水力压裂解释:评估、实施和挑战(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-08-03 01:46:07

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作者:(美)厄尔C.康纳森(Erle C.Donaldson)等

出版社:石油工业出版社

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水力压裂解释:评估、实施和挑战

水力压裂解释:评估、实施和挑战试读:

《国外油气勘探开发新进展丛书(十四)》编委会

主  任:赵政璋

副 主 任:赵文智 张卫国

编  委:(按姓氏笔画排序)

      卢拥军 朱道义 向建华

      刘德来 余维初 周家尧

      钦东科 章卫兵 董绍华序

为了及时学习国外油气勘探开发新理论、新技术和新工艺,推动中国石油上游业务技术进步,本着先进、实用、有效的原则,中国石油勘探与生产分公司和石油工业出版社组织多方力量,对国外著名出版社和知名学者最新出版的、代表最先进理论和技术水平的著作进行了引进,并翻译和出版。

从2001年起,在跟踪国外油气勘探、开发最新理论新技术发展和最新出版动态基础上,从生产需求出发,通过优中选优已经翻译出版了13辑70多本专著。在这套系列丛书中,有些代表了某一专业的最先进理论和技术水平,有些非常具有实用性,也是生产中所亟须。这些译著发行后,得到了企业和科研院校广大科研管理人员和师生的欢迎,并在实用中发挥了重要作用,达到了促进生产、更新知识、提高业务水平的目的。部分石油单位统一购买并配发到了相关技术人员的手中。同时中国石油天然气集团公司也筛选了部分适合基层员工学习参考的图书,列入 “千万图书下基层,百万员工品书香”书目,配发到中国石油所属的4万余个基层队站。该套系列丛书也获得了我国出版界的认可,三次获得了中国出版工作者协会的 “引进版科技类优秀图书奖”,形成了规模品牌,获得了很好的社会效益。

2016年,在前13辑出版的基础上,经过多次调研、筛选,又推选出了国外最新出版的6本专著,即《实用油藏工程(第三版)》《石油工程师指南——油田化学品与流体》《水力压裂解释——评估、实施和挑战》《管道完整性手册——风险管理与评估》《非常规页岩气有效开发》《油井生产手册》,以飨读者。

在本套丛书的引进、翻译和出版过程中,中国石油勘探与生产分公司和石油工业出版社组织了一批著名专家、教授和有丰富实践经验的工程技术人员担任翻译和审校工作,使得该套丛书能以较高的质量和效率翻译出版,并和广大读者见面。

希望该套丛书在相关企业、科研单位、院校的生产和科研中发挥应有的作用。中国石油天然气集团公司副总经理

作者的话

本书献给George V.Chilingar博士,他一生致力于教育事业,培养的一批批学生都已从南加州大学毕业。Chilingar博士也通过一些好的技术书帮助全世界无数的工程师和科学家增强知识,这些书中有多本合著技术书籍,得力于他对大量合作者的坚持不懈的鼓励和支持,还有一些他亲自创作和编辑的书。我个人对他在我整个职业生涯中的指导和耐心建议表示真挚的感谢。——Erle C.Donaldson

本书也献给所有致力于能源开发方法研究的工程师和科学家,这些方法支撑和助推了我国经济的稳步增长。也献给我们的父母、老师、家人以及朋友,他们鼓舞我们在生活中做正确的事。——Waqi Alam and Nasrin Begum

原书序

以前被忽视的页岩气开发在过去20年内飞速发展起来。这种发展是水平钻井和水力压裂技术进步的结果。在一些没有受产油量影响的地方,这种新烃类资源的开发实践已经增强了人们对水力压裂技术的认识,并关注着这项技术带来的一系列问题,如地表环境影响以及压裂施工带来的淡水污染。值得注意的是,水力压裂的实施需要大量的专门设备。

页岩气作为一种天然烃类资源,其重要性逐年增加,现在已经具有替代很高比例的石油产品的大需求量。事实上,几个大的天然气生产公司已经考虑沿着汽车高速路网络建立液化天然气站,以便于装载天然气发动机的车辆使用。因此,将来有一天天然气可以满足大部分的汽车能源需求,缓解未来由于依赖进口烃类能源而带来的经济波动。

地表附近的淡水层受到州、联邦法规以及技术进步的保护。地下应力状态的准确评估以及岩石力学的数学运算能以准确的精度预测裂缝的尺寸和延伸状况。裂缝扩展期间,微地震监测可实时准确地跟踪诱导裂缝实际扩展及延伸,增加了技术的精准性。此外,保持正在利用的页岩层及近地表淡水层的上覆地层的完整性是一种额外的保护。66

压裂改造用水量多达2×10~4×10gal,在压裂后期,井在生产时,有相当数量的压裂液(约30%)返排到地面。这种流体包含了一些源自压裂液与地层盐水混合液的特殊化学药剂。经州和联邦许可,这种返排压裂液和地层水可收集起来并进行适当处理。一些情况下,流体注入到地下深部盐水层,从而被永久隔离。如果返排液可被收集并重复用于另一个附近压裂增产项目,那么就会以罐装形式收集并运移到新的井场,因为对于这个公司来说这是最经济的。在任何情况下,水都会被恰当地处理或重复利用,正在进行的一个研究项目就是开发页岩气产水处理后重复利用的新方法。

本书旨在用易于理解的方式解释水力压裂的地质因素(岩石力学)、水力压裂技术、压裂中使用的流体以及随之带来的环境问题(已发展成为压裂过程中的一部分)。相关理论解释中的数学概念将以最简单的形式表示。一些理论问题已经从正文中移除,但在附录里会做更全面的解释。几个实例计算也被合并在附录C里做进一步分析。特殊的专业术语以及文中所有的缩写解释都在术语中。术 语

缩略词/缩写

BHP  井底压力

BHT  井底温度

BMDL 基准剂量

CMC  临界胶束浓度

EDT  乙二胺四乙酸

EPA  美国环境保护局

HEC  羟乙基纤维素

HPC  羟丙基纤维素

HPG  羟丙基瓜尔胶

NMR  核磁共振

NTIS 国家技术信息服务公司,华盛顿特区

RfD  慢性口腔接触的参考剂量

SPE  石油工程师学会

TDS  总溶解固体

TOC  总有机质含量符号

A——面积;

