全球页岩气勘探开发技术综述

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全球页岩气资源开发技术综述谭巍（长城钻探工程有限公司钻井二公司，辽宁盘锦124010）摘要“页岩气革命”在全球范围内掀起了页岩气勘探开发的热潮，根据EIA最新发布的全球页岩气资源评价最新数据显示，全球页岩气技术可采资源约为207×1012m3。本文介绍了目前页岩气资源分布现状以及页岩气勘探开发的关键技术，如钻井技术、钻井液技术、固井技术、完井技术和压裂改造技术。关键词：页岩气钻井完井压裂钻井液一、全球页岩气资源现状1.页岩气资源储量情况以美国为首的“页岩气革命”推动了全球非常规油气勘探开发的进程。其中，页岩气的勘探开发因其丰富的资源储量，成为了全球各大能源行业关注的焦点。全球范围内，页岩气资源主要分布与北美、中亚、中国、北非等国家和地区。根据2013年6月美国能源信息署（EIA）发布的全球页岩气资源评价最新数据显示，全球页岩气技术可采资源约为207×1012m3。其中，中国以31.57×1012m3的页岩气技术可采资源储量，占全球页岩气资源总量的15%，排名世界第一。除中国外，其他页岩气资源丰富的国家还包括阿根廷、阿尔及利亚、美国和加拿大等。排名前十位的国家页岩气资源量总和达163.21×1012m3，占全球页岩气总资源量的79%（表1）。表12013年全球页岩气技术可采资源量排名前十位国家序号国家页岩气技术可采资源量(×1012m3)1中国31.572阿根廷22.713阿尔及利亚20.024美国18.835加拿大16.23 6墨西哥15.437澳大利亚12.378南非11.049俄罗斯8.0710巴西6.942.页岩气资源分布从EIA发布的页岩气盆地分布图（图1）可以看出，世界上大型的页岩气盆地主要分布于北美、亚洲和南美等地区。图1全球页岩气盆地分布图美国是最早开始研究页岩气勘探开发的国家，经过多年的探索经验，美国目前已经拥有世界领先的页岩气勘探开发技术,进入了页岩气商业化开采的阶段。美国的页岩气开发区块主要分布于美国南部的Barnett页岩、Woodford页岩、Fayetteville页岩、Marcellus页岩和Haynesville页岩气区块,以及东部、中东部的Ohio页岩、NewAlbany页岩和Antrim页岩气区块等。据EIA发布的《2013年能源展望报告》中预测，美国页岩气产量在2040年将达到4729×108m3。加拿大作为页岩气开发的另一个重要国家,其页岩气资源主要分布在东部和西部，包括Montney页岩和Utica页岩等九大页岩气区块，可采资源量分别为0.9×1012m3和10.1×1012m3。目前，加拿大页岩气开发仍处于初级阶段，尚未完全进行商业化开发。中国是除美国和加拿大之外,正式开始页岩气资源勘探开发的国家,我国页岩气资源丰富, 主要分布在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等含油气盆地，由中国石油、中国石化以及延长石油三家公司进行勘探开发。四川作为中国页岩气的主要生产区，目前已有中国石油和中国石化在此建设生产示范区。截止到2013年12月，全国累计完成页岩气钻井285口，其中水平井86口。目前，由于技术经验的逐步成熟以及我国针对页岩气开发推出的补贴政策，全国页岩气正式进入大规模开发生产阶段，产能及产量步入加速增长阶段。二、页岩气勘探开发概况页岩气储层与常规储层的差异很大，因此页岩气的勘探开发必须采用先进的开发技术，才能实现经济高效的开发。针对页岩气藏的特点，借鉴美国在页岩气开发方面的成功经验，我们得知水平井钻完井技术和压裂改造技术是页岩气开发的关键技术。1.钻井技术页岩气井钻井主要包括直井和水平井两种方式。直井主要目的用于试验，了解页岩气藏特性，获得钻井压裂和投产经验，并优化水平井钻井方案。水平井主要用于生产，可以获得更大的储层泄流面积，得到更高的天然气产量一般情况下，若页岩储层为水平裂缝，主要采用垂直井若页岩储层为垂直裂缝，多采用水平井，形式包括单支多分支和羽状水平井等，直井与垂直裂缝相交的机会较少。根据美国开发页岩气的经验，水平井的产量是直井的3-5倍，成本只相当于直井的1.5倍。因此，水平井钻井技术是页岩气开发的核心技术。目前，国外页岩气钻井技术中主要采用的技术有：轨迹控制技术、欠平衡及控压钻井技术、旋转导向钻井技术以及钻井液技术。