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国内外页岩气技术装备发展现状

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编者按 我国页岩气开发处于起步阶段,为推动其产业发展,本刊特从相关部门收集了国内外页岩气技术装备现状资料,供读者参考。

地质理论创新、勘探开发技术突破和装备发展,是实现页岩气大规模、低成本开发的根本保障。我国页岩气开发处于起步阶段,经验缺乏,核心技术尚未掌握,关键装备有待研制;我国页岩气藏的地质特征和地表也不同于美国,因此,要推动我国页岩气产业发展,必须依靠自主创新,以页岩气勘探开发核心技术突破为先导,形成适合我国地质条件的页岩气开发装备体系。

页岩气开发历史可以追溯到近200年前,1821年,美国东部泥盆系页岩中钻成第一口页岩气井;1914年,密歇根盆地发现第一个页岩气田;1926年,阿帕拉契亚盆地成功实现了页岩气商业开发;到20世纪70年代中期,美国页岩气步入规模化发展阶段,20世纪70年代末页岩气年产量约19.6亿m3。20世纪80年代,沃斯堡盆地的巴尼特页岩开始采用大型水力压裂技术;1992年试钻了水平井,当时并不成功;1998年,清水压裂取代了凝胶压裂,完井技术取得突破;1999年,二次压裂增产技术获得成功应用;2002年后,水平井取得巨大成功并成为主流钻井方式。此后,水平井钻完井及压裂技术仍然不断进步并得到推广应用,使得美国页岩气开发成本在近15年间持续降低了85%,促进了产量的快速增长,1999年突破100亿m3,2006年突破300亿m3后更呈现出爆发式增长态势,2011年产量达到1700亿m3。除美国,是第二个实现页岩气规模化开发的国家。受成功开发页岩气的影响,页岩气成为全球能源热点,欧洲的法国、波兰,拉美的阿根廷墨西哥巴西,亚太的、中国、印度、印尼等30多个国家纷纷积极开展页岩气技术研究和试验开发,在全球掀起了“页岩气”的浪潮。页岩气从资源发现到大规模开发的漫长历程表明,技术进步是推动页岩气成功开发的关键,水平井钻完井和水力压裂是页岩气开发的核心技术。

地质理论创新为页岩气资源评价、有利区优选、井位确定及开发方式选择等奠定了基础。长期以来,在常规油气勘探中,页岩一直被认为是源岩或盖层,其含油气性被忽视,人们普遍认为页岩气藏没有任何生产价值。页岩储层中富含有大量的吸附气被发现后,大大改善了人们对页岩气储层的认识,为页岩气开发提供了基础理论支持,为油气勘探打开了新领域。2005年,美国地质调查局进一步提出连续性油气藏理论,并指导其他盆地的勘探开发。随着理论认识和开发技术的不断进步,美国页岩气勘探开发由核心区向非核心区发展,并在众多盆地获得突破。

美国页岩气开发积累了数万口井的基础工作和丰富经验,为页岩气资源评价工作提供了有力的数据支持,目前,已经形成了较为完善的页岩气资源评价方法体系,主要有类比法、体积法、物质平衡法和数值模拟法等。其中,类比法和体积法主要用于页岩气新区和生产早期的资源评价及储量评估;物质平衡法和数值模拟法适用于页岩气田开发的中、后期。

此外,页岩气目标区优选技术也日趋成熟,主要包括埋深1500-3000米、页岩单层厚度30-50米、基质渗透率大于100纳达西、有机碳含量(TOC)大于2%、镜质体反射率(Ro)为1.2%-3.5%、硅质含量大于35%等。三维地震采集及处理解释、页岩气测井识别和储层精细描述等地球物理评价技术的应用,能有效识别富含有机质页岩储层及含气性,为确定页岩气“甜点区”提供技术支持,同时指导钻井和压裂方案设计。

页岩气钻井先后经历了直井、单支水平井、多分支水平井、丛式井和丛式水平井的发展历程。目前,除页岩气探井采用直井,页岩气生产井一般采用水平井,以使更多的生产区域和井筒接触并和裂缝相交,改善储层流动状况,获得较大的排泄区域,提高产量。水平井技术在石油工程领域已发展了近80年,2002年后开始大量用于页岩气开发,近年来智能化测量、井下动力钻具、旋转导向控制、地质导向技术的进步促进了水平井技术的发展和成熟。

页岩气井的完井方式主要包括组合式桥塞完井、套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井和机械式组合完井等。“丛式井工厂”开发模式能提高设备利用率和钻井效率,生态,降低钻井成本,将逐步成为页岩气开发的主要钻井方式;为了开采多层页岩气,减少钻井的数量和地面设备,多分支水平井是未来的发展趋势。