A——典型地层(砂、砂岩、碳酸盐岩)公式的经验常数;

Btu——英国热量单位(在1atm下,将1lb水升高1℉需要的热量);

C——与泊松比相关的常数(常常等于1.91);

C——总压缩系数;b2-1

C——黏土阳离子交换的当量电导率,(Ω/cm)/meq;eq

C——地层的整体导电率(1/R);ot

C——岩石基质压缩系数;r

C——水的压缩性(1/R);ww

D——时间,d;2

E——弹性杨氏模量,(lbf/in)/(in/in);

F——力,lbf;

F——地下岩层总的或总体电阻率;r*

F——Waxman-Smit公式中地层电阻率校正因子;2

G——剪切模量,(lbf/in)/radians;

GR——100%页岩区的最大伽马强度,或岩心实验室测试值;clay

GR——干净砂的伽马强度;cs

GR——目的层的伽马强度;z233

K——体积模量,(lbf/in)/(in/in);B

L——长度;

L——初始长度;o

m——Archie公式中孔隙度指数,也可以认为是胶结指数(默认值2.0);

n——Archie公式中饱和度指数(默认值2.0);2

p——压力,lbf/in;

p——井底压力;BH2

p——毛细管压力,lbf/in,Pa;c

p——裂缝闭合压力;cl

p——井中液柱压力;col

p——压裂液压力;fr

p——摩阻压力损失;fric

p——压裂液滤失进岩石基质的压力损失;LO

p——井筒水力压力(钻井液压力);m

p——岩石样品或地层孔隙流体压力;p

p——裂缝延伸压力(井底压力);prop

p——储层静压力;res

Q——注入排量,bbl/min;

R——半径;

R——页岩的总电阻率;sh

R——地下岩层饱和水后的电阻率;w

R——地下岩层总(整体)电阻率;t

r——以裂缝起裂点为中心的径向距离;

r——初始半径;o

Δt——地震波P波和S波到达的时间差;

u——压缩波速度;c

u——剪切波速度;s

V——体积;

V——总体积;b

V——初始体积;o

V——页岩的体积百分比(实际应该用V来表示页岩中黏土的shclay体积百分比,但是V用来表示了导电性);clay

v——地震波P波的速度;p

v——地震波S波的速度;s

W——裂缝的宽度。希腊字母

α——孔隙弹性常数;

ε——应变,in/in;

μ——黏度;

μ——视黏度;a

ν——泊松比(长度的改变与宽度的改变比值);3

ρ——密度,g/cm;

ρ——总密度;b

ρ——地层孔隙流体平均密度;f

ρ——地层基质密度(实验室);m

ρ——目的层记录的总密度;z2

σ——应力,lbf/in;-3

σ——界面张力,10N/m;ift

σ——作用在圆柱岩石样品外边界上的应力;d

σ——正应力;n——有效径向应力;

σ——张应力;T

σ,σ——水平应力;xy——井筒有效切向应力;

ϕ——密度测井获得的孔隙度。d译者前言

水力压裂技术开启了油气增产之门,从1947年美国堪萨斯州第一口井的水力压裂试验记录以来,水力压裂有超过70年的发展历史,对油气勘探开发起到了不可替代的作用。特别是2000年以来,水力压裂技术成功用于页岩气与致密油开发,并由此触发北美 “页岩革命”,使美国天然气产量跃居世界首位,致密油年产量超过2亿吨,这项技术更为公众关注和熟知。随着低渗透致密砂岩油气藏和页岩油气等非常规油气资源逐渐成为资源领域的热点和投资的重点,水力压裂技术的重要性和不可替代性将更为突出,使得越来越多的人对这项技术本身和与技术关联的前期评估、力学机理、关键材料、过程控制等产生兴趣。

本书是Erle C.Donaldson等于2012年编撰的水力压裂技术的专业书籍,是对水力压裂技术及其相关的前评估和后处理等环节的简洁而又系统的描述,并特别关注了近期页岩储层水力压裂技术的最新发展、认识和成果。是从事水力压裂的专业技术人员、现场应用的工程师和对水力压裂技术感兴趣的其他专业人员的重要参考书。

本书从完成烃类产量以满足需求的角度引出水力压裂技术的产生和近期的发展,尤其是页岩水力压裂工艺和与水力压裂有关的环境问题;介绍了含气页岩储层评价,包括页岩的沉积特征和经济开采的流动条件,储层特征、测井响应、压裂设计、井筒设计、微地震数据的使用等;介绍了有助于理解水力压裂技术的岩石力学基础知识,分析了水力裂缝扩展和支撑的影响因素等;系统描述了水基、油基、醇基、酸性、泡沫、滑溜水等不同类型的压裂液体系,黏土膨胀抑制剂、高温稳定剂、抗微生物剂、缓冲剂等关键添加剂的作用和使用方法;论述了水力压裂的用水管理、施工过程控制、废水管理等环节,介绍了水力压裂成功实施的一些技术条件和控制措施,并给出了实例,还讨论了水力压裂技术的环境影响与解决方案。本书用一种更容易让人理解的方式,帮助读者了解水力压裂的地质因素、水力压裂技术、压裂中使用的流体以及环境问题。

全书共分为6章。序、前言、第4章、第6章由卢拥军翻译;术语、符号、第1章由王欣翻译;第3章和索引由梁天成翻译;第2章和第5章由易新斌翻译。全书由卢拥军和王欣审核校对,田国荣、段贵府、黄立宁参与部分图表和文字的校核工作。

本书出版得到了国家重大科技专项13项目(2011ZX05013)和中国石油油气藏改造重点实验室的资助。中国石油勘探与生产分公司吴奇教授、中国石油勘探开发研究院雷群教授和邹才能教授给予了大力支持,刘合、丁云宏、张守良等给予了指导,在此一并致谢。

由于本书译者水平有限,加之时间较紧,疏漏和错误之处在所难免,敬请读者指正。原书前言

水力压裂技术及其应用由于下列因素得到了飞速增长:(1)水平定向钻井;(2)钻井和裂缝扩展的微地震监测;(3)数字成像软件的发展;(4)滑溜水的发现(压裂液中添加聚合物,从而减少导管内注入流体的压力损失)。前三项在20世纪90年代就已经蓬勃发展,并在页岩气压裂引入滑溜水之后的十年经历了快速细化。

