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页岩气水平井缝网压裂技术及应用

主要完成人:赵金洲,蒋廷学,任岚,李勇明,吴雷泽,吴建发,鲁红升,刘伟,杜林麟,尹丛彬,曾斌,李武广,毛金成,李奎东,李双明,张固澜,欧成华,李远照,王海涛,付永强,张斌,唐凯,王宝峰,肖佳林,陈鹏飞,刘通义,李嘉,胡永全,潘树林,刘平礼

主要完成单位:西南石油大学中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司中国石油集团川庆钻探工程有限公司中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司东方宝麟科技发展(北京)有限公司北京捷贝通石油技术股份有限公司成都菲尔特技术开发有限公司

奖种:技术发明奖                              等级:特等奖

授奖单位:中国石油和化学工业联合会            年度:2019年


水平井分段分簇压裂技术在美国页岩气开发中取得的巨大成功,促进美国页岩气产量的迅猛增长,2008年突破500亿方,成为北美页岩气革命成功的标志,2018年美国页岩气年产量已高达5932.4亿方。我国页岩气勘探开发起步较晚,2004年我国开始页岩气资源调查研究工作,2008年中国石油开辟了川南、昭通两个页岩气勘探开发示范区;2009年国家提出加快页岩气开发,同年中国石油钻探我国第一口页岩气井威201井,并于次年压裂成功采气;2012年“加快页岩气勘探开发攻关”首次出现在《政府工作报告》中,同年设立四川长宁-威远国家级页岩气示范区;2012年11月,焦石坝JY1-HF井获高产页岩气,发现了涪陵页岩气田,并于2013年设立涪陵国家级页岩气示范区,从此正式拉开我国页岩气开发序幕。

美国页岩气革命的成功经验为我国页岩气开发提供了有益借鉴,十年前我国页岩气压裂技术尚属空白,针对中美页岩气压裂条件的差异,2008年项目组提出了水平井全井段缝网压裂思想并联合全国优势力量系统开展研究,创建了我国3500m以浅页岩气水平井缝网压裂理论方法和技术体系,研发成功具有自主知识产权的页岩气水平井缝网压裂技术,使我国成为少数几个掌握页岩气开发核心技术的国家。

项目取得主要技术发明:

1、建立缝网压裂基础理论,发明了页岩气水平井缝网压裂优化设计方法。国内最早系统建立缝网随机动态扩展、缝网展布下页岩气渗流、综合压裂力学和震源反演微地震解释、缝网改造体积(SRV)动态评价的基础理论模型,发明了产能预测和产量递减分析方法、微地震事件解释方法和正反演模拟方法、构造裂缝-页理缝-压裂缝网三维建模方法、缝网改造体积地质表征和理论计算方法以及缝网核心参数优化设计方法。

2、建立可压性评价理论模型,发明了页岩气储层缝网综合可压性评价方法。在页岩气储层脆性可压性评价基础上,首次引入复杂缝网概率指数和缝网压裂体积概率指数建立缝网可压性评价理论模型,发明了缝网可压性评价方法,实现从岩石破裂难易程度到缝网形成难易程度评价的突破。首次建立综合脆性因子、天然弱面发育因子、缝网扩展能力因子、含气性因子分布理论模型,创建了页岩气储层缝网压裂综合可压性评价方法,实现了真正意义的页岩气储层地质、工程“双甜点”一体化可压性评价。

3、发明了复合滑溜水和低碳烃无水压裂液,构建了我国页岩气压裂主力液体体系。针对我国页岩气地质地貌特征,首次研制成功黏度具有pH可调与微交联可调的140℃滑溜水压裂液,并首次发明高剪切速率环境滑溜水降阻率现场测试方法。研制成功超长碳链双亲水头基疏水单体,发明了抗温抗盐抗剪切、低摩阻低伤害强携砂活性压裂液。发明成功交联时间可调的丙烷基134℃无水压裂液以及正戊烷或正己烷基150℃低碳烃压裂液。

4、建立复杂裂缝支撑剂输运计算模型,发明了缝网支撑剂铺置与导流能力评价方法。突破国内外只能定性描述页岩气压裂复杂缝网支撑剂运移的局限,首次建立复杂缝网压裂液分流量和支撑剂转向条件计算模型;首次考虑压裂液动态滤失、缝间干扰和层理干扰影响,发明了多级数、多角度复杂缝网支撑剂运移大尺寸可视化模拟装置;提出了缝网分支剪切位错裂缝导流能力与变粒径组合加砂主裂缝导流能力评价方法。

5、发明缝网压裂工艺,构建了具有我国特色的页岩气水平井缝网压裂技术方法系列。克服我国页岩气埋藏深、地处山区丘陵、建井成本高、水平井全井段缝网需求与缝网构建难度大的矛盾,发明了高粘液增压低粘液沟通天然裂缝的高-低粘压裂液交替注入等多种缝网压裂工艺技术;发明成功适合我国的页岩气水平井“挤注暂堵增压+缝口暂堵分流+缝内暂堵转向”重复压裂技术;首次发明了基于施工压力的工况诊断识别与施工实时调整方法。

项目获国家发明专利60件和软件著作权16件,主持和参与制定国家标准与能源行业标准10项,出版专著5部,发表论文254篇(SCI和EI收录86篇),培养博士硕士90余名。技术应用累计协助探明页岩气储量8681亿方、累计新建产能161亿方、累计生产页岩气277亿方,已成为我国页岩气勘探开发的“杀手锏”技术。

本项目创建了我国3500m以浅页岩气水平井缝网压裂理论方法和技术体系,实现了我国页岩气压裂技术从无到有、从跟跑到并跑的重大跨越,丰富了我国压裂理论技术体系,为我国页岩气年产量从2012年0.25亿方增长到2018年的108.8亿方并成为仅次于美国的全球第二大页岩气产量国做出重大贡献,使我国成为少数几个掌握页岩气开发核心技术的国家。本项目进一步推广应用将推动我国页岩气加速迈入大规模商业化发展阶段,对促进我国能源结构调整、保障国家油气安全、缓解中东部地区天然气市场供应压力,加快节能减排和大气污染防治具有重大意义。

图1.涪陵国家页岩气示范区年产能100亿方建成

图2. 四川建成全国最大页岩气生产基地




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