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          探礦工程在線 > 正文

          蔣國盛:頁巖氣勘探開發關鍵技術綜述

          發布時間:2013年05月14日
          來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2013年第1期

           

          頁巖氣勘探開發關鍵技術綜述

           

          蔣國盛, 王榮璟

          (中國地質大學〈武漢〉工程學院,湖北武漢 430074

           

          摘要:在當前國際能源供需矛盾日益突出的形勢下,頁巖氣資源勘探開發備受世界矚目。頁巖氣是一種超低滲透非常規天然氣,在頁巖氣勘探開發中有許多關鍵技術。介紹了頁巖氣勘探開發中的相關關鍵技術,包括密閉取心和保壓密閉取心技術、水平井技術和壓裂技術,并提出了發展我國在頁巖氣勘探開發相關技術的建議。

          關鍵詞:頁巖氣;密閉取心;保壓密閉取心;水平井技術;壓裂技術

           

           0  概述

          能源安全影響到國家經濟的發展和社會穩定,世界各國通過各種渠道解決自身的能源問題,其中最重要的就是尋找替代能源。非常規油氣資源已經在全球能源結構中扮演著重要角色。頁巖氣是賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中,以吸附或游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣,成分以甲烷為主,是一種清潔、高效的能源資源。頁巖氣作為非常規油氣資源的一種,具有廣泛的開發前景。目前,頁巖氣在美國、加拿大等地已是重要的替代能源。近幾年,美國頁巖氣產量以超過兩位數的速度激增,從2006年的283億立方米增至2010年的1380億立方米。隨著諸如中國、印度、澳大利亞等國家逐漸掌握頁巖氣開發技術并進行開發,世界頁巖氣的產量將會迅速增長。據SBI Energy預測,未來十年,全球頁巖氣產量將會翻一番。

          但是,頁巖氣藏儲層具有典型低孔低滲的物性特征,氣流的阻力比常規天然氣大,使得頁巖氣開發面臨藏存隱蔽、采收率不穩定、開發技術要求高的不利因素,決定了必須對頁巖氣的勘查和開發關鍵技術進行攻關和突破。然而,相對于美國和加拿大等國在頁巖氣方面的研究,我國在這方面研究處于起步階段,在裂縫性泥頁巖油氣藏特點的勘查和開發配套技術和理論方面的研究較少,我國至今還沒有形成成熟的技術。

          頁巖氣的勘探和開發必須采取現代鉆進技術和特殊的固完井方法,才能確保增產,達到工業開采價值。國外這方面的研究主要有:(1)頁巖氣鉆進技術(主要是水平井),包括密閉取心技術、井身結構和井眼軌跡優化設計、鉆井工藝參數的優化設計、井眼軌跡控制技術、鉆井液工藝技術、欠平衡鉆井/控制壓力鉆井技術、快速鉆進工藝技術等;(2)頁巖氣開采壓裂增產技術,包括水力壓裂\分段壓裂\重復壓裂\同步壓裂技術、壓裂液技術、壓裂效果的數值和計算機模擬預測等。

           

          1  密閉取心技術

          密閉取心是指在水基鉆井液中取得的巖心基本不受鉆井液的污染,能真實再現地層原始地質孔隙度、含油飽和度及水侵和含水率等資料。它是通過專用密閉取心工具和密閉液的共同作用來實現的一種特殊鉆井取心工藝。比起一般的常規取心,它工藝上復雜,操作要求嚴格,而且涉及面廣。它不僅要求合理地使用取心工具,而且要求準確的地質預告、優良密閉液的配制、及時的現場地質化驗以及精確的室內地質分析等。在頁巖氣勘探開發中需要獲取頁巖巖心來進行巖心分析,為制定合理的頁巖氣勘探開發方案提供依據。

          早在20世紀60年代,我國大慶油田已經開始并成功地使用了傳統的密閉取心技術術。后來,又經過其它油田的不斷改進并推廣到全國范圍。隨著我國石油工業的不斷發展,勘探開發領域的擴展,我國密閉取心工具的研制取得了很大進展。下面介紹幾種常用的密閉取心工具。

