页岩气压裂的研究论文.doc

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1、重庆科技学院石油工程学术论文课程名称：油气田应用化学课题题目：页岩气压裂的研究指导教师：XXXXXXX姓 名：XXXXXX学 号：XXXXXXX专 业：学 院：石油工程学院 重庆科技学院继续教育学院 完成时间：2014年5月20日word文档 可自由复制编辑摘 要页岩气是一种非常规的天然气资源。因此，研究其页岩气的新技术和发展方向、勘探方法、压裂的新技术，钻井、完井、固井等技术对于页岩气新的研究进展有着重大的研究意义。现在工艺是将天然气的成藏分为吸附气产生、游离气流入基质等5个阶段，具有较好开采潜力的页岩气藏是保持在第三阶段的气藏；将页岩气藏成藏机制进行了进一步分析，对地层压力提出了新的认识。

2、但是，中国页岩气的开发还处于起步阶段，在理论研究的同时还需要进行大胆实践探索才是目前的重点。引 言页岩气作为一种典型的非常规天然气资源是从页岩层中开采出来的，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的聚集。分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，具有开采寿命长和生产周期长的优点。根据页岩地层特征，采用测井、地震勘探和取心等技术发现，我国南方、中东部（华北东北）、西北及青藏等四大地区具有页岩气开发潜力。目前，页岩气井钻井主要是直井和水平井。在水平井钻井过程中，采用了MWD(随钻测井)技术、GEOVISION随钻成像服务和RAB钻头等L

3、WD（随钻测井）技术、自然伽马测井曲线进行实时控制与定位；采用三维地震解释技术优化井身设计。同时，运用欠平衡压力钻井、泡沫固井技术和酸溶性水泥浆体系以及组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井和机械式组合完井等完井方式。在增产方面，采用了大型水力压裂技术，包括清水压裂、直井压裂、水平井分段压裂、重复压裂和同步压裂等，并对裂缝进行实时监测以提高采收率。 目前在我国渤海湾及松辽、四川和吐哈等盆地发现了高含有机炭的页岩。据预测，中国页岩气潜在资源量大于301012m，开发潜力巨大。页岩储层具有低孔特征和极低的基质渗透率,因此压裂是页岩气开发的主体技术。目前, 页岩气逐渐形成了以水平井套管完井、分簇射孔、快速

4、可钻式桥塞封隔、大规模滑溜水或“滑溜水+ 线性胶”分段压裂、同步压裂为主, 以实现“体积改造”为目的的页岩气压裂主体技术。了解我国页岩气储层特点和开发技术, 加快技术研发和应用力度, 尽快形成和配套适应我国页岩气压裂技术应用的基础理论与技术系列, 对于加快我国页岩气勘探开发步伐有着重要的现实意义。目 录一、 页岩气的压裂进展 1.1 LPG（液化石油气）压裂 1.2 超临界CO2系统开发非常规油气技术二、页岩气压裂新技术 2.1 直井连续油管分层压裂技术 2.2 水平井分段压裂技术 2.3 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 2.4 页岩井压裂技术三、页岩气勘探技术四、页岩气层的钻完井技术4

5、.1 固井、完井技术4.2 储层保护 五、结论一、页岩气压裂的技术进展 常规的页岩气开采技术主要是水力压裂技术。所谓的水力压裂就是通过将压裂液压入油井中，将岩层压裂，产生高导流能力的裂缝通道，再注入支撑剂（主要是石英砂）撑住裂缝，进而提高油气采收率的一种石油开采工艺。 在页岩气开采所使用的压裂液中，98%都是水，剩下2%的成分是化学添加剂。在压裂结束后，约有30%-70%的压裂液会被抽回地面，称之为“返排液”。这些返排液通常会有四种处理方式：循环利用、处理后排放到河流中、注入地下水以及储存在露天的蓄水池中.但是水力压裂会造成压裂液中的化学物质和页岩气（主要是甲烷）混入地下水 中，返排液处置不当

