣井普遍使用的是泡沫水泥固井技術(shù)，與常規(guī)固井水泥漿相比，泡沫水泥具有高強(qiáng)度、低密度、低失水量、超穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此泡沫水泥具有良好的防竄效果，能解決低壓易漏長封固段復(fù)雜井的固井問題，而且短距離的水泥侵入，也可以降低儲層損害。 根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，泡沫水泥固井比常規(guī)固井的產(chǎn)氣量平均高23%，我國該項(xiàng)技術(shù)目前在國內(nèi)多個生產(chǎn)區(qū)塊取得了實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用成功。 2）完井

12、技術(shù)頁巖氣的完井方式主要包括水力噴射射孔完井、組合式橋塞完井和機(jī)械式組合完井。（1）水力噴射射孔完井該完井方式適用于直井或水平套管井，在套管固井后，從工具噴嘴噴射出的高速流體射穿套管和巖石，達(dá)到射孔的目的，通過拖動管柱可進(jìn)行多層作業(yè)，免去下封隔器或橋塞，縮短完井時間。美國大多數(shù)頁巖氣水平井都采用此完井方式。（2）組合式橋塞完井套管中用組合式橋塞分隔各段，分別進(jìn)行射孔或壓裂，這是頁巖氣水平井最常用的完井方法。其工藝是下套管、固井、射孔、分離井筒，但因需要在施工中射孔、坐封橋塞、鉆橋塞，也是最耗時的一種方法。（3）機(jī)械式組合完井機(jī)械式組合完井是目前國外應(yīng)用的一種新技術(shù)，采用特殊的滑套機(jī)構(gòu)和膨脹封隔

13、器，適用于水平裸眼井段限流壓裂，一趟管柱即可完成固井和分段壓裂施工。如Halliburton 公司的Delta Stim 完井技術(shù)。3.壓裂技術(shù)由于頁巖儲層低孔低滲的物性特征導(dǎo)致裂縫的發(fā)育程度成為頁巖氣運(yùn)移聚集、經(jīng)濟(jì)開采的主要控制因素之一。僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁巖氣井可直接投入生產(chǎn)，大約90%的頁巖氣完井后需要實(shí)施壓裂改造才能獲得產(chǎn)量。1）水平井分段壓裂水平井分段壓裂技術(shù)可以有效的產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，最大程度低提高最終采收率，同時還可以節(jié)約成本。目前水平井的壓裂階段已從最初的單段或兩段，發(fā)展到7段甚至更多。美國頁巖氣生產(chǎn)井中，85%的井均采用水平井多級分段壓裂技術(shù)，增產(chǎn)效果明顯。2）同步壓裂同

14、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，來增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度及表面積。其優(yōu)勢是短期內(nèi)增產(chǎn)效果明顯，作業(yè)時間短，節(jié)省成本。目前，已發(fā)展為四口井同時壓裂。3）重復(fù)壓裂 重復(fù)壓裂是指當(dāng)頁巖氣井初始壓裂處理已經(jīng)無效或現(xiàn)有的支撐劑因時間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降，導(dǎo)致氣體產(chǎn)量大幅下降時，采用壓裂工藝對氣井經(jīng)行重新壓裂增產(chǎn)的工藝。 美國Barnett頁巖1997年使用清水壓裂對產(chǎn)量下降的井進(jìn)行重復(fù)壓裂，改進(jìn)處理液回收工作流程，氣井產(chǎn)量明顯提高，部分井產(chǎn)量甚至超過了初次壓裂時的產(chǎn)量。4）工廠化壓裂 工廠化壓裂就是要象普通工廠一樣，在一個固定場所，連續(xù)不斷的泵注壓裂液和支撐

15、劑。其優(yōu)勢是可以縮短區(qū)塊的整體建設(shè)周期，降低單位采氣成本；可以大幅提高壓裂設(shè)備的利用率，減少設(shè)備動遷和安裝，減少壓裂罐拉運(yùn)、清洗，降低工人勞動強(qiáng)度；方便回收和集中處理壓裂殘液，減少污水排放、重復(fù)利用水資源。三、我國頁巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及與國外差距國內(nèi)自2009年8月17日，國土資源部油氣資源戰(zhàn)略中心在綦江縣啟動中國首個頁巖氣資源勘探項(xiàng)目以來，頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)迅速發(fā)展，取得了良好的開發(fā)效果。經(jīng)過多年的探索實(shí)踐，我國針對頁巖氣勘探開發(fā)，主要形成了頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)，壓前評價、壓裂設(shè)計(jì)和壓后評估等技術(shù)，并圍繞“工廠化”作業(yè)，初步形成了鉆井、壓裂等一體化設(shè)計(jì)和優(yōu)化。2013年，在前期探索實(shí)踐的基礎(chǔ)

16、上，我國頁巖氣開發(fā)順利完成一批鉆井和大型壓裂施工作業(yè)，開發(fā)技術(shù)逐步成熟。盡管我國目前已經(jīng)基本掌握了頁巖氣開發(fā)的相關(guān)技術(shù)，但整體上與國外相比還存在一定差距（表2）表2 我國與國外頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)對比美國中國勘探技術(shù)三維地震技術(shù)、微地震監(jiān)測技術(shù)尚未掌握核心技術(shù)鉆完井技術(shù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)、控壓鉆井技術(shù)、泡沫固井技術(shù)等頁巖氣水平井鉆完井技術(shù)成熟先進(jìn)。我國頁巖氣開發(fā)水平井鉆井技術(shù)與欠平衡鉆井技術(shù)相對比較成熟，但在完井、固井方面相對滯后。主要井型90%以上為水平井，10%以下為直井。大部分是直井，水平井還處于試驗(yàn)階段。壓裂改造技術(shù)技術(shù)成熟，主要有多級壓裂、同步壓裂、重復(fù)壓裂等壓裂技術(shù)。常規(guī)水力壓裂技術(shù)已在國內(nèi)成功應(yīng)用，但頁巖氣壓裂才剛剛起步。小結(jié)中國頁巖氣開發(fā)處于探索階段，經(jīng)驗(yàn)匱乏，技術(shù)尚不成熟。四、結(jié)語頁巖氣作為一種非常規(guī)能源，在全球范圍內(nèi)分布非常廣泛，并逐步被人們重視，成為了一種重要的油氣資源。我國作為頁巖氣資源大國，開展頁巖氣勘探開發(fā)是促進(jìn)我國能源發(fā)展的必經(jīng)之路。盡管目前我國已基本掌握頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)，但與美國等國相比，還存在一定差距。如何能在保持自主創(chuàng)新的前提下，學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果本國頁巖氣資源開發(fā)的實(shí)際情況，探索出更高效的開發(fā)模式，仍是我們今后要面對的一大