雷群 萬玉金 李熙喆 胡勇

中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

美國致密砂巖氣藏開發(fā)與啟示

雷群 萬玉金 李熙喆 胡勇

中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

美國是目前致密砂巖天然氣產(chǎn)量最多的國家,歷經(jīng)40年逐步形成了氣藏描述、井網(wǎng)加密、增產(chǎn)改造及鉆井完井等系列配套技術(shù),其成功的開發(fā)實踐將為我國致密砂巖氣藏開發(fā)提供寶貴的經(jīng)驗。在系統(tǒng)調(diào)研并分析美國致密砂巖氣藏儲層特征、開發(fā)特征與關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,借鑒美國致密砂巖氣田的開發(fā)經(jīng)驗,得到以下幾點啟示:①三維地震技術(shù)可以有效地提高開發(fā)井成功率;②井網(wǎng)加密可以有效提高多層、透鏡狀氣藏的采收率;③直井分層壓裂是致密氣藏開發(fā)的主體增產(chǎn)工藝技術(shù);④綜合應(yīng)用小井眼、快速鉆井、地面優(yōu)化簡化等技術(shù)來降低成本。上述分析研究結(jié)論將對我國低滲透砂巖氣藏合理開發(fā)起到積極的推動作用。

美國 致密砂巖 氣藏 開發(fā) 壓裂 增產(chǎn) 工藝 經(jīng)驗

0 引言

美國致密砂巖氣開采始于20世紀(jì)70年代,2008年致密砂巖氣產(chǎn)量達(dá)到1 757×108m3,約占美國天然氣總產(chǎn)量的30%以上。在致密砂巖氣藏開發(fā)技術(shù)等方面積累了較多成功經(jīng)驗,學(xué)習(xí)和借鑒這些寶貴經(jīng)驗,將為我國低滲透砂巖氣藏合理開發(fā)起到積極作用。

1 美國致密砂巖氣藏儲層與開發(fā)特征

資料表明:美國本土現(xiàn)有含氣盆地113個,其中發(fā)現(xiàn)具有致密砂巖氣藏的盆地23個,主要分布在西部,特別是落基山地區(qū),該地區(qū)致密砂巖儲層以白堊系和第三系的砂巖、粉砂巖為主。

1.1 致密砂巖氣藏儲層特征

1)孔隙度、滲透率均比較低,產(chǎn)氣層的滲透率都在0.01×10-3μm2以下,孔隙度一般為3%～12%。

2)透鏡狀砂體發(fā)育,橫向上連續(xù)性差。在許多含致密砂巖氣的盆地(如大綠河、皮申斯、猶因他盆地)中,致密砂巖儲層為不連續(xù)的透鏡體,在縱向上呈疊置狀。據(jù)統(tǒng)計,透鏡狀致密砂巖天然氣儲量約占致密砂巖氣總儲量的43%。

3)含水飽和度高,致密砂巖儲層的含水飽和度一般為30%～70%,通常以40%作為估算致密砂巖氣儲層的下限飽和度值。

4)裂縫較發(fā)育,天然裂縫是由天然氣生成過程中產(chǎn)生的高孔隙流體壓力和第三紀(jì)晚期的拉臘米構(gòu)造運動形成的。裂縫中有的開啟,有的為礦物充填。充填礦物主要為細(xì)?！至＝Y(jié)晶的方解石,局部為石英、重晶石、地開石等,裂縫一般不穿層。

1.2 致密砂巖氣藏開發(fā)特征

1)氣井單井產(chǎn)量低,平均單井產(chǎn)量一般在0.2× 104～1.2×104m3/d之間,只有 Pinedale、Jonah和Wilcox 3個氣田產(chǎn)量較高,平均單井產(chǎn)量在2×104～3×104m3/d之間。

2)單井可采儲量少,并呈逐年下降趨勢。單井累計采氣量一般在1 000×104～5 000×104m3,新井平均單井可采儲量由1996年的6 400×104m3降低到2005年的2 800×104m3。

