水力压裂在油气田勘探开发中的关键作用

1、水力压裂在油气田勘探开发中的关键作用李宗田 , 李凤霞 , 黄志文(中国石化石油勘探开发研究院 ,北京 100083)摘要 :水力压裂技术是石油能源工业中的重要技术之一 ,从其功能角度看 ,压裂不再仅被定义为采油工艺中的一项技术 ,它在油气藏勘探开发中所表现出的地位和产生的效果使其成为石油勘探开发中不可缺少的一项配套技术 、 开发方式和增产手段 。通过实例 ,结合中外各油田在实践过程中的经验 ,分析了探井水力压裂在降低勘探风险 、解 放低效储层 、获取储层信息等方面的重要性 ,阐明了水力压裂在油气储量发现与评价中发挥的重要支撑作用 。在 油气田开发中 ,水力压裂可实现低渗透油气藏的高效开发 ,

2、保持常规油田稳产增产 ,有助于老油田的开发调整及挖 潜 ,实现特殊类型油气藏的开发和增产 。压裂材料 、压裂理论 、压裂模拟模型 、设计及软件 、压裂裂缝监测及压裂效 果评价方法等将仍是未来压裂技术研究的热点 。关键词 :水力压裂 ;勘探 ;开发 ;关键作用 ;油气田中图分类号 : T E357 . 1文献标识码 : A文章编号 :1009 - 9603 (2010) 05 - 0076 - 04水力压裂技术可分为水力加砂压裂和酸化压裂2 大类 。水力压裂措施的核心是在储层中根据设计 要求造缝 ,由此而涉及到油藏地质、压裂材料、压裂 施工设备 、压裂工艺设计 、现场实时监测、压裂后评 价等多项

3、技术。目前该技术已形成体系 ,其装备实 现了配套化和系列化 ,从工程技术角度出发 ,基本能 够满足各种不同类型储层的压裂造缝要求 。水力压裂技术从 1947 年始于美国 , 迄今已有60 多年的发展历史 ,并已在世界范围内广泛应用 。 美国在 1947 2000 年压裂 100 ×104 井次以上 , 目 前美国可采储量的 25 %35 %是由压裂获得的 ,其 开发井 36 %40 %均须压裂投产 ; 在北美通过压裂已增加原油可采储量 13 ×108 m3 。中国也较早地进 行了压裂技术研究 ,自 1955 年玉门油田进行第 1 次 压裂作业以来 ,至 2006 年水力压裂

4、共进行了 24 ×104 井次以上 ,累积增产油量超过 1 . 314 6 ×108 t ,平 均单井增油量约为 530t 。近 10a 来 ,年压裂酸化作业量达到 8 900 井次左右 ,年增油量为 595 ×104 t 。 可见 ,压裂酸化改造在油气田勘探开发中发挥了重 要作用 ,特别是近几年 ,在水平井及火成岩和页岩等 非常规特殊类型油气藏的低效储层开发中 ,水力压 裂的作用更为明显 1 。在技术研究方面 ,中国在压裂入井材料及现场施工水平方面与国外公司相比没有明显的劣势 ,经过多年的实践 ,目前已经摸索出一套适用于不同温度、不同渗透率等储层特性的支撑 剂、

5、低伤害压裂液 、添加剂等压裂材料 ,形成了整体压裂、大型压裂 、高砂比压裂、重复压裂 、二氧化碳压裂、水平井压裂等配套工艺 ,在压裂技术与勘探开发 中的配套方面形成了一套完整的思路 ,由此 ,水力压 裂在油气勘探及开发中表现出极关键的作用 。油气勘探的重要配套技术之一1油气勘探工作的主要任务是寻找和发现油气层 ,勘探技术必须紧密围绕“一切为了寻找和发现油 气层”这一基本宗旨。每一个大型油气田的发现都 是通过钻井获得高产油气流而证实和宣告的 ,钻井 在油气田的勘探和发现中的作用不会改变 ,但随着 油气勘探范围的延伸 ,压裂技术将更显示出其对油 气储量的发现与评价的重要支撑作用。从国家发改委组织的

