美國頁巖氣勘探開發(fā)最新進(jìn)展

摘 要

摘要：頁巖氣儲層的基質(zhì)滲透率非常低，并且存在次生礦物填充的簇狀“天然”裂縫。頁巖氣藏儲量包括基質(zhì)吸附的天然氣量和裂縫、孔隙中儲存的自由氣量。美國的頁巖氣作
摘要：頁巖氣儲層的基質(zhì)滲透率非常低，并且存在次生礦物填充的簇狀“天然”裂縫。頁巖氣藏儲量包括基質(zhì)吸附的天然氣量和裂縫、孔隙中儲存的自由氣量。美國的頁巖氣作為一個全球規(guī)模的能源安全源和長期供氣源，其水平井鉆井技術(shù)和低黏度水力壓裂技術(shù)開啟了原來被認(rèn)為是沒有商業(yè)價值的頁巖氣這個巨大的儲備資源寶庫。為此，從ALL咨詢公司整理的報告以及SPE網(wǎng)站公布的論文入手，對比并評估了煤層氣、常規(guī)天然氣和頁巖氣儲層的關(guān)鍵參數(shù)，闡述了美國頁巖氣的最新勘探開發(fā)狀況，對主要頁巖氣藏的重要參數(shù)進(jìn)行了歸納分析，重點對推動頁巖氣開發(fā)的水平井鉆井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)進(jìn)行了剖析，以期達(dá)到對我國的頁巖氣勘探開發(fā)提供借鑒的目的。
關(guān)鍵詞：美國；頁巖氣；勘探；開發(fā)；水平井；多級水力壓裂；啟示
1 美國頁巖氣的勘探開發(fā)現(xiàn)狀
    20世紀(jì)30年代，美國密歇根州的Antrim頁巖氣藏進(jìn)入中等程度開發(fā)階段，到80年代已鉆井9000口。美國開發(fā)最積極的頁巖氣富集帶位于Texas的Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣藏，它的成功開發(fā)得到了工業(yè)界的廣泛關(guān)注。1986年首次在Barnett頁巖氣藏采用大規(guī)模的水力壓裂，1992年在Barnett頁巖氣藏完成第一口水平井，通過不斷提高的水力壓裂技術(shù)和工藝，加速了Barnett頁巖氣藏的開發(fā)。在此后的20年里，Barnett頁巖氣藏的開發(fā)生產(chǎn)模式在北美工業(yè)界得到了推廣，在過去的10年間，Barnett頁巖氣的采收率從2%增加到50%，在美國48個州(除阿拉斯加和夏威夷)廣泛分布高有機質(zhì)頁巖，資源量在1483×1012～1859×1012m3，加之煤層氣和低滲透氣藏的開發(fā)，將對美國能源形勢起到重要的貢獻(xiàn)。圖1是預(yù)測的頁巖氣在美國非常規(guī)天然氣總產(chǎn)量的分布情況。

2 頁巖氣藏的主要參數(shù)
    從化學(xué)組成上說，頁巖氣是典型的干氣，其主要成分是CH4(CH4含量大于等于90%)，但是某些儲層也產(chǎn)出“濕氣”。Antrim和NewAlbany頁巖氣藏就產(chǎn)出氣和水[1]。頁巖氣儲層是富含有機質(zhì)的巖層，其組成中占首要地位的是堅硬的黏土顆粒。片狀沉降的黏土礦物顆粒以及層狀的沉積物使得巖石水平滲透率很小，垂向滲透率更小。
    目前發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏主要穿過了南部的48個州(除阿拉斯加和夏威夷外)，最活躍的頁巖氣藏是Barnett、Haynesville、Marcellus、Antrim、Eagle Ford和New Albany等氣藏。表1總結(jié)了美國優(yōu)選頁巖氣藏的地質(zhì)參數(shù)。表2不僅提供了頁巖氣儲層的地質(zhì)參數(shù)，而且給出了通過對比某些關(guān)鍵參數(shù)評估頁巖氣盆地的方法。這些參數(shù)也應(yīng)用在頁巖氣井的完井設(shè)計中。
 