          1.1  機械加壓式密閉取心工具

          1.1.1  工具的結構特點

          該工具由密閉堵頭、取心鉆頭、巖心爪、巖心筒組合、機械加壓接頭等五部分組成,如圖1所示。


          注:1.加壓上接頭 2.鋼球 3.加壓桿 4.六方套 5.密封圈 6.六方桿 7.加壓下接頭 8.懸掛接頭 9.承壓帽 10.絲堵 11.鋼球 12.銷釘 13.外筒上接頭14.堵頭 15.密封圈 16.內筒接頭 17.外筒 18.鉆頭接頭 19.鉆頭 20.活塞體 21.巖心爪 22.密封圈 23.銷釘 24.觸壓頭

          1  機械加壓式密閉取心工具結構示意圖

          與加壓式常規取心工具結構相比具有如下特點:(1)整個內筒是密封的,里面裝滿密閉液,上端由絲堵密封,下端由密閉堵頭及內筒插入鉆頭腔的盤根密,密閉堵頭通過3個銷釘固定在鉆頭進口處;(2)內筒的懸掛總成中無軸承,無單流凡爾,因此工具的巖心筒為“雙筒雙動”結構;(3)取心鉆頭采用斜水眼且偏向井壁。

          1.1.2  工作原理

          取心鉆進前閉頭伸出鉆頭一段距離,所以當鉆頭接觸井底之前,密閉頭固定銷釘先被剪斷,整個密閉頭上行,筒內的密閉液開始排出并在井底逐漸形成保護區,從而為密取做好了準備。取心時巖心不斷形成,推動密閉堵頭上行。因為內筒上端是密封的,所以筒內的密閉液就必須被入筒的巖心所擠壓,從內筒和巖心柱之間的環形間隙向下作等體積排出,連續不斷地均勻地涂抹在巖心表面形成保護膜,從而達到保護巖心免遭鉆井液自由水污染的目的。由于內筒懸掛總成無軸承,所以在鉆進過程中內外巖心筒便一起轉動而無相對運動,這就使得內筒組合與鉆頭配合面成為很可靠的靜密封,從而有效地克服了鉆井液浸入內筒的可能性。取心鉆頭的水眼偏向井壁,使射流不直接沖刷巖心根部,有利于護心。取心完上提鉆具投球加壓割心,借住鉆具的重力,將承壓帽銷子剪斷,懸掛鋼球失去懸掛作用,使內筒壓在巖心爪上,迫使巖心爪沿鉆頭體內斜坡滑行使巖心爪收擾變形,卡緊巖心,上提鉆具將巖心撥斷。取出的巖心按規定取樣,及時在現場化驗分析。當巖心受鉆井液污染時,示蹤劑也必然浸入巖心,因此利用顯色劑可鑒別巖樣中有無示蹤劑存在,通過比色法確定巖樣示蹤劑的含量多少,再根據已知鉆井液里示蹤劑含量,便可換算出鉆井液自由水對巖心的浸入量,巖心的密閉率為合格樣品數與總樣品數的百分比。

          1.2  大慶自鎖式密閉取心工具

          大慶鉆井工程技術研究院從1964年開始,經過25年的研究探索,在1988年研制并推廣了第三代自鎖式密閉取心工具。

          1.2.1  工具特點

          該工具有以下特點:(1)適用于中深井、深井800~5500m井段密閉取心;(2)巖心爪采用整體式,并且穩坐于鉆頭內腔錐面,割心時卡心牢靠,可使用3次;(3)內外筒懸掛裝置簡單,工具組裝、拆卸方便;(4)操作容易,省去復雜的投球加壓法割心工藝;(5)配有多種類型取心鉆頭,能滿足不同地層取心要求。

          1.2.2  結構

          Φ215mm自鎖式密閉取心工具為雙筒雙動式取心工具,主要由大接頭、絲堵、外筒上接頭、內外巖心筒、外筒下接頭、內筒密封圈、卡箍巖心爪、密閉頭、剪銷和取心鉆頭組成,如圖2所示。