6、“大型油气田及煤层气开 发”国家重大专项的立项过程中体会到 ,水力压裂不 仅仅在技术层面上受到重视 ,在意识层面也同样受 到重视。在 6 大盆地的勘探开发及目标优选项目的 立项过程中 , 特别强调了目前勘探工作过程中所 面临的地质与工程技术难题 ,必须开展储层保护与收稿日期 :2010 - 07 - 16 ;改回日期 :2010 - 08 - 25 。作者简介 :李宗田 ,男 ,教授级高级工程师 , 享受国家特殊津贴专家 , 从事油气田开发研究和石油工程技术管理工作。联系电话 : ( 010 )82312976 , E - mail :lizt p ep ri s. co m 。基金项目 :国

7、家科技重大专项“碎屑岩层系大中型油气田富集规律与勘探关键技术”( 2007 ZX05002)第 17 卷 第 5 期李宗田等 :水力压裂在油气田勘探开发中的关键作用·77 ·360 ×108 400 ×108 t ,约占地质资源总量的 40 %45 % 5 。截至 2003 年 ,中国石化累积动用低渗透油 藏的石油地质储量占中国石化总石油地质储量的15 . 6 % ,中国石化累积动用低渗透油藏剩余可采储量占中国石化剩余可采储量的 20 % 6 。通过压裂 技术提高低效储层的动用程度 ,增加可采储量的实 例有许多 ,美国怀俄明州的 Pi ne dale 气

8、田为一低渗 透气田 ,天然气地质储量为 1 . 047 ×1012 m3 ,1939 1963 年共钻井 11 口未形成有效产能 ; 1974 1976 年 ,对 6 口井实施水力压裂 ,其中 3 口为大型压裂 , 由于压裂技术水平有限 ,仍未能获得工业气流 ,使得 该气田勘探开发陷入了困境 。随着压裂技术的进 步 ,1981 年对 2 口新完钻井成功地实施了压裂 , 其 产气量分别达到了 11 . 75 ×104 和 4 . 1 ×104 m3 / d ,从 此打开了该气田勘探的新局面。由此可见 ,水力压 裂可使低效油气藏获得大为可观的勘探成果 。1 . 3 获

9、取储层信息在大多数油田勘探中 ,现有技术已经能够精确 分析构造位置、形态 ,但是部署的探井往往落空 ,一般成功率仅为 40 %50 % ,主要原因在于构造虽已 落实 ,而储层的物性、含油气性等信息尚不清楚 。水力压裂技术对油气层的描述及动态监测可以起到特 殊的作用 ,可为勘探储层的含油气情况提供重要信 息 ,压裂过程的动态监测和压后评价技术可以获取准确的地层压力及地应力场等参数 ,对油藏评价提 供强有力的证据 ,这对油气有利带的分析和井位部署 ,具有明显的经济意义和实用价值 7 。 水力压裂是勘探开发一体化过程中的重要环节 ,是地质与钻井 、地质与油藏、油藏与采油、地面与 地下、室内与现场等多

10、方面研究相结合的典范技术 。一方面 ,压裂之前要做好压前评估和工艺设计预测 , 以保证措施的成功率和有效率 ,而压后的跟踪评价 成果 ,对油藏预探成果的跟踪分析、油藏评价计划调整和部署优化有着重要的作用 ;另一方面 ,压裂的实 施强化了储层评价与产能建设的结合 ,能够使储量 落实与产能建设同步进行 ,通过压裂井试采及产能评价 ,可以进一步优化开发方案 ,进行整体部署 ,促进油藏开发 。储层改造技术攻关 。据统计 ,中国石化 2003 2007年压裂措施共计 8755 井次 ,其中油气井增产压裂措 施为 4 076 井次 ,油气井投产压裂为 4 679 井次。对 压裂措施的类型分析结果表明 ,近

11、 5a 内在老区块所实施的增产压裂措施工作量呈逐年下降趋势 ,而新 区的投产压裂措施呈逐年上升趋势 ,总措施量呈递 增趋势 ( 图 1 ) 。根据图 1 可以预测 , 中国石化在2011 2015 年 ,压裂措施将达到 2 000 井次/ a ,未来 几年老井增产压裂的工作量会逐渐减少 ,而新井投产压裂的工作量将进一步增加 ,达到压裂措施施工 总量的 65 %以上。同时也表明 ,新区的压裂工作对 区块未来的勘探和开发所能提供的技术支持作用更 为突出 ,对投产压裂技术水平提出了更高的要求 。图 1 中国石化 2003 2007 年压裂工作量趋势水力压裂技术与勘探过程紧密结合 ,根据油田勘探开发实

