【原】钻采工艺 | 页岩气的特点与开发流程

---页岩气的概念---

    页岩气是一种以游离或吸附状态埋藏于致密的页岩层或泥岩层中的非常规天然气，众所周知，石油和天然气广泛存在于具有孔隙的砂岩和具有裂缝的灰岩里面。而页岩气往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，由于页岩自身的致密性，页岩气可以实现自生自储，既页岩既是页岩气的储层也是页岩气自身的盖层。

    较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气，页岩气田开采寿命一般可达30~50年，这也决定了它的发展潜力。

---页岩气开发现状---

    页岩气在非常规天然气中的异军突起，引发了能源行业的革命，开始重塑世界油气资源勘探开发新格局，由于开发技术的进步，特别由于推广使用水平井钻探与大规模水力压裂相结合的技术，美国页岩气钻井数量量明显增加，产量飞速增长增长。，页岩气这一新能源的应用已经使美国在2011年从能源输入国成为能源输出国，据EIA预计，2035年页岩气产量将达到美国天然气总产量的49%，构成未来美国的核心能源。

    　最近，我国国土资源部油气储量评审办公室组织专家，对中石化重庆涪陵页岩气田焦石坝区块焦页4—焦页5井区探明储量予以评审，认定焦石坝页岩气区块新增探明含气面积277平方公里，新增探明储量2739亿立方米。至此，涪陵页岩气田探明含气面积从107平方公里扩大为384平方公里，探明储量从1068亿立方米增加至3806亿立方米，成为仅次于北美的全球第二大页岩气田。

　　截至2015年9月28日，重庆涪陵页岩气田共完钻227口井，投产146口井，建成年产能42.35亿立方米，累计产气30.15亿立方米，成为我国首个实现商业化开发的页岩气田。预计到2015年底，涪陵页岩气田将建成50亿立方米产能，累计产气突破40亿立方米。涪陵页岩气田储量扩大，为2017年底中石化建成100亿立方米产能奠定了坚实基础，随着气田勘探开发工程的推进，储量规模和上产能力将进一步扩大。

---页岩气藏的特点---

1）页岩气成因

     生物成因：一般埋藏浅、地层温度低、有机质成熟度低（Ro<1%），有机碳含量（TOC)可以高达20%，有时伴随原生地层水，如美国的Antrim （Ro=0.5~0.75%）and New Albany两个气田；

     热解成因：一般埋藏较深、地层温度较高、有机质成熟度高（Ro=1~1.8%），TOC=2.5~4.5%，美国大多数页岩气田都属于热解成因。

2）页岩气储层岩性

    暗色泥页岩与致密粉砂岩的薄互层，层理发育，含有硅质和钙质，其中粘土含量=31~45%，SiO2+钙质>35%(以Barnett为例）；物性：致密，渗透率一般在0.01~0.00001md。

在构造活跃地区或者上覆地层剥蚀地层压力下降的情况下发育裂缝，并被钙质或泥质充填。孔隙度一般低于10%。裂缝或孔隙多被自由甲烷气饱和，页岩气主要以吸附状态存在岩石颗粒表面或有机质表面。

3）页岩气盖层自生自储

    页岩由于自身致密性，既是常规气藏的盖层，也是页岩气自身的盖层，上覆盖层：上覆致密砂岩也是页岩气良好的盖层。

4）页岩气圈闭l构造平缓

    圈闭受后期构造的影响很小，属于隐蔽性岩性圈闭。

5）页岩气藏评价

   一般属于常压或异常高压地层；含钙质页岩启裂梯度小于0.75Psi/ft(1.7MPa/100m)，如Barnett页岩；缺钙页岩地层裂梯度大于0.8Psi/ft(1.8MPa/100m)，能够引起数倍的弯曲度；微裂缝发育是页岩气田高产的前提，钙质充填裂缝的富硅质页岩是最好的页岩气储层；富含粘土、缺乏互层状硅质和缺钙低钙质页岩压裂风险很大。页岩上下隔层出现含水层，人工诱导裂缝的长度受到限制；有机碳含量不高的页岩可以被大厚度、高成熟度和天然裂缝发育等参数弥补。

---页岩气开发技术---

    致密性和天然气的特性要求页岩气开采最大程度地暴露页岩地层到井眼的接触面积，需要的主要技术如下：大位移水平井钻井技术；套管固井射孔完井技术；压裂投产技术。

   美国将页岩气田开发周期划分为５个阶段：资源评估阶段，即对页岩及其储层潜力做出评估；勘探启动阶段，开始钻探试验井，测试压裂并预测产量；早期开采阶段，开始快速开发，建立相应标准；成熟开采阶段，进行生产数据对比，确定气藏模型，形成开发数据库；产量递减阶段，为了减缓产量递减速度，通常需要实施再增产措施，如重复压裂、人工举升等。整体看这５个阶段，开发页岩气所采用的技术与常规天然气开发技术有所区别。

1）地震勘探技术
包括三维地震技术和井中地震技术。三维地震技术有助于准确认识复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带，以提高探井或开发井成功率。由于泥页岩地层与上下围岩的地震传播速度不同，结合录井、测井等资料，可识别解释泥页岩，进行构造描述。应用高分辨率三维地震可以依据反射特征的差异识别预测裂缝，裂缝预测技术对井位优化起到关键作用。井中地震技术是在地面地震技术基础上向“高分辨率、高信噪比、高保真”发展的一种地球物理手段，

在油气勘探开发中，可将钻井、测井和地震技术很好地结合起来，成为有机联系钻、测井资料和地面地震资料对储层进行综合解释的有效途径。该项技术能有效监测压裂效果，为压裂工艺提供部署优化技术支撑，这是页岩气勘探开发的必要手段。