6、也会污染地表水 。因此，应加大水力压裂替代技术的投入与破解新技术的产生。下面简述两种新技术压裂方式：1.1 LPG（液化石油气）压裂 LPG在压裂过程中会因为压力和高温而气化，与天然气一起被重新抽回地面，进行分离并最终做到重复利用。这种压裂手段相比于传统的水力压裂技术来说基本不需要水，也无需投入成本处理废水，极大地缓解了对环境和水资源的压力。虽然这项技术前景可观，但是其推广还存在一定的问题。首先是LPG比水的成本要高；其次是该技术尚不成熟，其安全性还有待检验。1.2 超临界CO2系统开发非常规油气技术 利用CO2在超临界状态的独特物理化学性质系统开发页岩气和非常规油气资源。超临界CO2喷射钻井

7、能够在页岩层中获得较高的机械钻速，同时不会使页岩层产生粘土膨胀、水锁等效应；利用超临界CO2流体进行储层压裂改造，能使储层产生更多微小裂缝，有助于页岩气生产；最重要的是，CO2与页岩的吸附强度高于CH4，因此CO2能够置换吸附在页岩上的CH4，在提高产量和生产速率的同时，实现CO2永久埋存，符合当前环保的主题。超临界CO2开发页岩气无论从技术或是经济上去审视，均具有极大优势，该项新技术的出现，对于开发页岩气具有重大的发展意义。二、页岩气压裂的新技术 页岩气储层必须经压裂才能形成工业气流。页岩气储层的压裂改造工艺、加砂规模等都与常规压裂改造有明显不同。不同区块页岩储层特性各不相同, 并不是所有的

8、页岩都适合滑溜水、大排量压裂施工。脆性地层( 富含石英和碳酸盐岩) 容易形成网络裂缝, 而塑性地层( 黏土含量高) 容易形成双翼裂缝, 因此不同的页岩气储层所采用的工艺技术和液体体系是不一样的, 要根据实际地层的岩性、敏感性和塑性以及微观结构进行选择。已形成了多项页岩气压裂技术,并且在多年的发展过程中总结出了一套压裂液选择依据( 如图一）。从图一可以看出, 液体类型、排量大小以及加砂浓度等与地层特点有着紧密的联系。对于塑性地层, 压裂时很难形成裂缝网络, 该类地层利用黏度更高的凝胶或者泡沫更容易实现好的改造效果。同时, 页岩气压裂裂缝检测技术在压裂后期效果评价方面有重要意义。 图一 页岩气储层

9、压裂方案优化示意 2.1 直井连续油管分层压裂技术 压裂技术具有3 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。 2.2 水平井分段压裂技术 常规的直井已经无法满足开发要求, 水平井和水平井分段压裂技术目前已经成为了页岩气藏有效开发的主体技术。 2.3 水平井多级可钻式桥塞封隔分段压裂技术 水平井多级可钻式桥塞封隔分段

10、压裂技术的主要特点是套管压裂、多段分簇射孔、可钻式桥塞( 钻时小于15 min) 封隔。该技术的施工步骤大致为： 第一段采用油管或者连续油管传输射孔, 提出射孔枪; 从套管内进行第一段压裂; 用液体泵送电缆+ 射孔枪+ 可钻桥塞工具入井; 坐封桥塞, 射孔枪与桥塞分离, 试压; 拖动电缆带射孔枪至射孔段, 射孔, 提出射孔枪; 压裂第二段; 重复 , 实现多级压裂。可钻桥塞分段多级压裂技术的关键工具是可钻桥塞。目前, 国外复合材料可钻桥塞比较成熟, BakerHug hes 公司的QUICK Drill 桥塞、Halliburton 公司的Fas Drill桥塞等都是非常成熟的复合材料桥塞。这

11、种复合材料桥塞可钻性强, 耐压耐温都比较高: QUICK Drill 桥塞耐压可达86 MPa, 耐温达到232 ; Fas Drill 桥塞耐压可达70 MPa, 耐温达到177。由于国内材料发展水平滞后, 复合材料可钻桥塞的水平低于国外产品, 目前, 大庆油田、华北油田都不同程度地开展了复合材料桥塞的研究。由于该技术射孔坐封桥塞联作, 压裂结束后能在很短时间内钻掉所有桥塞, 大大节省了时间和成本, 同时减小了液体在地层中的滞留时间, 降低了外来液体对储层的伤害。通过该种射孔方式每段可以形成4 6 条裂缝,裂缝间的应力干扰更加明显, 压裂后形成的缝网更加复杂。水平井水平段被分成多段压裂, 改