3)氣井以定壓方式生產(chǎn),單井初期產(chǎn)量高,具有投資回收期短、地層能量充分利用、快速獲得動態(tài)資料等優(yōu)點,但單井遞減速度較快,早期遞減率超過40%,單井生產(chǎn)期可長40 a。

4)為了保持氣田穩(wěn)產(chǎn),采取大規(guī)模鉆井、井間接替方式,2001年新鉆井超過 5 000口,2004年超過10 000口,2006年超過13 000口。

2 美國致密砂巖氣藏開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 氣藏描述技術(shù)

對致密砂巖氣藏進(jìn)行精細(xì)描述,是有效開發(fā)這類氣藏的基礎(chǔ)。發(fā)展了以提高儲層預(yù)測和氣水識別精度為目標(biāo)的二、三維地震技術(shù)系列,主要包括構(gòu)造描述技術(shù)、波阻抗反演儲層預(yù)測技術(shù)、地震屬性技術(shù)、頻譜成像技術(shù)、三維可視化技術(shù)以及地震疊前反演技術(shù)[1]。

三維地震技術(shù)的應(yīng)用有效地提高了鉆井成功率。1990年以前,以二維地震為主體技術(shù),開發(fā)井鉆井成功率小于70%;1990年以后,氣藏描述及三維地震技術(shù)的應(yīng)用使鉆井成功率提高到85%以上。

對致密砂巖氣藏而言,尋找裂縫發(fā)育帶,對提高致密儲層天然氣的儲量、提高單井產(chǎn)量有著舉足輕重的作用,它直接關(guān)系到致密砂巖氣藏的經(jīng)濟(jì)可采性。1996年,美國ARI公司在科羅拉多皮申斯盆地Rulison致密砂巖氣田北部應(yīng)用三維地震及裂縫預(yù)測技術(shù),優(yōu)化布井,單井控制儲量由使用三維地震之前的0.51×108m3提高到0.96×108m3,億立方米天然氣儲量勘探開發(fā)成本由177萬美元降到114萬美元。

2.2 井網(wǎng)加密技術(shù)

對于多層疊置的透鏡狀氣藏,井網(wǎng)加密[2]可以大幅度提高氣藏采收率。

2.2.1 井網(wǎng)加密的技術(shù)流程

在綜合地質(zhì)研究基礎(chǔ)上,應(yīng)用試井、生產(chǎn)動態(tài)分析和數(shù)值模擬等動態(tài)描述技術(shù),確定井控儲量與供氣區(qū)形態(tài),優(yōu)化加密井網(wǎng),主要包括以下主要步驟:

1)利用生產(chǎn)動態(tài)分析技術(shù)確定單井模型,估算儲層滲透率、單井控制儲量和有效泄氣面積等。

2)做單井泄氣面積累計頻率分布曲線,統(tǒng)計分析單井泄氣面積分布情況,依據(jù)目前井控條件與泄氣面積的匹配關(guān)系,分析加密井的潛力。

3)依據(jù)單井控制儲量與泄氣面積的關(guān)系,估算加密后新增可采儲量,評價加密的可行性。

4)地質(zhì)評價與動態(tài)描述相結(jié)合,確定加密井位,實施井網(wǎng)加密。

5)依據(jù)獲得的靜、動態(tài)資料,評價井網(wǎng)加密效果,評估是否具有進(jìn)一步加密的潛力。

2.2.2 井網(wǎng)加密條件和時機(jī)

井網(wǎng)加密條件:一是井間基本無干擾;二是有效泄氣面積小于目前井網(wǎng)控制面積。

對于多層疊置的透鏡狀砂巖氣藏,只要具有足夠多的靜、動態(tài)信息,認(rèn)清氣藏分布規(guī)律、單井控制儲量和有效泄氣面積,具有加密條件就可以進(jìn)行井網(wǎng)加密。

2.2.3 應(yīng)用實例

Rulison氣田主要產(chǎn)層是晚白堊世 Mesaverde Group,埋藏深度在1 100～1 600 m,屬于典型的透鏡狀致密砂巖氣藏。透鏡體厚6～18 m、寬150～450 m,砂體平面連通性差;儲層孔隙度介于6%～12%、滲透率介于0.005×10-3～0.03×10-3μm2,根據(jù) RM T統(tǒng)計表明 Rulison氣田William s Forks氣藏儲量豐度為14.7×108m3/km2。當(dāng)井網(wǎng)密度為0.65 km2/井時,采收率介于5%～6%。