相比之下,页岩气井压裂更为困难。由于页岩气储层的孔隙度和渗透率极低,必须进行增产才具有商业开发价值。水力压裂是改善储层裂缝系统,增加渗流通道的最有效方法,且水力压裂对储层小,增产效果明显,美国在页岩气开发中主要用水力压裂技术进行储层增产作业。目前常用的水力压裂技术有分段压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等,在页岩气开发过程中,往往需要多种压裂技术综合使用。

页岩气压裂与常规砂岩压裂不同,裂缝纵横交错,缝网无规则。在实施压裂之前,必须根据天然裂缝与地应力、岩石脆性及储层性等因素进行压裂设计,一般通过模拟软件对裂缝三维几何特征进行模拟预测,从而优选压裂方案,但精确描述很困难。通常压裂设计工艺呈现大施工排量、大用液量、小粒径支撑剂和低砂比等特征。在页岩气井压裂过程中,需要使用压裂监测技术监测裂缝情况,评估压裂作业效果,目前最常用的是微地震裂缝监测技术。

此外,压裂液及压裂水资源管理也是压裂技术的重要领域。水力压裂耗水量巨大,且会造成压裂液中的化学物质和页岩气混入地下水中,返排液处置不当也会污染地表水,出于环保和节约水资源的考虑,国外各公司都加大了氮气泡沫压裂、二氧化碳压裂和液化油气(LPG)压裂等水力压裂替代技术的研发投入。对水资源贫乏的地区,无水压裂技术是特别值得关注的发展方向,但综合考虑成本、技术成熟度和安全性等因素,这些技术还需要不断完善。

总地来说,美国已经掌握了页岩资源评价、有利区优选、储层评价、钻完井、压裂等系统技术,围绕页岩气开采形成了一个技术创新驱动特征鲜明的新兴产业,催生了一批国际领先的专业服务公司,开始向全球输出技术和装备。页岩气开发从美国向、再向全球扩散的过程,就是技术扩散的过程。

页岩气勘探开发的技术流程与常规天然气类似,我国在常规天然气领域已经形成了比较完善的技术装备体系,为页岩气的科技攻关和装备研制奠定了基础。同时,我国高度重视页岩气开发,编制发布了《页岩气发展规划》,科技创新工作正在全面展开。但总体上,我国页岩气勘探开发处于起步阶段,地质基础工作非常薄弱,核心技术有待突破,关键设备亟待研制,实现页岩气技术装备自主化的任务十分艰巨。

首先,我国石油天然气工业已经发展成熟,在常规天然气及低渗透气藏勘探开发上积累了丰富经验。

地质理论创新开创了我国的石油工业,近十多年来,我国在油气地质理论创新和勘探方面不断取得重大进展。随着前陆盆地理论认识不断深化,发现了克拉两大气田;随着岩性油气藏的深入研究,相继发现了苏里格、松辽盆地深层等一批大油气田;特别是近几年,随着海相油气地质理论不断深入发展,发现了塔河和普光大油气田。可以预计,地质理论的不断创新,还会带来新的更大的发现。

在水平井及分段压裂技术方面,我国已经取得突破,形成了低渗透油气田水平井双封单卡分段压裂、封隔器滑套分段压裂、水力喷砂分段压裂等3大主体技术,完善了化学暂堵胶塞分段压裂、碳酸盐岩储层自转向高效酸化/酸压、水力裂缝监测与评价和水平井修井作业等4项配套工艺,建立了一套压裂裂缝与井网优化设计方法。我国已经在长庆实现了7段水平井分段压裂技术,并正在四川蜀南地区引进吸收10段及以上的长井段水平井分段压裂技术。在致密砂岩气开发上,形成了水平井水力喷砂分段压裂和直井机械封隔分层压裂两大技术系列,实现了低渗透砂岩油气藏、低渗透碳酸盐岩气藏分层分段压裂,并在实践中普遍推广应用。

同时,我国正在加快组织开展页岩气科技攻关工作。2010年成立了国家能源页岩气研发(实验)中心,2011年在大型油气田及煤层气开发国家科技重大专项中设立了页岩气勘探开发关键技术项目。页岩气勘探也取得初步进展,初步掌握了页岩气直井压裂技术,获得了一批页岩气井的基本参数,建立了有利目标区优选标准,优选出一批富集有利区,资源评价、水平井钻井和储层科技攻关取得明显进展。此外,对外技术交流和合作积极开展,我国石油企业纷纷与世界知名石油公司在联合研究、区块收购等方面开展合作,2009年与美国签署了《中美关于在页岩气领域开展合作的谅解备忘录》,就联合开展资源评估、技术合作和政策交流制定了工作计划。

