【石油观察家】联探并采:非常规油气资源勘探开发持续发展自我救赎之路

2017-07-11 06:16:00 0

非常规油气 联探并采

文|郑力会1,2  魏攀峰1,3  张峥1  聂帅帅1  楼宣庆1  崔可心2  付毓伟1,3

1. 油气资源与探测国家重点实验室·中国石油大学(北京);2. 油气钻井技术国家工程重点实验室防漏堵漏技术研究室·长江大学;3. 河北省化工学会化学封堵材料综合利用研究与应用重点实验室·北京力会澜博能源技术有限公司


摘要:非常规油气资源要实施大规模工程措施才能获得经济产量,但增加作业成本导致勘探开发利润微薄,加之安全环保要求日益严苛、油气价格低位徘徊,对投资者的信心造成了不小的打击,迫切需要用非常规的思维来指导非常规油气资源的勘探开发活动。为此构想:集成适合多种油气资源勘探开发的研究方法和作业技术,实现多种资源信息一并分析、多种资源作业一同施工、多种资源产出一起采集,把通常认为同井开采多种资源相互干扰降低单井产量的顾虑变成相互利用提高单井产量的动力,即多种油气资源联合勘探、一并开发,简称为联探并采。主要依据是油气资源赋存状况决定了联探并采的必然性,技术发展奠定了联探并采的可行性,目前的能源环境决定了联探并采的艰巨性和长期性。结论认为,尽管面临诸多困难,但上述构想不失为一种可行的选择,其实施效果表现为投入相对减少、产量相对增加、企业利润增加、投资者信心提升、能源综合利用效率提高、能源供给状况得以改善,对企业和国家均利大于弊。


0  引言

非常规油气资源的概念,是20 世纪70 年代由于开发部分油气资源受制于当时的技术水平而无法实现经济目标,相对于可经济开发的油气资源而提出的。随着技术的进步,以往的非常规油气资源可以转变为常规油气资源;而常规油气资源因储量的不断衰竭,也有可能转变为非常规油气资源或难动用储量。因此,非常规油气资源是一个相对的概念。Berkowitz 等最早从油气资源开发技术与经济可行性的角度,认为油砂、页岩油、煤焦油等是非常规石油资源。1979 年,Maters 利用资源储量、地层渗透率、资源开发成本、开发需求技术等要素构建“资源三角形”并据此来对比非常规油气资源与常规油气资源的差异性,把非常规油气资源描述为储量分布广泛但储层渗透率偏低、开发投入大、技术要求高的石油天然气资源,并将致密砂岩气、致密油、重油、页岩气、煤层气、页岩油、天然气水合物等统称为非常规油气资源。现在看来,上述界定既有种类交叉也有种类遗漏。目前比较一致的看法是, 把煤层气、页岩气、致密砂岩气、天然气水合物、盆地中心气等天然气和煤焦油、页岩油、致密油、油砂油、重油、天然沥青等石油,并称为非常规油气资源;而赋存这些油气的地层则被称为非常规油气资源储层。其中,单一类型储层赋存的石油天然气,称之为单种资源。20 世纪80 年代,鉴于常规油气资源的产量难以满足需求量,以Kuuskraa 为代表的研究人员建议开发致密砂岩气、页岩气和煤层气,以补充能源缺口。该建议的提出,加快了非常规油气资源开发的步伐,并率先在北美地区取得了成功。

上述成功不仅直接增加了石油天然气产量,而且还牵引出非常规油气资源相关理论、方法、技术、经济、环保、安全等一系列话题,非常规油气资源的定义也从最早的经济、技术层面延展至其他层面。如Gautier从地质角度认为非常规石油资源具有连续性沉积、大面积油气聚集、受水动力影响甚小等特征。Ethefington 等对比页岩气、煤层气、油砂与常规油气资源在生成、运移等方面的差异后,明确提出非常规油气资源从属于广泛意义的油气资源,进而发展了石油地质学理论—— 非常规石油地质学研究的核心是“储集层是否含油”,重点评价“岩性、物性、脆性、含油性、烃源岩特性、应力各向异性”等6项指标及其匹配关系。而后,石油工程师协会(Society of Petroleum Engineers, 缩写为SPE)、美国石油地质学家协会(American Association of Petroleum Geologists,缩写为AAPG) 和世界石油大会(World Petroleum Congress ,缩写为 WPC) 等三大石油学术机构联合界定了非常规油气资源并得到了业内的公认,即非常规油气资源是存在于面积广阔地域并且不受水动力影响的油气资源,也可称之为连续矿藏,具体可分为煤层气、盆地中心气、页岩气、天然气水合物、天然沥青、油页岩等。从实际勘探和开发状况看,以上定义已经比较完整,但类型仍有待于补充。相信随着对非常规油气资源认识程度的逐步加深,这个定义还有可能被进一步补充完善,但用“非常规”来表达这些产量相对较低、效益相对较差的油气资源,目前也是可以被接受的。