页岩气经济有效开发技术的出现激起了全世界对快速开发页岩气的兴趣,水力压裂技术也随之快速发展。这项极其复杂技术的突然应用,使公众对此充满了疑虑,公共出版物也开始广泛刊载诸如疏忽或不恰当主张和应用会导致液体和气体污染浅层淡水的内容。其中部分问题看起来是缺乏对施工过程的误解,如为了控制摩阻、获得携带支撑剂(一般是级配砂)的增黏和控制腐蚀的化学添加剂以及长水平井压裂中的大量用水。 《Reservoir Stimulation》和 《Recent Advances in Hydraulic Fracturing》是由石油工程师学会出版的非常专业的两本书,在很多针对水力压裂的论文会议中都可以看到。但是,这些书是针对具有一定专业知识的工程师的。很明显,用通俗易懂的方式来解释水力压裂这门技术中的重点问题,让真正对学习这项惊人技术进步感兴趣的任何人都能真正理解,这就是本书的宗旨和目的。致谢

作者感谢来自Tetrahedron公司的支持,特别是丹尼尔·埃瓦尔德先生和安德莉亚·布坎普女士在文献搜索和画图方面的帮助。我们也感谢罗伯特A.赫夫纳四世先生在这本书写作过程中的鼓励和建议。第1章 水力压裂技术解释1.1 简介

水力压裂技术正在受到越来越多的关注,水力压裂是一种利用压力在岩石结构中压开新的或现有的裂缝用于生产石油和天然气的工艺过程。在岩石中产生的裂缝充当让石油和天然气从岩石流向井眼,从而实现开采的通道(图1.1)。水力压裂,也称为“压裂”,已有超过50年的历史;然而,在过去10年,由于人们设法从一种称为含气页岩的新储层中开采石油和天然气,压裂技术的应用已经显著扩展了。在以前,石油和天然气的供应充足,供应链中断的风险很小,这些商品的价格相对较低,而通过页岩的压裂来生产石油和天然气在经济上则被认为是不可行的。由于全世界人民生活水平的提高,伴随着供应出现持续的不确定性以及人们对能源不断增长的需求,石油价格随之显著提高。除了世界上有丰富天然气资源的某些区域外,天然气的价格也提高了。用于石油运输的基础设施十分发达,其分布几乎遍布世界各个角落;而在大多数情况下,天然气仍然只限在本地使用,因为在没有输送管线的地方运输成本很高,因此其价格依赖于本地或区域市场而并非全球市场。图1.1 压裂用于生产的岩层

对能源的高需求已经使人们开始对能源的成本进行严格的控制,并研发能够高效生产传统和非传统能源的方法。目前,在总能源消耗中生产比例最大的石油工业已经开发并改进了几种用于生产更多的石油和天然气的技术。多年来,水力压裂工艺有了实质性的改善,从而可以生产出更多的石油和天然气。与以往不同,现在水力压裂的应用更加广泛,有时会在人口稠密和环境敏感区域附近进行作业,因此会遇到更大的挑战。1.2 石油烃类

由石油和天然气组成的石油烃类已经被当作能源使用了数千年。它们作为一种热源来使用,由于点燃时发出光和热,所以有些人将它们看得很神圣。据说在基督教出现数百年前,中国人就已经使用天然气了。已成为人们崇拜对象的“永恒之火”可能就是由于闪电通过地下裂缝引燃天然气渗流物引起的。直到19世纪,天然气才获得了商业上的应用并造福于社会。在1821年,威廉·A.哈特在纽约州的弗里多尼亚钻了第一口井,通过地面生产天然气。这才开始了可能利用这种能源的时期。正是在这个时候,路灯照明转变为使用天然气,但是,当时家庭仍然没有接上天然气。直到19世纪末到20世纪初,街灯照明开始用电,天然气的使用转入民用。然而,直到20世纪70年代,天然气仍被认为是石油工业的副产品,而大部分兴趣点都是面向原油的,而在油田,与石油一起开采出来的大量天然气以放空燃炬的形式被烧掉了。

石油的生产也是从19世纪开始的,1859年,埃德温·德雷克在宾夕法尼亚州的泰特斯维尔钻了第一口井。在德雷克钻第一口井之前,世界各地的人们数个世纪以来都是围绕“油苗”(石油自然窜至地表并跑到地面)来收集石油的。石油既用作一种能源,也可作药用。天然气通常与石油一起开采出来,在过去由于运输成本高,大部分天然气都烧掉了。目前,随着石油储量的枯竭、对能源更高的需求以及使用油气生产合成制品,天然气已变为一种越来越重要的能源。天然气的使用量和生产量大大增加,主要是由钻井与生产技术和运输技术的进步以及使用替代能源的环境考虑来实现的。

石油烃类存在于地下岩石的孔隙空间中,就像在海绵中的水。主要区别在于,岩石不能挤压以提取烃类。烃类中较重的液体组分称为“石油”或“油”,而较轻的组分称为“天然气”或“燃气”。石油是一种含有数千种不同化合物的复杂混合物(Tiab和Donaldson,2012)。其组分可随其形成时所处环境的不同而不同。它主要是由碳和氢组成的,而且可能含有其他杂质。石油中的化合物组成通常超过5个碳原子,并以液态存在。天然气主要成分为甲烷(含有1个碳原子和4个氢原子的分子),可能是石油的伴生气,也可能不是。它也可能含有一些较重的烃类,如乙烷、丙烷、丁烷,甚至一些液态烃,但它们占总成分的百分比通常很小,而且因地而异。烃类化合物在本质上是由称为“烃源岩”的沉积岩(通常为页岩)中的有机物在适宜的压力和温度条件下,经过数百万年分解形成的。有机物的成分以及压力、温度和时间决定了生油岩中是形成石油还是天然气。页岩是一种致密(渗透率非常低)的地层,其中石油或天然气可以移动,但是非常缓慢。岩石的渗透率决定了流体通过岩石孔隙的能力。经过数百万年,一些石油和(或)天然气已经从烃源岩(一般为页岩)中运移出去,并在更具有渗透性的地层(如砂岩或碳酸盐岩地层)中聚集,它们被称为“储集岩”(Gidley等,1989)。储层之上具有隔水层,也称为“盖层”,使周围石油和(或)天然气不能通过它逃逸或进一步运移。储层流体由于其密度差而在储集岩中分离出来,天然气由于最轻,处于顶部,紧接着是石油,然后才是水(图1.2)。储层通常比图中所示的水平饼状层要复杂得多。从储集岩开采烃类相对容易些,因为储集岩具有中等到高的渗透率。过去,大多数石油和天然气的开采都是来自于陆上储集岩。随着这些油气藏的枯竭以及对石油日益增长的需求,人们正在探索新技术和新领域。在天然气开采领域,人们运用新技术从含有大量烃类(这些烃类通常称为“页岩油”和“页岩气”)的渗透率极低的页岩地层(烃源岩)中开采天然气,这种新技术也有利于从其他原始渗透率极低的致密岩石地层和煤层(非页岩但是原始渗透率非常低)开采天然气。技术上的飞跃使人们能够通过采用包括定向钻井和压裂的现代方法来开采这些烃类资源。定向钻井方法非常灵活,能够建直井,也能建斜井,能够钻达含烃类的产层(图1.3)。尽管其自身存在着挑战,比如对地下水、地表水、空气和农田的保护方面的担忧,但是压裂过程提高了岩石的渗透率,又促进了烃类的产量。图1.2 石油烃的起源和积聚图1.3 使用直井或定向井从地质建造中开采烃类1.3 页岩中的石油储量

