美国致密砂岩气藏开发与启示

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美国致密砂岩气藏开发与启示

雷群　万玉金　李熙喆　胡勇

中国石油勘探开发研究院廊坊分院

　　雷群等．美国致密砂岩气藏开发与启示．天然气工业，２０１０，３０（１）：４５‐４８．

　　摘　要　美国是目前致密砂岩天然气产量最多的国家，历经４０年逐步形成了气藏描述、井网加密、增产改造及钻井完井等系列配套技术，其成功的开发实践将为我国致密砂岩气藏开发提供宝贵的经验。在系统调研并分析美国致密砂岩气藏储层特征、开发特征与关键技术的基础上，借鉴美国致密砂岩气田的开发经验，得到以下几点启示：①三维地震技术可以有效地提高开发井成功率；②井网加密可以有效提高多层、透镜状气藏的采收率；③直井分层压裂是致密气藏开发的主体增产工艺技术；④综合应用小井眼、快速钻井、地面优化简化等技术来降低成本。上述分析研究结论将对我国低渗透砂岩气藏合理开发起到积极的推动作用。

　　关键词　美国　致密砂岩　气藏　开发　压裂　增产　工艺　经验　　ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００‐０９７６．２０１０．０１．０１２

０　引言

年致密砂岩气产量达到１７５７×１０ｍ，约占美国天然

８

３

　　美国致密砂岩气开采始于２０世纪７０年代，２００８

气总产量的３０％以上。在致密砂岩气藏开发技术等方面积累了较多成功经验，学习和借鉴这些宝贵经验，将为我国低渗透砂岩气藏合理开发起到积极作用。

般为３０％～７０％，通常以４０％作为估算致密砂岩气储层的下限饱和度值。　　４）裂缝较发育，天然裂缝是由天然气生成过程中产生的高孔隙流体压力和第三纪晚期的拉腊米构造运动形成的。裂缝中有的开启，有的为矿物充填。充填矿物主要为细粒—粗粒结晶的方解石，局部为石英、重晶石、地开石等，裂缝一般不穿层。１．２　致密砂岩气藏开发特征

１０～１．２×１０ｍ／ｄ之间，只有Ｐｉｎｅｄａｌｅ、Ｊｏｎａｈ和

４

４

３

１　美国致密砂岩气藏储层与开发特征

　　资料表明：美国本土现有含气盆地１１３个，其中发现具有致密砂岩气藏的盆地２３个，主要分布在西部，特别是落基山地区，该地区致密砂岩储层以白垩系和

第三系的砂岩、粉砂岩为主。１．１　致密砂岩气藏储层特征

０．０１×１０μｍ以下，孔隙度一般为３％～１２％。　　２）透镜状砂体发育，横向上连续性差。在许多含

－３

２

　　１）气井单井产量低，平均单井产量一般在０．２×

４

３×１０ｍ／ｄ之间。

４

３

Ｗｉｌｃｏｘ３个气田产量较高，平均单井产量在２×１０～

　　１）孔隙度、渗透率均比较低，产气层的渗透率都在

　　２）单井可采储量少，并呈逐年下降趋势。单井累

４４３

计采气量一般在１０００×１０～５０００×１０ｍ，新井平均单井可采储量由１９９６年的６４００×１０ｍ降低到

４

３

４

３

２００５年的２８００×１０ｍ。

致密砂岩气的盆地（如大绿河、皮申斯、犹因他盆地）中，致密砂岩储层为不连续的透镜体，在纵向上呈叠置

状。据统计，透镜状致密砂岩天然气储量约占致密砂岩气总储量的４３％。

　　３）含水饱和度高，致密砂岩储层的含水饱和度一

　　３）气井以定压方式生产，单井初期产量高，具有投

资回收期短、地层能量充分利用、快速获得动态资料等优点，但单井递减速度较快，早期递减率超过４０％，单井生产期可长４０ａ。

　　４）为了保持气田稳产，采取大规模钻井、井间接替方式，２００１年新钻井超过５０００口，２００４年超过

　　作者简介：雷群，１９６３年生，教授级高级工程师，中国石油天然气股份有限公司高级技术专家，博士生导师；从事油气田开发研究工作。地址：（０６５００７）河北省廊坊市万庄４４号信箱。电话：（０１０）６９２１３５２６。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｌｅｉｑｕｎ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｍ．ｃｎ

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１００００口，２００６年超过１３０００口。和有效泄气面积，具有加密条件就可以进行井网加密。２．２．３　应用实例

　　Ｒｕｌｉｓｏｎ气田主要产层是晚白垩世ＭｅｓａｖｅｒｄｅＧｒｏｕｐ，埋藏深度在１１００～１６００ｍ，属于典型的透镜状致密砂岩气藏。透镜体厚６～１８ｍ、宽１５０～４５０ｍ，砂体平面连通性差；储层孔隙度介于６％～１２％、渗

