王建華,劉 杰,張 進
(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊065000;2.中石化華北分公司,河南鄭州450006)
頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣,主要儲集在超低滲的致密頁巖中。頁巖既是頁巖氣的原生源巖,也是聚集和保存頁巖氣的儲層和蓋層,物性上呈低孔、低滲等特點,開發(fā)特性上呈開采壽命長、生產(chǎn)周期長,采收率變化大且低于常規(guī)天然氣井的采收率。頁巖的物性、巖頁氣的開發(fā)特性決定了其開發(fā)難度,就目前來說,頁巖氣開發(fā)還沒有自己特定的技術(shù),其關(guān)鍵是成功地借鑒和應(yīng)用常規(guī)油氣勘探開發(fā)的成熟技術(shù),鉆井盡可能多地橫貫儲藏有巖頁氣的儲層,完井盡可能多地構(gòu)建巖頁氣泄流裂縫或通道,開采盡可能多地創(chuàng)建釋放被束縛頁巖氣條件。近年來,美國、加拿大等在頁巖氣勘探開發(fā)方面成功地進行了常規(guī)油氣勘探開發(fā)成熟技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,并積累了豐富的經(jīng)驗,創(chuàng)造了成功應(yīng)用的典范,形成了配套的水平井鉆井、水力壓裂等頁巖氣開發(fā)的鉆完井技術(shù)系列。
近年來,隨著能源需求的不斷增大,常規(guī)化石能源的日益需求消耗膨脹及消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致非常規(guī)油氣資源的開發(fā)利用日益升溫,美國、加拿大等成功開發(fā)利用頁巖氣的經(jīng)驗在全球引發(fā)了“頁巖氣革命”。2009年國土資源部重慶綦江頁巖氣資源勘查項目的啟動,中石油第一口頁巖氣井——“威201井”的開鉆,2010年中石化第一口頁巖氣井——“河頁1井”的開鉆,標志著我國已正式啟動頁巖氣資源的勘探開發(fā)。2012年3月國土資源部《頁巖氣“十二五”規(guī)劃》公布我國頁巖氣可采資源為25.08×1012m3。2013年中石化涪陵區(qū)焦石壩頁巖氣先導(dǎo)試驗項目取得重大進展,預(yù)期2017年建成100×108m3/a產(chǎn)能,展現(xiàn)了頁巖氣開發(fā)利用的良好遠景,也預(yù)示著我國頁巖氣的勘探開發(fā)已進入機遇或黃金期。
我國在頁巖氣勘探開發(fā)方面盡管還處于起步階段,但在引進、消化、應(yīng)用成功經(jīng)驗上已取得重大進步,重慶彭水、四川威遠等區(qū)塊頁巖氣藏資源的勘查已取得良好效果。因受頁巖氣配套鉆完井技術(shù)成熟和轉(zhuǎn)化程度的制約,也暴露出頁巖氣配套鉆完井技術(shù)在應(yīng)用方面的問題,常規(guī)天然氣開發(fā)的成熟技術(shù),國外頁巖氣的配套鉆完井技術(shù)不能直接復(fù)制、移植,必須根據(jù)現(xiàn)場客觀情況進行有效的取舍;各區(qū)域頁巖氣儲層的物性、裂隙發(fā)育程度、氣體吸附特征乃至埋深等差異會影響、甚至決定相關(guān)配套鉆完井技術(shù)的應(yīng)用效果;頁巖氣的完井工具、壓裂等工藝技術(shù)正處于快速發(fā)展階段,其壓裂效果、成本費用、環(huán)境保護等問題會直接影響配套完井技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用[1-5]。
