页岩油气勘探开发现状及关键技术.pdf

石 油天然 气学报 江 汉石 油学院学报2 0 1 4 年 4 月 第3 6 卷 第 4 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A p r ． 2 0 1 4 V o ． 3 6 N o ． 4 页岩 油气 勘探 开发现状及关键技术 王翠丽 ，周文 油气藏地质及开发工程国家 重点实 验室 成都理工大学 ， 四J I 1 成都6 1 o o 5 9 李红波 中石油塔里木油田 分公司 开发事 业部， 新疆库尔勒8 1 4 0 0 0 [ 摘要] 综述 了各国页岩气的勘探开发现状 ，探讨 了页岩 油气勘 探开发过 程 中的关键 技术 ，主要 有 以下几 方 面的认识 ①综合 多参数 、多信息 ，建立 不同相 带的评价标 准及 有利 区 带预测方 法是 页岩 气勘探 开发 的前提 。② 页岩气 的渗流模型呈现 多尺度 的特 点，开采过 程涉及 到解 吸、扩 散和 渗流 3个 阶段 ，建 立渗 流方程 时需考虑解 吸吸附模 型、扩散模 型、压裂 裂缝模 型等影 响 因素。③ 多分支 井、丛 式井、羽状 井等 水平钻井技术 ，体积压裂技术等新技术是 提高 页岩气产 能及 收益 的关键。④ 井 中地震 技术 能实 时提供 施 工过程 中所 产 生的裂 缝 的方 位、 密度 、尺 寸、间 距等 参数 ，描述 裂缝 复 杂程 度 ，评 价 增产 实施 方 案 的 有效性 。 [ 关键词] 页岩油气藏；页岩油气勘探 ；目标 区优选 ；微震监测 ；水平 井技术 ；水力压裂技术 [ 中图分类号]TE 1 3 2 ． 2 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 4 0 4 0 0 5 1 0 5 近年来对页岩的研究和试验结果颠覆了 “ 页岩是烃源岩或油气藏的盖层”的传统观点，提出了页岩 自身能形 成复 杂 的页岩 油气藏 的新 观点 。页岩 气在 北美 勘探 开发 取得 巨大 成功 ，掀 起 了全世 界范 围页 岩气勘探开发的热潮。各国页岩气的调查和评估工作都在紧张有序 的开展 ，关键技术 的不成熟制约 了该 资源 开采 的可 行性 。 页岩油气勘探开发现状 经过 近 2 0 0年 的勘探 开发 ，美 国的页 岩气 目前 已步入 高 速发展 阶段 ，其 理 论研究 及 相关技 术相 对成 熟 。据美 国能 源信 息署 E I A预 测 ，到 2 0 4 0年 ，页岩 气 产 量将 占到 美 国天 然气 总 产量 的 5 0 [ 2 ] 。北 得克萨斯州的 B a r n e t t 页岩 有 1 。 1 31 0 m。的可采 储量 ，是 美 国第 一块大规模商业 化开采 的页岩气 田[ 3 “ ] 。Ma r c e l l u s 页岩储 量 占美 国页 岩总储 量 的一半 多 ，2 0 1 0年 6月进 人 大规模 开发 阶段 l 5 ] 。 加拿大是另一个对页岩气进行规模开发的国家 ，大多数产区仍处于试验或发展阶段 ，页岩气关键技 术的不成熟制约了该资源开采 的可行性 。加拿大的页岩气预测 资源量 为 4 2 ． 5 1 0 I n 。 ，主要分布 于 Mo n t n e y页岩 、Ut i c a页岩和 Ho r t o n B l u f f 页岩 中。页岩气有望成为加拿大重要的天然气资源之一 ，补 充 常规天 然气 的衰退 L 6 J 。 欧洲页岩气勘探开发 目前仍处于摇篮期 ，2 0 0 7年欧洲启动页岩气资源潜力评价与有利盆地优选项 目。2 0 0 9年 ，ARI 先 进 资 源 国 际公 司估 算 欧 洲 页 岩气 资源 量 在 3 0 1 0 r n 。 可 采 资 源量 约 4 1 0 m。 以上 ] 。