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美国页岩气开发的主要技术措施 0 美国页岩气产业生产情况 美国的岩浆岩气资源总量为1609亿吨3m，资源量为7000亿吨3m。至20世纪90年代末, 美国页岩气产量一直徘徊在 (30~50) 亿m3/a。2000年新技术的应用及推广, 使得页岩气产量迅速增长。2005年进入大规模勘探开发, 成功开发了沃思堡等5个盆地的页岩气田, 产量以100亿m3/a的速度增长。2008年产量达到600亿m3, 占美国天然气总产量的8%, 相当于中国石油当年天然气总产量, 目前则已占到天然气总产量的13%~15%。截至2008年底, 美国累计生产页岩气3 316亿m3。预计2015年美国页岩气产量将达到2 800亿m3。自2009年以来, 北美的页岩气开发发生了革命性的变化, 目前美国已取代俄罗斯成为世界最大的天然气生产国, 实现了自给自足并能连续开采上百年。美国页岩气快速发展是技术进步、需求推动和政策支持等多种因素合力作用的结果。从技术进步角度来看, 则主要得益于以下几方面的关键技术:前期的页岩气藏分析、地层评价、岩石力学分析、后期的钻完井技术以及压裂增产技术。 1 寿命分布及质量 美国页岩气藏具有典型的衰竭特点, 初始产量高, 前3年急剧下降, 随后在很长的时间里保持稳产并有所下降, 生产寿命可达25 a以上。美国页岩气资源丰富, 致密页岩分布范围广, 有效厚度大, 有机质丰富, 含气量大, 裂缝系统发育, 原始地质储量丰富, 岩石埋深和粘度含量相对较低, 有利于实施水力压裂, 规模生产效果比较好。美国已经将具有合适页岩气类型、有机质含量、成熟度、孔隙度、渗透率、含气饱和度以及裂缝发育等综合条件的页岩作为开采目标。 2 岩屑的岩石力学特征 页岩气藏评价是一套综合的石油物理方法, 主要是通过结合对页岩岩样的地球化学分析以及对测井资料的详细评价结果来完成。主要目的是为了确定岩样是否含有丰富的有机质, 以及是否可以形成碳氢化合物。 成功页岩气藏产生的因素可以概括为“五高、二低、一体”, 即:高孔隙度, 高基质渗透率, 高有机质含量和成熟度, 高的水力压裂裂缝接触范围;低岩石敏感性, 低压裂后颗粒产出;大范围的均质连续岩体。通过分析岩心和测井资料, 地质学家可以评价井筒范围的非均质性。通过对岩屑进行岩石力学分析可以确定页岩类型, 再结合多井TOC测量数据和测井分析, 能够对盆地中储层潜力进行初步评估。许多地球化学实验室都采用法国石油研究院开发的程序化热解技术来描述有机物的丰富程度。也可以通过镜质体反射率鉴定样品的热成熟度。由于形成气窗的温度范围要比形成油窗的温度范围大, 所以气的热成熟度Ro值要大于油的Ro值。成熟度值高 (Ro1.5%) 表示干气占主导地位, 成熟度值中等 (1.1%Ro1.5%) 表示在该范围内的低端, 气有不断向油转化的趋势。在0.8%Ro1.1%范围内能够发现湿气。Ro值低 (0.6%Ro0.8%) 时油占主导地位, 而Ro0.6%时干酪根发育不成熟。常见的成熟度指标有基于显微镜测量的孢子颜色热变指数和热解温度评估。通过测井可以对页岩的其他性质进行评价, 一般情况下含气页岩测井结果与普通页岩相比, 含气页岩具有自然伽马高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低等特征。通过测井资料还可以确定页岩中复杂的矿物组分以及源岩空间内的游离气体积, 确定页岩中有机碳含量并计算吸附气的含量。 通过地层评价可以得出页岩的测井资料、岩性和矿物解释以及流体评估综合数据, 这些可以帮助确定天然气地质储量以及根据矿物组成和渗透率确定射孔位置;同时, 解释得到的矿物组成和孔隙度资料有助于确定在何处钻分支井;通过矿物可以识别页岩中的石英、方解石或白云石, 这些矿物增加了地层的脆性, 可以改善水平井造缝。 3 最小水平主应力 分析页岩的机械特性主要是为钻井和压裂服务。通过力学分析可以找出页岩地层中最适合造缝的地方。贝克休斯的GMI针对全球大概200个致密/页岩气地层建立了地质力学模型。开发地质力学模型是为了了解井筒稳定性和防止钻井过程中存在各种不稳定性。在这里不稳定性是指引起井眼扩大的井筒周围地层的机械 (压缩) 失效, 导致井眼坍塌、过量岩屑和水力参数变化等。影响井眼稳定性的因素主要有优化钻井液密度, 井身轨迹, 弱层理, 随着时间的变化流体渗入页岩, 以及流体与页岩反应。通过地质力学模型可以分析岩石的各向应力, 找出射孔的最佳位置, 适于造缝。裂缝高度主要由纵向的最小主应力差 (Δσh) 控制;在应力一定的情况下裂缝宽度主要受杨氏模量E控制。最小水平主应力 (σh) 作用在水力裂缝并使其闭合, 它垂直于水力裂缝。岩石力学模型中有3个互相垂直大小不等的主应力:垂直主应力 (σv) 、最大水平主应力 (σH) 和最小水平主应力 (σh) ;三者关系为σv