1、页 岩 气 简 介,油气成藏理论,页岩气，是从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规天然气资源。 页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。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（）,美国是世界上最早发现、研究、勘探和开发页岩气的国家。1821年，美国第一口商业页岩气井（也是全球第一口商业性页岩气井）诞生。Mitchell能源公司在美国东部纽约州Chautauqua县泥盆系Perrysbury组Durdirk页岩中钻探，在井深21米
2、处，从8米厚的页岩裂缝中产出天然气。 美国的页岩主要发育在20个州21个大小不等的盆地里。据最近的估算，美国页岩气资源量为42万亿立方米52.6万亿立方米，美国的页岩气开发取得巨大成功，扭转了美国天然气一直以来进口的局面。据美国地质调查局（USGS）最新的统计，其资源量约0.74万亿立方米，产量在2005年已经超过美国页岩气产量的一半，现在所占比例更高,其中，Barnett页岩是当前美国页岩气开发的主力层位，也是目前各国页岩气勘探开发学习的样本，随着页岩气产量迅速提高，国际能源署预计，到2015年美国将超越俄罗斯成为全球最大天然气生产国。美国能源当局则预测说，页岩气将取代煤炭而成为仅次于石油的
3、美国第二大能源资源，而且可能改变美国能源生产格局 加拿大是继美国之后世界上第二个对页岩气进行勘探开发的国家，页岩气生产也已有数十年的历史 对于页岩气的研究并不是现在才开始的，我国在上世纪八十年代也有了对其的专著。但是并没有实际的开发，而随着以美、加为首的页岩气持续开发我国也终于重视起来。 2011年12月，国务院批准页岩气为新发现矿种，至此，我国的独立矿种增加到172种,2011年6月27日，国土资源部举办中国首轮油气探矿权公开招标，中石油、中石化、延长石油以及中联煤层气、河南煤层气等公司受邀投标。首轮招标出让的页岩气探矿权区块共计四个，面积共约1.1万平方公里 2012年9月10日,国土资源
4、部在官方网站发布公告，面向社会各类投资主体公开招标出让页岩气探矿权.本次招标共推出20个区块，总面积为20002km2，分布在重庆、贵州、湖北、湖南、江西、浙江、安徽、河南8个省（市）。 根据公告，凡在中华人民共和国境内注册，注册资本金在人民币3亿元以上，具有石油天然气或气体矿产勘查资质、或与已具有资质的企事业单位建立合作关系的内资企业和中方控股的中外合资企业，均可投标,我国页岩气可采资源量约为261012m3，接近常规天然气资源储量，资源价值、社会价值巨大。,一、国内技术现状,国内外页岩气钻井现状分析,我国三种天然气资源对比图,我国页岩气开发还处于探索阶段，仅四川、松辽、伊通盆地有几口井开始
5、试气，初产在1000立方米左右；目前国内页岩气藏开发还存在单井产量低，生产周期长，产量递减快，资金回收慢等问题，阻碍了页岩气藏工业化开发步伐！,稠油，油砂，油页岩，致密砂岩油层,页岩油气：特指赋存于页岩中的非常规油气 ，页岩气是位于暗色泥页岩以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。,煤层气，页岩气，致密砂岩，生物气，甲烷水合物,非常规油气,页岩气是一种特殊的非常规天然气。是赋存于泥岩或页岩中的天然气，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗、无天然裂缝等特征，一般无自然产能或低产。页岩气资源储量丰富，但开发难度大。随着常规天然气的衰竭以及油气价格的上涨，以及开发技术的进步，页岩