国际石油公司将 目光投向欧洲 ，在部分 国家取得了页岩气探矿挖掘权，但在欧洲页 岩气钻探试验没有取得积极成果 ，波兰、匈牙利 、瑞典等一些 国家的页岩气井均以失败告终 ，加之部分 国家禁止采用水力压裂技术 ，使得欧洲页岩气勘探和开发 的前景不容乐观 。 中国页岩气的勘探开发及相关领域的研究 尚处于探索阶段_ 8 ] ，短期 内尚无法达 到商业化开采 的程 度。但中国拥有丰富的页岩气储量，据最新研究估算 ，中国页岩气可采资源量约为 3 6 x 1 0 i n 。 。在各 大国际石油公司的技术支持下，我国勘探发现了陆相 、海相 、湖相等页岩区块_ g ，并将水平井 、滑溜 [ 收稿 日期]2 0 1 31 02 2 [ 基金项 目]全 国油气资源战略选区调查与评价国家专项 第二批2 0 0 9 GY xQ1 5 。 [ 作者简介]王攀丽 1 9 8 5 一 ，女 ，2 0 0 9 年大 学毕业 ，博士生 ，现主要从事油气藏描述、非常规油气研 究方面 的工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然气地 质 2 0 1 4 年 4 月 多 段水压 裂技 术应 用在 页岩油 气钻探 中 ，取得 了巨大成 功 。 2 关键技术探讨 2 ． 1 有 利 目标 区优 选 技术 页岩气的评价标准及具体的地质选区评价方法是勘探开发的前提和基础。有利区的优选可为进一步 勘 探决 策和 深化研 究提 供重 要 的依 据_ 1 。 基于北美页岩气勘探开发实践 、统计分析及关键实验等结果 ， 认为有利页岩气及核心 区具有 4方面 主要地质特征和 3方面主要开发特点 ，核心区有 5个富集高产条件 。美 国页岩储层基本以海相为主， 我 国富有机质页岩类型有海相、海陆过渡相和陆相 3 种类型。由于海相和陆相沉积类型的不同，其基本 地质条件差异较大。中国古生界海相富有机质页岩分布范围广、连续厚度大、有机质丰度高 ， 但演化程 度高 、构造变动多；中新生界陆相富有机质页岩横向变化大，以厚层泥岩或砂泥互层为主，有机质丰度 中等 ， 热成熟度低_ l 。因此 ，借鉴国外成功勘探经验，结 合本 国地质条件的特点 ，建立不同相带的有 利区 优 选标 准是 十分 迫切 的 。 目前 ，对南 方海 、湖相 页岩 气 ，相关 技 术人 员 提 出 了一 些 有利 区带 的预 测方 法 。聂海 宽 _ 】 、王 鹏 万[ 1 引、徐士林口 等分析页岩气藏主控 因素，采用综合信息叠合的方法 ，对南方海相页岩和鄂尔多斯盆 地湖 相页 岩有利 区进 行预测 。杨 振恒 等 建 立 了海 相 地 层页 岩 气 勘探 选 区的模 型 ，结 合 泥 页 岩矿 物 含 量，泥页岩层热压力系统、地层沉降史 、原地含气量预测核心有利区。李武广等 ] 通过层次分析法确 定多个与 目标区优选体系相关参数的权重 ，采用模糊数学的方法对 目标区进行综合评价，该方法实用性 较强 ，适用 于不 同地 区 的页岩气 有 利 区预 测 。袁 志华 等 L 1 提 出利用 油 气 微生 物勘 探 技术 ，寻 找页 岩 气 富集 区域 ，该项 技术 对 于浅 层 天然气 藏 的勘 探效 果尤 为理 想 。 海陆 交互相 、陆 相和 湖相有 利 区优选 的研 究成果很 少 ，如何 创新 性地 将 海相 预测 方法应 用 到陆相 非 常关键。随着研究的逐渐深入 ，关键参数的不断丰富，优选页岩气有利区带的技术和方法会不断涌现。 各种 方法 的综 合运用 ，能更 加 准确地 预测 出有 利 区带 的分 布 ，为下 一步 页岩 气勘探 和实现 工业 化开 发提 供依 据 。 2 ． 2水 平钻 井技术 水平井具有增加泄流面积 ，连通多个裂缝系统 ，提高导流能力及单井产量等诸多优点 ，已经成为页 岩 气开发 的关 键技术 之一 。 从页岩气开发的角度来讲 ，水平井水平段在页岩层中的位置 、延伸长度和延伸方 向是决定水平井产 能的关键因素 ] 。水平井井位与井眼方位应选在有机质 富集、热成熟度较高、裂缝发育程度好的区域 及方位。