          2  自鎖式密閉取心工具結構示意圖

          1.2.3  工作原理

          取心鉆進時,內外筒同時隨鉆具旋轉。內筒里注滿密閉液。當密閉頭通過巖心爪進入內筒,密閉液則從其間隙流出,并均勻地涂在巖心表面上,形成一層保護膜,防止鉆井液浸入巖心。而所鉆取的巖心,克服了巖心爪的摩擦力進入內筒。割心時,上提鉆具,巖心爪沿鉆頭內錐面下行,產生徑向鎖緊力,將巖心卡緊。當上提拉力達到巖心斷面極限拉斷力時,巖心即被割斷。

          1.3  雙功能密閉取心工具

          大慶石油管理局鉆井研究所研制的雙功能密閉取心工具既能密閉取心,又能常規取心。采用原位封堵器等結構設計,工具具有雙管單動、可使鉆頭離開井底接單根、連續取心等特點。適應井深2500m以內的軟及中硬地層取心。

          1.3.1  工具特點

          大慶石油管理局鉆井研究所研制的雙功能密閉取心工具設有安全接頭,當鉆具被卡時,可先倒扣將鉆具與工具內筒取出,不影響巖心的采集;工具具有常規取心和密閉取心兩種功能;鉆頭離開井底接單根;卡心機構具有兩級釋放和多次割取巖心的能力,工具具有單節和多節下井使用的靈活性,可根據取心的需要而定〔但必須在鉆頭使用壽命所允許的范圍內)。

          1.3.2結構

          大慶石油管理局鉆井研究所研制的雙功能密閉取心工具結構見圖3。主要由安全接頭、懸掛軸承、分流接頭、原位封堵器、外筒、內筒、螺旋穩定器、卡芯機構、鉆頭  、密閉頭組成。

           

           注:1.安全接頭  2.懸掛軸承  3.分流接頭  4.原位封堵器  5.外筒  6.內筒  7.螺旋穩定器  8.卡芯機構  9.鉆頭  10.密閉頭

          3  雙功能密閉取心工具結構示意圖

          1.3.3  工作原理

          在取心鉆進過程中,巖心克服巖心爪的徑向彈性及摩擦力進入內巖心筒,同時,內巖心筒中的密閉液相繼排出〔與進入內巖心筒中的巖心等體積)。巖心爪自巖心進入內巖心筒后始終環抱巖心。第一個單根鉆完后上提鉆具,由于巖心爪與縮徑套位置相對移動,促使滑套釋放,巖心爪徑向收縮,逐漸將巖心卡緊。當上提拉力達到巖心柱的極限拉斷力時,巖芯被拉斷。接完單根后,重復上述的程序,完成全部取心作業。

           

          2  保壓密閉取心技術

          保壓密閉取心與常規取心不同。它能取出地層原始壓力的含油含水飽和度的巖心。常規取心主要受2種不利因素影響:一是鉆井液浸入并沖刷巖心,因而驅走了巖心中所含油氣水成分;二是當巖心出筒后,因環境壓力降低和溫度下降影響,使巖心中的氣體和原油中的輕質組分劇烈膨脹而散逸。而保壓密閉取心能保持巖心中的壓力狀態,對于定量分析頁巖資料更加精確。

          美國最先在1939年提出了保壓取心技術,1982年投入生產使用。大慶鉆井工程技術研究院從1979年開始研制取心工具壓力補償裝置,2003年對該項技術的地面設備進行了改造使之國產化、標準化。從而完善了該項技術。

          2.1  工具結構

          該工具由115個零部件組成,共分7大部分。

          1)鉆頭采用六翼三階梯式取心鉆頭。其切削面為錐形,水眼的方向朝向井壁一側,以避開鉆井液直接沖刷巖心柱表面。另外,為減少鉆井液在水眼上的壓降,適當增加了水眼的總面積,采用182×Φ10mm水眼。

          卡心機構。采用卡環與卡箍組合方式??蓾M足軟—硬地層取心。

          密閉頭。從密閉頭孔道注入密閉液。鉆進時引導巖心入筒,并迫使密閉液從內筒不斷排出,使巖心柱表面形成保護液涂層,防止外界鉆井液污染。

          2)內外巖心筒部分。外筒采用APIΦ190mmN-80,壁厚12.7mm套管。內筒采用APIΦ88.9mmN-80,壁厚6.45mm油管。

          3)球閥關閉機構。由球體、上下閥座、預緊彈簧、閥外殼、滑環、密封盤根、軸銷等件組成??客馔仓亓ζ仁骨蜷y旋轉90°而關閉,使巖心密閉于內筒中,以保持巖心所在地層壓力。

