页岩气开发现状及核心技术关键问题

1、页岩气开发觉实状况、关键技术和关键问题第1页页岩气：新闻热点 页岩气成为各家媒体新闻焦点： “页岩气革命席卷全球，中国何时开启页岩气时代？” “中国投入页岩气革命” “页岩气：未来能源主力军”“ 页岩气：我国第172个独立矿种 或可替换天然气” “政策松绑欲打破三桶油垄断 ，民企将成页岩气盛宴座上宾”“ 民企破冰：首获页岩气勘探门票” 页岩气？请叫它涨停催化剂！ “页岩气热背后冷思索”第2页页岩气（1） 天然气是一个清洁、高效化石能源: 燃烧同等热值天然气，其二氧化碳排放只有煤二分之一和石油70% 若采取冷热电三联供，经过能源梯级利用能够使能源利用效率从常规发电系统40%左右提升到80%左右

2、燃气电厂开启快速：天然气发电成为间歇性可再生能源极佳补充 天然气在我国一次能源结构中百分比仅为4%，远低于亚洲平均10%和全球平均24%水平 城市化：燃气需求快速增加 20，天然气缺口达1000亿方（相当于年全国天然气产量） 天然气对外依存度达24；价格倒挂 页岩气：一个非常规天然气 存在于致密泥页岩中，较常规天然气开采难度大第3页页岩气（2） 页岩气储量: 全球：456万亿方 技术可采储量：189万亿方 美国：24.4万亿方 中国：26万亿方全球非常规天然气资源储量表第4页Billion Cubic Feet 年，页岩气产量1800亿方，占全国天然气总产量34% 预计到2035年，页岩气产量

3、比将提升至46%。2,0004,0003,0005,0001,0000 BarnettWoodfordMarcellusFayettevilleHaynesvilleEagle Ford 美国有8000家油气企业，85%页岩气由中小企业生产 关键关键技术分别由各个中小专业技术掌握美国页岩气开发觉实状况 1821,第一口井，Devonian Dunkrik Shale，Fredonia 70年代之后-90年代，压裂技术发展 1990年起页岩气产量每五年翻一番 年，页岩气产量1000亿方，占全国天然气14%，超出了我国常规天然气总产量 20，页岩气产量1379亿方，占全国天然气总产量23%第5页页

4、岩气改变美国能源结构和产业格局 美国和世界能源格局 产量快速上升：年页岩气产量达1000亿方，使美国成为第一大天然气生产国 动摇了世界液化天然气（LNG）市场格局，进而改变世界能源格局 价格快速下降：十年最低 更多燃气电厂取代燃煤电厂 美国产业格局 廉价天然气价格为美国制造业和化工业提供了更多竞争力：能源价格、化工原材料 美国外交格局 页岩油开发使美国原油进口压力降低：年，北美有望成为世界第一油气生产基地 燃气发电降低温室气体和污染物排放：气候谈判给其它国家压力第6页简明历史回顾 Mitchell Energy & Development Co.在极低经济效益情况下连续投入了上世纪90年代末，

5、在水力压裂取代冻胶压裂后，经济效益得到了提升 年，Devon Energy 收购了Mitchell Devon经验带动了大量中小企业投资开发页岩气几年后，Barnett成为美国最大气田 Barnett成功经验推进美国页岩气开发 推广到多个盆地 页岩气开发技术又推进了美国页岩油开发第7页页岩气发展规划（2011-2015） 20完成资源潜力调查与评价 20实现产量65亿方力争年到达6001000亿方中国页岩气开发觉实状况中国开发进展 年：扬子地域为富集远景区 20 ：“中国重点地域页岩气资源潜力及有利区带优选”项目 20：川渝黔鄂页岩气资源战略调查先导试验区 完钻页岩气井60余口，水力压裂40余

6、口，工业气流30口页岩气开发瓶颈： 地质特点：埋深大、盆地小、断层多；陆相为主；地势险峻 资源风险、技术风险、投资风险、环境风险第8页 年5月17日，国土资源部公布页岩气探矿权投标意向调查公告，公布年页岩气探矿权招标投标资格条件： 内资企业，注册资金：人民币3亿元以上 投标人应含有石油天然气或气体矿产勘查资质，或已与含有勘查资质企事业单位建立合作关系 投标人应为独立法人，不得以联合体投标 促进民营企业进入页岩气勘探开发 9月进行了页岩气探矿权第二轮招标，近百家投标20个区块 但我国当前还不掌握页岩气勘探开发关键技术国家放宽页岩气探矿门槛第9页页岩气开发关键关键技术第10页页岩气特征成藏机理与煤

