前言
頁岩氣是從頁岩層中開採出來的主體位於暗色泥頁岩或高碳泥頁岩中以吸附或游離狀態存在於泥岩高碳泥岩頁岩及粉砂質岩類夾層中的天然氣聚集近年來由於天然氣供需關係價格上漲開採技術進步等因素的影響頁岩氣的開採已成為全球資源開發的一個熱點
開採特點
頁岩氣產自滲透率極低的沉積岩中大部分產氣頁岩分布範圍廣厚度大且普遍含氣使得頁岩氣井能夠長期地穩定產氣一般情況下頁岩氣開採具有3個特點
生產能力低或無自然生產能力由於頁岩氣儲集層通常呈低孔低滲透率氣流阻力比常規天然氣大難以開採因此所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開採出來目前在頁岩氣井中實施2次以上增產措施的嘗試已在美國實現了
井的壽命和生產周期長頁岩氣在泥頁岩地層中主要以游離態和吸附態存在游離氣滲流速度快初期產量較高但產量下降快相反吸附氣解析擴散速度慢產量相對較低但屬於頁岩氣穩產期進入該時期後產量遞減速度慢使得生產周期變長一般頁岩氣井生產壽命可達30~50年[1]
採收率變化較大並且低於常規天然氣採收率根據埋藏深度地層壓力有機質含量和吸附氣量等不同頁岩氣藏的採收率不同(見圖1)[1]而且相關數據還表明頁岩氣採收率通常低於常規天然氣採收率常規天然氣採收率可達60%%以上而頁岩氣僅為5%%60%%
美國頁岩氣採收率 開發方式
不同於常規天然氣的開採特點決定了頁岩氣開發具有其獨特的方式目前美國已經擁有一些先進技術可以提高頁岩氣井的產量主要包括水平井技術和多層壓裂技術清水壓裂技術重複壓裂技術同步壓裂技術等這些技術正在不斷提高著頁岩氣井的產量
水平井技術
頁岩氣是存在於頁岩裂縫等空隙中的天然氣要使其儘可能地流入井筒就必須合理利用儲層中的裂縫使井筒穿過儘可能多的儲層現在業界多利用水平鑽井技術來進行頁岩氣的開採雖然該技術並不是一項新技術但是對於擴大頁岩氣開發卻具有重大意義
水平井的成本一般是垂直井的11.5倍例如8001000m水平段的常規水平井鑽井及完井投資約700萬美元而產量是垂直井的3倍左右(見圖2)與此同時現代鑽井技術已發展到了允許鑽機轉彎鑽頭還可以準確地停留在一個狹窄的定向垂直視窗由於水平部分很容易控制所以能使頁岩氣資源從相同儲層但面積大於單直井的地理區域流出以美國賓夕法尼亞州的Marcellus頁岩氣田為例一口垂直井的驅替體積大約只有直徑1320ft
(1ft=304.8mm下同)高50ft的圓柱體體積那么大相比之下水平井可延長至2000~6000ft驅替體積可達6000ft1320ft50ft大約是直井驅替體積的5.79倍還多驅替體積的增加使水平井比直井具有更多的優勢
北美頁岩氣井對比 在鑽井過程中井筒穿過裂縫FMI全井眼微電阻率掃描成像測井顯示出水平井鑽遇的裂縫和層理特徵見圖3鑽井引發的裂縫出現在鑽井軌跡頂部與底部終止於井筒應力最高的側面井筒鑽穿的天然裂縫垂直穿過井筒頂部底部和側面圖中顏色較深的黃鐵礦結核非常明顯與層理面平行出現
井筒穿過裂縫 水平井位與井眼方位應選擇在有機質與矽質富集裂縫發育程度高的頁岩區及層位水平井的方位角及進尺對頁岩氣產量有著重要影響[2]理論上講在與最大水平應力方向垂直的方向上進行鑽井可以使井筒穿過儘可能多的地層而與更多的裂縫接觸從而簡化在壓裂過程中流出井筒和在生產過程中流入井筒的情況提高頁岩氣採收率如今將MWD(隨鑽測井)技術套用於水平井鑽井能夠實時監控關鍵鑽井參數將自然伽馬測井曲線套用到水平井鑽井中可以進行控制和定位將井數據和地震數據進行對比可以避開已知有井漏問題和斷層的區域