          4)氣室聯通總成及測壓接頭。由氣室聯通接頭、滑套、密封圈、鋼球、針閥及測壓接頭組成。工具起鉆后聯通接頭打開,高壓氣體由高壓氣室通過聯通接頭向內筒補充。測壓接頭可以接壓力表測試內筒保存的壓力值,或放空內筒壓力。

          5)氣體壓力調節機構。由高壓氣室、調節閥總成、密封圈、單流閥、絲堵組成。高壓氣室儲存高壓氮氣。調節閥總成,可以恒定地控制高壓氣室氣體,向內筒自動補償。

          6)懸掛總成。由懸掛軸承、軸承托、軸承套組成。內筒在懸掛彈子盤作用下,與外筒相對運動。鉆進取心時內筒不轉。

          7)差動機構。由大接頭、六方桿、六方套、Y型盤根、定位銷、壓帽和“O”型圈組成。其用途是:傳遞鉆具扭矩;鉆進取心時內筒不轉,釋放外筒,關閉球閥。

          2.2  工作原理                            

          保壓密閉取心筒是一種雙筒式取心筒。外筒與取心鉆頭聯接,傳遞鉆壓和扭矩。內筒是非旋轉的API薄壁管,懸掛在鉆井液潤滑的軸承上。它不但是容納巖心的容器,同時也是做為巖心切割后的殼體,其長度適于運輸。工具上部差動裝置具有伸縮性,并帶有鎖閉和釋放機構。內外六方傳遞扭矩。工具下部是球閥總成,這是工具下部密封系統。當鉆完進尺后,上提鉆具割斷巖心。然后投入Φ50mm鋼球一個,使之座放在滑套球座上。待鉆井液返出泵壓正常后,說明滑套到位。此時在外筒重力作用下,內外六方脫開,外筒下移,其重力作用在球閥半滑環上,半滑環使球體產生一定扭矩并旋轉90°而關閉球閥,使巖心密閉在內筒中。壓力補償系統由高壓氮氣儲氣室和一個可調節的壓力調節器,以及相關的供給氮氣的閥門組機構組成。閥門機構可預先調節到規定壓力,在起鉆及以后的作業中,通過壓力調節器向內筒補充壓力,直到達到平衡于地層壓力為止。工具下井前,內筒預先填充一種非浸蝕性的膠體密閉液,鉆進中不斷地把巖心包封起來,保護巖心不受鉆井液污染。割心時上提鉆具,巖心爪卡斷巖心,并把巖心扶正到球閥內。

           

          3  水平井技術

          水平井技術和壓裂技術促進了頁巖氣的開發,帶來了天然氣產量的上升。其中水平井技術使得生產商能夠獲得相對更多的天然氣。在全美國開發最成熟的德州Barnett頁巖,水平生產井數量從2004年的不到400口增長到2010年的超過10,000口。第一次水平井天然氣年產量超過豎直井天然氣年產量是在2006年,目前在Barnett地區,用水平井開采出來的天然氣量占整個地區產量的約90%。

              自從美國1821年完鉆世界上第一口頁巖氣井以來,頁巖氣鉆井先后經歷了直井、單支水平井、多分支水平井、叢式井、PAD 水平井鉆井( 叢式水平井) 的發展歷程。直井主要目的用于試驗, 了解頁巖氣藏特性, 獲得鉆井、壓裂和投產經驗, 并優化水平井鉆井方案。2002 年以前,直井是美國頁巖氣開發的主要鉆井方式。水平井技術在石油工程領域已發展了近80年,近年來智能化測量、井下動力鉆具、旋轉導向控制、地質導向技術的進步促進了該技術的成熟。相對直井開采頁巖氣而言,水平井能使更多的生產區域和井筒接觸并和裂縫相交, 改善儲層流動狀況和獲得較大的排泄區域, 能將直井中20 40 m的頁巖泄氣厚度在水平井中提高到3000 m。隨著2002 Devon能源公司7Barnett頁巖氣實驗水平井取得巨大成功,水平井、叢式井、PAD 水平井鉆井已成為頁巖氣開發的主要鉆井方式。PAD 水平井鉆井是利用一個鉆井平臺作為鉆井點鉆多口水平井, 可以降低成本、節約時間, 是比較新的頁巖氣鉆井技術。

