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1、页岩气开发技术难点及对策分析摘要：页岩气分布广泛， 开发潜力巨大， 但是页岩气成藏规律、 储集空间、 渗流规律以及开发模式有其自身的特点， 特别是储层具有低孔特征和极低的基质渗透率， 给有效开发带来很大的困难和挑战。本文从介绍页岩气的概念、 成藏机理及储层特征出发， 重点总结了目前页岩气的主要开发技术及存在的难点， 并分析了我国页岩气开发适应性技术， 对开展页岩气开发技术的研究有一定的指导意义。关键词： 页岩气； 储层特征； 开发技术； 技术难点； 对策分析1页岩气的概念、 成藏机理及储层特征1.1页岩气的概念页岩气是指以热成熟作用或连续的生物作用为主以及两者相互作用生成的、 聚集在烃源岩中的
2、天然气， 在主体上包括了游离态 （存在于天然裂缝与粒间孔隙中）、 吸附态 （存在黏土矿物颗粒、 干酪根颗粒表面） 和溶解态 （存在于干酪根和沥青质中）， 基本上包括了天然气存在的所有可能相态。1.2 页岩气的成藏机理天然气主要以游离相、 吸附相和溶解相存在。在生物化学生气阶段， 天然气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面， 饱和后富余的天然气以游离相或溶解相进行运移， 当达到热裂解生气阶段， 由于压力升高， 若页岩内部产生裂缝， 则天然气以游离相为主向其中运移聚集， 受周围致密页岩烃源岩层遮挡、 圈闭， 易形成工业性页岩气藏。由于扩散作用对气态烃的运移起到相当大的作用， 天然气继续大量生成，将因生烃
3、膨胀作用使富余的天然气向外扩散运移，此时无论是页岩地层本身还是薄互层分布的砂岩储层， 均表现为普遍的饱含气性。 页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果， 主体上表现为吸附态与游离态天然气之间的递变过渡， 体现为成藏过程中的无运移或极短距离的有限运移。为典型的自生自储、 大面积连续聚集型的天然气藏， 富有机质暗色页岩， 既是气源岩， 又是储层和盖层， 是典型的原地成藏模式。页岩气藏不需要常规圈闭的存在， 页岩内部含有工业价值天然气的聚集， 具有隐蔽性的特点。1.3 页岩气的储层特征页岩气藏储层具有低孔隙度、 低渗透率的特点，页岩储集层孔隙度一般小于10， 而含气的有效孔隙度一般只有1-
4、5， 渗透率则随裂缝发育程度的不同而有较大变化， 一般为0.0001-0.001md。由于渗透率极低， 按照常规气藏理论， 该类气藏很难具有经济开发价值。但是， 页岩气储层储气模式以游离气和吸附气为主， 游离气主要决定气井初期产量， 吸附气主要决定气井稳产期。因此， 通过大规模压裂，增大改造体积， 页岩气就能具有较长的稳产期和较好的开发价值。储层岩性及矿物组分复杂， 储层中的碳酸盐岩矿物含量是判断裂缝是否发育的一项重要指标。储层常含有天然裂缝， 原生和次生的天然裂缝， 碳体系通常为页岩气藏生产的关键。1.3.1 矿物成分盆地不同演化阶段直接控制富有机质页岩的发育与分布，根据页岩沉积环境的不同，
5、将富含有机质页岩划分为海相页岩、 海陆交互相煤系碳质页岩、陆相页岩3种基本类型。 页岩储层的矿物由常见的黏土矿物(伊利石、蒙脱石和高岭石)混杂石英、长石、方解石、白云石、云母、黄铁矿等碎屑矿物和自生矿物组成。岩石矿物的存在将影响到吸附气含量的大小及页岩气的开采。黏土矿物通常具有较大的比表面积和微孔隙体积，对气体的吸附能力强。碳酸盐矿物和石英碎屑含量的增大，会降低岩层对气体的吸附能力，但岩石脆性会提高，使页岩在外力作用下，容易形成裂缝，增大游离态页岩气储集空间。1.3.2 有机质特征页岩气储层中含有大量的有机质，其干酪根类型、丰度和成熟度对页岩气资源量有重要影响。干酪根的类型不仅对岩石的生烃能力
6、有影响，同时还影响天气吸附率和扩散率。统计国内外各页岩气储层干酪根类型，大多以I型(腐泥型)干酪根为主，II型(腐泥腐殖混合型)次之， 也见III型(腐殖型)干酪根。有机碳含量(TOC)与页岩气的生气率之间有较好的正相关性，页岩有机碳含量越高及地层压力越大，天然气吸附量越高。页岩产气能力与有机质成熟度(镜质体反射率Ro)密切相关， 成熟度越高, 越有利于页岩气成藏。 1.3.3 物性特征页岩气储层具有典型的低孔隙度、极低渗透率的物性特征。其气流阻力比常规天然气大；孔隙度低于10%，一般只有4%6%；渗透率一般低于0.1103 m2；喉道半径不到0.005 m。当处于裂缝发育带或断裂带时，页岩的
