煤层气藏与页岩气藏

2010-10-13编译冯利娟朱卫平刘川庆西南石油大学

石油石化节能 2010年5期

关键词：气藏气量煤层气

编译:冯利娟朱卫平刘川庆 (西南石油大学)

审校:郭大立 (西南石油大学)

煤层气藏与页岩气藏

编译:冯利娟朱卫平刘川庆 (西南石油大学)

审校:郭大立 (西南石油大学)

介绍了煤层气藏和页岩气藏形成的基本原理,以及用于评价煤层气藏和页岩气藏的关键数据及其获取方法。概述了这些气藏的钻井、完井及开采过程。在煤层气藏中,天然气地层储量绝大部分被认为是吸附气;页岩气则是吸附气和游离气的混合体,其普遍依赖于水力压裂来连接井筒与天然裂缝。煤层气藏与页岩气藏都具有强烈的非均质性,两种气体将在世界能源供给中占有越来越重要的地位。

气藏煤层气页岩气割理钻井完井

1 引言

美国每年的煤层气藏和页岩气藏的天然气产量约为2.7×1012ft3(1 ft3=28.317 dm3),约占总天然气产量的15%,其中大约有1.7×1012ft3产气量产自20多个不同盆地中的40 000多口煤层气井,剩下的1.0×1012ft3产气量则来自于5大主要盆地中的页岩气藏的40 000口井。

澳大利亚、加拿大、中国以及印度已经有了开采煤层气的商业方案,40多个国家已经开始研究煤层气的潜能。除美国外,现今还没有商业页岩气项目,但开发新的页岩气藏与增加现有气藏中页岩气产量的工作仍在继续。假设全世界的煤层气超过9 000×1012ft3而页岩气超过16 000×1012ft3的话,那么很明显,未来天然气的增长存在着巨大的潜能。

2 气藏基本原理

在煤层气藏中,控制产气量的重要参数包括煤层厚度、煤的成分、含气量、气体成分。煤层气产量主要取决于渗透率和气体饱和度。页岩气藏中的资源储量和产量的控制与煤层气藏中的情况类似。但典型的页岩气藏比较厚 (30～300 ft),不过吸附气量要低一些 (＜10 m3/t),且孔隙中含有比较多的游离气。另外,页岩气藏的渗透率通常比煤层气藏的低,变化范围一般在毫微达西至微达西之间。在如此低的渗透率下,为了得到有工业价值的气体流率,要经常打开一长的完井层段 (渗透率-厚度比值最大),且需要进行水力压裂。表1给出评估这些气藏的重要数据。

表1 用于评价煤层气藏和页岩气藏的关键数据

3 钻井、完井与开采方法

随着井底技术的提高及成本费用的减少,水平钻井已经成为了非常有吸引力的备选方案。从水平井筒钻出多水平井段,形状类似于一片叶子上的叶脉。在页岩气藏中水平和多边技术的应用发展很大,尤其是在Barnett页岩气藏中,90%的新井都是水平井。

在煤层气藏中使用各种各样的压裂增产技术。在美国新墨西哥州的Raton盆地,使用砂子作为压裂支撑剂的凝胶液,在薄的单一的煤层中实施多套管井、挠性管压裂增产技术。在美国怀俄明州Powder River盆地煤层渗透率高的井都是裸眼井,煤与水一起以5 bbl/min(1 bbl=0.159 m3)的速度冲刷煤粉,开启割理系统,并且有效地把井眼与气藏连接在了一起。总之,无论是下套管井还是射孔井,单层或者是多层水力压裂都是煤层气井最常用的完井形式。

页岩气藏基本上依赖于水力压裂来连接井筒与天然裂缝。尽管已经在美国的伊利诺斯州盆地的New Albany页岩尝试过一些裸眼水平井,但大多数的页岩气藏水平井都是沿着水平断层的长度进行泵压多级处理的下套管井、胶结井及射孔井。为了实时监控这些作业及调整压裂增产泵注计划,使用了包括测斜仪及微地震在内的新技术。为了防止裂缝增长到底层的 Ellenburge群湿岩中去,这些技术在Barnett页岩气藏中尤为重要。

大多数煤层气藏与一些页岩气藏 (如美国密执安盆地的Antrim页岩气藏)是水饱和的气藏,初始产量由水和少量的气所控制。由于天然裂缝系统产水,气藏压力下降,气就从基岩中解吸,并且产气量随着产水量的降低而增加。在以一个由气藏关键参数 (尤其是渗透率)与邻井的干扰效应控制的速度下降之前,产气量最终会达到一个峰值或者过段时间后趋于平稳状态。相反,干煤气藏和页岩气藏像常规气藏一样,具有一个初始峰值产量,后来由于解吸气体再次充满整个天然裂缝系统而产量慢慢地下降。

表2 选自具有商业价值的煤层天然气方案中的储性对比

表3 选自美国具有商业价值的页岩天然气方案中的储性对比 [修改自Curtis(2000)]