2.2.3.1 地質(zhì)評價

對透鏡狀砂巖露頭研究表明,相距304.8 m時,除了少量連續(xù)性好的砂體外,大部分砂體均不連通。鉆井成果表明,當(dāng)井距接近335.28 m時,極少存在井間干擾。

對W illiam s Fo rk透鏡狀砂體上的3口距離很近的井進(jìn)行多井試驗,結(jié)果表明井與井之間的測井相關(guān)性較差。綜合考慮低滲、滲透率各向異性和幾何形狀等因素進(jìn)行氣藏模擬研究,結(jié)果表明該儲層砂體縱向分布好于平面分布,平面連通性差,氣井的泄氣面積有限。因此,通過井網(wǎng)加密和多層完井技術(shù)促進(jìn)了該類氣藏的規(guī)模有效開發(fā)。

2.2.3.2 動態(tài)分析

在Rulison氣田加密鉆井的最初階段,對新井井底壓力測試結(jié)果與周邊高產(chǎn)量老井進(jìn)行了對比,結(jié)果表明基本上沒有連通性。1994～1996年分別進(jìn)行了井網(wǎng)密度為0.32 km2/井、0.16 km2/井和0.08 km2/井時的井底壓力恢復(fù)測試,測試結(jié)果表明井間基本上沒有壓力傳導(dǎo)。

2.2.3.3 確定井網(wǎng)密度

選取氣田不同位置的、具有代表性的氣井,進(jìn)行了氣井?dāng)?shù)值模擬歷史擬合及預(yù)測。預(yù)測結(jié)果顯示,氣藏在生產(chǎn)20 a后,氣井的單井累積產(chǎn)量平均0.51×108m3,泄氣面積平均為0.05 km2。氣藏數(shù)值模擬和生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明在傳統(tǒng)井網(wǎng)密度0.65 km2/井時,氣田的采收率僅為7%,當(dāng)井網(wǎng)密度為0.16 km2/井時,采收率將升至21%?？紤]滲透率、非均質(zhì)性、沉積方向等因素進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:泄氣面積將傾向東西方向,同時砂體的展布是長方形的,而不是正方形。

2.2.3.4 技術(shù)驗證

Williams Forks氣藏早期井網(wǎng)密度為0.65 km2/井,甚至更大。1994年向科羅拉多油氣委員會提出了0.32 km2/井的井網(wǎng)加密請求,并首次實施井網(wǎng)加密。之后又申請以井網(wǎng)密度0.16 km2/井進(jìn)行開采。在1996年,鉆4口井進(jìn)行0.08 km2/井的試驗,效果很好,加密鉆井方法得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用(表1)。1998～2000年期間,在試驗區(qū)又加密了12口井,使得試驗區(qū)(2.59 km2)的井?dāng)?shù)達(dá)到30口(有效井網(wǎng)密度為0.08 km2/井),這些氣井的初期產(chǎn)量為2.83×104～5.7×104m3/ d,預(yù)計單井最終累計產(chǎn)量為0.4×108～0.7×108m3。

針對井網(wǎng)加密過程生產(chǎn)動態(tài)分析如下。

1)隨著井網(wǎng)密度的增加,每口井的可采儲量保持相對比較穩(wěn)定;對William s Fo rks砂巖氣藏,當(dāng)井網(wǎng)密度為0.08 km2/井時,2.59 km2試驗區(qū)的可采儲量為14.14×108～16.98×108m3。井底壓力測試結(jié)果表明:在72個砂巖測試層中,其中只有4口井3個層存在井間干擾,即壓力部分衰竭。