12、例 ,通过 3 个方面阐述探井压裂重要性 。1 . 1 降低勘探风险油气形成的历史漫长性和地质演变过程的复杂 性给油气勘探带来很高的风险和不确定性因素。油 气勘探以发现具商业开发价值油气藏为目的 ,其风 险来自于政治、经济、技术等多方面。仅从专业技术 角度考虑 ,对勘探目标的圈闭 、储层 、成藏等条件的认识不足及工程技术的不适应是导致探井失利的主 要原因 ,可分为地质风险和工程技术风险 2 类 2 - 4 。在当前国际油价动荡 、勘探难度越来越大、特别是勘探市场化的大环境下 ,更多地、合理地应用包括水力 压裂技术在内的非地震勘探技术来提高勘探效益 , 降低勘探风险、提高探井效果 ,已成为共识

13、。1 . 2 解放低效储层低渗透油田在中国分布广泛 ,从东部的大庆油 田长垣周围、渤海湾盆地到中部的鄂尔多斯盆地及 西部的准噶尔盆地等均有发现 。“十五”期间所发现的石油资源品质变差 ,新增探明储量中低渗透储量 的比例从 30 %左右上升到近 70 % , 储量丰度也由100 ×104 t / k m2 下降到 50 ×104 t / k m2 。根据新一轮 的油气资源评价结果 ,中国边际原油地质资源量达水力压裂在油气田开发中的重要作用2地质认识水平 、工程技术水平以及地下油气采© 1994-2014 China Academic Journal Electron

14、ic Publishing House. All rights reserved. 油 气 地质 与 采 收 率2010 年 9 月·78 ·出程度是体现油气田开发技术水平与效益的决定性因素。提高开发技术水平 ,就能够在相同条件下采 出更多的油气 ,才能真正提高采收率 ,实现油气田的 高效开发 。从油气田开发的现有技术来看 ,水力压 裂技术是迄今为止发展最快、效果最明显、应用最广 泛的技术手段 ,随着技术的进步 ,它既是一项重要的 增产措施 ,也是开发的一项重要手段 ,因此近几年出 现了开发压裂的新范畴 ,成为了提高采油速度、降低 综合递减率、提高开发水平 、增加可采油气储

15、量的一 项技术 ,贯穿了勘探与开发的全过程 。根据在不同类型油田开发过程中的压裂技术分 析 ,可以将水力压裂在油气田开发中的作用归纳为 以下 4 个方面。2 . 1 低渗透油气藏高效开发的关键技术低渗透、致密砂岩油气藏在中国分布极其广泛 , 由于低渗透油气藏岩石致密 ,孔隙度和渗透率都比 较低 ,非均质性严重 ,开采难度大 ,所以 ,对于这类储 层而言 ,水力压裂技术不再是增储上产的手段 ,而是 作为一种投产措施在开发中起到了关键作用 ,也就 是说钻井后必须实施压裂。以位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部的大牛地气田的开发为例 ,可以看出压 裂投产在开发中发挥的作用。大牛地气田属低孔 、 低渗透、低压

16、、多层系气藏 ,开发过程中表现出投产 时自然产能低甚至无自然产能 ,每口井均见气不出 气 ,必须进行压裂才能实现开发目标。到 2007 年 底 ,已经实施了 1 004 口井的投产压裂 ,占压裂措施 总数的 95 % ,大部分井取得了较好的效果 , 完成了 大牛地气田 1 ×108 m3 产能建设任务。投产压裂是解放低效储层的一项重要技术手 段 ,与常规压裂技术相比 ,投产压裂更注重以下 3 项工作 : 将压裂技术和开发方案进行有机结合 ,压裂设计目标不能仅局限于单井产量的增加 ,还要做好 区块整体压裂的设计 ,着眼于整体采油速度和采收 率的提高 ,以满足低渗透油气藏开发早期最大限度