实际生产中，最佳水平段长度的确定需要充分考虑具体地质实际 、钻井成本和经济效益等。而 水 平井 的延 伸方 向应尽 可能地 与最 大主 应力方 向垂 直 ，为 以后进 行 的储层 改造 、形 成复 杂裂 缝 网络提 供 条件。为了更准确地进行水平井钻井，提高水平井产能，与之相关的技术得到了发展和应用 。地质导向 技术 ，旋转导向系统，三维地震解释技术，随钻测井、测量技术等的应用 ，使得水平井在建井过程中能 以最佳的井身轨迹钻进 ；欠平衡钻井技术 ，能有效地保护储层 ，提高钻井速度 ，预测页岩封闭游离相天 然气的能力 ，指导页岩油气藏勘探 ；有机和无机盐复合防膨技术 ，具有高矿化度、高钻井液 回收率、强 抑制性 、低固相的特点，能最大限度地降低储层伤害，保持井壁稳定。以上与水平井钻井相关的配套技 术的研究及应用 ，对提高页岩油气藏的开发效果起到了很好的保障作用 。 鉴于我 国页岩气储层埋藏深 、地质条件特殊 、地面环境复杂等特点 ，在 国外成熟水平井钻井基础之 上，开发适合我国水平井开发配套技术十分重要 。特别是对复杂结构井的研究 ，分支井连接技术等都急 需研 究攻 关 。预开孔 悬挂 系统 是 目前 国内外最 为先 进 的分支 连接方 式 ，克拉 玛依 钻采 中心 自主 研制 的该 项技 术 已经在 新疆 陆梁油 田得 到应 用u 。 2 ． 3 体 积压 裂技术 国外微地震压裂裂缝监测研究成果 q。 与生产井 累计产量 的对 比分析验证了增产效果 与改造体积 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 4 期 王翠丽 等 页岩油气勘探开发现状 及关键 技术 呈正相关 的观点 ，促使 以提高最大接触面积、增加改造体积为 目标的压裂技术新理念 的形成。 体积压裂技术是一种利用天然裂缝的扩张和脆性岩石的剪切滑移 ，实现储层在长 、宽、高三维方向 的立体改造 ，形成主裂缝与多级次生裂缝共存的复杂裂缝网络系统的压裂技术的统称 。该技术能极大提 高储层的整体渗透率 ，缩短油气渗流距 离，增大缝面与储层基质接触面积 ，达到提高页岩储层初始产量 和最终采收率的目标。实施体积压裂需要 目的层满足以下几个条件 ①岩层中天然裂缝发育 ，且天然裂 缝方位与最小主地应力方位一致；②脆性矿物含量较高 ，一般来说要大于 3 5 ；③地层 敏感性不强 ， 采用低黏度压裂液进行储层改造。多井同步体积压裂技术兼具体积压裂与同步压裂的优点，应用井间应 力干扰 ，获得连通多井的复杂裂缝 网络 ，提高多井初始产量及采收率 ，降低作业成本口 。体积压裂在 现场应用中的技术关键体现在分段多簇射孔技术、快速可钻式桥塞工具、滑溜多段水压裂技术等方面 ， 其中滑溜多段水压裂技术在我国页岩气开采中的应用已取得初步成效 。 由于体积压裂产生的裂缝系统极其复杂 ，压裂裂缝的起裂机理 ，油气在裂缝系统中的渗流特征 ，裂 缝系统的监测技术、裂缝预测模型等理论技术需要加强攻关 。 2 ． 4渗 流机 理研 究 页岩油气以吸附、游离的状态存在于储层 中。随着开采的进行 ，地层压力下降，使页岩基质表面的 吸附气体发生解吸作用 ，形成游离态气体进入基质微孔隙中，在浓度差的作用下，由基质 向裂缝扩散 ， 最终由裂缝流向井底 ，涉及到解吸、扩散和渗流 3个阶段 ，渗流模型呈现多尺度的特点。 页岩气的解吸吸附具有可逆性 ，可用 L a n g mu i r 等温吸附模型、B E T多分子层模型、吸附势理论模 型、【 - A模型 、QS D F T模型等来表征，这些模型可用来计算吸附气量、孔径分布、分离压力等。微孔 隙中气体流动遵循扩散定律，受孔隙形状、大小、连通性、气体性质及状态的影响，可用流体力学格子 B o l t z ma n n方法、耗散粒子动力学方法等从介观层次角度进行研究，但其渗流机理 目前 尚不明确。