12、造完成后可形成8 15 段的裂缝簇, 改造体积更大, 压裂后的效果也更好。2.4 页岩井压裂技术水平井多级滑套封隔器分段压裂技术 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, 具有施工时间短和成本低的优点。该技术的应用逐年减少。水平井膨胀式封隔器分段压裂技术 膨胀式封隔器, 也称反应式封隔器, 将一种特殊的可膨胀橡胶材料直接硫化在套管外壁上, 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。膨胀胶筒在井下遇油或遇水自动膨胀坐封, 胶筒膨胀后能适应不规则井眼的形状, 紧贴井壁

13、, 实现分层分段。但是与国外产品相比，目前还存在着密封压力低、使用温度低等问题。水平井水力喷射分段压裂技术 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, 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。其施工工艺分为拖动管柱式和不动管柱式。不动管柱式使用喷射器为滑套式喷射器, 可实现多级压裂。托动管柱式的优点在于, 连续拖动施工管柱可以节省很多时间, 降低施工成本, 另外由于依靠水力喷射射孔定位准确, 因此压裂针对性强, 对于改造层段控制性高 。

14、水平井多井同步压裂技术 将两口或者更多的相邻井之间同时用多套车组进行分段多簇压裂, 或者相邻井之间进行拉链式交替压裂, 让储层的页岩承受更高的压力, 增强邻井之间的应力干扰, 从而产生更加复杂的裂缝网络, 最终改变近井地带的应力场。这种复杂的裂缝网络依靠增加裂缝密度和裂缝壁面表面积而形成“三维裂缝网络”, 增加压裂改造的波及体积, 从而提高产量和最终采收率清水压裂技术 目前页岩气开发最主要的增产措施是清水压裂，即：使用添加了一定减阻剂的清水作为压裂液。这种压裂液主要成分是水，以及很少量的减阻剂、黏土稳定剂和表面活性剂。之所以使用这种低成本压裂液是因为，水是一种低粘度流体，更容易产生复杂的裂缝网

15、络，而且很少需要清理，是一种清洁压裂技术，可提供更长的裂缝，并将压裂支撑剂运到远至裂缝网络，在像Barnett等低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。重复压裂技术 重复压裂技术用于在不同方向上诱导产生新的裂缝，从而增加裂缝网络，提高生产能力。如果初始压裂已经无效，或现有的支撑剂因时间关系已经损坏或质量下降，那么对该井进行重复压裂将重建储层到经验的线性流，最终采收率估计提高8 %10 %，可采储量增加60 %11，是一种低成本增产方法。如果要是得重复压裂获得成功，必须评估重复压裂前、后的平均储层压力，渗透率厚度乘积和有效裂缝长度与导流能力等。所以重复压裂的实施离不开室内试验的帮助。Barnett

16、 的大部分页岩气井都进行了二次压裂，二次压裂后可接近或超过初次压裂时的产量滑溜水压裂体系 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, 在相同作业规模下, 滑溜水压裂比常规冻胶压裂其成本可以降低40% 60% 。复合压裂体系 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

17、黏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。页岩气超高导流能力压裂新技术页岩气超高导流能力压裂新技术是在页岩气网络压裂技术的基础上演变而来的。在设计思路上, 提供导流能力的不是支撑剂本身, 而是各个支撑剂堆间无支撑剂充填的超高导流能力的通道; 在应用材料上, 用高黏度的压裂液及可溶性纤维把支撑剂紧紧包裹在一起。由于支撑剂的作用不是简单地提供导流能力, 因此对支撑剂的质量无过高要求; 在泵注工艺上, 采取多段注入低黏隔离液以形成超高导流的通道。同时, 还具有低裂缝净压力的优势, 在施工可操作性及安全性等方面具有优越性。 三、页岩气勘探技术页岩气勘探方法有

