页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发.水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造.介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂.结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性.研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术.同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要.     

温度对页岩吸附解吸的敏感性研究

页岩气的赋存方式主要是吸附,使吸附在页岩储层内表面的天然气解吸出来是提高页岩气井产量的最终目标。为了使吸附在页岩储层内的天然气完全地被采出来,提出了升温加速解吸的方法来提高页岩气采收率。通过室内吸附与解吸实验,对4块页岩岩心分别进行了不同温度下的等温吸附量与解吸量测定,分析影响页岩储层吸附量与解吸量的主要因素,研究提高储层温度来加速解吸页岩储层CH4吸附量的适应性。研究结果表明,页岩的吸附能力与页岩的有机碳含量和有机成熟度密切相关,随着页岩有机碳含量以及有机成熟度的提高,页岩的吸附能力增加。不同温度的吸附与解吸实验表明,温度越高,页岩的吸附能力越低,随着温度的升高,页岩气的解吸量增大。升温可以提高页岩气的解吸时间、解吸速度以及提高页岩气最终采收率。提高页岩储层温度进行加速解吸是一种提高页岩气产量的好方法,可以对页岩气藏开采和开发理论提供一定的指导意义。     

页岩气储层研究新进展

随着页岩储层研究的不断深入,取得了一系列重要进展和认识,主要体现在对页岩储层孔隙空间类型、储层物性控制因素以及页岩气预测与评价3方面。主要的认识有:①页岩储层中的纳米孔隙及微裂缝是重要的储集空间;②矿物组成是影响储层储集性能及产能的重要因素,黏土矿物含量是影响页岩气吸附性及孔隙大小的主要因素,而脆性矿物可以有效改善储层物性并提高压裂的成功率;③有机质含量和热成熟度是影响页岩储层有机质纳米孔隙发育的关键因素;④基于页岩岩性精细划分,可以根据页岩储层岩性及岩相层段预测有利层段;⑤提出了利用层序地层学的方法对页岩储层进行研究的理念。这些成果和认识推动了页岩气储层研究的步伐,但仍存在许多科学难题尚未解决。     

昭通太阳背斜山地浅层页岩气"三维封存体系"富集成藏模式

本文系统分析了太阳地区构造断裂系统、顶底板条件、沉积岩相、优质页岩展布、源储条件及富集高产规律,提出了"多场协同多元耦合"共同作用下太阳背斜区山地浅层页岩气"三维封存体系"富集成藏赋存模式,具有5个特征:①页岩储层上覆龙马溪组一段二亚段—石牛栏组厚层致密页岩和泥灰岩,下伏临湘组—宝塔组厚层致密瘤状灰岩,具有良好的封隔层条件,形成了封存体系的顶板和底板;②压扭应力背景下形成的断裂系统属于挤压性逆冲断层、压扭性走滑断层,断层的纵向封闭性好,有效地保护了优质页岩气藏;③断层两盘页岩气层对接岩性均为致密泥灰岩和灰岩,侧向封堵性防止了页岩气泄漏点出现,使得山地浅层页岩气仍具有连续型气藏特征;④前陆盆地"水体滞留+火山灰沉降"造就了"海洋漂浮生物繁盛+缺氧强还原"深水陆棚沉积环境,形成了"富碳、高硅、低黏、高脆"的优质烃源岩储集体,构建了"规模生烃、高效吸附富集"的页岩微纳米级储集孔隙空间;⑤页岩储层具有相对小的地应力和两向水平应力差,既利于在中低泵压下的储层压裂施工作业,又具备体积压裂打碎页岩形成复杂缝网和气井获得高产的关键要素.提出了复杂构造区山地浅层页岩气"多元富集高产"的规律性认识,即:前陆盆地深水缺氧强还原环境促使了"富碳、高硅、低黏"页岩储层发育(沉积成岩控制源储特征)、持续良好的三维封闭保存体系有效保护了富有机质页岩生烃留烃富烃和超压保孔(保存条件控制天然气藏)、页岩脆性与地应力以及水平应力差决定了体积压裂改造的难易程度并影响了人造页岩气藏的构建效果(应力可压性控制人造气藏)、Ⅰ类优质页岩气储层连续厚度和地层压力系数决定了页岩气禀赋的资源储量丰度与气井高产(烃储禀赋控制单井产量).研究成果对中国南方复杂构造区海相浅层页岩气的高效勘探开发具有重要的借鉴引领和指导意义.     