由于 页岩油气储层与脆性煤层气储层具有相似性 ，前人已对煤层气扩散模式及渗流机理进行深人研究 ，将其 研究成果创新性引入页岩气扩散过程中，对了解页岩气扩散机理及其渗流特征有很重要 的指导意义。流 体在裂缝中的流动是页岩油气真正意义上 的渗流阶段，遵循达西定律 。由于储层改造产生复杂裂缝系 统 ，流体以最短的距离 由基岩 向各方向的裂缝 渗流_ 2 5 ] 图 1 ，大大降低所需驱动压力 ，渗流特征发 生变 化 。 页岩 油 气 的 渗 流 机 理 研 究 需 充分 考虑各 个 阶段 的影 响因素 ， 建 立 合 理 的渗 流 方 程 。段 永 刚 等[ 2 尝试将储层 的吸附解吸特性 考虑 到 压 缩 系 数 中 ，得 出 与 常 规 气藏形式一致 的渗流方程 ；高树 生等 在建立渗流方程时充分考 虑了气 体 的滑脱 效应 对其 影 响； 张士 诚 等 ] 应用 非 常 规 裂 缝模 型、离散裂缝模 型和双重介 质模 型表 征压裂 裂 缝形 态及 渗流 特点 ， 建立 压裂 产能 预测模 型 。 2 ． 5微 震监 测技 术 图 1 体积 改造 网络 裂缝渗流 示意图 据文献 [ 2 5 ] 目前对裂缝网络起裂和延伸机理的理论研究 尚未成熟 ，关于剪切作用所产生的复杂分支缝也没有详 细地描述和分析。如何运用现有技术直观定性地描述裂缝的形态、方位 、密度 ，构建裂缝网络模型是 目 前 急需 解决 的问题 。 微地震监测技术作为一种用于油气 田开发 的新地震方法 ，在监测压裂裂缝效果方面 ，比传统的 测井方法更具优势。近年来 ，该技术在页岩气储层压裂改造中得到非常广泛的应用 ，已经成为页岩油气 勘 探 开发 的必 要手段 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6 卷第 4 期 王翠丽 等 页岩 油气 勘探开发 现状及关键技术 5 5 [ 1 O ]邹才能，董大忠，王社教 ，等 ．中国页岩气形成机理 、地质特征及资源潜力 [ J ]．石油勘探与开发 ，2 0 1 0 ，3 7 6 6 4 1 ～6 5 3 ． [ 1 1 ]李延钧，刘 欢，刘 家霞 ，等． 页岩气地质选 区及资源潜力评价方法 E J ] ．西南石油大学学报 自然科学版 ，2 0 1 1 ，3 3 2 2 8 ～ 3 4 ． [ 1 2 ]聂海宽 ，唐玄 ，边瑞康 ．页岩气成藏控制 因素及 中国南方页岩气发育有利 区预测 [ J ]．石油学报 。2 0 0 9 ，3 0 4 4 8 4 4 9 1 ． [ 1 3 ]王鹏万 ，陈子蚪 ，贺训云，等 ．黔南坳 陷下寒武统页岩气成藏条件与有利 区带评价 [ J ]．天然气地球科学 ，2 0 1 1 ，2 2 3 5 1 8 ～ 5 2 4 ． [ 1 4 ]徐士林 ，包书景 ．鄂尔多斯盆地 三叠 系延长组页岩气形 成条件及 有利发 育区预测[ J ] ．天然气 地球科学 ，2 0 0 9 ，2 0 3 4 6 0 4 6 5 ． [ 1 5 ]杨振恒 ，腾格尔 ，李志明 ．页岩气勘探选 区模 型以中上扬子下寒武统海相地层页岩气勘探评价为例 E J ]．天然气 地球科学 ，2 0 1 1 ， 2 2 1 8 ～ 1 4 ． [ 1 6 ]李武广 ，杨胜来 ．页岩气 开发 目标 区优选体 系与评价方法 [ J ]．天然气工业 ，2 0 1 1 ，3 1 4 5 9 6 2 ． [ 1 7 ]袁志华 ，张玉清 ．利用油气微 生物勘探技术 寻找页岩气有利 目标 区 [ J ]．地质通报 ，2 0 1 1 ，3 O 2 ～3 4 0 6 4 1 0 ． [ 1 8 ]郑军卫 ，孙德强 ，李小燕 ，等 ．页岩气 勘探 开发技术进展 [ J ]．天然气地球科学 ，2 0 1 1 ，2 2 3 5 1 1 ～5 1 7 ． [ 1 9 ]王新 ，宋朝晖 ，李晓军 ．新疆油田 L u HW3 0 1 Z双分支水平井钻井技术 [ J ]．