隨著水平井、分支井等鉆井工藝技術(shù)、工具、裝備的不斷成熟和發(fā)展,隨著分層壓裂、分段壓裂、清水壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂等儲層改造配套工藝技術(shù)、工具、裝備“瓶頸”問題的突破,隨著常規(guī)油氣勘探開發(fā)成熟技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用,我國頁巖氣的開發(fā)將會進入一個快速發(fā)展的機遇期。
頁巖儲層發(fā)育一定的孔隙、裂縫(主要發(fā)育垂直裂縫),頁巖氣主要吸附在孔隙結(jié)構(gòu)或賦存在孔洞、裂縫中,因此頁巖氣鉆井要圍繞儲層的孔隙、裂縫系統(tǒng)展開,盡可能使井筒橫貫儲藏中更多的孔隙、裂縫,盡可能多地利用其自身儲層裂縫的導(dǎo)流能力以獲得較高的產(chǎn)量,從而催生水平井成為頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵或主流技術(shù)(參見圖1),常規(guī)直井則多用于探井。
圖1 頁巖氣水平井鉆井示意圖
2.1.1 水平井鉆井的特點與難點
隨著常規(guī)油氣勘探開發(fā)的不斷實踐和應(yīng)用,隨著欠平衡鉆井、控壓鉆井、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井等新工藝新技術(shù)的不斷集成,已形成包括井眼軌跡優(yōu)化和控制、井眼穩(wěn)定、井眼清洗、減摩降阻、下套管、固井等配套技術(shù)系列。隨著相關(guān)難點問題、“瓶頸”問題的突破,為頁巖氣水平井鉆井技術(shù)的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用、熟化奠定了堅實的基礎(chǔ)。水平井鉆井會因儲層物性、鉆井特點等影響導(dǎo)致井眼失穩(wěn)、巖屑床、高摩阻等難點問題。
(1)井眼失穩(wěn):頁巖氣儲層的層理及微裂縫發(fā)育,揭開儲層后鉆井液濾液進入其層理間隙,水敏性會使頁巖內(nèi)部的粘土礦物遇水膨脹,形成新的孔隙或膨脹壓力,削弱圍巖結(jié)構(gòu)力,導(dǎo)致井眼周圍的應(yīng)力場變化及井壁的穩(wěn)定性變差、井壁失穩(wěn)。
(2)高摩阻、高扭矩:水平段鉆進時,破巖扭矩及鉆具與井壁的摩擦會隨水平段延長而加劇,會產(chǎn)生較高的摩阻和扭矩,會導(dǎo)致起下鉆的負荷、阻力明顯增加,會導(dǎo)致鉆具屈曲、滑動拖壓等問題。
(3)巖屑床清理困難:隨著井斜角的增加巖屑重力效應(yīng)加強,鉆井液攜巖凈化能力變差,當井斜角超過55°~65°時在井眼低邊的開始形成巖屑床,泥頁巖的崩塌、掉塊等會進一步強化巖屑床問題,增加井下摩阻、扭矩,提高井下事故的復(fù)雜發(fā)生的機率。
(4)軌跡控制困難:頁巖氣儲層因孔隙、層理、微裂縫發(fā)育而疏松,導(dǎo)致井眼的穩(wěn)定性差,機械鉆速高,井徑變化大,扭矩規(guī)律性不強,定向工具面擺放困難等軌跡控制問題。頻繁變化的扭矩、托壓、巖屑床等問題會嚴重干擾定向工具、鉆頭作用力方向控制和井眼軌跡調(diào)節(jié)的實際效果。
(5)套管下入困難:定向造斜段及水平段巖屑床的清理、高摩阻、高扭矩、托壓等問題,會導(dǎo)致滑動鉆進時易形成一個個小臺階,易在“狗腿度”較大的井段形成鍵槽等,從而影響井眼軌跡的平滑,影響井眼質(zhì)量。這些因素增加了套管能否安全下至地質(zhì)設(shè)計井深的風險。