现在,暂且不进一步讨论非常规油气资源的定义,而是分析一下非常规油气资源开发所带来的影响。不可否认,非常规油气资源的规模开发会给环境保护带来压力,仅以储层改造为例,大规模水力压裂污染严重、投入巨大、资源开采成本高已是不争的事实;然而,非常规油气资源的开采也深刻地改变了世界油气资源的格局,更重要的是还拓展了油气勘探开发者的思维方式—— 用更宽阔的思维去思考非常规油气资源的高投入、低回报,并设法从另一个层面去驱动开发者创新。

本文所提出的联探并采,就是从可接受的成本约束勘探开发行为反推作业成本控制,以此去寻找利润目标突破口的创新思维之一。当单种油气资源开采获取利润无法达到期望值时,开源节流便成为常用且实用的方法。可以试想,如果能在同一个区域同时开采多种石油天然气资源,尽管单种资源产量可能达不到经济产量,但区域内单井或者多井同时开采多种油气资源,所获得的产量累加后即可成为可观的经济产量,即实现开源;相对于单井开采单种油气资源,联探并采一次作业可以完成对多种资源的开采,整体投入相对降低,即实现节流。联探并采的效果是:投入相对减少、产量相对增加、企业利润增加、投资者信心提升、能源综合利用效率提高、能源供给状况得以改善,无论对企业还是国家来说都是利大于弊的。然而,这种思维创新最终能否驱动行动创新,还需要从油气资源赋存状况、技术发展规律以及社会发展现实等方面来加以论证。这样才能给从业者提供清楚明了的决策依据。


1  油气资源的赋存状况决定了非常规油气资源联探并采的必然性

非常规油气资源共生共存于同一区域,为联探并采提供了物质基础。开采过程中规模化施工不可避免地会同时钻开相邻或相近的层位,也不可避免地同时改造了相邻或相近的层位。基于上述客观条件,用一口井把所有油气资源开采至地面或者用多口井开采整个区域内的所有资源,既有可行性又有可观的收益。因此,联探并采便成为油气资源存在于同一区域的外在现实和降低成本提高效益的内在动力的交集。这也是由非常规油气资源的生储环境、开采技术和开采成本所决定的。

1.1  非常规油气资源的生储环境决定了其可以被联探并采

Shenk关于常规天然气、致密砂岩气和页岩气、常规油等多种资源共存的示意图,清楚地描述了油气资源共存于同一区域的特点。基于此,如果一口井开采多套储层或多种资源所在储层,一个钻井平台用多口井开采多套储层或多种资源所在储层,就可以或者可能实现把多种资源一起采集至地面的目标。国内许多学者针对同一地区共存多种油气资源的研究成果也对此给予了证明,以下分述之。

张金川等研究油气成藏机理递变序列认为,致密砂岩气、页岩气和煤层气是油气藏生气条件和储层物性的必然结果,并于2008 年公开了吐哈盆地、辽河凹陷等不同类型气藏能够同时形成发育的研究成果。后来,毛俊莉等综合研究测井、录井、等温吸附曲线等资料,印证了这一结论。

邹才能和宋岩等认为页岩气和煤层气不需要运移,致密砂岩气短距离运移即可在同一盆地中生气, 并列举山西沁水、陕西韩城等地区的煤层气勘探开发成果来验证这一观点。郭本广等认为鄂尔多斯盆地东缘河东煤田中部临兴地区致密砂岩气、页岩气和煤层气具有有利的成藏条件和良好的配置特征,是3 种天然气资源开发的有利区域,并被后来的现场钻探所证实。闫德宇等认为鄂尔多斯盆地海陆过渡相有利于煤系气藏成藏。周豪等认为川西坳陷上三叠统须家河组也可以共生煤层气、页岩气和致密气。以上都是多种资源共存于同一区域的典型例证。