2）钻井技术
    自从美国1821年完钻世界上第一口页岩气井以来，页岩气钻井先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井、丛式水平井的发展历程。2002年以前，直井是美国开发页岩气的主要钻井方式。随着2002年devon能源公司７口barnett页岩气实验水平井取得巨大成功，水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式。丛式水平井可降低成本、节约时间，在页岩气开发中的应用正逐步增多。

    国外在页岩气水平井钻/完井中主要采用的相关技术有：①旋转导向技术，用于地层引导和地层评价，确保目标区内钻井；②随钻测井技术和随钻测量技术，用于水平井精确定位、地层评价，引导中靶地质目标；③控压或欠平衡钻井技术，用于防漏、提高钻速和储层保护，采用空气作循环介质在页岩中钻进；④泡沫固井技术，用于解决低压易漏长封固水平段固井质量不佳的难题；⑤有机和无机盐复合防膨技术，确保了井壁的稳定性。

3）测井技术
    现有测井评价识别技术可用于含气页岩储层的测井识别、总有机碳（TOC）含量和热成熟度（Ro）指标计算、页岩孔隙及裂缝参数评价、页岩储集层含气饱和度估算、页岩渗透性评价、页岩岩矿组成测定、页岩岩石力学参数计算。

    水平井随钻测井系统可在水平井整个井筒长度范围内进行自然伽马、电阻率、成像测井和井筒地层倾角分析，能够实时监控关键钻井参数、进行控制和定位，可以将井数据和地震数据进行对比，避开已知有井漏问题和断层的区域。及时提供构造信息、地层信息、力学特性信息，将天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较，用于优化完井作业、帮助作业者确定射孔和气井增产的最佳目标。

4）页岩含气量录井和现场测试技术
    页岩孔隙度低，以裂缝和微孔隙为主，绝大多数页岩气以游离态、吸附态存在。游离态页岩气在取心钻进过程中逸散进入井筒，主要是测定岩心的吸附气含量。录井过程中需要在现场做页岩层气含量测定、页岩解吸及吸附等重要资料的录取。这些资料对评价页岩层的资源量具有重要意义。针对页岩气钻井对录井的影响，可以通过改进录井设备、方法和措施，达到取全、取准录井资料的目的。

5）固井技术

   页岩气固井水泥浆主要有泡沫水泥、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。其中火山灰+H级水泥成本最低，泡沫酸溶性水泥和泡沫水泥成本相当，高于其他两种水泥，是火山灰+H级水泥成本的1.45倍。固井水泥浆配方和工艺措施处理不当，会对页岩气储层造成污染，增加压裂难度，直接影响后期采气效果。

6）完井技术
   国外一些公司认为，页岩气井的钻井并不困难，难在完井。主要是由于页岩气大部分以吸附态赋存于页岩中，而其储层渗透率低，既要通过完井技术提高其渗透率，又要避免其地层损害，这是施工的关键，直接关系到页岩气的采收率。
页岩气井的完井方式主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井等。完井方式的选择关系到工程复杂程度、成本及后期压裂作业的效果，适合的完井方式能有效简化工程复杂程度、降低成本，为后期压裂完井创造有利条件。

7）岩气储层改造技术

     岩气储层改造技术包括水力压裂和酸化，可以通过常规油管或连续油管进行施工。国外在新井、老井再次增产或二次完井中经常采用连续油管进行施工作业，可用于分支水平井。压裂增产措施有多种，包括氮气泡沫压裂、凝胶压裂、多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂、重复压裂等。多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂是目前页岩气水力压裂常用的技术。

①多级压裂

  多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术，有两种方式，一是滑套封隔器分段压裂，二是可钻式桥塞分段压裂。美国页岩气生产井85％采用水平井和多级压裂技术结合的方式开，增产效果显著。

②清水压裂
  清水压裂是清水加少量减阻剂、稳定剂、表面活性剂等添加剂作为压裂液，又叫做减阻水压裂（SLICKWATER FRACTURE）。实验表明，添加了支撑剂的清水压裂效果明显提高，并且成本低、地层伤害小。

③同步压裂
   同步压裂是对2口或更多的配对井（OFFECT WELLS）进行同时压裂，最初是２口互相接近且深度大致相同的水平井间的同时压裂，目前已发展成3口井，甚至４口井同时压裂。此技术是采用使压裂液和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和表面积，利用井间连通的优势来增大工作区裂缝的程度和强度，最大限度地连通天然裂缝。同步压裂对页岩气井短期内增产非常明显，而且对工作区环境影响小，完井速度快，节省压裂成本。

④水力喷射压裂
   水力喷射压裂是集水力射孔、压裂、隔离一体化的技术，有多种工艺，如水力喷射辅助压裂、水力喷射环空压裂、水力喷射酸化压裂等。此技术优点是不受水平井完井方式的限制，可在裸眼和各种完井结构的水平井实现压裂，不使用密封元件而维持较低的井筒压力，迅速准确地压开多条裂缝，解决了裸眼完井水力压裂常见的储层天然裂缝发育时裸露井壁表面会使大量流体损失，影响压裂效果的难题。缺点是受到压裂井深和加砂规模的限制。

⑤重复压裂

   重复压裂是在页岩气井初始压裂处理已经无效或者原有支撑剂因时间关系损坏或质量下降，导致产气量大幅下降的情况下，对气井重新压裂的增产工艺，能在页岩气藏重建储层到井眼的线性流，产生导流能力更高的支撑裂缝，恢复或增加产能。据统计，重复压裂能够以（0.535~0.706）美元／104ｍ3的储量成本增加页岩气产量，可使页岩气井估计最终采收率提高8%~10%，可采储量增加60%。