页岩气开采的武功秘籍 ——水平井及分段压裂技术

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  策划:自然资源部中国地质调查局科普办公室(中国地质调查局地学文献中心)

  作者:自然资源部中国地质调查局南京地调中心,方朝刚,李建青

  审核专家:南京地质调查中心能源地质室副主任高级工程师,黄正清

  页岩气藏在页岩中,具体来说,它们主要位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中(图1),是以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。这是天然气生成之后在源岩层段内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式。

  这种“原地”储藏的方式,也给开采带来了绝大的麻烦,因此在相当长的时间内,没有进入到可以被资源利用的范畴。近些年来,随着社会对清洁能源需求的不断扩大和天然气价格的不断上涨,以及对页岩气藏认识的不断深化,科学界及能源界都开始以全新的视角来认识页岩气,并开发出了一系列开采页岩气的技术。

  

  图1 五峰组-龙马溪组高碳质泥页岩(来源:自然资源部中国地质调查局)

  页岩气究竟是怎么开采出来的呢?

  很多人已经知道,页岩气是充填于页岩裂隙、微细孔隙及层面内的天然气(图2)。

  开采页岩气通常要先打直井到几千米的地下,再向水平方向钻进数百米到上千米,并采用大型水力压裂技术,也就是通过向地下注入清水、陶制颗粒、化学物等混合成的压裂液,以数十到上百兆帕的压力,将蕴含天然气气流的岩层“撬开”,让深藏于页岩层中的页岩气得到释放,最终达到开采的目的。

  如果打个比喻,水力压裂技术就是在致密的页岩中建设一条条“高速公路”,并让页岩气沿“高速公路”跑到水平井段,最后从直井中抽出来。

  页岩气的开采比常规天然气开采要麻烦得多,成本也要更高一些。因为在同样产量情况下,页岩气的井田面积大约是常规天然气井田面积的十几倍,钻井数量则达到常规天然气100倍甚至更多。另外,开采页岩气层需要采取特殊的钻井技术和增产措施方法。当然,随着开采技术的不断进步,其开采成本也会不断减低,使之与常规天然气开采不再有明显的劣势。

  水平井钻井和分段压裂是目前用于页岩气开采的核心技术。下面我们就来分别了解一下这两种技术:

  

  图2 以吸附和游离方式赋存于泥页岩层段中纳米级孔隙中的页岩气(来源:自然资源部中国地质调查局)

  页岩气储层水平井钻井技术

  页岩气储层水平井是能源开采领域定向井的一种,是指井眼竖着打到一定的深度以后,再向水平或者接近水平的倾斜方向继续延伸一定长度的定向井。在技术层面,竖着与水平方向打井的井斜角要达到90°左右(一般大于85°);其在页岩层里水平方向延伸的长度一般要大于页岩厚度的6倍(图3)。

  

  图3 水平井示意图(来源:自然资源部中国地质调查局)

  具体而言,一口水平井的实施常常分为三个步骤:

  第一步是水平井布井:现在常常采用三维地震资料进行水平井井位优化部署,并设计井眼轨迹及方位(图4)。

  

  图4 水平井井眼轨迹及方向示意图(来源:自然资源部中国地质调查局)

  第二步是水平井钻进:页岩储层水平段钻进方向应垂直于最大主应力方向(图5),这样才更有利于页岩气被挤出来。

  

  图5 最大主应力方向示意图(来源:自然资源部中国地质调查局)

  第三步水平井完井:水平井通过压裂沟通天然裂缝,就可以获得更大泄流面积(图6),看看下面的对比图就可以知道水平井通过压裂沟通天然裂缝后的巨大效用了。

  

  图6 直井、水平井、水平井分段压裂泄流面积对比图(来源:自然资源部中国地质调查局)

  页岩气储层的水平井分段压裂技术

  分段压裂技术是水平井的关键配套技术之一,运用分段压裂可在较短时间内一次性完成对多个储层的压裂,并最大限度地减少对储层的伤害,达到多层合采,从而达到提高单井产量、最大限度达到提高地质储量可动用程度的目的。

  水平井分段压裂并不难理解,它是利用封隔器或桥塞分隔各段,然后逐段压裂,在每个井筒中压开多条裂缝,它通常分为三个阶段:

  首先将前置液(无支撑剂)泵入储层,然后将含有一定浓度支撑剂(通常为砂)的压裂液泵入储层,最后使用更高浓度的支撑剂压裂液进行压裂(图7)。在开采的实际操作中,通常还可以通过使用桥塞、封隔器以及连续管等工具辅助压裂。

  利用水平井分段压裂技术,可以增大水平井的导流能力,提高水平井的产能。因此,该项技术已经在石油、页岩气的地下开采中被广泛应用。

  

  图7 水平井分段压裂示意图(来源:自然资源部中国地质调查局)

  可以说,水平钻井技术和水平分段压裂技术就是页岩气开采的“武功秘籍”,掌握了这两项绝技,在页岩气的开采中就可以获得更大的泄气面积、更好的单井产量和更大的页岩气储量动用程度,因此对于提高页岩气开发成功率和商业价值有着重大的意义。

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