(6)技術(shù)套管磨損嚴重:巖頁氣水平井追求最大限度橫貫儲層,受井身結(jié)構(gòu)的制約,鉆具組合選擇的局限性較大,鉆具的屈曲、渦動等易導(dǎo)致套管偏磨,過大的扭矩、摩阻也易誘導(dǎo)鉆具失效事故。
(7)固井質(zhì)量差:斜井段及水平井段會因管串組合、套管居中度、井眼清潔程度、頂替效率、井眼漏失等問題影響水泥漿膠結(jié)質(zhì)量和固井效果。
2.1.2 水平井鉆井的配套措施
頁巖氣水平井要從井眼軌跡設(shè)計、鉆具組合優(yōu)化、井眼軌跡控制、測量和導(dǎo)向工具的選擇與使用、井眼穩(wěn)定與清潔、下套管與固井等配套技術(shù)入手,采取有效措施解決頁巖氣水平井鉆井中的難點和關(guān)鍵問題。
2.1.2.1 井眼軌跡的設(shè)計優(yōu)化
目前多以淺層大位移、叢式、階梯、分枝等水平井開發(fā)頁巖氣,以最大限度地橫貫更多的儲層發(fā)育的孔隙、裂縫,以最大限度地獲得更大的儲層泄流面積,以顯著地改善井筒周圍的儲層流體的滲流狀態(tài)為目的。關(guān)鍵是充分利用三維地震及儲層應(yīng)力資料選擇巖頁氣富集區(qū),在保證井眼軌跡沿最小水平應(yīng)力方向盡可能多地橫貫巖頁氣富集程度高的地層或裂縫的前提下,盡可能規(guī)避井漏、斷層等工程復(fù)雜問題,確保預(yù)期的壓裂裂縫與井眼方向垂直,提高儲層改造效果奠定基礎(chǔ)。為此,美國、加拿大等實踐引用了“井工廠”,通過井眼軌跡的優(yōu)化設(shè)計,以最大限度地延伸和最大化開發(fā)井網(wǎng)覆蓋范圍,減少和規(guī)避地面不利條件,簡化地面工程及后期生產(chǎn)管理。
2.1.2.2 測量和導(dǎo)向工具
水平井施工需要配套MWD、LWD、EM-MWD、SWD、GST等隨鉆測量及地質(zhì)導(dǎo)向工具。MWD能實時提供井斜、方位等定向鉆井監(jiān)控參數(shù);LWD能實時提供地層巖性、流體狀況等地質(zhì)信息;SWD能實時提供待鉆地層巖石類型、孔隙度、孔隙壓力及聲學(xué)敏感參數(shù);LWD、SWD、GST等能實時識別地層修正井眼軌跡,確保井眼軌跡始終沿儲層鉆進。合理選擇、使用測量和導(dǎo)向工具,及時根據(jù)儲層變化精確地定位和評價地層,適時調(diào)整井眼軌跡或引導(dǎo)中靶地質(zhì)目標,并通過不同的滑動鉆進、復(fù)合鉆進組合提高水平井段的機械鉆速,規(guī)避井下復(fù)雜和事故,化解水平井“扭矩高、摩阻大、機械鉆速低及軌跡控制難”等常見的“瓶頸”或難點問題。
2.1.2.3 井眼穩(wěn)定與鉆井液
油基鉆井液具有良好的潤滑防卡和降阻作用,是國內(nèi)外前期采用最多的鉆井液體系,主要通過提高頁巖的水潤濕性和毛細管壓力,削減濾液的水敏作用來保持井壁穩(wěn)定。水基鉆井液具有良好的抑制性和封堵能力,是國內(nèi)外目前采用最多的鉆井液體系,或利用低活性高礦化度聚合物降低頁巖和鉆井液相互作用的總壓力,或利用濃甲酸鉀鹽脫水孔隙壓力降低或影響近井壁區(qū)域化學(xué)變化的協(xié)同作用,或?qū)α严读芽p或?qū)永戆l(fā)育層段進行封堵等來提高井眼穩(wěn)定性。
頁巖多發(fā)育孔隙、裂縫,水敏性極強,井眼的穩(wěn)定和鉆井液的選擇極其重要,不僅要面對常見的井壁穩(wěn)定、減摩降阻、潤滑防卡和清除巖屑床等水平井鉆井液難點問題,還要面對泥頁巖的垮塌、縮徑、漏失及由此帶來高摩阻、攜巖困難等問題,同時還應(yīng)圍繞高效低成本水基鉆井液和低毒油基鉆井液開展研究,減少地層污染保護環(huán)境。
2.1.2.4 完井工具和工藝方法