          目前,用于應用于頁巖氣水平井鉆井的技術主要有欠平衡鉆井技術、控制壓力鉆井技術及旋轉導向鉆井技術。

          欠平衡鉆井是以空氣作為循環介質進行欠平衡鉆井,它能夠克服井壁坍塌和液體鉆井液對儲層的傷害,很好地克服鉆井作業過程中的卡鉆、井漏、井塌等問題,提高鉆井速度,減輕地層傷害,提高油氣井產能,節省作業成本。例如,國內正試驗開發的長寧、威遠頁巖氣區塊,上部井段多處出現了惡性井漏、機械鉆速偏低等難題,如寧201 井等,改用充氣鉆井技術后,有效解決了以上難題,快速順利鉆至固井井深。

          控制壓力鉆井是通過控制鉆進過程的壓力使得鉆井作業最優化,縮短非生產時間和減少鉆井事故,有效控制地層流體侵入井眼,減少井涌、井漏、卡鉆等多種鉆井復雜情況,特別適用于當鉆遇含氣量較大且裂縫發育的頁巖地層時,避免氣體溢出量劇增帶來的安全隱患。目前國內外應用的控制壓力鉆井技術主要有3種:控制泥漿帽壓力鉆井技術,雙梯度鉆井技術和鉆井液微流量控制鉆井技術。Weatherford、Halliburton等公司是該技術的代表,已進行過頁巖氣井的控制壓力鉆井技術研究和現場試驗應用,取得了較好的應用效果。

          旋轉導向鉆井技術是基于旋轉導導向系統的鉆井技術,它能夠從地面連續導向鉆井,根據作業者的要求實時調整井眼軌跡,具有摩阻與扭阻小、機械鉆速高、鉆井成本低、井眼軌跡平滑,壓差卡鉆風險低等優點。自20 世紀90 年代中期以來,國外多家公司相繼推出了旋轉導導向系統,為精確控制井眼軌跡,鉆達靶區,提高水平井、多分支井、多目標井及大位移井等復雜結構井的鉆井速度和效率,提供了一種高效實用的技術手段,掀起了一場定向鉆井技術的革命。旋轉導向鉆井技術是目前頁巖氣井水平井技術的前沿技術,也是水平井技術的發展方向。

           

          4  壓裂技術

          頁巖氣是一種特殊的非常規天然氣,賦存于泥巖或頁巖中,具有自生自儲、無氣水界面、大面積連續成藏、低孔、低滲等特征,一般無自然產能或低產,需要實施儲層壓裂改造才能開采。曾用于頁巖氣壓裂作業的增產措施有多種,包括氮氣泡沫壓裂、凝膠壓裂、多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復壓裂等。水力壓裂從1985年開始用于頁巖儲層增產作業中,多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復壓裂是目前頁巖氣水力壓裂的常用技術。

          對于水平井段長、產層多的井,常根據儲層的含氣性特點進行多級壓裂。多級壓裂技術是頁巖氣井水力壓裂應用最廣泛的技術,它適用于水平井段較長,頁巖層段較多的井。多級壓裂是利用封堵球或限流技術分隔儲層不同層位進行分段壓裂的技術。多級壓裂能夠針對儲層特點進行有針對性的施工,目標準確,壓裂效果明顯。多級壓裂有以下3種方式。

          1) 水平井多級可鉆式橋塞封隔分段壓裂技術。該技術特點是套管壓裂、多段分簇射孔和可鉆式橋塞封隔。它是射孔和坐封橋塞聯作,壓裂結束后可短時間鉆掉所有橋塞,節省了作業時間和成本,從而減小液體在地層的滯留時間和對地層的傷害。

          2)水平井多級滑套封隔器分段壓裂技術。該技術與投球壓差式封隔器原理相同,通過井口落球系統操控滑套,具有作業時間短和成本低的優點。它采用工具或壓力坐封的機械式封隔器,因此具有工藝復雜、風險大和多次下入工具串的缺點。