由于新的发现和资源的不断消耗,对地下石油烃类的储量估算是不断变化的。在页岩中,在页岩的“远景区”发现石油烃类,它们是含有大量石油和(或)天然气的页岩地层。这些页岩地层在地质上相似,并且处于相同的地理区域。由于其复杂性,对来自这些页岩地层的石油和天然气的储量和开采量的估计就是一个挑战。利用现代技术,对这些地层进行开采,要求进行大量的水力压裂,使流体从岩石基质流入生产井。

世界累计已探明的石油储量(探明储量是通过对地质和工程数据进行分析,在现有的经济和作业条件下有合理信心可以开采的估算12量)是大约超过1.3×10bbl(1bbl相当于42gal)(据2009年,美国能源信息署国际能源统计)。页岩油对累计探明石油储量贡献不大。按照4目前每天的消耗速度,即大约7500×10bbl/d(《石油工艺杂志》,2012年5月),可供我们持续使用50年左右。然而,消耗速度预计会显著上升。

根据美国能源信息署(EIA)2012年的年度能源展望,估计全球可123采的页岩气储量为6600×10ft,占常规天然气总储量的1/3多。这项估计的依据是从全世界含天然气地层获得的数据(图1.4)。但仍有许多具有大幅度增加储量潜力的地区还没有得到研究。除非实现了其他技术性突破,找到更加经济有效和安全的方法,那么要开采这些异常丰富的资源就需要用到水力压裂技术。图1.4 伊格福特区页岩的剖面图(美国地质调查局,2010)

表1.1显示页岩气满足世界需求的潜力是巨大的。在一些国家(如123法国),技术可采页岩气储量估算值为180×10ft,而其现在98%的天然气靠进口。因此,实现对页岩气的安全勘探和生产对国家具有巨大的利益。对于南非、波兰和表1.1中未列出的许多其他国家与此情况相类似。表1.1 世界页岩气的潜力注:赋存有大量页岩气的国家以及它们目前的天然气进出口状况(分析与产量,美国能源信息署)。

美国能源信息署2012年的年度能源展望(美国能源部,2012)估123计,到2010年1月,美国拥有2214×10ft的技术可采天然气资源量。其中30%可能来自于含天然气页岩地层。由于对页岩地层烃类储量的评估还处于起步阶段,还不具备对资源量进行精确估算的能力。按照1231232010年美国的消耗速度(每年约24.1×10ft),2214×10ft的天然气足够供应它超过90年的使用时间。然而,由于与其他化石燃料相比,天然气具有成本低和环境影响小的特点,天然气将大量用于发电和汽车燃料,其未来的消耗速度可能会增加。

图1.5示意了美国的页岩气区块分布。这些区块延伸到美国的大部分区域,有些主要区块位于人口稠密的环境敏感区域。例如,得克2萨斯州的巴奈特页岩区面积达5000mile,为美国提供6%的天然气;马塞勒斯页岩区延伸到宾夕法尼亚、纽约、俄亥俄州和西弗吉尼亚州,覆盖面积达到巴奈特页岩区的10倍,但它还只是处于发展的初期(美国石油学会,2010)。技术可采天然气(根据美国能源部公布的估计数123字)是:(1)马塞勒斯页岩262×10ft;(2)海恩斯维尔页岩251× 12312310ft;(3)巴奈特页岩44×10ft;(4)费耶特维尔页岩41.6×12310ft(美国能源部,2009)。图1.5 美国的主要页岩气区块分布

在2010年美国消耗的天然气中,有近90%产自国内;因此,天然气供应不像石油那样依赖于国外的生产商,并且其输送系统很少受到干扰。美国拥有的大量页岩气储量,使之能够在立足基本自身供给的基础上满足国内的天然气消耗许多年,并能够生产出比其消耗量更多的天然气。页岩气是天然气预测产量增量最大的贡献者。预计到2035年,其页岩气产量将占到美国天然气产量的49%,而致密储层传统的天然气产量占美国天然气产量的21%(图1.6)。这些产量预测都是基于现有技术(包括水力压裂技术)的使用。图1.6 1990—2035年期间美国天然气产量(美国能源信息署,AE02012,2012年1月23日,早期发布概述)1.4 油气需求

在过去,世界对能源的需求按指数级增长,而在可预见的未来,由于世界各地人口增长和生活水平的提高,尤其是在大部分人口聚居的发展中国家,这种增长的趋势将持续。能源有两个主要来源:化石燃料和非化石燃料。化石燃料包括煤、石油和天然气,而非化石燃料包括核能、水力发电、风力、生物燃料和太阳能。在主要用煤发电的地方,大部分能量需求都由化石燃料来满足。在美国,化石燃料供应量占据该国能源需求的大约85%,而其中有大约62%来自于石油烃类,其中石油供应占全部能源的大约40%,而天然气供应占全部能源的大约22%(美国能源部,2008),如图1.7所示。图1.7 美国的能源(美国能源信息署(EIA),2008)