完井工具、工藝、方法對完井方式和后期的壓裂改造影響巨大,根據(jù)工具、工藝、方法的不同可細分為裸眼和套管等不同的完井方式。裸眼完井雖成井快、作業(yè)周期短、儲層傷害輕,但缺少井壁支護易垮塌,后期儲層改造難度大、要求高;套管完井雖成井慢、作業(yè)周期長、儲層傷害大,但井筒穩(wěn)定能滿足儲層改造要求。
目前多以三級結(jié)構(gòu)套管完井為主,隨完井工具、工藝、方法的發(fā)展又可細分為組合式橋塞完井、水力噴射射孔完井和機械式組合完井等工藝方法。選擇不同的完井工藝方法,最大限度地滿足不同井型、不同儲層、不同壓裂工藝方法的要求,實現(xiàn)多層多段同步壓裂或分層分段壓裂改造,最大限度地構(gòu)建和聯(lián)通頁巖氣泄流通道,提高儲層改造效果。
2.1.2.5 固井工藝方法
水平井固井可以分為常規(guī)水泥固井、泡沫水泥固井和酸溶性水泥固井等。常規(guī)水泥漿固井作業(yè)成本低、技術(shù)成熟;泡沫水泥固井防竄效果好,能有效解決低壓易漏長井段封固問題;酸溶性水泥固井具良好的暫堵性,能鹽酸解堵,防止射孔孔洞和壓裂裂縫堵塞。合理地規(guī)避水泥漿竄槽、自由水控制、鉆屑清除、管柱居中等不利因素,合理地組合和使用套管扶正器、刮泥器、紊流器、管外封隔器、旋轉(zhuǎn)尾管下入工具等,對優(yōu)化管串結(jié)構(gòu),確保套管柱居中,控制環(huán)空竄槽至關(guān)重要。合理地選擇和優(yōu)化水泥漿體系,優(yōu)化隔離液、前置液及頂替排量等固井工藝的設(shè)計,對降低水泥漿析水,提高水泥漿頂替效率至關(guān)重要。
水力壓裂是頁巖氣開發(fā)可借鑒的有特色的或者說關(guān)鍵的技術(shù),頁巖基質(zhì)的滲透率很低,完井后90%以上需經(jīng)酸化、壓裂才能獲得比較理想的產(chǎn)量。目前隨著完井工具、工藝、技術(shù)的發(fā)展,逐漸形成了以水平井套管完井、分簇射孔、快速可鉆橋塞封隔、大規(guī)模滑溜水或滑溜水+線性膠分段壓裂、同步壓裂等水力壓裂技術(shù)系列,并實現(xiàn)了以“體積改造”為目的的儲層改造技術(shù)。
2.2.1 多級可鉆橋塞分段壓裂
多級可鉆橋塞分段壓裂技術(shù)的特點是多段分簇射孔、可鉆橋塞封隔、套管雙封分段壓裂(見圖2)。一般情況,水平井段可分8~15段,每段100~150 m,射孔4~6簇,簇間距20~30 m,每簇跨度0.46~0.77 m,壓后裂縫間應(yīng)力干擾明顯,形成的縫網(wǎng)更加復(fù)雜,改造體積更大,壓裂效果更好,壓后可快速鉆掉橋塞進行測試、生產(chǎn),但需下入工具打撈橋塞、存在砂埋或砂卡的風險。
圖2 可鉆橋塞分段壓裂示意圖
可鉆橋塞分段壓裂的核心工具是可鉆橋塞,關(guān)鍵是射孔、坐封、橋塞聯(lián)作管柱的組合和下入,壓后能在很短時間內(nèi)鉆掉橋塞,可大大減小壓裂液在地層中的滯留時間和消減儲層傷害。
2.2.2 封隔器分段壓裂
2.2.2.1 多級滑套分段壓裂
多級滑套封隔器分段壓裂的關(guān)鍵技術(shù)是通過井口落球系統(tǒng)操控滑套(參見圖3),與直井投球壓差封隔器原理相同,可實現(xiàn)套管或祼眼多段單獨壓裂,施工時間短、成本低。壓裂段數(shù)取決于滑套級數(shù)以及所控制的級差,級數(shù)越多控制要求越精確,下入的工具串次數(shù)越多施工風險越大,封隔器的坐封壓力及工藝過程等越復(fù)雜,但任何一個環(huán)節(jié)的處理不當都會導(dǎo)致施工失敗。
圖3 多級滑套封隔器分段壓裂示意圖
2.2.2.2 膨脹式分段壓裂