2)從2001年末到2003年初,加鉆了10口井,使總井?dāng)?shù)達(dá)到40口,井網(wǎng)密度只有0.04 km2/井。初步分析表明:大部分井的初始產(chǎn)量為2.83×104～5.67 ×104m3/d,比之前井網(wǎng)密度為0.08 km2/井和0.16 km2/井的井更有優(yōu)勢。根據(jù)1年的生產(chǎn)數(shù)據(jù),預(yù)計平均單井累計產(chǎn)氣可達(dá)0.57×108m3。在對近期鉆的井網(wǎng)密度為0.08 km2/井的加密井壓力測試中,發(fā)現(xiàn)98個獨立砂巖體測試中的6個有氣藏壓力部分衰竭現(xiàn)象。如果64口井全部投產(chǎn),預(yù)計該區(qū)域累計產(chǎn)氣量大于31.71×108m3(表1)。根據(jù)預(yù)測,試驗區(qū)域的采收率將達(dá)到75%,而0.65 km2的井網(wǎng)密度的采收率僅為10%。

2.3 增產(chǎn)工藝技術(shù)

增產(chǎn)工藝技術(shù)主要包括層狀砂巖氣藏分層壓裂技術(shù)[3]、塊狀砂巖氣藏大型壓裂和水平井分段改造技術(shù)等。

2.3.1 分層壓裂技術(shù)

分層壓裂的目的主要是提高縱向上的小層動用程度。分層壓裂的主要技術(shù)方法包括連續(xù)油管分層壓裂、封隔器分層壓裂等。

分層壓裂時著重考慮的因素主要有層數(shù)、隔層厚度及各層應(yīng)力差。國外直井分壓技術(shù)以連續(xù)油管加跨隔式封隔器分壓技術(shù)為主,單井可連續(xù)分壓10～20層,一次排液。在Jonah氣田運用連續(xù)油管壓裂技術(shù),能夠在36 h內(nèi)完成11級水力壓裂施工,將施工時間由5周縮短至4 d,同時產(chǎn)量增加90%以上。

2.3.2 大型壓裂技術(shù)

自20世紀(jì)80年代以來,以美國Wattenberg氣田壓裂技術(shù)研究與應(yīng)用為基礎(chǔ),提出大型壓裂概念,通常要求支撐半縫長大于300 m,加砂規(guī)模大于100 m3被認(rèn)為是大型壓裂。一般具有以下特點的儲層適宜大型壓裂:氣測滲透率小于0.1×10-3μm2,砂層厚度一般為20 m以上,且平面上分布穩(wěn)定,人工裂縫方位與有利砂體展布方向一致。

美國 Wattenberg氣田,儲層埋深2 316～2 560 m,砂層厚度15～30 m,滲透率0.005×10-3～0.05× 10-3μm2。一般加砂量90～150 m3,最大255 m3,壓后縫長400～600 m,壓后穩(wěn)產(chǎn)2.0×104～3.5×104m3/d,最大5.2×104m3/d。

2.3.3 水平井分段壓裂技術(shù)

水平井分段壓裂可以對水平層段進(jìn)行選擇性改造,提高水平段整體滲流能力。水平井分段壓裂技術(shù)及特點:多級封隔器壓裂,通常壓后不動管柱;水力噴射壓裂,氣井壓裂需考慮帶壓作業(yè)問題;限流壓裂,射孔優(yōu)化要求高、排量大;機(jī)械橋塞分段壓裂適應(yīng)套管完井,作業(yè)成本較高。截止到2006年,國外已有1 000多口井采用水力噴射改造技術(shù)。

2.4 鉆采工藝技術(shù)

對于致密砂巖氣藏,低成本的鉆采工藝技術(shù)主要是小井眼井技術(shù)和欠平衡鉆井技術(shù)等。

小井眼是指完井井眼尺寸小于152.4 mm,或全井60%以上井眼尺寸為152.4 mm。小井眼技術(shù)[4-5]的優(yōu)點主要體現(xiàn)在井場占地面積小,鉆井設(shè)備輕,工作量少,只需常規(guī)鉆井三分之一的工作人員,鉆井費用低,井場各項費用減少60%,節(jié)約鉆井成本15%～40%,在低滲透、特低滲透氣藏,水平井、分支井、深井最大垂直井深超過6 000 m的區(qū)域適合進(jìn)行小井眼鉆井。近十幾年來,隨著油氣生產(chǎn)費用的攀升,以及石油工程領(lǐng)域不斷向邊遠(yuǎn)地區(qū)擴(kuò)展和鉆井工藝技術(shù)水平的提高,鉆小井眼井開采油氣的優(yōu)越性更為凸顯,目前,世界上已鉆成小井眼井上萬口,國外已開始用連續(xù)管鉆小井眼。