随着能源需求的增加,我们看到,对化石燃料的需求也大幅度的增加,除非有重大的技术性突破,用非传统的、低成本的方式大量且安全地开采能源,这种趋势还将继续。除了产生能源外,化石燃料还用作石油化工的原料,如塑料、化肥、合成纤维和药品。它们是烃类化合物的主要来源,也是社会正常运转的支撑。

自从发现石油和天然气开始,用其满足能源要求的需求就在不断增长。虽然石油和天然气都可提供很好的能源,但石油在很长一段时间内一直是业内的焦点。就在不久前,石油工业界都一直将天然气作为石油的副产品,一般在油田放空燃烧。这种区别对待,一方面是由于原油很容易使用卡车或者通过管道从边远地区运输到炼油厂或者用于船运的港口;另一方面,天然气需要通过管线或者转化为液化天然气(LNG)或压缩天然气(CNG),并使用高压船来运输。此外,在正常情况下,天然气所含能量相对于同体积的石油来说要小。这是石油行业专注于石油的原因之一。但是,随着石油储量的枯竭以及与石油生产和运输的环境问题的出现(如墨西哥湾深水地平线平台事故、马孔多井的井喷事故以及阿拉斯加瓦尔迪兹漏油事故),现在人们已将关注重点转向天然气。经过多年的勘探与开发,那些相对容易钻探的石油和天然气几乎已被消耗殆尽,剩下的几乎都是难采储量,石油行业要在各种复杂情况下生产石油和天然气,面临着技术挑战,需要革新和投资,并要以一种保护环境的方式进行生产。

图1.8显示,基于2009年能源信息署的数据,全球对能源的需求量已推算到了2030年。全球的新兴经济体将推高需求量,并将影响对石油的总需求量。随着石油的消耗,必将由其他能源(如天然气)来满足这种需求。

天然气被广泛地运用于发电。由于它的成本更低,相对于其他化石燃料的电厂对环境的影响更低,所以其使用量在上升。图1.8 世界对石油的需求(根据2009年,美国能源信息署对世界石油需求的报告推测)1.5 完成烃类产量以满足需求

石油烃类通常驻留在地下复杂的地质构造中。它们往往处于地面以下几英里的多孔储层岩石基质中。一些更深的储层甚至都超过5mile深。打个比方,从地面钻达这些储层的深度,相当于从珠穆朗玛峰顶到达海平面的距离。要把储层中的石油和天然气开采出来并非易事。岩石是具有类似于海绵的多孔系统,但不能被挤压,而且并不是所有的孔隙都是连通的,因此要使流体流动起来相当困难。对岩石基质中流体流动的难易程度的测量值称为渗透率;流体可以驻留在孔隙空间的岩石体积百分比称为孔隙度。具有较高孔隙度的岩石就有较高的储存石油烃的能力。在一般情况下,如果孔隙度高,渗透率也会高。然而,这种现象并非始终成立。其中,确定储集岩渗透率的一种主要因素是岩石基质中孔隙的连通性。有时,岩层有石油烃类可以大量驻留的大孔隙空间,但是由于孔隙的连通性不够,它们可能无法开采,因为渗透率低。在页岩地层中就是这种情况。页岩具有相当可观的孔隙度,但是由于孔隙非常小,渗透率很低。为了从这些地层中经济性地开采流体,必须人为增大渗透率。

在上一节中,讨论了世界上已知的石油和天然气储量,但这些资源中只有30%~40%可以使用传统的技术从传统的砂岩和碳酸盐岩储层中开采出来。从页岩及其他致密(渗透率非常低)的岩层中开采几乎可以忽略。为了增加产量,石油行业中使用了各种增产方法。其中一些方法描述如下。1.5.1 压裂

压裂是提高致密岩层(如页岩)的渗透率,从而实现石油和天然气增产的一种工艺。压裂是通过以足够高的压力向岩石基质中注入一种液体,导致裂缝的形成来实现的。这些裂缝通过井眼来形成,有些裂缝延伸到地层中达数百英尺。在许多情况下,很细的裂缝(称为微细裂缝)天然存在于岩石基体中,但由于胶结作用以及盐在这些细通道中的沉积以及构造应力而封闭,但也可能通过注入高压水溶液而打开。一旦形成裂缝,通过向裂缝中注入颗粒物(称为支撑剂)而保持张开;否则,由于正常的地下应力裂缝会闭合(该过程称为修复,使岩石恢复到其低渗透率的天然状态)。这类似于打开人体中的动脉阻塞,然后放置一个支架,以保持动脉打开,使血液能够继续流动。储集岩在其性质上很少有一致的。同一岩层内渗透率变化很大。在井眼附近的低渗透性区域流进生产井的石油和天然气的量极大地减少。生产石油和天然气的井眼可以看作是瓶颈,而储层可以看成是瓶子的主体。无论流体多么容易流过瓶子的主体,最终的流动都是由瓶颈的收缩来控制的。如果瓶颈堵塞,无论储层的其他性质如何,都不会有流体从储层中流出来。通过压裂井眼附近的区域,瓶颈被打开。因此,即使对于具有相当好的渗透性的储集岩,如果在井眼附近具有低渗透率,也是需要水力压裂的。要进行水力压裂,需要使用水、砂以及其他一些能够产生具体效果的添加剂(将在后文讨论)。将液体溶液以高压和高速注入,会导致岩层中形成裂缝。页岩地层含有天然存在的微细裂缝,由于它们不与较大的裂缝网络通道连通,所以不能传导流体。另外,由于胶结材料的沉积以及天然岩石应力的存在,导致这些微细裂缝孔道的大部分是封闭的。使用破裂压力和化学品来打开这些微裂缝,并将它们连接到诱导裂隙,有利于从页岩地层生产石油和天然气。液压裂缝为生产流体提供了从岩石基质流入井眼的管道。据估计,目前90%的井要求为实现经济上可持续的生产而进行水力压裂。1.5.2 酸化

对井眼周围的地层用酸来进行处理,可以增大其渗透率。如果井眼周围的地层阻塞,石油和天然气的流动性会严重降低甚至停止。通过向井中泵送酸液(通常为盐酸)进行井的酸化,以便溶解储集岩沉积物颗粒之间的石灰岩、白云岩和方解石胶结物。也可以加入氢氟酸来清除储集岩中的石英、砂岩和黏土。酸化压裂也用于烃类生产层以提高渗透率。此工艺可以看成是压裂而不是酸化。1.5.3 水驱