6、气已逐渐成为开发的热点。,开发成本逐渐增大,更高质量的资源,新技术新方法的应用,截止线是变化的 （基于油气价格的变化）,常规油气资源 （易开发的只占小部分）目前逐渐衰竭,非常规油气资源 （大部分储量开发较困难）（日益成为开发热点）,美国48 个州广泛分布了含巨量天然气的高有机质页岩。德克萨斯州初步开采的Barnett 页岩提供了本土48 个州天然气生产总量的6%。分析估计到2011 年底多数的储量增长（50%到60%）将来自非常规的页岩气。四个新的页岩气（Haynesville，Fayetteville，Marcellus 和Woodford）可采气体总量可能超过15万亿。对比研究，中国南方广
7、大地区海相地层中发育的优质烃源岩是国内页岩气勘探的重要目标，专家初步估计页岩气资源量大约30万亿方。,1.页岩气藏的特点,1）页岩气资源丰富,二、页岩气勘探开发技术,页岩气储层物性差，低孔低渗，孔隙度约为4%-6%,基质渗透率小于0.00110-3m2。页岩储层发育较多天然微裂缝，岩石具有一定的脆性，在改造过程中易形成网状裂缝系统。,2010-1-28,第 19 页,www.petro-,2）页岩气藏物性差，需改造,1.页岩气藏的特点,二、页岩气勘探开发技术,水平井是目前主要的页岩气藏生产形式。水平井的产量是垂直井的3-4倍多，成本仅是直井的1.5-2 倍。目前85%的开发井为水平井多段压裂。
8、,3）开发方式对产能影响大,1.页岩气藏的特点,二、页岩气勘探开发技术,kentucky东部泥盆系页岩气产量递减曲线，xx井26年累计产量1333104m3,4）产量递减先快后慢，生产周期长,1.页岩气藏的特点,生产周期比较长 早期以游离气为主，产量较高，递减快（第一年产量降到65%） 后期以吸附气产出为主，产量相对较低，年递减率2%3%，单井日产2-3万方 预测页岩气田开采寿命可达3050年 保持合理的生产制度,一般无自然产能，所有井都要实施压裂改造。据美国资料统计： 40%的井初期裸眼测试时无天然气 55%井初始无阻流量没有工业产能 直井压裂平均产量达0.8万方/d左右 水平井压裂平均产量
9、可达10万方/d以上，最高达30万方/d,二、页岩气勘探开发技术,1) 有效页岩的厚度2) 页岩的有机质丰度3) 页岩的热演化程度4) 页岩的矿物组成5) 页岩的含气量6) 页岩的孔隙度7) 页岩的渗透性 8) 构造格局,北美地区页岩气评价包含16个参数，内容全面。,1）页岩气有利目标区优选技术,9) 沉积、构造演化史10) 页岩横向连续性11) 3D 地震资料情况12) 地层压力特征13) 压裂用水14) 输气管网15) 井场情况与地貌环境16) 污水处理与环保,2.选区评价技术,二、页岩气勘探开发技术,测井和岩心分析是页岩气储层评价的两种主要手段。,2.选区评价技术,2）页岩气储层评价,测
10、井：数据主要包括ECS、GR、成像测井、声波测井等； 从CHEVRON（雪佛龙）、HARDING-SHELTON（哈丁-歇尔顿)、BP等公司的资料看，页岩气的测井技术与常规测井无异，但对于页岩参数的确定，在勘探阶段需要通过岩心资料的分析标定、ECS测井获得。通过对已知页岩气藏总有机碳含量、成熟度、含气性等地球化学参数与测井资料标定建立气藏评价方法的研究，在新井或新层评价时可通过测井模型确定各项参数。,二、页岩气勘探开发技术,2.选区评价技术,2）页岩气储层评价,岩心分析：确定孔隙度、储层渗透率、泥岩的组分、流体及储层的敏感性，并分析测试TOC和吸附等温曲线。Bp通过参数井的系统取心，在“相控页
11、岩分布”的思路指导下，对岩心的层序和沉积细致描述，研究页岩的沉积特征，编制不同层系页岩沉积相平、剖面图。Arkoma 盆地的伍德福德页岩的系统岩心分析表明，页岩气分布在碎屑岩和碳酸盐岩构成的旋回沉积的富含有机质页岩段中，该段TOC、Ro指标与页岩气产出有极为密切的关系。国内对页岩的岩心分析与国外比还存在较大的差距，特别是试验设备与试验方法方面。,二、页岩气勘探开发技术,BP公司工作的Arkoma 盆地伍德福德页岩气藏,页岩厚度大于50米、TOC大于2%、Ro1.31.8%、钙质含量大于20%，由于富含钙质脆性矿物，通过压裂取得了很好的勘探开发效果。由此认识到除硅质含量越高，页岩脆性越大，有利于