水平鑽井能否取得成功要取決於有效的井身設計採用三維地震解釋技術能夠更好地設計水平井軌跡採用該技術可使頁岩鑽井活動一直擴展到被認為沒有生產能力含水的區域但是常規定向鑽井技術可能在井筒造斜過程中受到由滑動和鏇轉引起的扭矩和阻力的影響限制橫向位移加大測井難度解決這個問題的方法是在開採較直的曲折度不大的井時採用鏇轉導向系統[3]某些情況下從水平段底部到頂部的傾角變化低於0.5[4]
除此之外geoVISION隨鑽成像服務和RAB鑽頭附近地層電阻率儀器等LWD技術有助於在鑽遇後即時識別天然裂縫[5]解決相關測井問題套用該類技術後可以分析整個井筒長度範圍內產生的電阻率成像和井筒地層傾角而且成像測井可以提供用於最佳化完井作業的相關信息如構造信息地層信息和力學特性信息等例如通過對地層天然裂縫與誘發裂縫進行比較可以確定射孔和油井增產的最佳目標在進行加密鑽井時通過井眼成像可識別鄰井中的水力裂縫繼而有助於作業人員在儲層中原先未被壓裂部分實施增產措施井中誘發裂縫的存在及方向對確定整個水平井的應力變化及力學特性非常有用鑽井作業還採用井下鑽具定向設備以及泥漿系統等常規鑽井方式採用地質導向技術確保在目標區內鑽井避免斷層和其他複雜構造區否則會導致鑽穿目標區或者發生井漏[6]一般水平段越長最終採收率和初始開採速度也就越高據美國公布的數據最有效的水平井進尺包括造斜井段一般為9141219m[7
壓裂技術
3.2.1清水壓裂技術
水力壓裂是一種儲層增產技術用於產生更密集的裂縫網路形成額外的滲透率使氣體能更容易流向井中從而生產出大量地層天然氣水力壓裂技術的不斷改進使之成為一項在特殊地層區域布置裂縫網路的非常複雜的工程過程
水力壓裂處理方法針對目標頁岩設定了專門的參數包括厚度局部應力條件壓縮性和剛性局部條件用於計算機模型來設計具體地點的水力壓裂處理過程並最佳化新裂縫頁岩氣藏和它們之間要進行壓裂的間隔都很厚所以將水力壓裂分為幾個階段往往更加有效每一個階段都重點對儲層的一個連貫部分進行處理每個工作階段都孤立於井內從而使壓裂設備的所有容量可用於單個儲層單元[8]這可以在垂直或水平井中收到良好效果
在對一口井(不論是水平井還是直井)實施壓裂措施之前通常會進行一系列的測試以確保井井口設備和壓裂設備的正常工作並經得起壓裂措施的壓力和泵率表面設備經過測試後水力壓裂過程便首先開始泵入岩石酸常常是用鹽酸來清理可能被鑽井泥漿和水泥封堵的近井地帶
下一步是清水壓裂即採用添加一定減阻劑的清水作為壓裂液這種壓裂液的主要成分是水以及很少量的減阻劑黏土穩定劑和表面活性劑清水壓裂在低滲透氣藏中能取得更好的效果而且該技術已經成為開發如德克薩斯州Barnett頁岩氣田等的主要開採手段[9]該技術在不減產的前提下能節約30%%左右的成本而且清水壓裂也很少需要清理且可提供更長的裂縫並將壓裂支撐劑運到遠至裂縫網路經過第一次水栓後作業者將大量帶有少許細砂的清水壓入井中開始壓裂過程隨後使用大量帶粗砂支撐劑的清水使裂縫靠近井筒開窗處[10]最後一步是沖刷過程將支撐劑從設備和井筒開窗處移除出去沖刷之後下一步的處理階段就從新的孔洞開始這些孔洞都具有其自身特定的儲層參數包括厚度局部應力壓縮性和剛度這個階段的壓裂需嚴密監控通過壓裂井與井(不論是水平井還是直井)之間的間隔區域作業者能夠進行調整從而適應頁岩氣儲層的局部變化其中包括岩性自然分裂剛度的變化和應力狀態的變化
