沈忠厚的超临界二氧化碳压裂技术整理
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“超临界二氧化碳开发非常规油气藏
钻完井技术研究”
(沈忠厚的超临界二氧化碳压裂技术发言整理:潘存焕)
(2012年8月,西安,贡献给大家共享) “2012国际石油产业高峰论坛”于2012年3月19日在北京举行,下面是中国石油大学教授、中国工程院院士沈忠厚的发言: 各位领导、各位专家、各位来宾早上好。
今天我报告的题目是“超临界二氧化碳开发非常规油气藏钻完井技术研究”。
下面就四个问题跟大家汇报。
第一个问题绪论:为什么我们要研究这个问题?
大家知道我们国家现在重新发现整装大庆、胜利、辽河这样整装大型油田的机会不会太多,这是世界上所有地质家公认的。
我们现在进军深海,将来可能在南海深海部分找到整装的油田,这是将来我们的主战场之一。
其次,就是注意我们近10年来所发现的天然气资源。
每一年有4亿到5亿吨储量的增长,但基本上70、80%都是低渗特低渗油气藏,这是一个很大的特点。
在近期发现的油气资源里面,天然气的资源非常丰富。
特别是非常规天然气,包括页岩气,煤层气还有致密天然气等等。
大家知道我们的常规天然气资源是非常宝贵的。
且目前的产量距离我们现在需要,是远远不够的。
最近几年来我们地质家在非常规天然气上,做了大量的工作。
我们现在已经查明的致密气、页岩气、煤层气的储量远比我们常规的天然气储量要大得多。
至少从目前资源量来看,不完全的统计,至少要大3到4倍到5倍。
而且,还会继续增长。
估计在今后50年,甚至100年我们在天然气上会主要依靠非常规的天然气资源。
现实告诉我们,我们今后的主战场第一个是低渗透气藏,第二个是非常规天然气资源。
所以,这是我们今后的两大主战场。
第二个问题:开发低渗油藏,再开发非常规油气藏,遇到的主要问题什么?
主要是三个问题:第一个问题,所有的低渗油藏都非常坚硬,难钻。
还有一部分不是很难钻,比如页岩层,但它的渗透率很低是最大的困难。
钻井工程花费了我们大量的时间,整个开发的估计成本有70、80%花在钻井上。
这样下来我们的效益非常低。
第二个最大的问题,这种低渗气藏,或者非常规天然气藏,空置率一般在50%左右,因为它的渗透率极低。
这么低的渗透率,在钻井的过程里面极容易受到伤害,要把他恢复过来,不像我们常规中的高渗透气藏,这完全不一样。
我们钻井的人员,和我们搞开发的人员要注意,我们原来在开发常规气藏的技术,在进入20世纪以后,从现在开始,后面要开发这样一些资源,不管钻井也好,产油也好,流程也好,都要发生极大的变化。
很多技术都有不同程度的不适应,有的时候完全不适应,有的时候部分不适应。
因此,在这么一个情况下,我们就要寻找新的技术。
第三个问题,就是丰度低,单井产量低,采收率低,开采周期长。
每口井的产量并不高,且采收率低。
美国现在开发非常规的天然气这个部分,采收率究竟多高?我们好象没有看到比较确切的数据,总的来讲比我们现在常规的油气藏采收率要低。
因此,在这样的情况下怎么办?这就提出了一个新的问题,我们不能用常规的办法来钻井,开采,必须寻找新的开采或者开发技术,包括从钻井开始。
第三个问题:用超临界二氧化碳来开发非常规油气资源是近期可以走通,可以转变成生产力的一种新技术。
中国石油大学(北京)和中国石油大学(华东),经过4年到5年的初步探索和一系列的初步实验,我们现在可以跟大家说:很有可能并可走的路径,而且近期可以走通,可以转变成生产力的一种钻井或者开发方案,是用超临界二氧化碳来开发非常规油气源。
(一)超临界二氧化碳流体的物理特性。
大家看一下这个图,这是一个超临界二氧化碳相图,上面有两个点,有一个三相点,第二个点是临界点。
三相点指出了二氧化碳什么温度压力下是固体,是气体,还是液体;第二个就是临界点,关键问题在临界点上。
我们把二氧化碳的温度增加到31.1度,压力加到7.300兆瓦,在超临界状况下,二氧化碳密度接近于流体,黏度相当于气体。
黏度很低就易于流动,这对我们搞钻井搞采油人是一个很大优势。
大家看一下这个表:中间这一行就是超临界流体,密度是0.2到0.9;黏度是0.03到0.1,黏度接近于气体(气体是0.02)。
它的扩散性系数大于液体,而密度接近于液体。
这有什么好处?带来两个好处,密度相当于液体就可以提供必要的很大的开发油气的功率,可以带动底下的井底马达旋转。
这种超临界的二氧化碳具有四个特点:第一,密度接近于液体,第二,黏度接近于气体,第三,扩散系数大于液体,第四,表面张力接近于零。
这个超临界二氧化碳可以进入到母岩,不管是什么岩石,只要它的空间大于二氧化碳的分子,比分子大,这个二氧化碳就很容易钻进去。