为了提高已枯竭或近于枯竭的储层的石油产量,向储层的一个或几个边角处注入水,将石油挤入生产井。如果石油的密度、渗透率和黏度与注入水相容,该体系就很适用。另外,储集岩特征在成功的水驱作业中扮演着重要角色。可以向水中加入几种添加剂使之与石油相容,以便提高产量。通常该工艺适合于石油储层,但如果井眼附近的渗透率很低,这种工艺方法就不适用。1.5.4 化学剂驱

化学剂驱是在水中加入化学品如表面活性剂和聚合体以提高石油采收率的方法。由于两种液体之间存在很高的界面张力,油和水不能混合。当向储层中注水时,水往往会绕过石油。表面活性剂有助于降低界面张力,使油和水一同产出。这类似于向油腻的手上涂肥皂以便洗掉油脂。

聚合体增大了水溶液的黏性(使溶液增稠)。石油一般是黏稠的,所以不容易移动,它移动时就像厚厚的糖浆。提高了黏度的水就可以将石油挤出岩层。就像水驱一样,该工艺通常适用于石油储层,但如果井眼附近的渗透率低,这种工艺方法就不适用。1.5.5 二氧化碳驱

二氧化碳驱是将二氧化碳注入储层以便提高压力,尤其针对由于石油和天然气的枯竭而导致压力丧失的储层。增大压力有助于生产更多的石油和天然气。注入二氧化碳(这是一种温室气体)还有助于减少大气中的二氧化碳。在注二氧化碳之前要研究储层的相容性,以确保在形成可能减小渗透率的碳酸盐时不破坏储层。如果井眼附近的渗透率极低,该工艺方法就不适用。1.5.6 热力采油

热力采油是一种针对极黏稠的石油的开采工艺。通过对生产井加热,以便减小石油的黏性、促进其流动。火驱和蒸汽驱是两种主要的热力采油工艺。使用火驱时,在储层的一端将石油点燃,经燃烧产生必要的热量。热量穿过储层并降低了石油的黏度。使用蒸汽驱时,将高压蒸汽注入井中与石油接触,并降低其黏度。该工艺适用于石油储层。1.5.7 微生物提高采收率

向储层加入微生物以便生产更多的石油。各种类型的微生物产生的生物表面活性剂、生物聚合物和气体,有助于提高石油产量。微生物通过除去井眼附近的蜡质,还有助于提高渗透率。因为石油储层很深,其中没有氧,有的微生物可以在这种条件下存活,称之为厌氧菌。

对于所讨论过的用于增产的各种技术,水力压裂和酸化应用最为广泛。地层渗透性是增产措施得以实施的前提,如果不具有合适的渗透性,没有任何其他技术能增加石油产量。1.6 水力压裂

水力压裂工艺需要包含一些添加剂的水和砂。在历史上,该工艺使用了非水类型的流体,而现在主要都替换为水。Grebe和Stoesser(1935)最早提出了向井中以高速、高压力注入流体,以便形成延伸到井眼以外很远的裂缝,从而提高石油和天然气产量。Veach(1989)报告说,1947年,在堪萨斯州格兰特县首次使用水力压裂;以2~5bbl/min的速度向地层中注入大约1000gal的每加仑含有0.5lb砂子悬浮物的铝皂粉增稠(或胶化)煤油,以便形成裂缝并用砂子撑开。在地层压裂之后,又注入大约2000gal的含有一种可以将凝胶分解并溶解的化合物的煤油,以便排出用于形成裂缝的铝皂型凝胶;在该井投产后采出一些自由流体。在他们获得经验后,把注入速度提高到4500bbl/min或更大,而用于初始压裂阶段流体的量提高到100×10gal。

该工艺是由斯塔诺林德石油天然气公司(Clark,1949)商业性提供(根据许可),继续使用凝胶煤油作为储层的压裂流体。由于油气增产工艺成功的消息传遍了石油行业,水力压裂很快成为产量下降油井提高产量以及通过注水提高石油产量的新井(水驱项目)的一种标准技术。随着其应用量的增加,该技术也随着压裂液、应用方法、采用的地面设备的新发现和改进在不断变化,有关水力压裂的理论科学也得到发展。

在巨大页岩沉积物中发现大量的天然气储量将目前美国的天然气123可采储量增加到大约2000×10ft。生产的天然气用于生产、发电和住宅供暖,但其产量已经超过目前的需求量,一些大型天然气生产公司现在已经减产。因此,有几家大型公司正在考虑沿美国的高速公路配置天然气站,以便促进天然气在汽车运输业上的使用;如果天然气容易获取,对它的需求的增加将促使车辆的发动机改装为或生产为使用天然气的发动机。由于使用管线输送天然气相对容易,也由于其高含热量,所以它是一种极好的热源:当前配送到用户的配制天然气的热3量为1000Btu/ft天然气(1Btu为将1lb水在1atm下升高1℉所需要的热量)。天然气的成分在各个地方有所不同,但是一般含有的低相对分子质量气体含量范围为:甲烷大于75%,乙烷10%~15%,丙烷10%~15%,丁烷10%~15%,二氧化碳0~5%以及氮气0~3%。

随着通过钻更深的井寻找油气储量能力的增强,井壁坍塌问题的出现也更频繁。由于岩石的不稳定性,导致了昂贵的修井作业和井底完井作业(重钻井眼、固井、下套管、砾石充填等),进而推动了由采矿工程师开发的对地下岩层存在构造应力理论的研究和应用(Hubbert和Willis,1957;Cook,1967)。之后,人们集中于使用实验室设备研究取自于深井的岩心,目的是模拟深部储层的温度、压力、孔隙流体和三维应力条件(Donaldson等,1980)。