壓裂的具體過程是通過模擬設備來確定的工程師和地質學家可以操縱模擬器並評估其對裂縫高度長度和定位方向的影響[8]從模擬系統獲得的推測數據可以用於監測和評價壓裂工作的結果同時還可以通過微地震測繪的方式來進行實時控制這種技術可以在孔洞的東西和南北方向上找到斷裂終端進而沿著軌跡找到它們開始的源頭尤其重要的是在垂直方向上的裂縫的增長作業者會格外關注這種裂縫以確保這些裂縫沒有偏移出頁岩儲層和鄰近水域因為這種裂縫會降低頁岩氣井的經濟效益在壓裂處理過程中作業者會在水砂混合物中加入大量化學劑每一種化合物都會起到一定的工程作用例如降低黏度或細菌的生長或儲層表面的生物污染不同的盆地不同的工程承包商所用的壓裂液的組成都是不同的任何成分的毒性例如酸都會因泵入液體的稀釋和酸與地下岩石的反應而大大降低[10]
3.2.2多層壓裂技術
多層壓裂技術是對增產措施的一種改變大多數情況下第一階段必須要向儲層中泵入前置液前置液是一種沒有支撐劑的壓裂液接下來第二階段要運送含有一定濃度支撐劑的壓裂液進入儲層第三階段則要使用含有較高濃度支撐劑的壓裂液隨後還有數量不定的壓裂液泵入儲層且每一種壓裂液都含有比之前壓裂液更大濃度的支撐劑
以上描述的是單一儲層區域的多層壓裂需要注意的是多層壓裂也可能是對儲層中幾個不相連區域或間隔區域進行處理這樣每一個區域或間隔帶的壓裂都是一個不同的階段所以要注意多層壓裂是針對一個單獨區域還是多個區域而言的
多層壓裂技術常常用於垂直堆疊的緻密地層的增產緻密氣井可能會遇到幾個含氣的砂岩間隔區域從而需要不同的增產措施作業者一般會想方設法儘可能地減少在單一或多個區域實施壓裂的時間下列技術可以滿足上述要求
橋塞是作業者在多層區域的基礎上確定壓裂具體措施的井下工具一般是將壓裂區域分割開來防止某一個區域的增產措施對其他區域造成影響它們要么是通過測井電纜被收回要么被鑽碎複合橋塞是可回收的通常可使用連續油管將其取出由於直通式橋塞本身所特有的機制因此它能夠根據需要使流體通過見圖
油管壓裂 連續油管是水力壓裂的一種節省時間的解決措施有幾種不同類型的壓裂技術使用連續油管封隔器用於在壓裂過程中封隔不同區域通常有一個專門的封隔器用於區域封隔在壓裂過程中壓裂液和支撐劑要么沿著油管要么沿著環空泵入封隔器將壓裂液隔離在被處理的區域外面圖顯示了這種封隔器在多層壓裂中的套用情況
壓裂措施 其他用於壓裂多個非常規地層的技術是整體隔離系統其中有一種被稱為外部套管射孔是一種通過允許每一單獨的間隔區域進行射孔隔離和增產從而完井的方法在中射孔槍和射孔信號系統連線在油管外面在鑽孔中運行並用水泥封固射孔槍沿著液壓控制管線或電線射孔能射穿油管且可在其他方向上射孔整個系統也包含射孔時開動的隔離裝置通過設定隔離裝置既可以防止在較低間隔區域的射入也能防止來自較低間隔區域的流體的侵入