4 资源与储量

准确地测定煤层气和页岩气的地质储量是一项困难且耗时的过程,这是因为这些气藏的非均质性及其不确定性数据所致。在煤层气藏中,天然气地层储量的绝大部分被认为是吸附气。地质储量(m3)是由煤层厚度 (m)、面积区域 (m2)、密度(t/m3)以及气体含量 (m3/t)决定的。为了测定煤层厚度,经常采用保守的密度界限值 1.75 g/cm3,但为了收集到与煤层共存的页岩气藏蕴气性,该值应该增加到2.5 g/cm3。利用密度测井或岩心测量可以估算出原储层煤层密度。传统的气体含量测量都是在实验室中通过煤样解吸得到,然后再根据气体的逸散和滞留对这些值进行校正。近来引入井底激光光谱法来测量储层煤的吸附气量。

在页岩气藏开发中,需要测定吸附气的组成(使用与煤层气相同的技术)和游离气的组成。游离气的总量可以通过常规测井数据获得,但是该方法由于基岩孔隙度低、束缚水含量大、过渡带可能很长等原因而变得复杂。岩心测量,尤其是孔隙度和排泄毛细管压力对于估计基岩的储藏特性非常重要。裂缝孔隙度对于储气量也非常重要,尽管它通常都比较低 (不足储层总容积的2%),但对于低基岩孔隙度的页岩气藏,裂缝孔隙度却能影响其10%或更多的储存容量。

数值模拟是一种强明力的手段,它通过估算油气藏重要参数变化的影响并结合独特的组分 (如定向渗透率、游离气和吸附气)来评价各种各样的开发策略 (包括井距、井网及压裂措施设计),结合岩心、测井、试井数据来量化描述气井动态。一旦建立,模型就能随着产量、气藏静态压力以及井底生产压力而更新,从而更好地理解和预测未来气井动态。

当气藏进行排水后,或者根本不需要排水,生产动态和储量能够通过常规技术,如物质平衡及递减曲线分析方法,进行估测。在这些气藏中对储量最大化开发的一个重要因素就是最小废弃压力。吸附气藏的储存特性决定了大量的气体在低的气藏压力下即可解吸。图1表明,对于煤层的不同成熟度,如果平均气藏压力从100降到50 psia(1 psi =6.895 kPa),与从200降至150 psia的50 psia相比,更多的气体解吸出来。

5 评估策略与商业前景

评估煤层和页岩气藏储量是确定最具前景的区域以及对其进行评价和开发的有效方法。成功的方案有许多共同点,其中包括获得技术、天然气市场、密集的气藏资源以及有利的储层特性 (表2和表3)。

图1 表明不同成熟度煤层甲烷吸附能力变化的Langmuir等温线

分析一个新区域的第一步是在对常规井、地质学和地球物理调查中搜集现有的信息。一个重要的却经常被忽略的是信息源,它包括井下图、煤层特性以及钻取岩心孔的数据。这些数据可通过分析热成熟度、有机物富集程度、厚度、深度来辨别是煤层还是页岩层。广泛地布置并钻探垂直评价井,以确定含气量、气体饱和度、有机物特性以及渗透率。钻探足够量的评价井对于量化气藏特性是非常必要的,尤其是渗透率,即使是近井之间,也可能在几个数量级之间变化。

如果评价井的特性令人鼓舞,那么就可以继续一些其他的选项,包括评价井布井。如果该气藏没必要排水,那么就可能产出可观的气体;或钻水平井或钻多分支井来迅速排水以便产气。

并不是所有的煤层气藏都要进行多井测试试验。一些气藏刚开始就能用水平井开发,如由厚的、浅层的连续煤层组成的美国阿巴拉契亚山脉盆地气藏。对于低挥发气藏的煤层,如加拿大阿尔伯塔的 Horseshoe Canyon煤层气藏,不要求排水,只在评价井产气率的基础上就能进行开发。这一开发现象也同样适用于巴尼特、俄亥俄州以及Lewis页岩气藏。

无论需不需要试验井,评估煤层气和页岩气藏的含气远景是一项多阶段的活动,需要全面的策略及退出标准。许多公司当初放弃了现今非常有商业价值的方案,就是因为它们那时没有进行一个全面的评估或者缺乏持续投资的毅力。一旦一个方案具有商业价值时,对于公司而言就要考虑成本最小化。

6 煤层天然气与页岩天然气方案调查

美国San Juan盆地的Fruitland煤层气藏位于新墨西哥州的西北部、科罗拉多州的东南部,是世界上最大煤层气藏之一。它形成于白垩纪,其产量超过2.5 109ft3/d,占美国总产量的60%。该盆地划分为两个不同的区域:“富产区”和“非富产区”。富产区仅占整个产气区域的大约15%,尽管其产量超过该盆地的总产气量的75%。煤层气藏在富产区的最深处,不仅具有最大的渗透率 (20～100 mD,1 mD=1.02×10-3μm2)而且还是超压气藏。富产区外,一般是低渗透率 (1～30 mD)的薄煤层 (20～40 ft),处正常或负压的环境。

富产区内,超过90%的井是通过空穴技术完井的。该技术是在上部下套管的裸眼井中交替使压力升高然后突然急速降压来完井的。该过程使煤层破坏,增大了裸眼孔,而且还增加了渗透率的环形区域,这都增加了产气量。除富产区外,通常使用常规水力压裂。富集区产量是 6 MMscf/d(1 MMscf/d=2.832×104m3/d),据报道其峰值产量超过25 MMscf/d。非富集区的产量是100×103ft3/d至400×103ft3/d。