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1、关于我国页岩气与煤层气储层 压裂增产技术的探讨,西南石油大学 杨兆中 2012年5月,汇报提纲 1.非常规天然气资源概述 2.页岩气增产及配套技术 3.煤层气增产及配套技术,非常规天然气是指在成藏机理、赋存状态、分布规律或勘探开发方式等方面有别于常规天然气的烃类(或非烃类)资源，主要指页岩气、煤层气、致密砂岩气和天然气水合物等。,1.非常规天然气资源概述,1.1 全球非常规天然气资源量 世界常规天然气总资源量为436万亿立方米，2010年产天然气约3万亿立方米，储采比保持在60以上； 世界非常规天然气总资源量921万亿方，是常规天然气2倍多（其中，致密气209.6万亿方、煤层气256.1万亿方
2、、页岩气456万亿方），但产量只占1/7左右； 天然气水合物资源量超过2万万亿方，是目前化石能源资源总量2倍以上。 其中仅页岩气456万亿方就大于常规天然气总资源量436万亿,1.非常规天然气资源概述,致密砂岩气、煤层气、页岩气和火山岩气资源量约84.5万亿方，是常规气资源量1.5倍。,中国非常规油气可采资源,1.2 中国非常规天然气发展前景广阔,1.非常规天然气资源概述,2.1 页岩气的概念及储层特点 页岩气定义 页岩气储层基本特点 2.2 国外页岩气增产技术进展 2.3 对中国页岩气开发的建议,2.页岩气增产及配套技术,2.1 页岩气的概念及储层特点,页岩气定义 页岩气是一种特殊的非常规天
3、然气，赋存于泥岩或页岩中，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗等特征，一般无自然产能或低产，需要大型水力压裂和水平井技术才能进行经济开采，单井生产周期长。 页岩气储层基本特征,储层低渗致密，纳米级孔隙发育；储气模式以游离气和吸附气为主；由于页岩气储层比表面比常规砂岩储层大很多，其吸附气量远大于砂岩吸附气量，因此需要通过大规模压裂，增大改造体积。 岩性及矿物组分复杂；储层所含的硅质矿物、碳酸盐岩矿物、粘土矿物不同，导致储层岩石的脆性程度不同，从而引起改造模式和改造效果不同；储层的脆性越强，压裂时越易实现脆性断裂形成网状裂缝，从而实现体积改造。 天然裂缝系统发育；如果天然裂缝不发育
4、或不能通过大型压裂形成复杂的多缝或网络裂缝，页岩气储层很难成为有效储层。脆性和天然裂缝发育的地层中容易实现体积改造，而塑性较强地层实现体积改造比较困难。,2.页岩气增产及配套技术,BHN计算公式及美国不同油藏岩心BHN值 摘自（SPE 142959）,岩石的脆性指数表征方式可用岩心或者岩屑的布氏硬度（BHN）,2.页岩气增产及配套技术,2.1 页岩气的概念及储层特点 2.2 国外页岩气增产技术进展 2.3 对中国页岩气开发的建议,2.页岩气增产及配套技术,2.2 国外页岩气增产技术进展,直井连续油管分层压裂技术（SPE 107060） 较早的页岩气开发主要是在浅层，以直井为主，其压裂技术具有3
5、个特征，即连续油管、水力喷砂射孔、环空加砂 。该技术是用高速和高压流体通过连续油管进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，环空加注携砂液体，从而在地层中压开裂缝。其技术要点为水力喷砂射孔，环空加砂，然后填砂封堵已压裂层段，上提连续油管至下一目的层段，重复上述步骤直至结束施工，施工结束后用连续油管进行冲砂、返排。该技术具有作业周期短、成本低、排量选择范围广、连续油管磨损小、井下工具简单和成功率高等特点，目前在页岩气直井开发中得到了很好的应用。,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段压裂技术 1. 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术（ SPE 100674） 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术的主