－３

－３

２

２　美国致密砂岩气藏开发的关键技术

２．１　气藏描述技术

　　对致密砂岩气藏进行精细描述，是有效开发这类气藏的基础。发展了以提高储层预测和气水识别精度为目标的二、三维地震技术系列，主要包括构造描述技术、波阻抗反演储层预测技术、地震属性技术、频谱成

［１］

像技术、三维可视化技术以及地震叠前反演技术。透率介于０．００５×１０～０．０３×１０μｍ，根据ＲＭＴ

统计表明Ｒｕｌｉｓｏｎ气田ＷｉｌｌｉａｍｓＦｏｒｋｓ气藏储量丰度

８３２２

为１４．７×１０ｍ／ｋｍ。当井网密度为０．６５ｋｍ／井　　三维地震技术的应用有效地提高了钻井成功率。１９９０年以前，以二维地震为主体技术，开发井钻井成功率小于７０％；１９９０年以后，气藏描述及三维地震技术的应用使钻井成功率提高到８５％以上。　　对致密砂岩气藏而言，寻找裂缝发育带，对提高致密储层天然气的储量、提高单井产量有着举足轻重的作用，它直接关系到致密砂岩气藏的经济可采性。１９９６年，美国ＡＲＩ公司在科罗拉多皮申斯盆地Ｒｕｌｉ‐ｓｏｎ术，优化布井致密砂岩气田北部应用三维地震及裂缝预测技ｍ，单井控制储量由使用三维地震之前的

０．５１×１０８３提高到０．９６×１０８ｍ３

，亿立方米天然气储量勘探开发成本由２．２　井网加密技术

１７７万美元降到１１４万美元。　　对于多层叠置的透镜状气藏，井网加密［２］

可以大幅度提高气藏采收率。２．２．１　井网加密的技术流程　　在综合地质研究基础上，应用试井、生产动态分析和数值模拟等动态描述技术，确定井控储量与供气区形态，优化加密井网，主要包括以下主要步骤：　　１）利用生产动态分析技术确定单井模型，估算储层渗透率、单井控制储量和有效泄气面积等。　　２）做单井泄气面积累计频率分布曲线，统计分析单井泄气面积分布情况，依据目前井控条件与泄气面积的匹配关系，分析加密井的潜力。

　　３）依据单井控制储量与泄气面积的关系，估算加密后新增可采储量，评价加密的可行性。　　４）地质评价与动态描述相结合，确定加密井位，实施井网加密。

　　５）依据获得的静、动态资料，评价井网加密效果，评估是否具有进一步加密的潜力。２．２．２　井网加密条件和时机　　井网加密条件：一是井间基本无干扰；二是有效泄气面积小于目前井网控制面积。

　　对于多层叠置的透镜状砂岩气藏，只要具有足够多的静、动态信息，认清气藏分布规律、单井控制储量

时，采收率介于５％～６％。２．２．３．１　地质评价

　　对透镜状砂岩露头研究表明，相距３０４．８ｍ时，除了少量连续性好的砂体外，大部分砂体均不连通。钻井成果表明，当井距接近３３５．２８ｍ时，极少存在井间干扰。

　　对ＷｉｌｌｉａｍｓＦｏｒｋ透镜状砂体上的３口距离很近的井进行多井试验，结果表明井与井之间的测井相关性较差。综合考虑低渗、渗透率各向异性和几何形状等因素进行气藏模拟研究，结果表明该储层砂体纵向分布好于平面分布，平面连通性差，气井的泄气面积有限。因此，通过井网加密和多层完井技术促进了该类气藏的规模有效开发。２．２．３．２　动态分析

　　在Ｒｕｌｉｓｏｎ气田加密钻井的最初阶段，对新井井底压力测试结果与周边高产量老井进行了对比，结果表明基本上没有连通性。１９９４～１９９６年分别进行了

井网密度为０．３２ｋｍ２／井、０．１６ｋｍ２／井和０．０８ｋｍ２

／井时的井底压力恢复测试，测试结果表明井间基本上没有压力传导。２．２．３．３　确定井网密度　　选取气田不同位置的、具有代表性的气井，进行了气井数值模拟历史拟合及预测。预测结果显示，气藏

在生产ｍ２０ａ后，气井的单井累积产量平均０．５１×１０８

３，泄气面积平均为０．０５ｋｍ２。气藏数值模拟和生产

数据表明在传统井网密度０．６５ｋｍ２

／井时，气田的采

收率仅为７％，当井网密度为０．１６ｋｍ２

／井时，采收率将升至２１％。考虑渗透率、非均质性、沉积方向等因素进行数值模拟，结果表明：泄气面积将倾向东西方向，同时砂体的展布是长方形的，而不是正方形。２．２．３．４　技术验证

