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1、超临界CO2开发非常规油气藏可行性研究,沈忠厚 中国石油大学,2010.08,非常规油气藏开发技术交流会,China University of Petroleum,一、前言 二、超临界CO2流体的物理特性 三、页岩气、储层及开发特性 四、超临界CO2开发页岩气优势 五、结论与建议,汇报提纲,China University of Petroleum,汇报提纲,China University of Petroleum,一、前言 二、超临界CO2流体的物理特性 三、页岩气、储层及开发特性 四、超临界CO2开发页岩气优势 五、结论与建议,一、前言,1、我国油气勘探开发趋势,天然气作为一种清洁、优
2、质、高效、低成本和污染少的理想生态能源，已被国际社会广泛认同，预计将在2030年替代煤和石油成为世界主要能源。,近十年新增探明储量中7080%为低渗特低渗油气藏，同时我国页岩气、煤层气、致密砂岩气等非常规油气资源非常丰富。目前我国常规油气资源探明程度相当高，储量增长“入不敷出”稳产难度越来越大。非常规油气资源将成为我国 新的油气增长点。,我国已经从21世纪初开始逐步加大非常规油气藏开发力度，使之成为常规油气的有力补充！,一、前言,2、非常规油气藏及开发特点,非常规油气藏界定,致密砂岩气藏,低渗特低渗油气藏,页岩气藏,煤层气藏,非常规油气藏开发特点 （以页岩气为例）,钻井速度极慢，建井周期长，成
3、本高；,孔隙度和渗透率极低，储层极易受污染；,成藏机理复杂，需根据成藏方式确定开发方法；,均须经过压裂才能投产，增加了成本；,单井产量和采收率均较低；,开采周期长（有的高达30年）；,一、前言 二、超临界CO2流体的物理特性 三、页岩气、储层及开发特性 四、超临界CO2开发页岩气优势 五、结论与建议,汇报提纲,China University of Petroleum,二、超临界CO2流体的物理特性,CO2广泛存在于自然界中，俗称碳酸气，又名碳酸酐。空气中含量为0.03%0.04%，但随工业化发展其含量不断增高 。,1、CO2相态图,无色无臭 水溶液呈酸性 不能燃烧 易被液化,超临界流体既不同
4、于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性质,2、超临界CO2流体特性,二、超临界CO2流体的物理特性,密度接近于液体,能够为井下马达提供足够扭矩、溶剂化能力强,黏度接近于气体,扩散系数大于液体,传热、传质性能良好,表面张力接近于零,可进入到任何大于超临界流体分子的空间,易流动、摩阻系数低,一、前言 二、超临界CO2流体的物理特性 三、页岩气、储层及开发特性 四、超临界CO2开发页岩气优势 五、结论与建议,汇报提纲,China University of Petroleum,三、页岩气、储层及开发特性,页岩气生气机理,1、页岩气特性,生物化学 生气阶段,热裂解 生气阶段,天然气首先吸附在有机质
5、和粘土颗粒表面,饱和后富余天然气以游离相和溶解相存在,生烃伊始裂解生成的甲烷气充满岩石孔隙,孔隙压力不断升高产生裂缝以游离相存在,页岩气赋存状态,吸附状态（吸附于岩石颗粒和有机质表面，含量约20%85% ）,游离状态（贮存于孔隙裂缝中）,溶解状态（在石油伴生盆地中，溶解在地层水和液态烃中）,1、页岩气特性,页岩气吸附量影响因素,页岩气主要成分为甲烷（CH4），其含量在90%以上，除此之外还有少量的氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、重烃以及惰性气体。甲烷的临界温度为196.6K，临界压力为4.54MPa，在10003000米的储层埋深条件下，甲烷以超临界态存在。,有机碳含量（TOC）,地层温度,
6、地层压力,粘土矿物含量,产层性质,三、页岩气、储层及开发特性,1、页岩气特性,有机碳含量（TOC）与吸附气量关系,三、页岩气、储层及开发特性,1、页岩气特性,粘土矿物含量与吸附气量关系,三、页岩气、储层及开发特性,2、储层特性,页岩矿物成分,粘土矿物,碎屑及自生矿物,高岭石,蒙脱石等,伊利石,石英,长石,云母等,页岩中粘土矿物成分含量较高，被划为粘土岩的一种,石英物性较脆，容易被压碎或形成裂纹，因此石英含量相对较高的页岩，在生烃过程中，容易被孔隙中的高压气体压出裂缝，有利于页岩气开采。,三、页岩气、储层及开发特性,2、储层特性,页岩主要类型,黑色页岩（含较多的有机质）,硅质页岩（含有较多的玉髓
7、、蛋白石等）,主要产气页岩,粘土和泥质为页岩最主要组分（粒径较小，563m）,碳质页岩（含有大量已碳化的有机质）,油页岩（含一定数量的沥青）,铁质页岩（含少量铁的氧化物、氢氧化物等）,砂所占的组分相对较少（粒径63m）,粒径小,渗透率极低，10-410-6 md（致密砂岩10-210-3md）,孔隙度极低（通常小于5%，以微孔隙为主 ）,三、页岩气、储层及开发特性,比表面积大 吸附能力强,3、开发特性,页岩气充填于页岩裂隙、微细孔隙及层面内，其储层渗透率极低、气流阻力比传统天然气大得多，导致其生产的速度和效率均较低。,三、页岩气、储层及开发特性,存储机理,天然气的储量,生产速度和效率,根据不同