对石油或天然气地层进行压裂的目的是,通过压裂,在岩石中形成延伸一定距离的裂缝,来提高井的产量。裂缝增大了通过连接井眼的高传导性通道抽采油气的面积。因此,可以比未经压裂的井以更高的速度和更低的压力开采油气。当用于形成裂缝的流体的压力下降为正常地层压力后,裂缝将在地层中正常储层水平应力水平下闭合。所以,必须注入一些颗粒物,以便支撑裂缝面,提供从地层向井眼的导流通道。这种颗粒物称为压力支撑剂或支撑剂,是由分选好的砂粒、玻璃珠、胡桃壳和许多其他种类的合成材料颗粒组成的。当使用一种酸作为压裂液时,酸将岩石中溶解于酸的部分带走,留下沿裂缝的酸蚀孔道,在裂缝闭合后仍然留下。因此,如果使用酸压裂液,地层被腐蚀后,就不再需要压力支撑剂。

如上所述,水力压裂是从一口射孔的下套管井中的生产层附近或者套管井以下的一个裸眼井段进行的。将一种为这种地下环境的地层和应力状态设计的流体以一定速度注入地层,这个速度要比漏失速度快,注入压力要足够大,能够克服地层中基质强度和应力。岩石沿着垂直于地层中最弱的或最小压应力的一个平面破裂。裂缝的宽度是注入压力及地层物性的函数。然后支撑剂运移到裂缝中,在完井之后使裂缝保持开启状态。

当注入压裂液和支撑剂时,裂缝的长度、高度和深度不断增大,直到注入停止。生产层中,裂缝高度和深度的增加往往被上覆和下伏层的构造阻止。这样将裂缝限制在目的层。当注入作业停止或者压裂液漏失到地层中的速度等于注入流体的速度时,裂缝的生长停止。当确定已经注入足够的支撑剂后,维持井按需要的速度生产,该工艺停止。裂缝中的压力下降到原始地层应力状态,此时,裂缝闭合。

沉积盆地中,在非胶结砂岩和形成砂岩、碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、白垩等等)和盐类(氯化钠、石膏等等)的胶结砂岩之间有页岩交互层或岩层,并延伸到堆集的沉积物的最终深度。页岩是由各种类型的黏土组成的,含有大约50%的其他沉积物以及与黏土混合的有机质。在全世界有大面积的页岩沉积地层,包括一些州的陆地区域下面。页岩层的厚度从几英寸厚的薄透镜体到几百英尺的岩层都有。许多页岩层含有大量的天然气,锁闭在互不连通的孔隙中,因此不能流入低压中心(如一口井中)用于生产。

水力压裂使页岩中形成一个连通的裂缝网络,开启了从地层到井眼的天然气的流动通道。水平钻井技术连同水力压裂技术将全世界非生产性的页岩气储层改造成了大型的天然气气田。

在美国,海恩斯维尔和费耶特维尔页岩是路易斯安那州、得克萨斯州和阿肯色州的大型沉积;得克萨斯州中部的巴奈特页岩、阿巴拉契亚盆地的玛西拉页岩、美国北达科他州的巴肯页岩、延伸到多个州(科罗拉多州、堪萨斯州内布拉斯加州和怀俄明州)的厄布拉勒页岩以及许多其他页岩组成了庞大的页岩气藏。

首先,将直井钻到含有天然气(有时是石油)的页岩层,然后钻井井眼从垂直变为水平,有时延伸进入页岩层达数千英尺。可以从原来的直井井眼放射状钻多口水平井,而每个水平井轨迹都经过压裂。例如一个50ft的油气层如果仅仅暴露于直井眼,其生产长度仅50ft,但是通过钻水平井,可以水平延伸进地层差不多3000~5000ft,与地层接触的生产长度增加50倍。此外,在生产层段内,压裂地层增加了用于生产的暴露面积数千倍。

在生产油管下到位以后(在某些情况下,其长度达1mile或更长),管段用旋塞隔离,通过管段内射孔使围岩压裂。在足够压力下,将专门配制的水溶液泵送进入储层,以便形成沿井眼延伸的连通裂缝网络,并与页岩中现有的天然裂缝沟通。然后使用一种具有足够黏性,能够维持支撑剂悬浮的变性流体,让沙子或一些其他粒状材料(氧化铝珠、瓷珠、烧结矾土陶粒等)沉积到裂缝中,直到压力下降,沉淀在裂缝内。如果没有将支撑剂置入裂缝,那么,一旦压裂液泵出裂缝后,裂缝将闭合,而流体也不会被导流至井眼中。

当支撑剂置入裂缝系统网络以后,一些压裂液(与可能存在的地层盐水混合)从井眼流回到地面。这种返排液要么经处理后再用作压裂液,要么注入深部盐水层。

由于竞争原因,这些公司一般不披露用于制备压裂液的具体的化学品——但是监管机构已经发布了压裂液的主要成分,并由美国石油工程师学会期刊中公布了明确的列表(Veatch等,1989):(1)黏度增加——天然(有机)增稠剂。有机聚合物瓜尔胶和黄原酸酯树胶(有些用于食品中)可使水溶液增稠,并在一定环境条件下达到凝胶的稠度。(2)流体泵入地层时流体的摩擦和紊度减小——已经发现有几种类型的聚丙烯酰胺聚合物在通过管道泵送时,由于其摩擦和紊度的减小,能够减小压力和流体损耗。它们被用于许多行业。摩擦减小可能提高泵速至100bbl/min。(3)腐蚀控制和结垢抑制剂——乙烯—乙二醇和盐酸是用于该用途的两种化学品。(4)抗微生物剂——加入甲醇和萘,用于可能形成代谢产物(如黏液)并破坏储存和混合罐中的压裂液添加剂的需氧菌。(5)表面活性剂用于提高支撑剂的承载能力——醇和衣康酸单丁酯是用于此用途的两种化学品。(6)pH值的控制——各种简单的酸和碱。1.7 与水力压裂有关的环境问题

压裂液的主要成分是水(>95%),上述化学品构成流体的不到2%。然而,这些化学品即使量很小(十亿分之一级)也可能对人体和环境有害。所以,由于一些严重的环境问题,监管部门对压裂施工的管控非常严格。压裂液及其化学品在地面作业、储罐、管道破裂等过程中,在地面的溢散可能导致其渗入地下水和地表径流。油井套管可能会出故障(由于破裂或腐蚀),让压力流体上窜进入套管和井眼之间的环空,从而污染浅部含水层。