17、地提高经济效益的要求 8 ; 投产压裂施工的动态 监测和压后评价工作 ,每口井的投产压裂施工都相 当于做一次测试 ,通过压裂施工过程的动态监测和 压裂后的评价来获取储层信息 ,以充分了解油气藏 地质情况 ; 在整个开发过程中 ,总结压裂施工的经验 ,不断完善、优化投产压裂的设计及施工工艺。2 . 2 保持常规油田稳产增产的开发模式中国早期开发投产的油田大多属于常规油田 , 如大庆、胜利油田等 ,且多数发育砂岩储层 ,此类油 田在投产开发初期部分井就进行了压裂改造 ,获得了很好的开发效果。目前多数主力油气田都已进入开发中后期 ,随着油田产量自然递减 ,如何保持稳产 增产 ,是亟待解决的重大课题

18、9 。重复压裂技术是 油气田开发中后期增产稳产的重要技术措施 。目前 重复压裂技术包括 2 个范畴 : 重复压裂不发生裂 缝转向 ,在原裂缝基础上延伸 ,此时增大压裂规模 , 以增大泄油气面积 ; 转向压裂 ,实施转向重复压裂 可以在储层中打开新的流体流动通道 ,更大范围地 沟通原压裂未动用的油气层 ,大幅度增加油气产量 , 进一步提高油气藏的开发效果。最为有效的重复压 裂可最大限度地改造剩余油富集区 ,以提高生产井 的泄油面积 、水井水驱波及系数 , 从而提高采出程 度 10 。2 . 3 老油田开发调整和挖潜的重要措施压裂不仅仅是深层低渗透油藏开发中最为有效 的技术 ,对于高含水期油藏 ,

19、油水关系分布复杂 ,在 综合研究剩余油 ,理清油藏剩余地质储量在平面和 层间上分布特点的基础上 ,随着压裂工艺技术的进 步 ,合理优化改造方式 ,同样能取得好的增产效果。中高含水区块压裂后生产特征主要表现为高产 期短 ,有效期短 ,见水快。对油藏构造、注采情况及 裂缝参数进行分析可知 ,造成压裂效果差的主要原 因有 2 个方面 : 选井选层不当 ,压裂段主力油层已 发生水淹 ,压后大量产水 11 ; 水力裂缝参数与注采关系不配套 ,缺乏整体优化 。因此 ,要解决好上述2 个问题才能改善中高含水区块的压裂效果 。 中高含水后期增产压裂技术的特点是 : 科学 、正确的选井选层是关键 ; 深层低渗透

20、油藏的压裂 改造必须把高压注水 、大型压裂改造、选择合理的采油方式 3 项工艺技术结合起来 ,配套实施才能充分 发挥压裂作用 ,提高油藏整体开发水平 ; 高含水后 期进行压裂措施技术经济界限研究 。2 . 4 特殊油气藏开发和增产的有力手段近几年中国陆续发现并投入开发了一批深层及 超深层碳酸盐岩油气藏 ,多数井无自然产能 ,酸化压裂改造已成为此类油气藏发现储量和投产的主要技术手段之一 。塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层具有超 深、高温、高压、非均质性极强的特点 12 , 基质渗透 率低、缝洞单元间具有很强的封隔性 ,69 %的油井完 井后自然产能低或无自然产能 , 须通过压裂投产 。 至 2009

21、年 ,储层改造施工 913 井次 ,累积增产原油1 327 ×104 t , 单井 酸压 改造 后 平 均 有 效 期 超 过250d ,获得了显著的经济效益。碳酸盐岩油气藏酸 化压裂技术的研究重点是 : 缝洞型碳酸盐岩油藏© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 17 卷 第 5 期李宗田等 :水力压裂在油气田勘探开发中的关键作用·79 ·的缝洞体分布 ; 碳酸盐岩储层裂缝的起裂及延伸规律 ; 巨厚块状低渗透碳酸盐岩储层缝