石油钻探技术 ，2 0 0 9 ，3 7 5 l 1 8 ～1 2 0 ． [ 2 O ] MAx w e l l S C，Wr v a b c i c T J ，S t E i n s b e r g g e r N，e t a 1 ．Mi c r o s e i s mi c i ma g i n g o f h y d r a u l i c f r a c t u r e c o mp l e x i t y i n t h e B a r n e t t s h a l e[ J ]． S P E7 7 4 4 0 ，2 0 0 2 ． [ 2 1 ]C u r t i s J B ． F r a c t u r e d s h a l e g a s s y s t e ms[ J ]． AAP G B u l l e t i n ，2 0 0 2 ，8 6 1 1 1 9 2 1 ～1 9 3 8 ． [ 2 2 ]Ga r e t h R L，B u s t i n R M．L o we r C r e t a c e o u s g a s s h a l e s i n n o r t h e a s t e r n B r i t i s h C o l u mb i a ， P a r t I Ge o l o g i c a l c o n t r o l s o n me t h a n e s o r p t i o n c a p a c i t y[ J ]． B u l l e t i n o f C a n a d i a n P e t r o l e u m Ge o l o g y 。2 0 0 8 ，5 6 1 1 ～2 1 ． [ 2 3 ]Wa r p i n s k i N R， Ma y e r h o f e r M J ，Vi n c e n t M C， e t a 1 ．S t i mu l a t i n g u n c o n v e n t i o n a l r e s e r v o i r s ma x i mi z i n g n e t wo r k g r o wt h wh i l e o p t i miz i n g f r a c t u r e c o n d u c t i v i t y[ J ]． S P E l 1 4 1 7 3 一 MS ，2 0 0 8 ． [ 2 4 ] 陈守雨 ，杜林麟 ，贾碧霞 ．多井同步体积压裂技术研 究 [ J ]．石油钻 采工艺 ，2 0 1 1 ，3 3 6 5 9 ～6 6 ． [ 2 5 ]吴奇 ，胥 云，刘玉章 ，等 ．美 国页岩气体积改造技术现状及 对我 国的启示 口]．石油钻采工艺 ，2 0 1 1 ，3 3 2 1 ～7 ． [ 2 6 ]段永 刚，魏 明强 ，李建秋 ，等 ．页岩气藏渗流机理及压裂井产 能评价[ J ] ．重庆 大学学报 自然科学 版 ，2 0 1 1 ，3 4 6 7 ． [ 2 7 ]高树生 ，于兴河 ，刘华勋 ．滑脱效应对页岩气井产能影响的分析 [ 刀 ．天然气 工业 ，2 0 1 2 ，3 2 4 5 5 ～5 8 ． [ 2 8 ] 张士诚 ，崔勇 ．页岩气压裂数值模拟分析 [ J ]．天然气工业 ，2 0 1 1 ，3 1 1 2 8 1 8 4 ． [ 2 9 ] 罗蓉，李青 ．页岩气测井评价及地震预测 、监测技术探讨 [ J ]．天然气工业 ，2 0 1 1 ，3 1 4 3 4 3 9 ． [ 3 0 ]赵金洲 ，王松 ，李勇 明 ．页岩气藏压裂改造难点与技术关键 [ J ]．天然气工业 ，2 0 1 2 ，3 2 4 4 6 4 9 ． [ 编辑] 4 6 2～ 黄鸸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m