页岩气开发水力压裂技术综述

世界页岩气资源丰富,但由于页岩地层渗透率很低,目前还没有广泛开发。水力压裂技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛用于页岩储层的改造。介绍了水力压裂作业的压裂设计、裂缝监测、压裂液配制和添加剂选择,以及常用的压裂技术,包括多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂。结合国外页岩气开发的实例和国内压裂技术的应用情况,分析了各种压裂技术的适用性。研究认为,清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度(厚度)大的页岩气井,可以使用多级分段清水压裂技术。同步压裂技术是规模化的页岩气开发的客观需要。     

页岩气储层测井评价有关问题的探讨

页岩气是存在于页岩中的非常规的天然气,测井是评价页岩气储层的一种不可缺少的方法.通过对煤田测井、煤层气测井、页岩气测井的比较,认为现有的测井方法能够准确定性页岩气储层及厚度.结合国内外页岩气测井实践,对页岩气储层的测井评价有关问题进行了探讨,包括页岩气储层的含气量确定,页岩层的裂缝、缝隙、孔隙度、渗透系数等,另外提出了矿物组成、脆性、力学性质、岩层产状等技术指标的测井评价方法.为了适应页岩气大规模开发,测井的定量评价的精度有待于提高,评价的方法有待于丰富.     

川东南下志留统与Appalachian泥盆系典型常压页岩气藏富集特征对比

经各国持续攻关,超压页岩气在大多国家实现了商业化开发,但常压页岩气仅美国实现了商业化开发.为了摆脱我国高天然气对外依存度的现状,应尽快实现常压页岩气的商业化开发,亟需对其富集特征展开研究,期望对勘探开发方案的制定提供指导.从川东南下志留统与Appalachian泥盆系典型常压页岩气储层的构造沉积差异演化开始,分析了储层地球化学与页岩气赋存特征差异,明确中美常压页岩气藏富集的差异性.相较于Appalachian泥盆系Marcellus页岩、Ohio页岩的较简单构造改造、富含II-III型干酪根、高含气孔隙度以及气藏远出露区,川东南下志留统五峰-龙马溪组页岩层虽富含高过熟I型干酪根,但经历多期复杂构造运动,底板较破碎、地层倾角较大,页岩气易顺层运移至破碎底板处和露头区逸散,其含气性略低于Marcellus页岩.Ohio页岩虽含气性较低、富集程度不高,但由于其埋藏浅、温压低,更易降压解吸形成工业气流.     

页岩气地质综合评价和目标优选

页岩气为烃源岩层系的油气聚集,属于源岩滞留气,以游离和吸附状态为主存在。中国页岩气资源调查和勘探开发刚刚起步,工作基础差别较大。在含油气盆地,由于有以往油气勘探开发资料,对含气页岩发育层系、有机质热演化程度、气显示等基本资料,具有一定的工作基础;在含油气盆地外以及油气勘探程度很低的沉积区,以上基础资料缺乏,仅有地表和部分固体矿产探井资料可供参照,工作基础薄弱。在不同工作基础的地区,页岩气地质综合评价所处阶段不同,主要评价指标也不同;随着工作程度的提高,资料的不断丰富,评价指标也逐步增加。页岩气地质评价以区域地质演化分析为基础,主要涉及以下几方面内容：（1）含气页岩评价。主要研究划定含气页岩层段,页岩的TOC、Ro、岩石和矿物成分,页岩分布、厚度、埋深、纵向和横向变化规律等,优选页岩气富集远景区。（2）页岩含气性和资源潜力评价。主要研究页岩的含气量、吸附能力、储集空间类型、储层物性、储层裂缝及其变化规律,预测页岩气资源潜力等。（3）页岩气开发条件和开发经济性评价。研究储层温度、流体压力、流体饱和度及流体性质,研究页岩的敏感性,页岩的岩石力学参数、区域现今应力场特征,地表条件和开发保障条件,通过试验井产量数据分析开发经济条件。综合各方面因素,优选有利开发区。     