18、地质构造、地球物理、地球化学勘探、钻井等方法，采用多学科综合勘探是页岩气勘探发展方向。地震勘探技术是页岩气地层解释和识别的一项关键技术，利用三位地震绘制页岩裂缝带图可准确认识复杂构造、储层非均质性和裂缝发育带，提高探井(或开发井) 成功率；利用微地震监测技术对水力裂缝分布情况进行监测可确定微地震情况，结合录井、测井等资料可识别解释泥页岩，进行构造描述3。测井和取心是页岩气储层评价主要方式。页岩气井测井主要是指气层、裂缝、岩性的定性与定量识别。而岩心分析则主要是用来确定孔隙度、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。表1 页岩气测井曲线响应特征Table 1

19、 Response characteristics of shale gas well logging 测井曲线输出参数曲线特征影响因素自然伽马自然放射性高值（100API），局部低值泥质含量越高，自然伽马值越大，有机质可能含有高放射性物质井径井眼直径扩径泥质地层显扩径：有机质的存在使井眼扩径更严重声波时差时差曲线较高，有周波跳跃岩性密度：泥岩页岩砂岩；有机质丰度高，声波时差大；含气量增大声波值变大；遇裂缝发生周波跳跃；井径扩大中子孔隙度中子孔隙度高值束缚水使测量值偏高；含气量增大使测量值偏低；裂缝地区的中子孔隙度变大地层密度地层密度中低值含气量大密度值低；有机质使测量值偏低；裂缝底层密度值偏

20、低，井径扩大岩性密度有效光电吸收指低值烃类引起测量值偏小，气体引起测量值偏小，裂缝带局部曲线降低深浅电阻率深探测电阻率浅探测电阻率总体低值，局部高值，深浅侧向曲线几乎重合地层渗透率：泥质和束缚水均使电阻率偏低，有机质干酪根电阻率极大，测量值局部为高值四、页岩气层的钻完井技术 目前，页岩气井钻井包括垂直和水平井。 4.1 固井、完井技术 页岩气井通常采用具有浆体稳定、密度低、渗透率低、失水小、抗拉强度高等特点的泡沫水泥进行固井。泡沫水泥能过发挥较好的防窜效果，并能解决低压易漏长封固段复杂井的固井问题，而且水泥侵入距离短，可以减小储层损害。页岩气井的完井方式主要包括组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井

21、和机械式组合完井。组合式桥塞完井是页岩气水平井最常用也是最耗时的完井方法，在套管井中，用组合式桥塞分隔各段，分别进行射孔或压裂。水力喷射射孔完井是以高速喷出的流体射穿套管和岩石的射孔完井方式，不用下封隔器或桥塞，可缩短完井时间，适用于直井或水平套管井。机械式组合完井采用特殊的滑套机构和膨胀封隔器，适用于水平裸眼井段限流压裂，一趟管柱即可完成固井和分段压裂施工.4.2 储层保护 页岩的岩性特点使其多具有水敏性，水进入储层后可使其粘土矿物膨胀，从而堵塞孔缝，降低其产量。因此需要利用X-衍射和SEM测试结果分析黏土矿物的类型和含量，从而针对粘土矿物的特点采取防水敏的钻井液和压裂液以保护储层和增强储层

22、改造的效果是一个重要的技术措施。新型的减阻剂有助于降低来自长链式聚合物对压裂面的损害。降黏剂通过降低流体黏度，有助于使水压裂处理的效果最大化，改善负荷采收率，使减阻剂聚合物的损害最低，防止聚合物吸附到压裂面上，从而提高开采量.五、结 论（1）我国有丰富的页岩气资源，在全国范围内分布广泛，通过地震勘探、测井、 取心等技术识别页岩地层后可进行开采，具有很大潜力。（2）钻井技术，尤其是水平井是页岩气开采的有效方式，结合旋转导向系统、MWD/LWD技术、三维地震和欠平衡技术等可进行高效、合理的开采，而且泡沫和ASC固井能很好的完成固井效果，防气窜，可满足多项施工要求。（3）水力压裂技术是页岩气开采的另一种方式。现今发展起来的清水压裂、重复压裂、直井和水平井压裂以及同步压裂使得页岩气具有更大的发展潜力和能力，且结合各种裂缝监测技术能最大限度的开发页岩气资源。