22、高控制方 法、特殊工艺的实施。随着世界油气价格的上涨 ,低渗透页岩气藏的开发价值越来越突出 13 。应用于该类低渗透非常 规气藏的专项技术使在得克萨斯州中北部 Fo r t Wo r t h 盆地密西西比系的 Ba r net t 和俄克拉荷马州 页岩气的开发获益匪浅。随着技术的进步 ,页岩气 的勘探开发在中国逐渐提到了重要的地位 ,对该类气田的压裂技术正在研究探索之中 ,相信不久中国 页岩气领域会带来客观的经济及社会效益 14 。20 世纪 70 年代以来 , 中国相继在陆上和海域 发现了一批凝析气田 ,特别是 90 年代在塔里木盆地 发现了牙哈等深层 、高压 、高含凝析油、高含蜡凝析气藏。

23、凝析气藏是一类最为特殊 、复杂的气藏 ,在开 采过程中 ,凝析油气体系在地层中的渗流伴随着复 杂的相态变化 ,与一般气藏相比 ,凝析气藏在开采过 程中随着压力的逐渐下降会发生反凝析现象 ,从而 发生相态的变化 ,因此开采难度极大 。采用水力压裂方法对凝析气藏改造是一种有效的方法 。 依据初步预测 ,中国煤层气资源量为 30 ×101235 ×1012 m3 ,几乎相当于中国天然气的远景资源 量 ,在煤层埋深为 3001 500 m 的煤层气总资源量 约为 25 ×1012 m3 , 具有很大的开发价值和利用潜力。由于煤层气储层低孔、低渗透特征 ,采用常规开 采方法

24、开发效果不佳 ,压裂技术和水平井技术是提 高煤层气藏产量的有效方法 ,而水平井在技术和成 本上的劣势使得压裂技术成为了煤层气勘探开发过 程中最重要的技术环节 ,迄今为止 ,中外尚未发现不经过压裂就获得工业性气流的煤层。目前中国采用 的煤层气压裂技术方法主要以华北柳林等地区的煤 层气勘探开发为基础 ,针对厚煤层、煤层地应力较顶 底板岩层低的地质特点总结出来的。国外针对不同 煤层采用了不同的压裂技术 ,主要包括交联凝胶压裂、加砂水力压裂、不加砂水力压裂和氮气泡沫压裂 等 ,这些技术均较成熟。此外 ,在生产实践中还采用 了多次压裂。煤层气压裂技术的研究重点是 : 研 究适合多而薄、分布较散及煤层地应

25、力较顶底板岩 层高的煤层压裂技术 ; 清洁压裂液、清水压裂、二氧化碳压裂工艺等的研究和应用 。要配套技术 ,实现了水力压裂技术与勘探 、开发及生产的有机结合 ,成为了提高采油速度、降低综合递减 率、提高开发水平 、增加油气可采储量的关键技术 。 该技术经历了由发展到逐渐成熟的阶段 ,作为今后大多数新发现储层投产的关键技术 ,其所涉及到的 各项难点技术 ,包括压裂材料 、压裂过程理论模拟模 型、设计及软件 、压裂裂缝监测及压裂效果评价方法 等将继续是未来几年压裂技术研究的热点。中国在 该技术领域已具备较完善的工业基础和人员储备 ,为技术的发展提供了支撑。技术的发展必将整体提 升中国石油天然气和煤

26、层气产业科技自主创新能 力 ,增强中国能源保障能力 ,作为油气田勘探的关键 技术及开发的重要方式 ,水力压裂技术的研究与应 用方兴未艾 。参考文献 : 1 李宗田. 水平井压裂技术现状与展望J . 石油钻采工艺 ,2009 ,31 ( 6) :13 - 18 .蔡利学 ,闫相宾. 从预探井失利因素看地震技术需求 J . 大庆 石油学院学报 ,2007 ,31 ( 5) :31 - 33 ,50 .寇永强. 大型压裂技术在特低渗透薄互层油藏的应用 以梁 家楼油田梁 112 块为例 J . 油气地质与采收率 ,2004 ,11 ( 3) :61 - 62 .黄波 ,马收 ,刘言亭 ,等. 腰英台油田特低渗透油藏压裂技术研 究及应用J . 油气地质与采收率 ,2007 ,14 ( 4) : 101 - 102 . 赵文智 , 胡永乐 , 罗凯. 边际油田开发技术现状、挑战与对策 J . 石油勘探与开发 ,2006 ,