曹代勇等认为煤系地层沉积环境、热演化、物源类型统一,煤层、泥页岩层提供物质基础,自生自储和短距离运移是致密砂岩气、页岩气和煤层气共生的有利条件。因此,造就了煤系地层多种油气资源共存的地质条件。但是,煤系地层类型多,距离较近时可富集多种非常规油气资源,如果被煤层吸附为煤层气,聚集在泥页岩中为页岩气,聚集在致密砂岩中即为致密砂岩气。张吉振等分析四川盆地海陆过渡相煤系地层有机碳含量、显微组分、X 射线衍射分析等实验结果,发现致密砂岩和煤层交互具备致密砂岩气、页岩气和煤层气共生的物质条件。朱炎铭等研究河北省煤系天然气成藏作用和资源类型后指出,致密砂岩气、页岩气和煤层气共生共存是必然的。赵靖舟等认为页岩气、煤层气为连续型聚集,致密砂岩气为准连续型聚集,同时存在且往往形成于共同的烃源灶。曹代勇等发现鄂尔多斯盆地西缘煤系煤层、煤系页岩当中致密砂岩气、页岩气和煤层气等多种非常规油气资源具有共生模式。上述成果表明,多种资源共存于一个区域无论是理论上还是实践上,都是客观存在的且案例较多。据此预计,联探并采技术一旦成熟,市场前景和应用环境良好。目前,大家普遍聚焦于多种资源中的“气”上,主要是因为“多种天然气资源比较容易被一起采集至地面”的观点易被接受,但是开采实践和实验室测试都发现,不仅天然气储层及储层之间存在着产量损失因素,天然气及天然气附带物进入井筒后也存在着较强的干扰。这一发现把储层伤害所造成的产能损失从地层延伸到了井筒, 即产能伤害包括储层伤害和井筒伤害两大部分,由此丰富了产能伤害的内涵。相信在不久的将来,油气共生共储的理论和实例出现,会给资源综合利用带来更多的思路、更多的发现和更多的选择。

不难发现,虽然不同国家、不同地区的地质环境、油气种类会有所差异,但多种非常规油气资源存在于同一盆地则是普遍现象。这就为一并开采多种资源提供了物质基础。比方说,致密砂岩气、页岩气和煤层气等非常规天然气资源的烃源岩是相同的煤和页岩。同时泥页岩可作为砂岩的盖层,具有有利的封闭条件和保存条件。基于上述条件,试想在勘探阶段加强对勘探信息的分析,获得多种资源的存在、富集的完整信息,可以为勘探开发所有地下油气资源提供可行的目标;如果再辅以合适的理论、方法或者技术,对地下多种油气资源进行整体评价,将有助于获得具有更好经济价值的资源。这就是笔者所称的“联探”,即联合、协同使用多种资源的勘探技术, 一同获取地下多种可开采油气资源的信息。联探既不同于采用一种技术勘探多种资源的合探,也不同于采用多种技术勘探一种资源的共探,而是采用通过科技攻关和现场试验获得的适用技术来进行勘探。这种适用技术既可以是多种技术的组合,也可以是单一技术。

1.2  非常规油气资源储层邻近的特点决定了其不得不一起开采

煤层、泥页岩、砂岩在纵向上交互叠置,生储组合随地层岩性的变化而最终形成不同种类的非常规气藏。在从上而下的作业过程中,地震不可能只获得一种资源信息,钻井也不可能只钻穿一套储层。同样,储层改造时控制缝高也不可能只改造一层, 甚至经常会出现难以控制的局面。不能“独善其身”的无奈,在非常规油气资源勘探开发的历程中早有先例。

1984 年,Peterson 发现北美Piceance 盆地相对纯度较高的砂岩产层Paralic 组的天然气产量不及砂岩、煤岩以及泥岩混层的Paludal 组,当时认为是煤层气饱和压力高以及天然裂缝发育所致。后来, 推测是人工裂缝沟通了砂岩和煤岩,实现了单井同时开发致密砂岩与煤岩中的天然气资源。1987 年, Mercer 等研究北美Piceance 盆地致密砂岩气井压裂效果时,发现改造Wasatch 致密砂岩气层时,水力压裂形成的人工裂缝沟通了相邻的页岩地层,开采的天然气实际上是致密砂岩气和页岩气的混合气。第二年,Jeu等研究Piceance 盆地深部煤层压裂效果时,发现同时压裂了致密砂岩和页岩地层,同样不自觉地达到了将致密砂岩气、页岩气和煤层气等3 种天然气一起采出地面的效果。同年,Tyler 等在前人的基础上,进一步研究北美Piceance 盆地的煤层与邻近砂岩地层后指出,煤层、砂岩地层中的天然气一起开采可以提高单井产量。基于上述认识,2002 年Piceance 盆地65 口煤层气、砂岩气合采气井单井日产量最高达1.4×104 m3/d。无独有偶, Leshchyshyn 等研究加拿大煤层气产量时也明显地发现,Horseshoe Canyon 煤层与其上、下的砂岩、页岩一起开采比以往单层开采的单井产气量更高。也就是说,从非常规天然气实际开发效果看,已经可以实现多种资源一起开发,即通过钻一口井或者实施一次压裂将交互叠置储层中不同类型的非常规天然气一起采出。因此,在无法避免多种资源一起开采的地质条件下,实施一起开采方案就成为变害为利的一种可行手段。当然,以上历程还表明,科学研究是一个不断进步的过程。这也旁证了“实施联探并采需要一个比较复杂的过程”的认识。