膨脹封隔器分段壓裂的關(guān)鍵技術(shù)是膨脹封隔器,組合膨脹封隔器分段壓裂管柱,將封隔器下至預(yù)定位置后,封隔器遇油(遇水)自動膨脹坐封,可封隔不規(guī)則的井眼實現(xiàn)分層分段(參見圖4),可靠性高、作業(yè)成本和風險低,壓后可快速試氣投產(chǎn)。但因封隔器膨脹時間長(7~10天),膠筒膨脹完畢后不收縮,始終緊貼井壁無法解封等局限性,影響其推廣應(yīng)用。
圖4 祼眼封隔器分段壓裂示意圖
2.2.2.3 水力噴射分段壓裂
水力噴射是一項集射孔、壓裂、封隔于一體的新型增產(chǎn)改造技術(shù),可用于套管完井、篩管完井和裸眼完井。根據(jù)噴射管柱的不同可分為拖動管柱和不動管柱水力噴射分段壓裂等。
不動管柱滑套水力噴射分段壓裂的關(guān)鍵技術(shù)是采用多套噴槍組合并配套滑套開關(guān)(參見圖5),對某一層段完成水力噴射壓裂后無需移動噴射管柱,通過投球或其他方式打開欲壓裂層段滑套實施壓裂施工;拖動管柱水力噴射分段壓裂的關(guān)鍵技術(shù)是通過連續(xù)拖動施工管柱進行水力噴射射孔、壓裂,完井套管串中不需組合封隔器或橋塞等封隔工具。
圖5 不動管柱水力噴射分段壓裂示意圖
2.2.2.4 多井同步壓裂
作為“井工廠”的特色或標志技術(shù),多井同步壓裂主要用于兩口或多口鄰井同時分段多簇壓裂,或鄰井間拉鏈式交替壓裂,以便讓儲層的頁巖承受更高的壓力,增強鄰井間的應(yīng)力干擾,產(chǎn)生更加復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò),最終改變近井地帶的應(yīng)力場,實現(xiàn)體積改造之目的。
2.2.3 壓裂液技術(shù)
壓裂規(guī)模大、入地液量多是頁巖氣儲層改造的特色,受資源、成本、環(huán)保等因素的制約,使滑溜水、線性膠、交聯(lián)液和泡沫等水基壓裂液成為首選,滑溜水和復(fù)合壓裂液是目前現(xiàn)場主要的壓裂液體系。
(1)滑溜水壓裂液:滑溜水是一種添加了降阻劑、粘土穩(wěn)定劑及助排劑的低摩阻、低傷害、低成本的清潔壓裂液,主要用于無水敏、裂縫發(fā)育、脆性儲層。能滿足頁巖氣的孔隙、裂縫性儲層的改造,可提高形成剪切縫和網(wǎng)狀縫的概率,且具降阻稠化劑用量少,支撐劑用量少,對地層傷害小,成本低等特點。
(2)復(fù)合或混合壓裂液:常規(guī)胍膠壓裂液破膠后,其殘留固相殘渣會污染地層,降低壓裂改造效果。清潔的復(fù)合或混合壓裂液具有良好的粘彈性、高界面活性、剪切稀釋性及破膠后無殘渣等特點,可用于高粘土含量、強塑脆性的頁巖氣儲層。壓裂時,配合滑溜水前置液與凍膠交替注入,既可保證形成一定的縫寬,又保證有一定的攜砂能力,較好地解決了吸附滯留、潤濕反轉(zhuǎn)、儲層傷害等問題。
2.2.4 裂縫監(jiān)測技術(shù)
壓裂網(wǎng)絡(luò)縫高、縫長最大化是頁巖氣儲層體積改造的終極目標,裂縫監(jiān)測在頁巖氣壓裂改造中占有重要地位,監(jiān)測手段包括化學(xué)示蹤劑法、物理示蹤劑法、同井和鄰井微地震監(jiān)測等。通過裂縫監(jiān)測可以監(jiān)測壓裂效果,預(yù)測或計算裂縫方位、改造體積、泄流面積及預(yù)測產(chǎn)量等,為新井布井提供參考。
(1)我國有廣泛分布的豐富的頁巖氣資源,頁巖氣開發(fā)應(yīng)用的遠景良好。
(2)水平井鉆井是頁巖氣主要開發(fā)方式,隨著水平井鉆井優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、井眼軌跡控制技術(shù)、下部鉆具組合優(yōu)選,確保施工安全和防止油層污染的鉆井液完井液技術(shù),組合完井工藝等技術(shù)及大扭矩多級馬達、可控彎接頭、變徑穩(wěn)定器、水力加壓器、高效PDC鉆頭等工具,MWD和LWD等儀器的集成應(yīng)用,可有力推進頁巖氣的高效開發(fā)。