12、后期的压裂改造形成裂缝外，只要富含脆性矿物的优质烃源岩均是有利的勘探开发目标。,3）富含脆性矿物的优质烃源岩均是有利的勘探开发目标,2.选区评价技术,二、页岩气勘探开发技术,4)Ro是热成因页岩气成藏的主控因素。Ro介于1.1%3%的范围是热成因型页岩气藏的有利分布区。在北美俄克拉荷马东南的阿科马盆地Ro达到4.89% ，Woodford页岩中也发现了页岩气藏，改变了以往对页岩Ro上限小于3%的观点, 但Ro过高会导致页岩气藏中的二氧化碳含量增高。,2.选区评价技术,二、页岩气勘探开发技术,3.地震资料的应用,美国几个页岩气田都位于常规油气勘探程度较高的地区，常规油气勘探地震资料用来解释页岩层
13、段的断层和顶底板。,二、页岩气勘探开发技术,4.页岩气水平井钻井,1)水平段井眼位置及方向的设计主要依据地应力资料,水平井眼方向沿最小水平应力方向钻进，后期压裂裂缝与井眼方向垂直，压裂改造效果好。,水平井眼位置选择在低应力区、高孔隙度区、脆性矿物富集区和富干酪根区，为后期压裂提供有利条件。,二、页岩气勘探开发技术,2)丛式钻井,可采用底部滑动井架钻丛式井组。每井组38口单支水平井，水平井段间距300-400m左右。,4.页岩气水平井钻井,二、页岩气勘探开发技术,主要是三级结构,由于后期加砂压裂，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；水平段是套管固井完井。,3)井身结
14、构,4.页岩气水平井钻井,二、页岩气勘探开发技术,直井段（三开前）对钻井液体系无特殊要求，主要采用水基泥浆，水平段钻井液主要采用油基泥浆。,防止粘土膨胀； 提高井眼稳定性； 预防钻井液漏失； 提高钻速。,4)钻井液体系,4.页岩气水平井钻井,二、页岩气勘探开发技术,1）页岩压裂工艺优化的内容,5.页岩气水平井压裂技术,二、页岩气勘探开发技术,主要是根据产量与经济效益总结中得出规律的。裂缝半长400m。水平井分段每段长100130m左右。,压裂规模优化,因此，虽然各井压裂有不同的压裂规模，但主要情况差不多：水平井水平段长1300m，10段压，每段加砂100方左右，用水约2000方。,5.页岩气水
15、平井压裂技术,1）页岩压裂工艺优化,二、页岩气勘探开发技术,2）页岩气水平井单井分段多级压裂工艺流程,5.页岩气水平井压裂技术,分段多级压裂：压裂的规模化、裂缝的网络化、作业的工厂化，实现效益最大化。,二、页岩气勘探开发技术,一般页岩水平段长1300m，每个压裂段100-130m，每段射簇，每簇射孔长度2-3尺，孔密8-16孔/米，60相位角。每段一次完成射孔及加塞。,(1)射孔优化,趋势：水平井分段数在增加，但每段的射孔数目在下降；,3 ）页岩气水平井压裂配套技术,5.页岩气水平井压裂技术,二、页岩气勘探开发技术,第一阶段TCP射孔，套管压裂，座封压裂桥塞和射孔一趟电缆完成，进行多级点火,可
16、多段射孔。该技术3.5”, 4.5”, 5.5”, 7” 套管完井水泥固井的水平井，压后可快速钻塞 （十分钟便可钻掉一个），该桥塞材质轻，易排出，节约现场施工时间。投送射孔抢及桥塞的施工排量大于6m3/min。,(2) 易钻桥塞(FastDrill Plug),3 ）页岩气水平井压裂配套技术,5.页岩气水平井压裂技术,电缆,射孔枪,投送筒,可钻桥塞,套管,压裂关键技术之一，工具是贝克公司生产，需要技术引进。现在我们江汉油田正在技术攻关。,二、页岩气勘探开发技术,(3) 压后返排,全部分段射孔和压裂后，用连续油管带钻头一次快速钻碎所有桥塞，返排至地面；几天后井开始间歇自喷，投产初期节流器加以控制
