页岩气产业关键技术瓶颈及发展态势分析

2019-08-15 16:49:21 来源: 焦作信息港

  一个新兴产业的发展壮大,离不开早期技术的漫长积累和持续攻关。页岩气本质上仍是以甲烷为主的一种天然气,18世纪即被勘探发现。相比常规天然气,它具有分布范围广、开采寿命长的优势,气田产期长达 年。只因其赋存于泥页岩层,具有致密低渗的特点,导致开采难度大、产能低,无法在经济上获益,长期以来产业化进展缓慢。然而,对页岩气的技术研究却从未停滞。从1821年打下口气井,到20世纪40年代压裂技术的诞生,页岩气领域的技术创新活动持续经历了近两百年时间。直到本世纪初,在一批重大革命性技术的突破之下,开采困难和低产能的问题得到了较好解决, 页岩气革命 得以卷土重来,正式走上了规模化发展之路。

  北美在页岩气关键技术上的重要突破

  页岩气的开采过程分为勘探、钻井和测井、井下作业及采气四个阶段。新的技术着眼于钻井和测井、井下作业两个主要环节,依靠更加高性能的成套设备,大幅提升了作业效率,具体表现为三方面:水平井架构的提出和技术实现。水平井架构是相对于垂直井而言的,即在地下 横向 钻井,深入产层内部,通过采取多个井孔、扩大出气面积的方法,来提高产量。其中的关键技术包括:随钻地质导向和监测技术,用于掌握地下井况和地质特征,来定位和指导作业,目前已经实现了高精度、实时性和较强抗干扰的性能,电阻率、实时阵列声波、核磁共振等多种随钻测井工具获得应用;定向钻井技术,用于控制井眼轨迹,使得钻井作业更加精确快速,其中的旋转导向钻井系统,能够将钻井时间缩短到一半以上;钻头复合材料技术,在大幅提高钻速的同时,保持较好的稳定性、清洁度和耐受性。

  水力压裂技术日趋成熟。水力压裂也是一种增产方法,通过向井孔注入高压混合液(水、固体支撑剂、化学添加剂),扩大和保持住气藏岩层裂开的孔隙,从而提高每个井孔的采气效率。经过多年发展,水力压裂技术已经趋于成熟,表现在两方面的多样化上:一是技术解决方案,根据地质条件和气井实际情况,逐步形成了7种压裂方案(表一);二是压裂液品种,固体支撑剂和化学添加剂已发展到数百种,可以较好适应不同的地层闭合压力,确保减阻、杀菌、防腐等功效,增强孔隙导流能力,提升产气性能。目前, 水平钻井+水力压裂 方案已经成为主流,为北美各大气田采用。压裂成套装备市场不断繁荣壮大。压裂成套装备主要由地面车辆、井下工具和软件三块组成。在新的自动化技术、制造技术、材料技术的带动下,压裂成套设备性能不断提升,市场日趋繁荣。

  目前,地面车辆方面,已形成包括压裂车、混砂车、仪表车在内的压裂作业车组,以及储液罐、输砂设备、高低压管汇、高压井口等基础设施组成的庞大体系。井下工具方面,根据井型和压裂方式的不同,针对性开发了封隔、酸化、快钻桥塞、分簇射孔等各类工具。软件方面,压裂设计、数值模拟、完井增产一体化等辅助软件在全世界范围获得了广泛应用,海量的决策数据库已经形成。归纳北美地区在页岩气技术攻关上的经验,主要有三点:

  一是充分借助了美国油气工业和先进科技的优势。美国的油气工业已有一百多年历史,产业技术体系完整而发达,从开采设备到集成软件一应俱全。页岩气的技术突破,一方面,充分借用了传统石油和天然气技术发展的经验,包括引入气藏分析、数据收集和地层评价、钻井、完井及生产等一系列成熟技术;另一方面,页岩气的开采设备制造和系统开发,又与美国在信息技术、高端制造、机器人等方面的先进科技成果相得益彰,进一步提升了自动化和智能程度。

  二是专业技术服务的全方位介入。斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯等一批国际知名的油田服务公司,自始至终贯穿于页岩气产业发展之中,为其提供全面、细致的配套技术服务。这些服务包括了集成应用方案和施工规划、井下作业系统和工具优化、压裂液配制和增产工艺、微地震监测和数据决策咨询等多个方面,覆盖了页岩气开采的全过程,有力促进了页岩气技术的快速体系化和定制化。

  三是政府与产业界保持了密切合作。页岩气的发展,重演了美国政府与产业界合作的精彩故事。双方保持了密切关系,在地质条件评价和气藏分析、岩石力学和裂缝形成机理研究、压裂液性能研究、装备基础材料研究等多个方面合作开展应用基础研究和模拟实验,大大加速了早期产品和技术方法的论证进程。1991年,美国能源部桑迪亚国家实验室成功研发出 D微地震成像及地质地图技术,地球物理维里达斯集团、斯伦贝谢、贝克休斯等多家企业随后推出微地震技术服务。

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