1）轨迹控制技术（1）井眼方位选择页岩气水平井井眼方位一般选择在应力较低、脆性矿物和干酪根富集、裂缝发育程度高、孔隙度较高的页岩层区域，以便为后期压裂提供有利条件。一般情况下选择与主要裂缝网络系统大致平行的方位进行水平井钻井，能够生成大量的横向诱导裂缝，增大裂缝与气体接触的表面积，提高采收率。（2）井身结构设计 页岩气钻井普遍采用三级井身结构。由于后期需要进行压裂，因此对套管及套管头承压能力要求较高，固井质量要好，水泥返高到地面。在井身结构设计中采用三维地震技术，增加井筒与裂缝相交的可能性，打开更多的储层。（3）轨迹控制随着MWD技术、导向工具的发展，可基本实现对页岩气水平井轨迹的控制和实时优化。对于储层均质性良好，水平段长度较小的井，使用稳定器钻具组合和弯外壳螺杆钻具与MWD组合。对于水平段较长，结构复杂的井，使用旋转导向钻井技术，可以使井眼更加光滑。2）欠平衡及控压钻井技术欠平衡及控压钻井技术的应用，主要用于防漏、提高钻速和储层保护，采用空气作为循环介质在页岩中钻井。（1）欠平衡钻井技术欠平衡钻井以空气作为循环介质，能够克服井壁坍塌和液体钻井液对储层的伤害，克服钻井作业过程中的卡钻、井漏、井塌等问题，提高钻井速度，减轻地层伤害，提高油气井产能，节省作业成本。作为国内页岩气主要开发试验区的长宁、威远页岩气区块，上部井段多处出现了恶性井漏、机械钻速偏低等难题，改用充气钻井技术后，有效解决了以上难题，快速顺利钻至固井井深。（2）控压钻井技术控制压力钻井是一种用于精确控制整个井筒环空压力的钻井技术，目的是确定井底压力，并以此控制井筒环空压力剖面。通过控制钻进过程的压力使得钻井作业最优化，缩短非生产时间、减少井涌、井漏、卡钻等复杂情况。目前威德福、哈里伯顿等公司已进行过该技术研究和现场试验应用，取得了较好的应用效果。3）旋转导向技术旋转导向技术常用于位移大、水平段长、风险高的页岩气水平井钻井。该技术可以有效解决施工中的摩阻扭矩偏大、机械钻速低和井下事故频繁等技术问题。目前，世界上先进的旋转导向工具，主要有贝克休斯公司的静态推靠式旋转导向系统AutoTrak、斯伦贝谢公司的动态推靠式旋转导向系统PowerDrive以及哈里伯顿公司的静态指向式旋转导向系统Geo-pilot。 4）钻井液技术由于页岩地层裂缝发育、水敏性强，容易发生井漏、垮塌、缩径等问题，因此，选择页岩气水平井钻井液的原则是强抑制、高封堵、高润滑。油基钻井液可以提高水润湿性页岩的毛细管压力，防止钻井液对页岩的侵入，有效保持井壁稳定，还具有良好的润滑、防卡作用，是目前国内外采用最多的钻井液体系。油基钻井液自1920年开始使用至今，先后经历了原油钻井液、柴油基钻井液、白油基钻井液、气制油基钻井液、全油基钻井液。目前，该技术在国外已经成熟且广泛应用。2.完井技术由于大部分页岩气是以吸附状态存在于页岩中，而储层渗透率低，因此，施工的关键是既要通过完井技术提高其渗透率，又要避免地层损害。因此，在固井、完井方面都有其特殊的处理技术。1）固井技术页岩气固井技术的核心是水泥浆体系，所涉及的水泥浆包括泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰+H级水泥等4种类型。页岩气井普遍使用的是泡沫水泥固井技术，与常规固井水泥浆相比，泡沫水泥具有高强度、低密度、低失水量、超稳定性等特点，因此泡沫水泥具有良好的防窜效果，能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题，而且短距离的水泥侵入，也可以降低储层损害。根据国外经验，泡沫水泥固井比常规固井的产气量平均高23%，我国该项技术目前在国内多个生产区块取得了实验性应用成功。2）完井技术页岩气的完井方式主要包括水力喷射射孔完井、组合式桥塞完井和机械式组合完井。（1）水力喷射射孔完井该完井方式适用于直井或水平套管井，在套管固井后，从工具喷嘴喷射出的高速流体射穿套管和岩石，达到射孔的目的，通过拖动管柱可进行多层作业，免去下封隔器或桥塞，缩短完井时间。美国大多数页岩气水平井都采用此完井方式。（2）组合式桥塞完井 套管中用组合式桥塞分隔各段，分别进行射孔或压裂，这是页岩气水平井最常用的完井方法。其工艺是下套管、固井、射孔、分离井筒，但因需要在施工中射孔、坐封桥塞、钻桥塞，也是最耗时的一种方法。