越小的时候进的越快。
说明这个超临界二氧化碳打进去以后,不用加多大的力量,它就成为了一个无孔不入,很快深入到你的孔隙里面去的东西。
这种性质决定了该项技术具有钻速高、地层不受损害、最终采收率高的优点。
(二)超临界二氧化碳开发非常规油气藏的四个优势
第一个,解决了坚硬地层的钻速问题。
对于坚硬地层,用清水,用我们一般的钻头来钻,就很难。
用二氧化碳来钻就很快了,大家看一下为什么快?左边是代表用清水来钻,右边这个是代表用超临界二氧化碳来钻,上面一块岩石是花岗岩,下面是页岩,我们知道花岗岩是最硬的岩石,页岩是最难钻的岩石,这两个最难钻。
首先看用清水和二氧化碳钻花岗岩的效果:二氧化碳钻的这个沟槽,轮廓较为清晰,破碎体积较小。
我们再看看它们的破碎坚硬压力,用清水是75,用二氧化碳是50。
二氧化碳的破碎压力相当于清水的67%。
我们看看页岩,页岩用清水钻的破碎压力是124,用二氧化碳钻时只有55,破碎压力之比是0.44。
说明,我们用二氧化碳钻井的时候,对于难钻的岩石,像花岗岩、页岩这样的东西,都可以获得好的效果。
特别是页岩层,钻速一般可提高到2-3倍。
这已经是一个很不小的数字。
这是第一个优势。
第二个优势,储层不易被污染。
大家知道,低渗和非常规天然气储层在钻井过程中是很容易被污染的。
搞采油的人都知道,在钻井过程里面,在正常过程里面,我们的外来固体侵入到油层孔隙里面,把油堵起来,我们把这个就叫污染。
而我们超临界二氧化碳就是二氧化碳气体,如果把温度降到一定值就会变成液体,加到最后的临界温度时,就成为具有液体的密度、气体的粘度这样一个东西,它既为气体,又为液体,他怎么污染损害油气藏,他根本没有损害的条件。
所以,这是我们在钻井方面求之不得的。
这样看来,实质上它对油气藏没有任何污染。
第三个优势,也是最大的优势,它可以提高单井产量。
为什么呢?我们知道单井产量现在很低,我们现在采取钻分支水平井、钻辐射水平井、复杂条件下结构井,使我们的单井产量一下子提高了,最多可达到直井的5、6倍。
这取决于水平段的长度,或者分支段的长度。
用这种超临界二氧化碳钻井,更容易控制水平段和分支段的长度。
最右边这个图,最适合钻辐射水平井,向周围辐射可以打一系列的水平井出去。
周围都辐射,其他办法就很难做到。
第四个优势,可以提高采收率。
目前各油田的采收率只有20%多,最高30%多,大庆40%到50%。
一般情况下,还有三分之二的油剩在地层中拿不出来。
如果我们现在开发低渗油气藏,开发我们的非常规油气藏的话,可能只有百分之十几。
大部分油气拿不出来。
超临界二氧化碳的最大优势,就是可以把油气藏里面的吸附气置换出来。
这张图里是天然气甲烷对母岩的亲和力和二氧化碳对母岩的亲和力,可以看到,二氧化碳对母岩的吸附强度高,基本上是3到5倍的甲烷的吸附强度。
也就是说,假设这里面甲烷就是我们的天然气,天然气主要是甲烷,我们把二氧化碳打进去,那么,吸附在颗粒和有机碳上面的气体,会很容易的被二氧化碳所置换,把气体赶出来。
它的置换强度相当于3到5倍。
这个是任何到现在为止我们一直找不到的最好的东西了。
超临界二氧化碳对采收率的贡献,一个是置换,第二个就是驱替,就是我们去赶它。
超临界二氧化碳的表面张力等于零,黏度非常小,扩散系数很大。
因此这个超临界二氧化碳打到地层里面,他就成了无孔不入,越是小的地方它越进去,越快进去。
进去以后,就把里面的气体赶出来了,这个不是置换,是把这个东西驱赶走。
我们现在注水,注水也是去赶,但是注水要困难很多。
注超临界二氧化碳的压力要比我们注水压力小得多,当然就会提高效率了。
超临界二氧化碳对采收率的贡献还有一个,就是因为他的溶剂化能力很强,可以把近井地带的重油组分,和一些渣子吸收掉。
你想,如果把近井地带重油组分和有机渣子去掉,使近井地带畅通,就改善了油气通道。
提高了油气采收率。
目前我们还没有发现任何一个化学流体有这么一个好的作用。
第四个问题:结论与建议
结论:第一条,用超临界二氧化碳钻井,钻速高,成本低。
第二条,不受污染。
第三条,得到的采收率高。
第四条,容易钻各种复杂的结构井,他可以钻各种各样的径向水平井。
建议:我们现在碰到所有的气藏,都是用水力压裂。
我想提出一个建议,大家千万不要用水力压裂,虽然水力压裂可以节约一部分成本,但是水力压裂过程里面带来无穷的后患。
所有油气藏近期或以后一段时间内都用水力压裂,如果我们这个压裂改成用二氧化碳压裂,二氧化碳用临界也好,用超临界更好,不用超临界就用普通的二氧化碳压裂,这个效果会对生态环境有明显的改善。
这是有百利而无一害的事情。
因为时间关系,上面讲的这些问题,不足的地方请大家批评指正。