3 水平井鉆井
   在頁巖氣的開發(fā)中，水平井已成為主流。在相同的頁巖儲層中，水平井垂直于裂縫的方向，有效地增加與氣藏的接觸面積，一般水平段的長度從705～1600m，比直井的產(chǎn)量和采收率高。水平井的完井方式為套管固井，使用分隔器以便于多級壓裂。
   在考察了水平井的長度與Barnett頁巖氣藏單井最終采收率的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，從2002—2007年，水平井的長度從400m增加到900m，單井的最終采收率也從37×106m3增加到74×106m3，基本與水平井的長度成正比，同時由于少鉆井而節(jié)省了鉆井的成本。
    一般而言，水平井的走向?qū)μ岣弋a(chǎn)能非常重要，一般應(yīng)橫切裂縫。但是Barnett頁巖氣藏的開發(fā)表明，在氣藏較厚的區(qū)域內(nèi)，即使有壓裂阻擋層，井眼的走向并不是提高產(chǎn)能的最決定性的因素。但是在斷層帶和氣藏的邊部，井的走向和壓裂縫的方向?qū)漠a(chǎn)能有很大的影響。主裂縫通常近似垂直于最小水平應(yīng)力的方向，在一個氣田中，主要的自然裂縫和人工裂縫的走向是一致的，當(dāng)然也不排除局部的應(yīng)力變化。
    水平井距主要取決于對裂縫方向和最優(yōu)化井筒方向的了解。加強巖石力學(xué)的了解，能減少或取消水平井集成射孔從而能夠壓裂出主裂縫和縱橫交錯的裂縫分支。當(dāng)然，水平井的井距應(yīng)該使單井和鄰井之間裂縫的也能交聯(lián)，使裂縫的實際連通達(dá)到最大化；還要考慮是否可采用鄰近的2口以上的井同時壓裂，使氣藏在更大的壓力下產(chǎn)生更復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)。面積可以達(dá)到9.2×106m2[4]。該項技術(shù)簡單實用，但是對某些頁巖可能并不適用，則可以采用凝膠壓裂、氣體輔助壓裂或復(fù)合壓裂等其他壓裂技術(shù)。此外，“降阻水”壓裂液的黏度太低，所以砂和支撐劑的攜帶能力有限。目前，復(fù)合壓裂液的使用H漸廣泛，在這項技術(shù)中，降阻水用于打開裂縫，黏度大的壓裂液則用于運輸支撐劑到裂縫的遠(yuǎn)端。不同壓裂方式的確定根本依據(jù)還是取決頁巖的性質(zhì)，希望達(dá)到的裂縫與頁巖的接觸面積，支撐劑要達(dá)到的位置和預(yù)期的產(chǎn)量要求等。
4 水力壓裂
    水力壓裂已經(jīng)形成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。水力壓裂目前的進(jìn)展包括泵入大量低黏度近純水的稀砂液段塞到頁巖層中，以誘發(fā)新裂縫以及擴大頁巖層中的原始裂縫。壓裂作業(yè)過程分成幾級，每級集中對一個連續(xù)的氣層段壓裂，使得壓裂設(shè)備的所有壓裂能力都被集中應(yīng)用到單個氣藏單元中[2]，這也被稱為體積壓裂。
    為了增加裂縫和氣層的接觸面積以提高氣井的初始產(chǎn)氣量和采收率，目前一般采用10～20級的壓裂以增加裂縫的連通。通過井場實時微地震來進(jìn)行監(jiān)控(圖2)，可以確定井眼東西和南北方向的裂縫頂端的方位，并且隨著壓裂作業(yè)的進(jìn)行而跟蹤裂縫的形成過程。裂縫垂向的延伸具有特別重要的作用，作業(yè)者需要特別關(guān)注確保裂縫沒有延伸到頁巖層之外或者鄰近的水層中去，不然會使頁巖氣井的經(jīng)濟效益減少。
 

    “降阻水”壓裂液在很多低滲透儲層中效果好，從20世紀(jì)80年代以來，“降阻水”壓裂已應(yīng)用于Barnett頁巖氣田的8000口井。多級水平井壓裂和采用低黏度壓裂液的2口以上鄰井的同期壓裂，有效地增加了裂縫的復(fù)雜性，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，裂縫系統(tǒng)和氣藏的接觸
    在近20年間，水平井的應(yīng)用和低黏度水力壓裂技術(shù)已成為頁巖氣開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方式。各石油公司和研究機構(gòu)對頁巖氣的研究方興未艾，發(fā)表了大量的研究論文，內(nèi)容涉及頁巖氣的鉆完井、壓裂作業(yè)、地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)的結(jié)合、搞清頁巖氣藏裂縫的空間分布、有選擇地打開裂縫而且使裂縫成為氣體流動的穩(wěn)定通道。究其原因，頁巖的非均質(zhì)性、不同頁巖的內(nèi)應(yīng)力和地質(zhì)性質(zhì)的差別決定了鉆井和壓裂的不同。所以大量收集頁巖氣藏的參數(shù)對優(yōu)化氣井的產(chǎn)能和壓裂的設(shè)計有至關(guān)重要的作用，鉆井和壓裂的方式對不同的井而言是不一樣的。這是中國頁巖氣勘探開發(fā)過程中應(yīng)當(dāng)注意的。
    除美國外，已有40多個國家調(diào)查了頁巖氣的開發(fā)潛力，并形成了商業(yè)性開發(fā)項目，如澳大利亞、加拿大、中國和印度等。中國頁巖氣的資源量巨大，在未來的天然氣產(chǎn)量增長中頁巖氣將有著驚人的增長潛力。
參考文獻(xiàn)
[1] BOYER C，KIESCHNICK J，SUAREZ-RIVERA R，et al.Producing gas from its source[R]∥Schlumberger Oilfield Review.New York：Schlumberger，2006.
[2] KETTER A，DANIELS L，HEINZE R，et al.A field study optimizing completion strategies for fracture initiation in Barnett shale horizontal wells[C]∥paper SPE 103232 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，24-27 September 2006，San Antonio，Texas，USA.New York：SPE，2006.
[3] WATERS G，RAMAKRISHNAN H，DANIELS J，et al.Utilization of real time microseismic monitoring and hydraulic fracture diversion technology in the completion of Barnett shale horizontal wells[C]∥paper presented at the OTC，4-7 May 2009，Houston，Texas，USA.[s.l.]：OTC，2009.
[4] KING G.Thirty years of gas shale fracturing：what have we learned[C]∥paper SPE 133456 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，19-22 September 2010，F(xiàn)lorence，Italy.New York：SPE，2010.
 
(本文作者：李欣1 段勝楷2 孫揚3 周登洪3 孫雷3 李士倫3 1.美國Knowlege Reservoir咨詢公司；2.Chevron Energy Technology Company；3.西南石油大學(xué))