（3）机械式组合完井机械式组合完井是目前国外应用的一种新技术，采用特殊的滑套机构和膨胀封隔器，适用于水平裸眼井段限流压裂，一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工。如Halliburton公司的DeltaStim完井技术。3.压裂技术由于页岩储层低孔低渗的物性特征导致裂缝的发育程度成为页岩气运移聚集、经济开采的主要控制因素之一。仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产，大约90%的页岩气完井后需要实施压裂改造才能获得产量。1）水平井分段压裂水平井分段压裂技术可以有效的产生裂缝网络，最大程度低提高最终采收率，同时还可以节约成本。目前水平井的压裂阶段已从最初的单段或两段，发展到7段甚至更多。美国页岩气生产井中，85%的井均采用水平井多级分段压裂技术，增产效果明显。2）同步压裂同步压裂采用的是使压力液及支撑剂在高压下从一口井向另一口井运移距离最短的方法，来增加水力压裂裂缝网络的密度及表面积。其优势是短期内增产效果明显，作业时间短，节省成本。目前，已发展为四口井同时压裂。3）重复压裂重复压裂是指当页岩气井初始压裂处理已经无效或现有的支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致气体产量大幅下降时，采用压裂工艺对气井经行重新压裂增产的工艺。美国Barnett页岩1997年使用清水压裂对产量下降的井进行重复压裂，改进处理液回收工作流程，气井产量明显提高，部分井产量甚至超过了初次压裂时的产量。4）工厂化压裂 工厂化压裂就是要象普通工厂一样，在一个固定场所，连续不断的泵注压裂液和支撑剂。其优势是可以缩短区块的整体建设周期，降低单位采气成本；可以大幅提高压裂设备的利用率，减少设备动迁和安装，减少压裂罐拉运、清洗，降低工人劳动强度；方便回收和集中处理压裂残液，减少污水排放、重复利用水资源。三、我国页岩气开发技术现状及与国外差距国内自2009年8月17日，国土资源部油气资源战略中心在綦江县启动中国首个页岩气资源勘探项目以来，页岩气勘探开发技术迅速发展，取得了良好的开发效果。经过多年的探索实践，我国针对页岩气勘探开发，主要形成了页岩气水平井钻完井技术，压前评价、压裂设计和压后评估等技术，并围绕“工厂化”作业，初步形成了钻井、压裂等一体化设计和优化。2013年，在前期探索实践的基础上，我国页岩气开发顺利完成一批钻井和大型压裂施工作业，开发技术逐步成熟。尽管我国目前已经基本掌握了页岩气开发的相关技术，但整体上与国外相比还存在一定差距（表2）表2我国与国外页岩气勘探开发技术对比美国中国勘探技术三维地震技术、微地震监测技术尚未掌握核心技术钻完井技术旋转导向技术、欠平衡钻井技术、控压钻井技术、泡沫固井技术等页岩气水平井钻完井技术成熟先进。我国页岩气开发水平井钻井技术与欠平衡钻井技术相对比较成熟，但在完井、固井方面相对滞后。主要井型90%以上为水平井，10%以下为直井。大部分是直井，水平井还处于试验阶段。压裂改造技术技术成熟，主要有多级压裂、同步压裂、重复压裂等压裂技术。常规水力压裂技术已在国内成功应用，但页岩气压裂才刚刚起步。小结中国页岩气开发处于探索阶段，经验匮乏，技术尚不成熟。四、结语 页岩气作为一种非常规能源，在全球范围内分布非常广泛，并逐步被人们重视，成为了一种重要的油气资源。我国作为页岩气资源大国，开展页岩气勘探开发是促进我国能源发展的必经之路。尽管目前我国已基本掌握页岩气勘探开发的技术，但与美国等国相比，还存在一定差距。如何能在保持自主创新的前提下，学习借鉴国外先进的开发技术和经验，结果本国页岩气资源开发的实际情况，探索出更高效的开发模式，仍是我们今后要面对的一大课题。参考文献[1]江怀友，鞠斌山，李治平，李钟洋.世界页岩气资源现状研究.中外能源，2014，（3）：p14-19.[2]王妍，高文冰.国内外页岩气勘探与开发技术分析.地下水，2014，（3）：p205-208.[3]邱正松，高宏松，黄维安.页岩气钻探开发技术研究进展.西部探矿工程，2012，（6）：p66-69.[4]王金磊，伍贤柱.页岩气钻完井工程技术现状.钻采工艺，2012，（9）：p7-11.[5]崔思华，班凡生，袁光杰.页岩气钻完井技术现状及难点分析.天然气工业，2011，（4）：p72-75.