6、要特点是套管压裂多段分簇射孔、可钻式桥塞。一般目的层水平井段被分成815段，每段水平段长度为100 150 m，每段射孔46簇，每射孔簇跨度为0. 460. 77 m，簇间距2030 m，压裂施工结束后快速钻掉桥塞进行测试、生产。,2.页岩气增产及配套技术,水平井多级滑套封隔器分段压裂技术（SPE 100674） 该技术通过井口落球系统操控滑套，其原理与直井应用的投球压差式封隔器相同，采用机械式封隔器，主要适用于套管完井。该类封隔器需要压力坐封或者工具坐封，因此工艺过程复杂，下入工具串次数较多，对于水平井施工风险较大，任何一个环节处理不当就会导致施工失败，造成大修。目前由于可钻式桥塞分隔技术的
7、应用，该技术的应用逐年减少。（下图为投球滑套环空封隔多级压裂示意图）,2.页岩气增产及配套技术,水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 由于水平井开发的特殊性，部分水平井裸眼完井，规封隔器难以满足后期压裂施工的需要，为此研制开发了遇油(遇水)膨胀封隔器。其工作原理为封隔器下入井底预定位置后，遇到油气或水后可膨胀橡胶即可快速膨胀，橡胶膨胀至井壁位置后继续膨胀而产生接触应力，从而实现密封。 该技术具有可靠性高、成本和作业风险低、压裂后能很快转入试油投产等优点。所以，目前在国外已经得到大规模的应用在120多口井上应用，改造层段超过850段。,2.页岩气增产及配套技术,连续油管跨式封隔器分段压裂技术（ SPE
8、 150949） 该技术可实现在压裂设备未安置好之前完成所有射孔程序，这样减少了非生产时间的消耗。射孔可以采用连续油管传输、电线传输或者水力喷射。跨式封隔器组合工具可以隔离每个单独射孔簇提供，所有压裂流体都通过连续油管注入。当出现早期脱砂时，杯状上部封隔器实现足够的返回能力。该技术最大的优点与增能或泡沫压裂液配伍，适用于薄层、低应力、中低温环境和裂缝间距较小或射孔簇数较多的塑性地层。,2.页岩气增产及配套技术,水平井水力喷射分段压裂技术（ SPE 94098、150949） 该技术是集射孔、压裂、封隔于一体的新型增产改造技术。利用水力喷射工具实施分段压裂，不需封隔器和桥塞等封隔工具，自动封堵，
9、封隔准确。水力喷射分段压裂技术可以选用油管或连续油管作为作业管柱，使用范围广，套管完井、筛管完井和裸眼完井都适用。,水力喷射环空压裂+支撑剂桥塞,水力喷射油管压裂,2.页岩气增产及配套技术,水平井水力喷射+井下混合分段压裂技术（ SPE 142959） 该方法采用水力射孔，然后 “液态支撑剂”（12-24lbm/gal） 由连续油管低速注入（35ft/sec），而无支撑剂流体由环空高速注入。当环空高速泵入无支撑剂流体时，防止连续油管磨破的限制速度（35ft/sec）可以大大提高，这样就在孔眼处形成高速混砂流体，实现支撑剂深穿透、裂缝分支以及支撑剂墩导流。具体施工步骤：1.安置水力喷射井下集成装
10、置到最远处的射孔簇进行改造；2.在第一段射孔簇进行水力射孔和起裂；3.从BHA移出球，带到地表以便循环；4.环空开始泵入滑溜水，获取一个设计的速度；5.连续油管开始泵入液态支撑剂；6.减少环空注入速度，提高支撑剂浓度；7.恢复设计的环空速度用滑溜水顶替支撑剂段塞；8.重复6至7步实现所需的净压力或微地震监测的裂缝分支效应；9.缓慢减少环空注入速度在孔眼处形成高浓度支撑剂充填层；10.移动水力喷射BHA到下一段压裂目标处；11.支撑剂回流（如果需要）；12.通过连续油管下入球到BHA上；13.重复1至12步直到各射孔簇被改造完。,2.页岩气增产及配套技术,水平井多井同步压裂技术 （摘自 SPE