第二,我国常规油气装备制造业产品种类齐全,产业体系完整,拥有较高的技术水平和制造能力,为加快研制页岩气勘探开发装备创造了条件。

目前,我国油气装备制造企业超过4000家,钻机设计水平和制造能力跻身世界前列,以12000米陆地特深井钻机及顶部驱动装置为代表的产品达到了世界先进水平,标准化和系列化的钻机可基本满足高压喷射、定向、丛式和水平等先进钻井工艺的需要。国内87%的大中型钻机、90%的修井机实现自主制造,部分钻井设备批量出口到世界各地,并应用于美国页岩气开发。

近年来,我国成功研制了具有自主知识产权的随钻自然伽马测量仪、随钻电阻率测量仪以及配套应用软件,形成了地质导向双参数随钻测井仪器设计制造技术和地质导向钻井工艺配套技术,并在现场应用中取得了良好效果,突破了国外对地质导向钻井技术的垄断。井下作业设备如水泥车和固井压裂车等均已实现系列化生产。封隔器、滑套、水力喷射压裂喷嘴等井下工具以及连续油管作业设备已初步实现国产化。

页岩气勘探开发对我国是一个全新的领域,在技术装备方面面临4个方面的问题和挑战:

第一,核心技术尚不能满足产业化需求。我国页岩气的科技攻关刚刚起步,尚未建立完善的资源评价和目标区优选技术,资源家底尚未落实,储层识别及预测技术还不成熟,在大范围目标内确定有利钻井存在困难。页岩气水平井及分段压裂技术也有待突破,在钻完井方面,储层、钻井液设计、随钻测井和地质导向技术缺乏,导致钻井周期长、成本高;分段压裂方面,储层评估方法、分段压裂设计、裂缝诊断监测技术及主要工具等受制于国外公司,增产成本居高不下。

此外,虽然美国已经形成了成熟的页岩气勘探开发技术,但我国页岩气盆地具有独特的地质特征和开发条件,国外先进技术在我国的适用性有待进一步验证。美国页岩气以海相地层为主,而我国陆相和海陆交互相地层占很大比例;与相比,我国海相页岩热演化程度较高,储层埋藏深度普遍较深,非均质性较强,经历了多期构造演化,陆相页岩热演化程度较低,海陆过渡相页岩埋深普遍较浅,具有与煤层气合采的特点,没有成熟开发经验可供借鉴;同时,我国地表条件复杂,还面临水资源与环保等问题,不能简单照搬美国的开发模式。

第二,核心装备有待进一步研制。在页岩气勘探开发过程中,技术是基础,装备作为技术的实现手段,在很大程度上决定了页岩气开采的效率和成本。我国的常规油气装备虽然具有一定的基础,但远不能满足页岩气勘探开发的需要,亟需新研制一批页岩气勘探开发专用设备,并进一步提升现有油气装备的性能和自主化水平。

勘探、测井设备的可靠性、时效性及测量精度和国外先进水平差距较大,随钻测斜仪、快速录井仪、钻井参数仪等虽已研制成功,但应用较少。页岩气专用的全液压钻机、连续油管钻机、斜直井钻机、丛式井钻机、套管钻机和集装箱式钻机等以及钻井配套自动化设备,均处于研制或小范围应用阶段。连续油管作业设备已经起步,但性能有待提高,配套设备不全。

第三,工艺技术和装备分离。页岩气勘探开发工艺技术和装备融为一体,密不可分。由于历史原因,我国装备制造企业与油气勘探开发企业及科研设计院所的结合不够紧密,且油气勘探开发技术服务产业发展还不成熟,导致工艺技术研究和装备制造分离,装备制造企业不能很好地掌握工艺技术的发展和要求,这是加快页岩气勘探开发技术突破和装备研制的主要障碍之一。

第四,油气装备制造业有待转型升级。总体上我国的油气勘探开发装备制造业缺乏核心竞争力,有待转型升级。一是企业规模普遍较小,且缺乏特色,产品结构集中在中低端,不少产品产能过剩,导致行业市场集中度较低,无序竞争现象普遍;二是研发投入有限,技术资源分散,自主创新能力薄弱,技术水平不高,核心技术、关键材料、基础部件、高端产品等方面差距很大,缺乏持续发展能力;三是商业模式发展滞后,以装备产品制造为主营业务,缺乏提供技术解决方案和全面技术服务的能力。(本刊根据相关资料整理)

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