(3)提高頁巖氣水平井固井質(zhì)量的關(guān)鍵手段是提高水泥漿頂替效率,紊流器、刮泥器、套管扶正器和旋轉(zhuǎn)尾管下入工具的合理選擇與應(yīng)用,對提高固井質(zhì)量至關(guān)重要。
(4)水平分段壓裂是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)在充分認識儲層的基礎(chǔ)上,綜合考慮井身條件、完井方式、投產(chǎn)方式等影響因素,推廣應(yīng)用適用的儲層壓裂改造技術(shù),在很大程度上會對降低施工成本,提高單井產(chǎn)量,具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。
[1] 劉洪林,王莉,王紅巖,等.中國頁巖氣勘探開發(fā)適用技術(shù)探討[J].油氣井測試,2009,18(4).
[2] 黎紅勝,汪海閣,紀國棟,等.美國頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)[J].石油機械,2011,39(9).
[3] 張衛(wèi)東,郭敏,楊延輝.頁巖氣鉆采技術(shù)綜述[J].中外能源,2010,15(6).
[4] 蔣國盛,王榮璟.頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(1).
[5] 劉德華,肖佳林,關(guān)富佳.頁巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向[J].石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報),2011,33(1).
[6] 王金磊,黑國興,趙洪學(xué).昭通YSH1-1頁巖氣水平井鉆井完井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4).
[7] 閆聯(lián)國,周玉倉.彭頁HF-1頁巖氣井水平段固井技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4).
[8] 王中華.頁巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點及選用原則[J].中外能源,2012,17(4).
[9] 臧艷彬,白彬珍,李新芝,等.四川盆地及周緣頁巖氣水平井鉆井面臨的挑戰(zhàn)與技術(shù)對策[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(5).
[10] 薛承瑾.頁巖氣壓裂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].石油鉆探技術(shù),2011,39(3).
[11] 孫海成,湯達禎,蔣廷學(xué),等.頁巖氣儲層壓裂改造技術(shù)[J].油氣地質(zhì)與采收率,2011,18(4).
[12] 孫海成,湯達禎.四川盆地南部構(gòu)造頁巖氣儲層壓裂改造技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2011,41(S1).
[13] 郭凱,秦大偉,張洪亮,等.頁巖氣鉆井和儲層改造技術(shù)綜述[J].內(nèi)蒙古石油化工,2012,(4).