虽然水力压裂通常是在几千英尺深度进行的,如果不谨慎操作,也可能对环境产生显著的负效应:(1)威胁到地下饮用水源——地下水也是一种地下的饮用水源,通常位于地面以下几百英尺,但是压裂作业是在地表以下数千英尺进行的。所以,压裂液通过裂缝通道污染地下饮用水的可能性是可以忽略的。然而,如果配制压裂液和储存液体的地面设施的完整性受到破坏,存在可能渗入地下水或流入可再进入地下水的地表水体(如河流)的溢出或泄漏时,压裂液就会污染地下水。对地下水的污染可能造成对地下水层不可逆转的破坏。如果裂缝地层较浅,在附近存在一个可能作为压裂液通道的断层带,污染也可能会发生。由于与断层有关的天然胶结可以使流体保留在原地并限制流体沿断层线的任何流动,这种情况发生的可能性极小。然而,如果与井有关的套管和固井的完整性受到破坏,注入的压裂液就可能污染地下水源。4(2)地下水的应力——每口水平井的压裂通常取用300×10~7004×10gal的淡水,并且经常需要从地下含水层抽取。对含水层如此之高的需求量,如果不采取适当的压裂液回收利用措施,可能导致水量不足(尤其是在干旱地区或面临干旱条件的地区)。从浅含水层中抽取大量的地下水,由于储层的垮塌,也可能导致含水层之上的地面发生沉降。目前,对产出水的一部分进行了回收,并开展了大量研究工作来开发相关技术,用于处理用过的压裂液,以便可以回收,由此减少对淡水的需求。(3)地颤和地震——由于进行压裂作业的深度很深,所以,因压裂导致的地面颤动或地震的概率是非常小的。然而,从裂隙地层产生的返排水占注入水体积的10%~20%(有时高达70%)以及含有的伴有地层盐水的压裂液,通常采用注入注水井深部地层进行安全处置。如果注入井靠近一个断层,就可能导致断层逐渐发生滑动,形成地面的颤动和小型地震。将注水井定位到适当的地质构造中,是避免此类事故的关键。(4)水土流失——使用大量重型拖车和卡车进行压裂施工可能导致重大水土流失,并破坏区域内的敏感植物群和动物群。可以通过精心规划和临时便道的建设来实现对这些敏感环境的保护。(5)空气污染——在压裂和反排工艺过程中,有几种污染物可能排放到空气中,包括甲烷、氮氧化物、碳氧化物以及裂隙地层和泵、发电机以及车辆作业产生的颗粒物质。通过捕集从地层产生的气体并使用低排放设备从而使空气污染最小化。(6)噪声——压裂工艺需要几台高功能泵同时作业用于配制支撑剂,过程中会产生巨大噪声。所以,它可能成为一个重要的噪声污染源,尤其是在人口中心附近进行作业时更是如此。设置隔音屏障,配合在泵上使用消声器可以减小部分噪声。第2章 含气页岩储层评价2.1 沉积储层

岩石根据物源被分为3大类型:(1)火成岩是由熔融岩浆结晶而成,在地下变冷的为侵入岩,在地表变冷的为喷出岩(火山岩);(2)沉积岩是由地表岩石侵蚀后的颗粒组成的,这些颗粒运移到低洼地区从而引起堆积(比如下沉区、湖泊、海湾、海陆架等),这些颗粒经过埋藏,随后又经过了压实和胶结;(3)变质岩则是由火成岩或沉积岩经过力学、热力或者化学的变化而来。

特殊类型的沉积岩聚集成面或者层,这些类型的沉积岩是不同环境条件下的最终产物,比如侵蚀、运移以及颗粒的沉降从而组成每一个不同的地层。一些例子包括了(与深度相关)砂岩、页岩、未胶结砂、碳酸盐岩等不同岩层。地层之间的边界被称之为层面,由一个地层到另一个地层形成一套厚的层序,这些地层的颗粒尺寸、成分、压实程度、胶结情况以及岩层都存在强烈对比。

沉积岩通常可分为碎屑岩和化学沉积岩(或生物沉积岩),见表2.1。黏土是一种由岩石风化形成的碎屑物质,这种风化过程以很多方式破碎岩石。机械粉碎发生在岩石裂缝和孔隙中水的冻结和解冻循环中,由植物的根的生长、穴居动物的活动以及化学变化来完成。化学风化作用由矿物质氧化引起,又与碳酸反应(由空气和水中的二氧化碳组成),由水吸收,又溶于水中等。由此产生的黏土由含水的铝硅酸盐以及散布的一些少量其他矿物质。例如,红色黏土是由风和水悬浮带来的陨石灰尘和细铁粉组成。不同类型的黏土主要由3种长石组成:(1)斜长石(钙铝硅酸盐CaAlSiO);(2)钠长石(硅酸铝钠228NaAlSiO);(3)正长石(硅酸铝钾KAlSiO)。这些同地下水和土壤3838中的自然酸反应形成黏土。一个同碳酸反应的例子如下:2NaAlSiO+HCO+HO—→NaCO+4SiO+AlSiO(OH)38232232254表2.1 沉积岩一般分类

黏土薄片是平的,厚度上小于1/256mm,因此它们容易悬浮在水体中,并携带到低洼地区(如湖泊、沼泽、潮滩和河堤),同有机物质碎片堆积起来,这些有机碎片被快速埋藏在厌氧区域(氧气耗尽区),最终成为气和油的物质来源。黏土薄片受到压实(当额外的沉积层堆积在顶部)且在沉积地区受到构造沉降作用时被埋藏起来。随着覆盖的沉积层上覆压力增加,黏土矿物混合其他微粒以及有机物质碎片固化成页岩层。随着物质埋藏地更深,温度和压力的增加会使有机成分转变成干酪根。但随着埋藏的继续,干酪根分解成油,并最终裂解、转换成天然气。沉积岩平均的上覆压力随深度增加的梯度大约为1.0psi/ft,世界范围的温度压力梯度大约为1℉/100ft。盆地里的埋藏深度能超过30000ft,造成了在深度超过1mile巨大页岩地层包含了足以达到商业开发量的油气储量,此处的流体压力可达3000psi或者更大,温度超过了150℉。

关于地下构造中,气态和液态油气聚集的一种流行的理论是,混合着完全磨碎的碎屑沉积物(粉砂、淤泥和细砂)的大量有机物质,由河流携带并储集在浅海环境和河流三角洲。这些物质混合着来源于水体(河流三角洲、沼泽以及大水体边缘的浅滩)的有机物质碎片,慢慢

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