　　ＷｉｌｌｉａｍｓＦｏｒｋｓ气藏早期井网密度为０．６５ｋｍ２

／井，甚至更大。１９９４年向科罗拉多油气委员会提出了

０．３２ｋｍ２

／井的井网加密请求，并首次实施井网加密。

之后又申请以井网密度０．１６ｋｍ２

／井进行开采。在

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１９９６年，钻４口井进行０．０８ｋｍ／井的试验，效果很好，加密钻井方法得到进一步推广应用（表１）。１９９８～２０００年期间，在试验区又加密了１２口井，使得试验区（２．５９ｋｍ２）的井数达到３０口（有效井网密度为０．０８ｋｍ２／井），这些气井的初期产量为２．８３×１０～５．７×１０ｍ／

４

４

３

２

度。分层压裂的主要技术方法包括连续油管分层压裂、封隔器分层压裂等。

　　分层压裂时着重考虑的因素主要有层数、隔层厚度及各层应力差。国外直井分压技术以连续油管加跨隔式封隔器分压技术为主，单井可连续分压１０～２０层，一次排液。在Ｊｏｎａｈ气田运用连续油管压裂技术，能够在３６ｈ内完成１１级水力压裂施工，将施工时间ｄ，预计单井最终累计产量为０．４×１０～０．７×１０ｍ。

８

８

３

表１　Ｒｕｌｉｓｏｎ气田井网加密过程一览表时　间

井数／

井网密度口

／

单井平均试验区

２・井－１

采气量／总采气量／

８３８３

　　针对井网加密过程生产动态分析如下。

　　１）随着井网密度的增加，每口井的可采储量保持相对比较稳定；对ＷｉｌｌｉａｍｓＦｏｒｋｓ砂岩气藏，当井网密度为０．０８ｋｍ２／井时，２．５９ｋｍ２试验区的可采储量为１４．１４×１０８

～１６．９８×１０８

明：在７２个砂岩测试层中ｍ３

。井底压力测试结果表

，其中只有４口井３个层存在井间干扰，即压力部分衰竭。

　　２）从２００１年末到２００３年初，加钻了１０口井，使总井数达到４０口，井网密度只有０．０４ｋｍ２

／井。初步分析表明：大部分井的初始产量为２．８３×１０４～５．６７×１０４

３

２

／井和０．１６

ｋｍ２

／井的井更有优势ｍ／ｄ，比之前井网密度为０．０８ｋｍ。根据１年的生产数据，预计平

均单井累计产气可达０．５７×１０８

３

２

／井的加密井压力测试中ｍ。在对近期钻的井网密度为０．０８ｋｍ，发现９８个独立砂岩体测试中的６个有气藏压力部分衰竭现象。如果６４口井全部投产，预计该区域累计产气量大

于３１．７１×１０８

ｍ３

（表１）。根据预测，试验区域的采收率将达到７５％，而０．６５ｋｍ２

的井网密度的采收率仅为１０％。

２．３　增产工艺技术

　　增产工艺技术主要包括层状砂岩气藏分层压裂技术

［３］

、块状砂岩气藏大型压裂和水平井分段改造技

术等。

２．３．１　分层压裂技术

　　分层压裂的目的主要是提高纵向上的小层动用程

由５周缩短至４ｄ，同时产量增加９０％以上。２．３．２　大型压裂技术

　　自２０世纪８０年代以来，以美国Ｗａｔｔｅｎｂｅｒｇ气田压裂技术研究与应用为基础，提出大型压裂概念，通常要求支撑半缝长大于３００ｍ，加砂规模大于１００ｍ３

被认为是大型压裂。一般具有以下特点的储层适宜大型压裂：气测渗透率小于０．１×１０－３

μｍ以上，且平面上分布稳定，人工裂缝方位与有

ｍ２

，

砂层厚度一般为２０利砂体展布方向一致。

　　美国Ｗａｔｔｅｎｂｅｒｇ气田，储层埋深２３１６～２５６０１０

ｍ－，砂层厚度３

μｍ２

。一般加砂量１５～３０ｍ，渗透率９０～１５００ｍ．００５３

，

最大×１０

－３

～０．０５×

２５５ｍ３

，压后缝长４００～６００ｍ，压后稳产２．０×１０４～３．５×１０

４

２ｍ３

／ｄ，最大５．２×１０４

．３．３　水平井分段压裂技术

ｍ３

／ｄ。

　　水平井分段压裂可以对水平层段进行选择性改造，提高水平段整体渗流能力。水平井分段压裂技术及特点：多级封隔器压裂，通常压后不动管柱；水力喷射压裂，气井压裂需考虑带压作业问题；限流压裂，射孔优化要求高、排量大；机械桥塞分段压裂适应套管完井，作业成本较高。截止到２００６年，国外已有１０００多口井采用水力喷射改造技术。