11、116124） 邻井间同步压裂技术是指大致平行的两口或两口以上水平井同时进行压裂改造。其目的是在页岩气层中产生更大压力，创造出更复杂的三维裂缝网络系统，增加裂缝系统表面积。这是单井压裂所不能实现的。2006年，该技术首先在美国Ft. Worth盆地的Barnett页岩中实施。施工作业者在水平井段相隔152305m的两口大致平行的水平配对井之间进行同步压裂，两井均得到高速生产。其中一口井以 的速度持续生产30天，而其它未压裂的只有 。,四口水平井同步压裂微地震监测图 摘自 SPE（119635）,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段德洲“两步跳”压裂技术 （摘自 SPE 130043） 德洲两步
12、跳是非常流行的舞蹈，结合乡村和西部音乐两步向前，一步在后。该技术的目标：在多段压裂中，改变岩石的应力场，实现主分支缝与诱导的应力松弛缝相连通。该技术手在无分支水平井段中常规压裂单个射孔簇。但是，要改变施工的先后顺序。从水平井最远端开始起，首先进行压裂增产；然后向井跟移动，改造第二次，这样可以使得两段裂缝间一定程度的应力干扰。随后，改变向井跟的方向，第三次压裂在前两段之间进行，以利用应力改变的岩石和连通创造的应力松弛缝。,2.页岩气增产及配套技术,水平井分段通道压裂技术 通道压裂技术依靠水力压裂过程中，高频交替注入多级支撑剂冻胶液和不含支撑剂的冻胶液，以实现支撑剂的非均匀铺置和形成开启的通道。同
13、时，冻胶液在被施工设备泵入过程中，加入可降解的纤维材料可以减少支撑剂脉冲在完井处以及地下裂缝过程的耗散，在一个确定的泵注程序和油藏性质条件下，可利用岩石物理模型来进行通道压裂设计。由此，可形成如下图所示的导流通。该技术应用到Hawkville油田伊格福特页岩地层中，使得产量比常规增产技术提高了32%至68%。,通道压裂施工泵注程序示意图 摘自SPE（141708）,通道压裂形成超高导流能力示意图 摘自 http:/ 页岩气的概念及储层特点 2.2 国外页岩气增产技术进展 2.3 对中国页岩气开发的建议 产能影响因素 压裂设计方式选择 压裂液体系 微地震裂缝监测,页岩气高效经济开发的必要元素（S
14、PE123586）,产能影响因素,2.页岩气增产及配套技术,形成分支缝，促进页岩气开采的关键参数（SPE142959）,储层岩石非均质性（天然缝、割理、裂隙等） 岩土力学性质（脆性） 水平井参数（井眼轨迹、目的层） 原地应力各向异性 基质渗透率 压裂施工净压 工作液粘度 主裂缝及分支裂缝导流能力,2.页岩气增产及配套技术,页岩气压裂设计选择标准压裂方式选择,基于岩石性质的多级压裂选择原则（SPE150949）,2.页岩气增产及配套技术,Perf and Plug射孔和桥塞技术;BASS 投球滑套封隔技术；CTSP 连续油管跨式封隔技术；HJAF 水力喷射辅助压裂技术；HP-ACT水力喷射+连续
15、油管环空压裂技术；HP-DM水力喷射+地下混合压裂技术,不同压裂方法的施工参数比较（SPE150949）,2.页岩气增产及配套技术,页岩气压裂设计选择标准施工参数选择,摘自 薛承瑾页岩气压裂技术现状及发展建议,2.页岩气增产及配套技术,页岩气压裂液体系 页岩气储层特点不同，其选择的压裂液也不同。目前所使用的压裂液有滑溜水线性胶、交联液和泡沫等，而滑溜水和复合压裂液是日前主要压裂液体系。 滑溜水压裂液体系 该液体体系主要适用于无水敏、储层天然裂缝较发育、脆性较高地层。其主要特点为：适用于裂缝性地层；提高形成剪切缝和网状缝的概率；使用少量稠化剂降阻，对地层伤害小，支撑剂用量少；成本低，在相同作业规
16、模下，滑溜水压裂比常规冻胶压裂其成本可以降低40%一60%。 复合压裂液体系 复合压裂或混合压裂主要是针对黏土含量高，塑性较强的页岩气储层。注入复合压裂液既可保证形成一定的缝宽，又保证有一定的携砂能力。复合压裂液的注入顺序一般为：前置液滑溜水与冻胶交替注入，支撑剂先为小粒径，后为中等粒径，低粘度活性水携砂在冻胶液中发生粘滞指进现象，从而减缓支撑剂沉降，确保裂缝的导流能力。,2.页岩气增产及配套技术,微地震监测 监测裂缝的方法包括化学示踪剂法、物理示踪剂法、微地震监测以及测斜仪监测，应用较广泛的是微地震监测。微地震监测又分为同井监测和邻井监 测，其原理主要是通过邻井放置多个检波器，记录在裂缝起裂和闭合过程中所发生的微地震事件，计算