7、孔隙度和渗透率将会增大。另外，含水饱和度的增加，会降低产气率；而含油饱和度过大，一方面会降低含气饱和度，另一方面，油分子容易堵塞微孔隙和喉道，使气体流速减慢，不利于页岩气的产出。1.3.4 储集特征 烃类气体在页岩层中生成后， 会自身储集成藏，属于“连续型”聚集。天然气在页岩储层中主要有两种储集方式：在天然气生成初期，首先在有机质和岩石颗粒表面以吸附方式存在；随着天然气的大量生成，当吸附气量达到饱和时，在页岩内部裂缝或大孔隙中则有游离态天然气存在。 页岩气的储集空间包括裂缝、基质孔隙和不整合面。 页岩储层中的裂缝多以微裂缝形式存在，包括有机质生烃时产生自生裂缝系统、断层和褶皱等构造运动产生的构
8、造裂缝系统、差异水平压力产生的裂缝系统。裂缝的存在一方面会使地层水通过裂缝进入页岩储层，发生水淹，并且对页岩气的保存极为不利；另一方面裂缝有助于页岩层中游离态天然气含量的增加和吸附态天然气的解吸。页岩储层中的基质孔隙包括：分散于黏土中粉砂质颗粒间的残余原生孔隙、有机质生烃形成的孔隙、黏土矿物伊利石化开成的微裂(孔)隙和不稳定矿物(如长石、方解石等)溶蚀形成的溶蚀孔等。 页岩地层中不整合面和沉积断面也可以成为页岩气储集的良好空间，同时还能提高页岩层的孔隙度和渗透率。2 页岩气的开发技术、开发难点及对策分析2.1页岩气的开发技术 测井技术。（1）页岩气的识别。含气页岩测井响应与普通页岩相比，具有自
9、然伽马强度高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低的特点，高自然伽马强度被认为是页岩中干酪根的函数。（2）页岩气测井评价参数。运用相关测井评价系统对页岩矿物成分、总孔隙度、有效孔隙度、含水孔隙度、含水饱和度、总有机物含量、干酪根、游离气和吸附气等定量估算；在各有效参数估算基础上，估算单井地质储量和产量。（3）页岩气储层潜力评价。页岩气储层的潜力评价主要体现在岩性（矿物）识别、有效厚度判定、有机碳含量与成熟度计算、裂缝识别与地层压力预测等方面。钻井技术。目前，页岩气层钻井主要有直井和水平井两种方式。直井主要用于实验，了解页岩气藏特性，获得钻井压裂和投产经验，并优化水平井钻井方案。水平井主要用于生产
10、，页岩气储层的渗透率低，气流阻力比传统的天然气大得多， 并且大多存在于页岩的裂缝中，为了尽可能利用天然裂缝的导流能力，使页岩气尽可能多地流入井筒。因此，开采多使用水平钻井技术与直井相比，水平井在页岩气开发中具有无可比拟的优势： 水平井成本为直井的1.5-2.5倍， 但初速度、 控制储量和最终评价可采储量却是直井的3-4倍； 水平井与页岩层中裂缝（主要为垂直裂缝） 相交机会大，可明显改善储层流体的流动状况。统计结果表明， 水平段长度为200m或更长时， 比直井钻遇裂缝的机会多达几十倍， 一般来说，水平段越长，最终采收率就越高； 在直井收效甚微的地区，水平井开采效果良好。如在Barnett页岩气外
11、围开采区内，水平井克服Barnett组页岩上、下石灰岩层的限制，避免了Ellenburger组白云岩层的水侵，降低了压裂，增产效果明显，在外围生产区得到广泛运用； 水平井减少了地面设施，开采延伸范围大，能够避免地面不利条件的干扰。在水平井钻井中采用旋转钻井导向工具，可形成光滑的井眼， 更易获得较好的地层评价。同时， 采用欠平衡钻井技术，实施负压钻井， 避免损害储层。随钻测井技术和随钻测量技术，可使水平井精确定位，同时作出地层评价，引导中靶地质目标。固井、完井技术。页岩气井通常采用泡沫水泥固井技术。泡沫水泥具有浆体稳定、 密度低、抗拉强度高等特点，具有良好的防窜效果及减少储层伤害的特性。气井的完
12、井多采用定向射孔完井技术，射孔完井技术多用于直井和水平井。定向射孔的目的是沟通裂缝和井筒，减少井筒附近裂缝的弯曲程度，进而减少井筒附近的压力损失。通过大量页岩气井的开发实践，开发人员总结出定向射孔的经验： 在射孔过程中，主要射开低应力区、高孔隙度区、石英富集区和富干酪根区，采用大孔径射孔可以有效减少井筒附近流体的阻力，在水平井射孔时，射孔垂直向上或向下。压裂增产技术。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，大排量压裂施工，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。直井连续油管分层压裂技术。较