8、存储机 理选择开发方式,产出顺序,裂缝中游离气,裂缝表面吸附气,页岩基质中吸收气,快速释放,速度慢、产量低,稳定而又极其缓慢,页岩气20%85%以吸附状态存在，排水降压开采解析程度有限，单井产量低，开发速度慢。亟待寻找一种适合的开发方法！,微孔隙表面吸附气,速度慢、产量低,3、开发特性,天然裂缝系统发育程度直接影响页岩气开采效益，世界页岩气资源非常丰富，但尚未得到广泛勘探开发，根本原因是致密页岩的渗透率一般很低(小于10-3md)，仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产，其余90%以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施沟通其天然裂缝，提高井筒附近储层导流能力。,三、页岩气、储层及开发特
9、性,大型水力压裂,成本高,对储层伤害大,降低了页岩气经济开采价值,减少了页岩气经济技术可采储量,降低开发成本，寻找适合的增产措施，是高效开发页岩气的前提！,一、前言 二、超临界CO2流体的物理特性 三、页岩气、储层及开发特性 四、超临界CO2开发页岩气优势 五、结论与建议,汇报提纲,China University of Petroleum,1、提高钻井速度，缩短建井周期，减少钻井费用,四、超临界CO2开发页岩气优势,SC-CO2 Jet,大面积坑道 轮廓不明显 破碎体积较大 大面积崩落,Water Jet,小的沟槽 轮廓较为清晰 破碎体积较小,193 MPa Water,90 MPa SC-
10、CO2,超临界CO2喷射破岩效率高,1、提高钻井速度，缩短建井周期，减少钻井费用,四、超临界CO2开发页岩气优势,喷射破岩实验,水力辅助机械联合破岩对曼柯斯页岩进行实验 ，利用超临界CO2是用水的钻进速度的3.3倍。,超临界CO2喷射破岩门限压力低,四、超临界CO2开发页岩气优势,连续油管超临界CO2喷射辅助钻井,1、提高钻井速度，缩短建井周期，减少钻井费用,1、提高钻井速度，缩短建井周期，减少钻井费用,四、超临界CO2开发页岩气优势,低注入压力 小钻压钻井,延长连续油管、钻头等井下工具的使用寿命 在高陡地层中有效控制井斜，提高钻井速度 低注入压力降低工作人员的操作风险,减少井下复杂问题的出现
11、,减少漏、喷、塌、卡等事故,井底压力=流体静液柱压力+井口回压+循环压力降，CO2密度变化大易调节，可通过回压阀对井底压力进行快速调节。,2、钻井过程中，有效保护储层不受损害,四、超临界CO2开发页岩气优势,水基钻井液打开页岩储层的危害,固相颗粒进入储层堵塞孔隙吼道； 泥浆滤液侵入到储气层中，导致储层中粘土膨胀，进一步堵塞地层孔隙吼道； 引发水锁效应 、岩石润湿性反转等。,超临界CO2流体打开页岩储层的优势,致密的页岩,超临界CO2流体中不含固相颗粒，不会堵塞孔隙吼道； 超临界CO2流体不是液相、也不含液相，不会导致储层中粘土膨胀。从根本上避免了水锁效应 、岩石润湿性反转等危害的发生。,四、超
12、临界CO2开发页岩气优势,超临界CO2超短半径辐射水平井,超短半径辐射水平井，由主井筒向四周钻辅助井眼形成的辐射井网作为排油通道把主井眼之间的大片油层连通起来，达到增加油气通道，改善气流方向，提高气藏动用程度的目的，可大大提高采收率。,3、可有效提高油气井单井产量和采收率,超临界CO2对储层无污染，而且容易钻水平井、多分支井、超短半径辐射水平井以及各类复杂结构井，均可大幅提高油气单井产量。,3、可有效提高油气井单井产量和采收率,四、超临界CO2开发页岩气优势,高效置换甲烷CO2与页岩的吸附强度大于CH4与其吸附强度，因此进行超临界CO2驱替开采时，它可以置换吸附在页岩层上的CH4，增加游离态气
13、体含量，从而进一步提高页岩气采收率。,改善流动通道超临界CO2流体密度大，溶剂化能力强，能溶解近井地带的重油组分及其他有机物，疏通流动通道，减小近井地带油气流动阻力；,高效驱替甲烷超临界CO2流体表面张力为零，粘度小、扩散系数大，容易进入任何大于其分子的空间（包括毛管孔隙），有利于驱替气藏中的甲烷气体；,一、前言 二、超临界CO2流体的物理特性 三、页岩气、储层及开发特性 四、超临界CO2开发页岩气优势 五、结论与建议,汇报提纲,China University of Petroleum,五、结论与建议,1、我国页岩气资源十分丰富，我国应在美国成功开发页岩气的基础上，大力发展页岩气开发技术，寻
14、找一种新的高效开发技术；,2、超临界CO2破岩门限压力低、破岩速度快，对于典型的难钻页岩层来说，能够大大缩短建井周期，降低钻井费用；,3、超临界CO2流体既不含固相也不含水，对储层无任何损害和污染，非常适合于粘土含量较高的页岩气藏开发。,4、超临界CO2流体黏度低、表面张力为零、易流动 ，容易进入毛细孔隙中，驱替及置换甲烷；同时超临界CO2容易钻水平井、超短半径水平井等复杂结构井，可大大提高单井产量和采收率 ；,五、结论与建议,6、建议利用超临界CO2喷射压裂代替常规大型水力压裂，以防止储层伤害，提高采收率，降低成本。,5、超临界CO2开发页岩气是集钻井、完井、增产、采气及CO2埋存为一体的系统配套技术。,谢谢各位专家 欢迎批评指正,非常规油气藏开发技术交流会,China University of Petroleum,