17、，防止支撑剂返排至地面，排液速度控制在520方/小时。初期压裂液返排率一般1/3。,3 ）页岩气水平井压裂配套技术,5.页岩气水平井压裂技术,二、页岩气勘探开发技术,多级压裂特点就是多段压裂和分段压裂，它可以在同一口井对不同的产层进行单独压裂,是近几年在Barnett页岩气开发中成功应用的最新压裂技术。技术理论:同时对配对井(offset wells)进行压裂, 使压力液及支撑剂在高压下从1口井向另1口井运移距离最短的方法,来形成网络裂缝，增加裂缝密度及表面积, 提高页岩气井的产量。 同步压裂最初是两口互相接近且深度大致相同水平井间的同时压裂,目前已发展到3口、甚至4口井间同时压裂。3、4口井
18、压裂时先压两侧的井，再压中间两口井。,(4) 同步压裂技术(simo-fracturing),3 ）页岩气水平井压裂配套技术,5.页岩气水平井压裂技术,二、页岩气勘探开发技术,(5)页岩水平井压裂监测技术,监测的目的：掌握人工裂缝的实际几何学特征(高度、长度和方位）；实时监测压裂过程，对压裂方案进行优化；优化新井钻井井位。,实施：VSI仪器放在观测井中（直井）, 间距600米,持续监测地层破裂时产生的微地震,实时的传输和处理, 可三维显示裂缝位置。,仪器长约60m,3）页岩气水平井压裂配套技术,5.页岩气水平井压裂技术,二、页岩气勘探开发技术,水平井分段多级压裂现场施工实景,2套压裂设备同时施
19、工,用4根10”水管线连续供水，单井供水规模达3万方，单段压裂供水大于1千方/小时。,1个酸罐，单层酸液16方,连续加砂装置，单井砂量1千方以上,二、页岩气勘探开发技术,水平井分段多级压裂现场施工实景,可钻桥塞,二、页岩气勘探开发技术,6.“井工厂”的理念在非常规油气资源勘探开发中的意义,22口井的采气井厂,非常规气的勘探开发效益需要综合批量化的工作部署。,二、页岩气勘探开发技术,利用最小的丛式井井场使钻井开发井网覆盖区域最大化。为后期的批量化的钻井作业、压裂施工奠定基础。使地面工程及生产管理也得到简化。(路少、基础设施简单，天然气自发电，管理集中),1)钻井部署,二、页岩气勘探开发技术,6.
20、“井工厂”的理念,2)钻井工程,(1)实现设备利用的最大化。 多口井依次一开，依次固井，依次二开，再依次固完井。钻井、固井、测井设备无停待。井深1500m左右的致密砂岩气井丛式井单井平均钻井周期仅2.9天，垂深2500m左右、水平段长1300m的页岩气丛式水平井平均钻井周期仅27天。(2)泥浆重复利用，减少泥浆的交替。多口井一开泥浆体系相同，重复利用；二开泥浆体系相同，重复利用。尤其是三开油基泥浆的重复利用特别重要。,列间距2.5m,行间距3m,二、页岩气勘探开发技术,6.“井工厂”的理念,3)压裂工程,压裂工厂化流程能够在一个丛式井平台上压裂22口井，极大提高效率。,致密砂岩气层“压裂工厂”
21、作业,二、页岩气勘探开发技术,6.“井工厂”的理念,提 纲,三、中石化页岩气勘探开发现状,2009年中石化正式启动了页岩气选区评价工作，随后进行了以下几口页岩气井的压裂改造及试气先导试验，分别是:(1)华东分公司的方深1井(2)江汉油田的建111井(3)河南油田的安深1井(4)华东分公司的黄页1井2010年中石化为了加快页岩气开发，先后立项了部分页岩气开发关键技术重大先导、先导试验项目，分别是：(1)页岩气钻完井及大型水力压裂(2)大液量滑溜水加砂压裂(3)复合材料桥塞技术(4)水平井水力推送电缆射孔技术(5)水平井电缆桥塞与射孔联作技术(6)水平井连续油管射孔和钻塞技术,从该井的情况看，方深1井钻遇页岩厚度达到99m，总有机碳丰度达到2以上，最高可以达到9.94，渗透率为0.05md,与美国页岩气开发最低指标相比，尽管有些数据还需确认，但这几项指标具有明显优势，可见该段页岩具有较好的产气潜能。,（1）方深1井压裂施工概况,三、中石化页岩气勘探开发现状,