页岩储层-超临界CO2-模拟压裂液相互作用实验研究及其环境意义

近年来,页岩气作为一种重要的非常规天然气来源,逐渐成为国内外关注的热点。当前的研究工作总体侧重于页岩气开采技术的改进与环境监测,对页岩气开采过程中水岩相互作用还少有报道。本文采用模拟实验,选取储层页岩样品,在温度90 ℃、压力10 MPa环境下,开展了CO2压裂液页岩相互作用实验研究。主要探讨页岩气开采过程中,由于常规水力压裂液以及后期超临界CO2的增注,造成的储层岩石矿物的变化以及返排液成分的变化。实验结果显示：压裂液能使岩石矿物发生溶蚀,超临界CO2的存在会进一步加剧溶蚀反应的进行,促使孔隙变大并产生更多的微孔隙,为页岩气提供更多的运移通道,有利于油气的运移。但是,存在的环境威胁不容忽视：一方面,岩石中会溶解出大量的Ca、Mg、Si元素和少量Fe、Mn等金属元素,超临界CO2、富有机质页岩以及压裂液中表面活性剂等物质在高温高压酸性环境条件下,容易生成挥发性有机物残留在地层中,极有可能沿着岩石破碎的孔隙、断裂发生迁移或泄露,从而对地下含水层造成污染;另一方面,多种成分进入高矿化度溶液体系经返排回到地表,也会增大处理返排液的难度。本文取得的实验数据和成果有助于理解页岩气储层在开采过程中可能发生的水岩相互作用过程及其潜在的环境风险。     

页岩气储层特征及测井评价方法

为准确分析页岩气储层特征及其测井评价方法,在大量国内外文献调研基础上,综合已有的地质、测井资料,详细分析了页岩气储层的矿物成分、有机质特征、物性特征和储集特征等,提出了从含气页岩识别、页岩生烃潜力评价及含气页岩储集参数评价等三方面开展页岩气测井评价工作。对页岩气储层特征及其测井评价方法进行分析总结,可为页岩气的勘探开发提供技术支持。      

页岩气开采的相关实验、模型和环境效应

页岩气是一种重要的非常规天然气资源,正在改变世界能源、经济和政治格局。渗透率是评价页岩气藏商业开采可行性的重要参数之一,由于页岩的致密性,页岩气的流动机理不同于常规气藏,因此,页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型已成为当前国际研究的热点课题之一。在对页岩气开采技术简单介绍的基础上,综述了页岩储层渗透率测试的试验和理论研究现状,分析了气体吸附对页岩渗透率的影响。阐述了页岩气流动模型的最新进展,分析了双重孔隙模型描述气体迁移的准确性,提出了描述均匀储层中页岩气解吸-扩散-渗流多级运移模型。评述了页岩气开采的温室效应和对地下水的影响,并简单介绍了适合页岩气开采的新技术即无水压裂开采技术,即采用CO2对页岩气藏分段压裂,同时将CO2埋存于废弃井中。最后,对页岩储层渗透率测试和页岩气流动模型研究的新发展以及无水压裂技术进行了展望。     

Research Progress in Shale Nanopores

With the rise of shale oil and gas exploration and great success of North American shale oil and gas development in recent years, the study of gas shale reservoir pores gets more and more attention. The pore diameters of shale reservoirs are mainly in nano-scale which are different from conventional reservoirs, and they can not be evaluated by conventional methods. On the basis of the research on the classification of shale pore types and nanopore characterization techniques, qualitative and quantitative nanopore characterization methods were classified and summarized. In addition, the advantages and disadvantages of various methods as well as application scopes were summarized. Qualitative characterization methods can obtain the morphologic information, connectivity and filling conditions of shale pores directly by focused ion beam milling scanning electron microscopy, field emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, broad ion beam scanning electron microscope, atomic force microscope and Nano-CT. Quantitative characterization methods can measure pore diameters, pore distribution and specific surface area by nitrogen adsorption experiments, carbon dioxide adsorption experiments, mercury injection experiments, small-angle neutron scattering, and nuclear magnetic resonance. The factors that control nanopore developments and the effects of nanopore on shale gas accumulation were discussed. The nanopore developments are related to total organic carbon content, clay minerals content, carbonate content and thermal maturity. Nanopores have influences on shale gas storage capacity, occurrences of shale gas and seepage mechanisms. Frontier research and development directions were proposed. In the aspect of nanopore characterization techniques of shales, the accuracy and efficiency of the experiments and three dimensional imaging technology should be improved constantly. Qualitative and quantitative characterization techniques should be combined. As to the evaluation of shale nanopore reservoirs, the factors that control nanopore developments, shale gas storing and producing and nanopores characterization and evaluation of continental heterogeneous shale are the key issues for further research.     