２．４　钻采工艺技术

　　对于致密砂岩气藏，低成本的钻采工艺技术主要是小井眼井技术和欠平衡钻井技术等。　　小井眼是指完井井眼尺寸小于１５２．４ｍｍ，或全井６０％以上井眼尺寸为１５２．４ｍｍ。小井眼技术

［４‐５］

的优点主要体现在井场占地面积小，钻井设备轻，工作量少，只需常规钻井三分之一的工作人员，钻井费用低，井场各项费用减少６０％，节约钻井成本１５％～４０％，在低渗透、特低渗透气藏，水平井、分支井、深井最大垂直井深超过６０００ｍ的区域适合进行小井眼钻井。近十几年来，随着油气生产费用的攀升，以及石油工程领域不断向边远地区扩展和钻井工艺技术水平的提高，钻小井眼井开采油气的优越性更为凸显，目前，

・４・　　　　　　　　　　　　天　然　气　工　业　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１０年１月

世界上已钻成小井眼井上万口，国外已开始用连续管钻小井眼。

　　欠平衡钻井是在钻井过程中井筒流体有效压力低于地层压力，允许地层流体进入井筒，并可将其循环到地面可控的钻井技术，该技术有利于储层保护和大幅度提高机械钻速，在致密砂岩气藏钻井中得到广泛应用，美国欠平衡钻井占总钻井数的比例已达到３０％。

参　考　文　献

［１］ＲＥＥＶＥＳＪＪ．Ａｄｖａｎｃｉｎｇ３Ｄｓｅｉｓｍｉｃｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ

ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＧｅｏｐｈｙｓｉｃｉｓｔｓ，２００６，２５．

ｔｏｆｉｎｄｔｈｅｓｗｅｅｔｓｐｏｔｓｉｎｔｉｇｈｔｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ

［２］ＣＩＰＯＬＬＡＣＬ，ＷＯＯＤＭＣ．ＡＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｉｎ‐

ｆｉｌｌ‐ｄｒｉｌｌｉｎｇｓｔｕｄｉｅｓ：ＣａｓｅｈｉｓｔｏｒｙｏｆｔｈｅＯｚｏｎａＣａｎｙｏｎｓａｎｄｓ［Ｊ］．ＳＰＥＲｅｓｅｒｖｏｉｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，１１（３）：１９６‐２０２．［３］ＳＵＲＪＡＡＴＭＡＤＪＡＪＢ，ＭＣＤＡＮＩＥＬＢＷ，ＢＲＩＡＮＣ，ｅｔａｌ．

３　几点启示

　　通过分析美国致密砂岩气藏地质开发特征和关键技术，得到以下几点启示：

　　１）三维地震勘探有助于准确认识复杂构造、储层的非均质性和裂缝，可有效提高开发井成功率。

　　２）井网加密技术能够有效提高多层、透镜状气藏的采收率，井网密度和加密时机的确定需要充分利用动、静态资料，并考虑经济因素。

　　３）直井压裂是致密气藏开发的主体技术，工艺技术要适应地质条件，对于裂缝发育的层状气藏可以探索应用水平井。

　　４）致密气藏开发通过应用小井眼、快速钻井、地面优化简化等技术来降低成本。

ＪａｍｅｓＥｆｆｅｃｔｉｖｅＬｉｍｅｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｃｈｉｅｖｅｄｍｕｌｔｉｌａｔｅｒａｌｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｓｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｉｎｔｈｅ

ｐｐｌａｃｅｍｅｎｔｅａｎＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｎｕｍｅｒｏｕｓｌａｎｄｓ：［ｓ．ｎ．］，２００３Ｄａｍａｇｅｈｙｄｒａｕｌｉｃ．

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅ［ＣＨａｇｕｅ］∥ＳＰＥ，ＮｅｔｈｅｒＥｕｒｏ‐‐

［４］ＣＯＨＥＮＪ，ＬＥＩＴＫＯＣＥ，ＬＯＮＧＲＣ．Ｈｉｇｈ‐ｐｏｗｅｒｓｌｉｍ‐

ＮｅｗｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇＯｒｌｅａｎｓｓｙｓｔｅｍ，Ｌｏｕｉｓｉａｎａ［Ｃ］∥，２０００ＩＡＤＣ．

／ＳＰＥＤｒｉｌｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，

［５］孙宁，苏义脑．钻井工程技术进展［Ｍ］．北京：石油工业出版

社，２００６．

（收稿日期　２００９‐０５‐２７　编辑　韩晓渝）