          3)水平井膨脹式封隔器分段壓裂技術。該技術原理是遇油/水膨脹封隔器被下入井底預定位置后,遇油氣或水后快速膨脹至井壁后繼續膨脹而產生接觸應力,緊貼井壁密封,從而實現分層分段。該技術優點有可靠性高、成本和作業風險低、壓裂后能很快轉入試油投產,目前已廣泛應用于國外頁巖氣壓裂開發中。目前,在美國頁巖氣生產井中,有85%的井是采用水平井和多級分段壓裂技術結合的方式開采,增產效果顯著。2006年,Newfield公司在Woodford頁巖中的部分開發井采用57段式的分段壓裂,壓裂結果表明,由于壓裂井段增加,與早期壓裂的水平井相比,新壓裂的井取得較大成功。

          清水壓裂是在清水中加入少量的減阻劑、穩定劑、表面活性劑等添加劑作為壓裂液進行的壓裂作業,又叫做減阻水壓裂。之所以使用這種低成本壓裂液是因為水是一種低粘度流體,更容易產生復雜的裂縫網絡,而且很少需要清理,是一種清潔壓裂技術,可提供更長的裂縫,并將壓裂支撐劑運到遠至裂縫網絡。清水壓裂早期只使用清水作為壓裂液,產生的裂縫導流能力較差,實驗表明,添加了支撐劑的清水壓裂效果明顯好于不加支撐劑時的效果,支撐劑能夠讓裂縫在壓裂液返回后仍保持開啟狀態。清水壓裂技術用清水添加微量添加劑作為壓裂液來替代以往使用的凝膠壓裂液,不但能夠減小地層傷害,降低壓裂成本,而且還能獲得比凝膠壓裂更高的產量。清水壓裂成本低,地層傷害小,是目前頁巖氣開發最主要的壓裂技術。1997年,Mitchell能源公司首次將清水壓裂應用在Barnett頁巖的開發作業中,在此之前,清水壓裂工藝已成功用于Cotton峽谷致密砂巖的開發。根據Barnett頁巖的位置,周圍的石灰石的發育狀況,以及Barnett頁巖的有效層厚度,形成了一種典型的Barnett頁巖增產措施: 2.84×106L減阻水和3.63×104kg的支撐劑,9.54 m3/min的泵注排量。在整個壓裂過程中支撐劑的濃度平均為1260kg/m3。壓裂液中沒有瓜膠固體顆粒,可以使人工裂縫更長、更復雜,同時也不會有瓜膠殘留物或濾餅,從而避免了壓裂液對裂縫導流能力的傷害。20105月,中石化使用清水壓裂技術對方深1井頁巖層段進行壓裂,歷時5h,共注入壓裂液2121m3,加砂270t,壓裂作業成功。

          同步壓裂技術是指兩口或兩口以上的相鄰平行井(一般水平距離不超過600m ,距離太遠的話,無法起到相互干擾的作用)同時進行壓裂,每口井配備一套壓裂機組,壓裂過程中通過裂縫的起裂改變就地應力場,利用應力的相互干擾形成復雜三維縫網,進而提高改造體積和最終采收率。目前已發展到最多5口井進行同步壓裂。同步壓裂技術在短期內增產效果明顯,作業時間短,節省成本,適用于頁巖氣開發中后期井眼密集時壓裂作業。2006年,同步壓裂技術首次應在Barnett頁巖中并獲得成功,并成為Barnett頁巖開發中后期常用的水力壓裂技術。 

          水力噴射壓裂技術是綜合射孔、壓裂、封隔為一體的新型增產改造技術。它利用水力噴射工具來分段壓裂,無需封隔器和橋塞等封隔工具,自動封堵且準確。它可實現多級壓裂,具有施工時間少、成本低、射孔定位準、壓裂針對性強和對改造層段控制性高等優點。水力噴射壓裂技術的應用不受完井方式的限制,可在裸眼及各種完井結構水平井實現壓裂,缺點是受到壓裂井深和加砂規模的限制且技術要求高。