7、层气对比基质渗透率更低游离气含量高开采普通不需要排水降压原地成藏、自生自储第11页页岩气评定地质储量 总有机碳含量TOC2%，成熟度Ro1.4 厚度30m，含气孔隙度2% 气体含量，含水饱和度40%埋深、温度、压力储层评价勘探阶段早期开发成熟开发下降维护第12页页岩气总量天然裂缝矿物质含量脆性地层压力岩石强度渗透率页岩厚度页岩气产量游离气页岩基础物性测试有机物含量第13页页岩气开发流程第14页页岩气开采 页岩气中没有“干井”! 问题关键是怎样开采天然气？ Barnett页岩渗透率相当低, 开采天然气需要人工增产伎俩，比如水力压裂 冻胶压裂: 成本太高 轻砂水力压裂: 有效 15%-35% 采收

8、率Source: Devon第15页水平井已经证实, 在水平完井段进行水力压裂比在垂直完井段更高效: 23倍成本 1520倍产量Source: Devon第16页水平井 水平井扩大接触面积关键问题：井身结构设计、钻完井，确保安全稳定。 水平井方向沿最大水平应力方向：纵向裂缝垂直最大水平应力：横向裂缝低渗气藏，横向裂缝增产显著普通垂直最大水平应力方向钻井第17页完井决议图深度、厚度、TOC、石英含量、气体含量等直井 V.S 水平井单层 V.S 多段第18页对非常规气藏非常规考虑 当渗透率低到一定程度，渗透率详细是1 nD, 10 nD还是 100 nD已不再那么主要 扩散起作用 问题在于岩层怎样

9、被压裂: 整齐大裂缝？ 零碎小裂缝？ 岩相对压力响应决定压裂裂缝网络形态第19页水力压裂 第一步：泵入“岩石酸”（普通是盐酸HCl），清理可能被钻井泥浆和水泥封堵近井地带。 第二步：压入前置液，大量滑溜水被压入地层引发地层破裂形成裂缝。 第三步：泵入含有支撑剂压裂液，首先泵入大量含有低浓度细砂支撑剂压裂液，不停增加泵入支撑剂数量和大小。 第四步：冲洗，去除设备和井壁附近支撑剂。 微震监测在压裂过程中，要连续监测裂缝生长，确保这些裂缝没有偏移出页岩储层或者延伸到邻近水域。水力压裂流程第20页南北向 (ft)0-500-1000-1500-2500-3000-1000-50005001000150

10、025003000东西向 (ft)观察井水力压21页水力压裂岩石力学特征压裂设计应力分布矿物组成钻井设计裂缝网络SRV生产 常规储层：高黏度压裂液形成二维裂缝，并使用高浓度、大颗粒支撑剂填充 页岩储层：大量低黏度压裂液和低浓度小颗粒支撑剂形成复杂三维裂缝网络，增加储层改造总体积（SRV）第22页岩石特征压裂液压裂流体体积支撑剂浓度脆性（Brittle）滑溜水高低层状（Laminated）混合物中中塑性（Ductile）线性或交联凝胶低高水力压裂 压裂液压裂液选择 欠压实地层，需要辅以二氧化碳或泡沫压裂 最近采取液化石油气（LPG）压裂效果显著压裂液选择滑溜水压裂液成份

11、第23页压裂技术技术特点适用性泡沫压裂地层伤害小、滤失低、携砂能力强水敏性、埋深浅地层凝胶压裂成本高、携砂能力较强塑性高、天然裂缝不发育地层清水压裂滑溜水压裂液、成本低、携砂能力有限脆性高、天然裂缝发育地层多级压裂分段压裂、技术成熟、应用广泛水平段较长水平井快速可钻式桥塞封隔分段压裂套管压裂、多段分簇射孔，储层伤害低美国页岩气开发主要技术多级滑套封隔分段压裂经过井口落球系统操控滑套，降低施工时间和成本、风险较高技术要求高膨胀式封隔器分段压裂遇油（水）膨胀式封隔器，满足裸眼完井分隔压裂需要裸眼完井生产井水力喷射压裂定位准确、无需机械封隔、节约时间裸眼完井生产井同时压裂相邻井同时作业、增加裂缝复杂

12、性井眼密度大、井位距离近重复压裂重新开启裂缝增产产能下降井水力压裂压裂技术对比不一样压裂技术基本原理是一样，只是实施过程、工具和材料有所差异第24页页岩气生产速率生产机制主裂缝储量微裂缝中储量解吸&扩散第25页生产机制控制产量关键原因1. 与井连通裂缝网络2. 基质中气含量第26页流动机理 双重介质模型 多尺度流动模型 三孔双渗模型双重介质三孔双渗关键：刻画吸附气、游离气在不一样尺度下运移规律与井连通裂缝网络对生产有主要意义多尺度流动模型第27页FractureMatrixFractureMatrixCacas et al., Shaul et al., Warren & Root, 1963