三江盆地下白垩统穆棱组页岩气成藏地质条件研究

采用有机地球化学分析测试、X衍射荧光分析、高压压汞、扫描电镜、低温氮气吸附等方法,对三江盆地下白垩统穆棱组暗色泥页岩页岩气成藏地质条件开展系统研究,研究结果表明穆棱组暗色泥页岩分布面积较广泛、累积厚度大、TOC含量中等,有机质主要处于成熟-过熟阶段,以Ⅱ2型干酪根为主,说明有机质已进入大量产气阶段;泥页岩中石英、长石及碳酸盐等脆性矿物含量较高;存在一定量的中孔、大孔和微裂缝,为低孔隙度、低渗透率的孔隙结构类型。据现有钻探资料,充分显示了下白垩穆棱组统暗色泥页岩较好的含气性,与美国主要页岩油气产区和中国发现的陆相页岩气层段相对比,三江盆地穆棱组各项参数达标,具有较好的页岩气勘探潜力。     

页岩气开发钻完井技术探讨

我国广泛分布着丰富的页岩气资源,开发应用远景良好。通过借鉴、转化、应用常规油气开发的成熟技术,可集成配套形成页岩气开发钻完井技术系列。水平井已成为页岩气开发的主要钻井方式,结合旋转导向、MWD/LWD、三维地震和欠平衡钻井等工艺技术的集成应用可提高开发效率。水力压裂工艺已成为页岩气开发的主要技术,随着清水压裂、重复压裂、同步压裂等技术的发展,页岩气的勘探开发更具发展潜力。     

超临界二氧化碳钻井技术

当温度和压力分别达到31．10℃、7．38 MPa及以上时,CO2成为超临界状态,超临界CO2具有类似于液体的密度,而其粘度又比空气和氮气大,可以驱动井下动力钻具旋转破岩,并携带岩屑,形成超临界CO2钻井技术。超临界CO2钻井具备破岩速度快、油气层保护好、驱替效率高等优势,对于非常规油气藏开发具有明显优势。超临界CO2钻井与连续管钻井技术相结合,应用于压力欠平衡钻井和压力衰竭地层前景广阔。介绍了超临界CO2物理特征、超临界CO2钻井技术流程及其技术优势,最后阐述了超临界CO2钻井技术的研究进展及发展趋势。     

页岩孔隙研究新进展

随着非常规油气勘探的兴起页岩孔隙研究备受重视,如何研究页岩孔隙已经成为非常规油气首要解决的问题之一,其对页岩油气勘探层位选取、资源潜力评价和油气渗流能力计算具有重要意义。对页岩微—纳米孔隙表征技术、页岩孔隙类别的划分以及页岩孔隙演化规律分别进行了综述并指出存在问题,同时结合最新研究进展对页岩孔隙研究进行展望。提出工业CT—微米CT—纳米CT/FIB系列辐射扫描方法和压汞(MICP)—氮气吸附(N2)—二氧化碳吸附(CO2)流体法是孔隙定量表征的最优方法,通过单井孔隙度测井资料与实验室测定结果建立校正图版指导储层孔隙发育段优选;页岩孔隙分类研究还应该考虑含油气性,利用原子力显微镜等工具加强孔隙含油性研究;孔隙演化规律研究应该采用模拟实验和真实剖面样品对比并结合矿物组成分析等寻找主控因素。     

Underground storage of carbon dioxide in depleted natural gas reservoirs and in useless aquifers

Depleted reservoirs of natural gas and petroleum can provide excellent traps for carbon dioxide. Deep aquifers, which are not used due to high salinity, can host larger amount of the carbon dioxide under their high formation pressure than natural gas and oir reservoirs. Small fraction of aquifers in sedimentary basins in the world are enough to host about 87 gigaton-C of carbon dioxide.