13、早的页岩气开发主要在浅层，以直井为主，其压裂技术具有连续油管、水力喷砂射孔和环空加砂3个特征。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。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。2.2 页岩气开发难点储量计算存在欠缺。在页岩气资源评价方面，重点从地质角度考虑页岩气的储量规模，而对准确的页岩气储量计算，只局限于常规气藏的类比法、 容积法以及动态法，对页岩气的特殊地质特征没有充分考虑。基于页岩气自生自储及运移特点，要想准确地计算页岩气的
14、储量，必须解决好几个问题：页岩基质孔隙度的准确计算、裂缝系统的准确评价、页岩基质吸附量的准确评价和含气饱和度的准确计算。渗流机理复杂性。页岩气藏有特殊的产气机制。与常规低渗气藏不同，天然气在页岩中的流动主要有4种机理，这4种机理覆盖了从分子尺度到宏观尺度的流动。主要表现为游离气渗流、解吸附、扩散和自吸。解决页岩气渗流机理问题的关键在于两点： 明确页岩气吸附解吸附之间的物理化学机理，并用合适的数学公式加以描述； 合理的多重介质表征模型。由于页岩气存在于复杂的地质状况中，渗流过程伴随着基质、小裂隙和大孔隙与井筒之间的复杂流动。因而建立成熟的物理和数学模型对于准确把握页岩气藏开发具有重大意义，也是今
15、后油藏工作者需要加强研究的方向。2.3 对策分析我国水平井钻井技术与欠平衡钻井技术已比较成熟，2005年以来，西南油气田先后引入LWD、旋转地质导向、FEMWD等先进装备，2007年，应用欠平衡钻井技术完成广安002H1井钻井作业，水平井段超过2000m。在固井方面，泡沫水泥固井技术从二十世纪80年代就已在我国部分油气田进行应用。目前，在青海油田花土沟、吐哈油田巴喀、胜利油田草桥、鄂尔多斯气田、河南油田气井中均取得了较好的应用效果，技术已相对成熟。目前，国内完井常采用工艺包括射孔完井，如TCP射孔、水力喷射射孔及多功能组合管柱试油完井等，这些技术在国内各油气田均得到广泛应用。对于储层的改造技术
16、，水力压裂、酸化工艺广泛应用于国内油气井增产。其中，连续油管水力喷射加砂压裂在大庆、长庆、四川、吐哈等油田得到成功应用，在此基础上发展起来的水平井分段水力喷射加砂压裂技术也较成熟。中国石油勘探开发研究院廊坊分院在压裂设计与研究方面具有较高的水平，目前，正针对页岩储层的特性开展相应的储层改造液体体系和优化设计研究。在压裂设备方面，我国许多油气田已从国外进口了大型的压裂设备， 如四川井下作业公司先引进了 FC-2251-Q 型 压 裂 车 、HQ2000 型 压 裂 车 、FBRCIOOARC混砂车、HRIOM连续油管作业等设备，可完全满足水力压裂施工的需要。再次增产可采用重复压裂技术、人工举升技
17、术。大庆油田成功应用了裂缝转向重复压裂技术，可实现裂缝有效控制，气举排水在煤层气开发中已被大量采用。待添加的隐藏文字内容23 结论（1） 页岩气是不同于常规气藏和煤层气的特殊储层，吸附解吸附机理异常复杂， 建议开展页岩气吸附解吸附机理室内试验研究，这将有助于页岩气的高效开发。（2） 页岩储层的测井解释模型不同于常规油气，页岩气主要以吸附状态存在于储层，游离状态少，其岩性及物质构成不同于常规油气。因此，需要测井解释模型的重新探索。（3） 水平井及其压裂技术是开发页岩气的主要手段。建议开展复杂结构井及其压裂技术攻关研究，在国外技术基础上，开发适合我国页岩气开发的相关配套技术。（4） 页岩气井压裂一般具有大规模、大砂量、低砂比的特点，可通过大型压裂改造，获得杂的网络缝，增大改造体积，有效提高产量。（5） 中国页岩气基础研究与勘探开发刚驶入一个全新的起步发展阶段，在未来一个较长时期内，资源评价理论与方法是研究的主要方向，勘探试井及与之相关的产能模拟、压裂等增产开发措施研究工作也会逐步展开。参考文献：1 杨 挺，孙小涛. 世界页岩气开发进展及存在问题M. 北京：现代化工 2013 33-12 谢小国 ，杨筱. 页岩气储层特征及测井评价方法M. 四川：煤田地质与勘探 2013 41-63 聂晓敏，陆志奇，张德杰. 页岩气开发技术简述M. 山东：油气地球物理2013 11-2