          重復壓裂技術用于在不同方向上誘導產生新的裂縫,從而增加裂縫網絡,提高生產能力。如果初始壓裂已經無效,或現有的支撐劑因時間關系已經損壞或質量下降,那么對該井進行重復壓裂將重建儲層到經驗的線性流,最終采收率估計提高8 %10 %,可采儲量增加60%,是一種低成本增產方法。如果要是得重復壓裂獲得成功,必須評估重復壓裂前、后的平均儲層壓力,滲透率厚度乘積和有效裂縫長度與導流能力等。所以重復壓裂的實施離不開室內試驗的幫助。Barnett 的大部分頁巖氣井都進行了二次壓裂,二次壓裂后可接近或超過初次壓裂時的產量。

          在頁巖氣開采所使用的壓裂液中,98%都是水,剩下2%的成分是化學添加劑。在壓裂結束后,約有30%~70%的壓裂液會被抽回地面,稱之為“返排水”。這些返排水通常會有4種處理方式:循環利用、處理后排放到河流中、注入地下水以及儲存在露天的蓄水池中。一些環境保護主義者認為水力壓裂會造成壓裂液中的化學物質和頁巖氣(主要是甲烷)混入地下水中,返排液處置不當也會污染地表水。隨著人們對水資源和環境問題的重視,國內外各公司都加大了水力壓裂替代技術的投入。加拿大Gas Frac公司開發了LPG(液化石油氣)壓裂技術。LPG壓裂在地下的表現完全與水力壓裂不同。LPG在壓裂過程中會因為壓力和高溫而氣化,因此會與天然氣一起被重新抽回地面,進行分離并最終做到重復利用。這種壓裂手段相比于傳統的水力壓裂技術來說基本不需要水,也無需投入成本處理廢水,極大地緩解了對環境和水資源的壓力。但這項技術的推廣現在還存在難度,首先是LPG比水的成本要高,而且美國工業界已經建立了較為完善的水力壓裂作業體系,生產商缺乏技術替換的動力。其次是該技術尚不成熟,其安全性還有待檢驗。中國石油大學沈忠厚院士開創性地提出了超臨界CO2系統開發非常規油氣技術,特別是利用CO2在超臨界狀態的獨特物理化學性質系統開發頁巖氣和非常規油氣資源。這項技術對我國來說非常重要,超臨界二氧化碳壓裂能夠降低油氣增產對水資源的需求,同時還能將二氧化碳注入儲層,實現溫室氣體減排。目前,沈忠厚院士正率領著一個課題組進行這項技術研究。

           

          5  結論

          1)美國頁巖氣已進入商業化勘探開發,頁巖氣相關地質理論與勘探開發技術先進。我國頁巖氣地質儲量豐富,但是頁巖氣藏處于勘探評價階段,對頁巖氣開發的工藝技術研究還處于單井(先導性)試驗階段,勘探開發技術尚在探索起步階段,基本照搬國外經驗。

          2)在頁巖氣勘探開發中需要獲取頁巖巖心來進行巖心分析,為制定合理的頁巖氣勘探開發方案提供依據。密閉取心和保壓密閉取心技術是獲取頁巖巖心的關鍵技術。

          3)水平井技術是頁巖氣開發的關鍵技術之一。水平井能使更多的生產區域和井筒接觸并和裂縫相交,改善儲層流動狀況和獲得較大的排泄區域,提高頁巖氣產量,已成為頁巖氣開發的主要鉆井方式。

          4)水力壓裂技術也是頁巖氣開發的關鍵技術之一,現已廣泛應用在頁巖氣井的增產作業中。目前常用的水力壓裂技術有多級壓裂、清水壓裂、同步壓裂、水力噴射壓裂和重復壓裂。多級壓裂技術是目前頁巖氣水力壓裂作業中應用最廣泛的技術。

              5)我國頁巖氣開發目前處于起步階段,應整合現有技術力量,根據我國現有的水平井和壓裂技術現狀,加強攻關,同時加強與國外先進技術交流合作,盡快掌握適合我國頁巖氣勘探開發的水平井和壓裂核心技術。

           

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          基金項目:863計劃項目課題(2013AA064503);湖北省自然科學基金創新群體項目(2012FFA047

          專家簡介:蔣國盛(1965-),男(漢族),江蘇泰興人,中國地質大學(武漢)工程學院院長、教授、博導,探礦工程專業,從事探礦工程和油氣井方面的教學、科研工作,湖北省武漢市魯磨路388號。

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