欠平衡鉆井是在鉆井過程中井筒流體有效壓力低于地層壓力,允許地層流體進(jìn)入井筒,并可將其循環(huán)到地面可控的鉆井技術(shù),該技術(shù)有利于儲層保護(hù)和大幅度提高機(jī)械鉆速,在致密砂巖氣藏鉆井中得到廣泛應(yīng)用,美國欠平衡鉆井占總鉆井?dāng)?shù)的比例已達(dá)到30%。

3 幾點啟示

通過分析美國致密砂巖氣藏地質(zhì)開發(fā)特征和關(guān)鍵技術(shù),得到以下幾點啟示:

1)三維地震勘探有助于準(zhǔn)確認(rèn)識復(fù)雜構(gòu)造、儲層的非均質(zhì)性和裂縫,可有效提高開發(fā)井成功率。

2)井網(wǎng)加密技術(shù)能夠有效提高多層、透鏡狀氣藏的采收率,井網(wǎng)密度和加密時機(jī)的確定需要充分利用動、靜態(tài)資料,并考慮經(jīng)濟(jì)因素。

3)直井壓裂是致密氣藏開發(fā)的主體技術(shù),工藝技術(shù)要適應(yīng)地質(zhì)條件,對于裂縫發(fā)育的層狀氣藏可以探索應(yīng)用水平井。

4)致密氣藏開發(fā)通過應(yīng)用小井眼、快速鉆井、地面優(yōu)化簡化等技術(shù)來降低成本。

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A study on the developmen t of tight gas reservoirs in the USA

Lei Qun,Wan Yujin,Li Xizhe,Hu Yong
(L angfang B ranch,PetroChina Petroleum Ex p loration and Development Research Institute,Langfang,Hebei 065007,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 1,pp.45-48,1/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The USA is one of the largest p roducersof tight sand gas in the wo rld.In the last four decades,an integrated technology has been established,w hich includes gas reservoir descrip tion,well pattern thickening,stimulation,drilling and completion,etc.Its successful development p ractices p rovide valuable experiences for China to develop tight sand gas reservoirs.Based on the in-dep th investigation into the reservoir characteristics,the development features and key technologies of tight sand gas reservoirs in the USA,several pointsof enlightenment have been achieved:a.Three-dimensional seismic technology can effectively imp rove the success rateof developmentwells;b.Well pattern thickening can effectively enhance the recovery ofmulti-layer and lenticular gas reservoirs;c.Separate layer fracturing in vertical wells is one of themain stimulations of tight sand gas reservoir development;d.Slim hole,quick drilling,simp lification and op timization of surface facilities are the key methods to reduce the cost.These experiences w ill p lay a positive role in the development of low-permeability sandstone gas reservoirs in China.

USA,tight sand,gas reservoir development,fracture,stimulation,technology,experience

雷群,1963年生,教授級高級工程師,中國石油天然氣股份有限公司高級技術(shù)專家,博士生導(dǎo)師;從事油氣田開發(fā)研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市萬莊44號信箱。電話:(010)69213526。E-mail:leiqun@petrochina.com.cn

雷群等.美國致密砂巖氣藏開發(fā)與啟示.天然氣工業(yè),2010,30(1):45-48.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.01.012

2009-05-27 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.001.012

Lei Qun,p rofesso r of senior engineer,was born in 1963.He is a docto ral tutor and one of advanced experts fo r the CNPC.He is mainly engaged in oil and gas development research.

Add:Mail Box 44,Wanzhuang,Langfang,Hebei065007,P.R.China

Tel:+86-10-6921 3526E-mail:leiqun@petrochina.com.cn