在壓裂過程中支撐劑也是一個重要的考慮因素球形支撐劑顆粒是最合適的選擇因為它滿足支撐劑充填層的孔隙度和滲透性好於形狀不規則大小不均勻的砂粒的要求此外陶土的強度比砂粒高且不容易在高的壓裂閉合應力下發生破碎也是比較好的選擇除了選擇良好的支撐劑還應注意支撐劑在實際生產中出現的問題如支撐劑沉積由於液體黏度低於懸浮支撐劑的門限壓力支撐劑返排等可以通過向壓裂液中加入表面活性劑纖維材料變形粒子等解決這些問題
重複壓裂技術
重複壓裂技術用於在不同方向上誘導產生新的裂縫從而增加裂縫網路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係已經損壞或質量下降那么對該井進行重複壓裂將重建儲層到井眼的線性流該方法可以有效改善單井產量與生產動態特性在頁岩氣井生產中起著積極作用壓裂後產量接近甚至超過初次壓裂時期如果要使重複壓裂獲得成功必須評估重複壓裂前後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複壓裂的實施離不開室內實驗的幫助在室內進行實驗時先生成裂縫在最小垂直應力5MPa和最大水平應力10MPa的條件下形成裂縫之後用最小應力代替水平應力用最大應力代替垂直應力[12]將一些液體泵入模型後產生一個與原始裂縫正交的新裂縫實驗結果表明如果應力差小於3MPa甚至是應力逆轉則重複產生的裂縫會沿著原始裂縫傳播當應力差大於3MPa時在實驗條件下會產生新的裂縫裂縫測試之後進行斷裂封堵效應測試垂直方向上最大主應力15MPa兩水平主應力分別為10MPa和5MPa[12]射孔沿著最大和最小主應力方向取向之後將封堵物質泵入裂縫將其封堵先形成垂直於最小水平主應力的垂直裂縫再形成與較大水平應力垂直的新裂縫最後新裂縫會轉向最小主應力方向如圖6所示
形成新裂縫舊裂縫的實驗過程 最後一個階段是裂縫定向一般重複壓裂都是在已生產了幾年的井中進行的長時間的生產引起了在初始裂縫橢圓形區域的局部空隙應力重新分布儲層壓力減小從而改變了儲層壓力狀態由於裂縫周圍應力干擾區域的延伸形狀最小和最大水平主應力有時會發生改變如最大應力變為最小應力或反過來如果兩水平應力的倒轉足夠大或初始壓裂產生的裂縫被有效封堵了那么就會形成重複壓裂再定向的適宜條件在這種條件下新的裂縫可在90方向傳播到初始裂縫直至到達應力紊亂區[12]在兩水平應力相等以外部分新裂縫的方向與原始裂縫相同或在其原始裂縫平面上發展如果滲透性是各項異性的那么在裂縫附近的橢圓形區域內應力的衰減規律將更加複雜圖7簡要顯示了重複壓裂的再取向過程
重複壓裂的再取向過程 3.2.4同步壓裂技術
除了上述3種技術外還有最新的同步壓裂技術即同時對兩口或兩口以上的井進行壓裂在同步壓裂中壓力液及支撐劑在高壓下從一口井沿最短距離向另一口井運移這樣就增加了裂縫網路的密度及表面積從而快速提高頁岩氣井的產量目前已發展到3口甚至4口井間同時壓裂
結論
頁岩氣儲集層通常呈低孔低滲透率開採壽命長生產周期長因而具有其獨特的開採方式
水平井技術是頁岩氣開發採取的方式之一它結合geoVISION隨鑽成像服務和RAB鑽頭附近地層電阻率儀器等LWD技術可進行更高效更合理的開採
壓裂增產技術是頁岩氣開採的另一種方式如今發展起來的清水壓裂多層壓裂重複壓裂及同步壓裂技術結合室內實驗和測井技術使得頁岩氣具有更大的發展潛力
就當今世界能源問題和技術進步來看頁岩氣在未來有可能成為能源供應的一個重要來源