A preliminary technical and economical survey on the carbon dioxide injection system suggests that the energy requirement for carbon dioxide injection into subterranean aquifers is about 269 kWh/ton-C and that the investment and operation costs for system are 79 $/ton-C. By our preliminary cost estimation in Japan, the CO₂-emission-free electricity generation may become possible with a cost increase of 35% for natural-gas-fired power station, and of 60% for coal-fired-power station.     

雪峰隆起西缘湘张地1井牛蹄塘组页岩含气性特征及控制因素

雪峰隆起周缘是四川盆地外围页岩气勘探的重要区域,下寒武统牛蹄塘组为该区主要的页岩气层位,为深入研究页岩含气性特征,以隆起西缘湘张地1井钻井资料为基础,借助现场含气测试数据,对页岩纵向含气性进行精细描述,并以此探讨牛蹄塘组页岩气分布规律与控制因素.湘张地1井牛蹄塘组页岩气整体呈上低下高、局部富集的分布规律,受有机质含量、矿物组分、孔隙与裂缝、物性、滑脱构造等因素共同控制.下部页岩有机质和脆性矿物含量高、裂缝与孔隙较发育,气体吸附的比表面积主要由有机质孔隙提供,脆性矿物有利于孔缝的形成与保存,裂缝与孔隙的发育有效改善了储层物性,为游离气提供大量储集空间,配合存在的滑脱构造带,使下部总含气量较高,且以游离气为主,占比58%~82%,尤其底部滑脱带内吸附气含量极低,孔缝发育程度对总含气量的影响大于有机质含量,同时,孔缝分布的不均也导致气体在局部较为富集;上部页岩孔缝欠发育,有机质与脆性矿物含量均低于下部,整体含气性较差,吸附气占比略大,主要受有机质含量控制,可作为下部含气段直接有效的盖层.此外,下部页岩岩石力学脆性强、成岩作用晚、热演化程度高、抗压强度与主应力差低,具备较强的可压裂性,有利于后期改造.      

鄂西地区牛蹄塘组和陡山沱组优质页岩测井识别

以鄂西地区为例,利用钻井、测井及测试资料,开展牛蹄塘组和陡山沱组页岩岩相类型与地质属性（总有机碳含量、孔隙度、横向渗透率、脆性及孔隙类型）关系的研究.研究结果表明:鄂西地区共发育11类岩相页岩,不同岩相页岩间存在明显的地质属性差异.结合有机质页岩特征,识别出3种优质页岩类型:硅质页岩、富泥硅质页岩和混合质页岩.优质页岩含气量明显高于非优质页岩含气量,这证实了准确的优质页岩识别结果.通过对页岩测井影响因素的分析,总结出优质页岩具有高自然伽马、高电阻率、高声波时差、高铀、低密度、低钍、低钾（四高三低）的测井响应特征,从而提出适用于在鄂西高热演化区寻找具有低热演化程度,较强生烃潜力及易开发的页岩储层测井识别方法.      

The evolution of the Huangling uplift and its control on the accumulation and preservation of shale gas

There are plenty of Sinian and Cambrian potential shale gas resources in South China, which is characterized by high thermal evolution degrees, poor drilling performances and only occurs in local areas. Taking the principle “high to find low” is the key issue to achieving a breakthrough in older shale. China Geological Survey drilled in the periphery of the Proterozoic basement, i.e. the Huangling anticline, in the western Hubei, and Hannan paleocontinent in the southern Shanxi. It received high-quality gas-bearing shale with relatively low Ro in the in Lower Cambrian Niutitang formation and Sinian Doushantuo formation. Based on geological conditions of shale gas reservoirs in the Huangling anticline, this paper puts forward the new model named “Control over reservoirs by periphery of basement” about shale gas accumulation, suggesting that the shale deposited in a deepwater continental shelf in the periphery of the basement is characterized by shallow burial, a short burial time, stable tectonics, relatively low thermal evolution degrees, and shale gas reservoirs in a good condition. The shale of the Sinian-Cambrian strata deposited in deepwater continental shelves in the periphery of Chuanzhong paleo-uplift in Sichuan, Hannan paleocontinent in the southern Shanxi, Huangling anticline in western Hubei and Jiangnang-Xuefeng paleo-uplift in Hunan and Guizhou province have good shale gas exploration potential.