13、方法讨论裂缝储层数值模拟 局部网格细化 离散裂缝网络 双孔双渗模型第28页pw wgD qw mfw Swt Bw (pw wgD) qw mfw Sw t Bw f kkro So (po ogD) qo mfo t Bo(pg ggD) S(po ogD) Sg RSSo qg mfg RSmog t BgBo f mfw t Bw m mfo t Bo m Sgt Bgm kkro So (po ogD) qo mfo t Bo(pg ggD) S(po ogD) qg mfg Sg RSSo RSmog t BgBo f kkrw Sw (pw wgD) qw mfw t Bw m k

14、kro So (po ogD) qo mfo t Bo(pg ggD) S(po ogD) qg mfg Sg RSSo t Bg RSmog Bo m黑油模型双孔单渗ffkkrwBwwBoR S Boo f f kkrg R kkro Bgg f Boo f Sw So mfg RS mfo S o黑油模型双孔双渗 f kkrwBww Boo f f kkrg R kkro Bgg f Boo fBww mBoo m m kkrg R kkro Bgg m Boo m控制方程第29页w(pw wgD) qw mfw w(pw wgD) qw mfw yigpg ggD xiopo ogD y

15、igpg ggD xiopo ogD w(pw wgD) qw mfw yigpo ogD 组分模型双孔单渗组分模型双孔双渗wSwfkkrwwt fkkrootfSgyig Soxiof kkrg g xiqo yiqg yimfg ximog Swwmt mfw Sg yig Soxiomt yi mfg xi mfo wSwfkkrwwt fkkrootfSgyig Soxio f kkrg g xiqo yiqg yimfg ximog wSwmkkrwwtmkkrookkrggSgyig Soxiomt xiqo yiqg yimfg ximog mpg ggD xio控制方程第30页

16、（1）生产速率产气速率产水速率两个阶段：开采早期生产速率较高但下降很快，稳产期产量较低但能够长久保持。早期：排气降压、产水量极少,产气速率快速下降，1000天左右进入稳产期。稳产期：气水产量都趋于稳定，长久稳产。普通页岩气井可稳产30年。数值模拟第31页裂缝单元渗透率提升5倍，（10,10,10）mD基质单元渗透率提升10倍，（0.001,0.001,0.001）mD裂缝在页岩气开采中起着关键作用，影响着早期生产速率以及稳产期整体产出速率，由此可见储层压裂改造主要性。数值模拟（2）裂缝渗透率 VS 基质渗透率第32页准化 产孔隙度 (%) 标 水 量标准化浓度0 2 4 6 80 1.5 3.

17、0 4.50 20 40孔隙度 (%)产速率 (标标准化浓度 水生 准桶0 1.5 3.0 4.5/天)0 2 4 60 5 10 8实测值 值EnKF3 5 7 1009Time 块编号(Days)3 5 50 100 9块编号Stage11Stage 411*10-3(Stage 6)实测生产速率 裂缝孔隙最缝 水生产 度 孔隙01050 10050Time (Days)01 050 1007Time (Days)Time (Days)实实测值示踪剂含量气生产速率水初始集合度初始集合3集合预测0 50100 150Time(days)EnKF开始预测示踪剂含量(Stage 6)裂终集合 速

18、率最终集合*10-3 集合预测值集合预测实测值气田实例: 美国Appalachian盆地第33页环境问题 (1) 水用量：起源（咸水，回收） 单井：1至几万吨水 废水问题: 压裂返排废水(10-70%注入量) 生产废水(数千吨; 生命周期:30-40年) 化学药剂：污染（排放，治理） 水体污染: 人为排放; 作业不妥 地表水 地下水第34页环境问题 (2) 压穿地层：优化（效果，保护） 诱发地震：防止（设计） 土地覆盖: 与农业, 工业和居民用地竞争 空气质量: 甲烷, VOCs, H2S第35页美国页岩气成功开发启迪 连续技术创新带来能源革命性改变 中小能源企业为页岩气生产主体 多个专业技术分别掌握和完善各个关键关键技术 水力压裂；水平井；微震监测；水处理 美国页岩气巨大成功（页岩气革命！）是一个无心之作 一个种子撒落在肥沃土壤里！ 针对非常规油气开采，美国含有完善政策法规、相应激励办法和严格环境保护监管第36页中国页岩气开发前景 中国潜在资源