【金正纵横】页岩气开发的关键技术

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　　随着世界各国对化石资源需求的不断增多，各国能源压力也日益增大。页岩气开发具有资源潜力大、开采寿命长和生产周期长等优点，因此成为现在能源研究的热点和突破口。我国主要盆地和地区的页岩气资源量约为26×1012m3，约占全球页岩气资源的5.7%，可见我国页岩气具有相当大的开采前景。页岩气储层与常规储层的差异很大，必须综合采用先进的勘探、钻井可开发技术，并结合国家优惠政策，才能实现页岩气经济开发。
　　技术进步是推动页岩气快速发展的关键。开发技术的创新尤其是水平井钻井、压裂技术以及裂缝综合诊断技术的进步与广泛运用对推动页岩气藏的快速发展起着至关重要的作用。研究表明水平井钻井技术和水力压裂技术是页岩气开发的核心技术。
　　一、水平井技术
　　水平井钻井技术是页岩气成功开发的核心技术。2002年Devon能源公司7口Barnett页岩气试验水平井取得了巨大成功，业界开始大力推广水平钻井，与直井相比水平井具有无可比拟的优势：(1)水平井成本是直井的2-3倍，产量是直井的3-5倍;(2)水平井提高了与页岩层中裂缝接触的可能性，增大了与储层中气体的接触面积;(3)在直井收效甚微的地区，水平井开采效果良好;(4)减少了地面设施，开采延伸范围大，避免地面不利条件的干扰。现在国外开发页岩气常用的水平井钻井技术有欠平衡钻井、旋转导向钻井技术、控制压力钻井技术。
　　1.水平井钻井技术
　　1)欠平衡钻井技术(Underbalanced Drilling)
　　平衡钻井技术已经成为现代石油行业的一门成熟技术，常于避免和降低地层伤害，减少循环漏失，提高采收率和机械钻速。Haynesville页岩层中使用欠平衡钻井机械钻速提高了300%，钻井时间缩短了大概20天。然而，井壁不稳定是页岩层欠平衡钻井最可能出现问题。寻找新的方案，去解决井眼坍塌或钻遇超压页岩是未来欠平衡钻井的主要方向。
　　2)旋转导向钻井技术(Rotary Steerable drilling)
　　旋转导向钻井技术是一项尖端的自动化钻井新技术。旋转导向钻井工具是旋转导向钻井系统的核心。根据旋转导向钻井工具的不同可以将旋转导向钻井系统(RSS)分为推靠式(push-the-bit)旋转导向钻井系统和指向式(point-the-bit)旋转导向钻井系统。利用旋转导向钻井技术可以解决光钻铤钻具引起的螺旋井眼问题以及提高钻井效率。
　　现在，大部分的页岩天然气井钻井工具是利用常规控制导向发动机，但随着水平井水平段变长了，RSS成为钻达目的深度一个更可行的方案。钻弯曲部分和水平段井眼尺寸相等的页岩井，用RSS钻整口井效果更好。但是目前市面上标准RSS不能提供足够大的造斜速率钻页岩气井设计的弯曲部分。所以未来应致力于开发更高狗腿率的RSS，以满足更高更经济的钻井要求。
　　3)控制压力钻井技术(Controlled Pressure Drilling Technology)
　　控制压力钻井技术是指在油气井钻井过程中，能有效控制井筒液柱压力剖面，达到安全、高效钻井的钻井技术。随着已发现油气资源的日渐衰竭，需对更深更复杂地层的勘探开发，而在钻探这些深层复杂地层时，常常出现许多如井涌、井漏、有害气体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井复杂问题。控制压力钻井技术则是缓解上述复杂情况的有效方法。
　　2.随钻测井技术
　　过去在Barnett页岩水平段，技术员使用电阻率成像随钻测井工具，从这些工具上获取测井曲线，从而优选完井工程。在此基础上，人们又采取另一种先进的随钻测井工具。这种先进的工具与底部钻具一起运行，它结合主要的随钻测井平台，提供包括井斜数据、方位伽马射线、复合电阻率、环压、温度、振动等在内的实时数据。这种随钻测井工具采用精细地面测试系统获得最佳方位控制、地层评估。该设计提高可靠性、优化了随钻测井工具传感器和钻头空间。
　　先进的技术相结合是解决页岩钻井和地质复杂性的关键。国外钻井面临的主要挑战：井底钻柱动态、高扭矩、高阻力、孔眼堵塞、漏失。解决这些问题的关键是采用高科技工具获取实时钻井数据和影像。国外采取先进的钻井方式和随钻测井技术双管齐下以实时监测当量循环密度，确定地层地质特性，以及精确计算井位视斜角。

　　二、水力压裂技术
　　有机质丰富的页岩地层中的页岩气生产是当今原油和天然气勘探开发中最迅速发展的方向。由于页岩气藏超低渗透率和低孔隙度，采用经过多级大规模水力压裂处理的长水平井，带来页岩气藏经济生产。国外常用的水力压裂技术有多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂、同步压裂。表1是对各种水力压裂技术和适应性的分析对比。氮气泡沫压裂目前还使用在某些特殊条件的页岩压裂作业中，大型水力压裂由于成本太高，对地层伤害大已经停止使用。

　　表1 页岩气井水力压裂技术

　　

　　1.水力压裂技术
　　1)多级压裂多级压裂是利用封堵球或限流技术分隔储层不同层位进行分段压裂的技术，是页岩气水力压裂的主要技术。最初水平井的压裂阶段一般采用1段或2段，目前已增至7段。在常规油气开发中，多级压裂已经是一个成熟的技术，国内有很多成功应用的实例。多级压裂技术用于我国的页岩气开发有一定的技术基础，是可行的压裂技术。
　　2)清水压裂技术水力压裂技术采用清水添加适当的减阻剂、黏土稳定剂和必要的表面活性剂作为压裂液来代替传统的凝胶压裂液。1997年，Mitchell能源公司首次将清水压裂应用在Barnett页岩的开发作业中，清水压裂不但使压裂费用较大型水力压裂减少了65%，而且使页岩气最终采收率提高了2O%。
　　3)水力喷射压裂水力喷射压裂是用高速和高压流体携带砂体进行射孔，打开地层与井筒之间的通道后，提高流体排量，从而在地层中打开裂缝的水力压裂技术。
　　4)重复压裂重复压裂就是在老井中再次进行水力压裂，直井中的重复压裂可以在原生产层再次射孔，注人的压裂液体积至少比其最初的水力压裂多出25%，可使采收率增加30%-80%。
　　5)同步压裂同步压裂指对2口或2口以上的配对井进行同时压裂，是促使水力裂缝扩展过程中相互作用，对相邻且平行的水平井交互作业，增加改造体积，其目的是用更大的压力和更复杂的网络裂缝压裂泥页岩，从而提高初始产量和采收率。
　　2.微地震压裂监测技术
　　微地震压裂监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中的一项重要新技术。微地震压裂监测技术能够实时识别裂缝增长方式，让生产商能根据裂缝增长方向改变设计方案。页岩气开发中可以利用微地震压裂监测技术水力压裂作业动态，以帮助控制作业执行进程和评估模拟结果，评价储层参数和水力压裂的综合影响以及预测水力压裂处理后的产量。

　　表2 页岩气开发的关键技术简介