中国的研究者们也认识到了上述规律。曹学军发现四川盆地川西新场气田从白垩系至须家河组,埋藏跨度介于350 ~ 5000 m,层间距小则十几米、大则上百米。在开发单一产层没有效益的情况下,实施一井多层压裂,提高了单井天然气产量,实现了经济开采目标。这表明同种天然气同井多层开采是提高单井产量的重要方法。傅雪海研究鄂尔多斯盆地东缘临兴、神府、横山堡南等煤系地层后发现, 海陆过渡相煤系以页岩气与煤层气共生为主,陆相煤系以煤层气与致密砂岩气共生为主。这样,一口直井就可能钻穿多套储层、一次压裂穿透多套储层, 最终使非常规天然气达到经济开采产量。因此,建议如果单独开采某一种天然气经济效益不好,那么就可以采用分隔合采的方法,以达到单井1×104 m3 /d 的天然气经济开采产量。

从国外开采多种非常规油气资源的情况来看,无论开采哪种天然气、哪个层位的天然气,都会对其他种类的资源或者其他层位的油气资源造成或多或少的干扰或影响。也就是说,不可能单纯地开采一种资源。这是地层自身的特点所决定的。既然无法避免,那么一起开采就是“天赐良机”,不仅解决了单独开采一种天然气时不得不面对的层间干扰,而且还避免了单独开采一层的低效益风险。相信在不远的将来,会出现利用这种伤害的变害为利的技术,如类似气举开采原油的技术、利用高产井的气携带低产井的水的技术等。因此,借助于多种资源共存的勘探理论和把多种资源一起采集至地面的开发技术,就有可能实现多种资源联探并采。前文已述联探,此处名曰“并采”,意为合在一起开采、一齐开采、并排着开采。并采既包涵了同一井眼中采集多种天然气、多层天然气的“合采”,也包括不同井眼开采不同层位的天然气、不同种类天然气的“共采”,更包括了射开储层后同井筒同管柱的“同采”。

1.3  非常规油气资源的开采成本决定了其必须联探并采

非常规油气资源的开采成本,不仅资金投入者关注,技术研发者、资源管理者同样也十分重视。否则,技术就没有生存的土壤和发展的前景。开采单种资源, 可以从技术角度实施集中作业,如页岩气可以实施井工厂——开采页岩气的多层多井平台式“工厂化”生产模式既能最大限度地通过共用地面设施、降低生产与集输费用,又可以最大限度地实现多气合采、提高油气资源产量、提高储量动用程度与采收率,极大地推动了页岩气开采规模发展。但这只是勘探开发非常规油气资源整套系统中减少投入的办法之一,“开源节流”中的“节流”而已,还应该有“开源”才对,即增加收入。后者的最佳途径就是提高单位时间、单位成本下的资源产出量,而把非常规油气资源一起开采出来,便是有效途径之一。

以煤层气为例,常规煤层气开发项目的经济核算指标一般包括固定资产投资、流动资金及贷款利息、采气成本费用、上缴利税等支出,销售收入和政策补贴等收入。其中,销售收入则是煤层气开发项目的主要收入方式,其收入数额取决于煤层气的销售数量和销售价格。根据常规天然气的经验,煤层气商品率可取96% 作为预测值。据此,单井年销售收入等于单井年气产量、生产井数、商品率、煤层气售价之乘积。这从数学上表明,实际开采过程中将多种煤系天然气资源放在一起采集,在提高产量的同时,还可以缩短开采周期、降低单独开采每一种资源的累计投入。此举可以实现低投入高回报,经济效益和社会效益都明显增加。

从理论和实践看,由于技术进步不能一蹴而就,因此暂不深究气体间的干扰程度。秦勇等基于勘探的角度来考虑,煤系地层中的致密砂岩气、页岩气和煤层气等“三气”共采需要叠置含气系统精细描述技术和共采兼容性地质评价技术,通过创新适用技术、实施并采从而有效释放煤系“三气”的产能, 进而经济开发深部煤层气资源是可行的。同样, 作为共处同一区域的多种非常规油气资源,从资源的生储环境、开采工艺、作业成本等客观条件来看, 开展有效的富集区域联探并结合适用的并采技术,实现非常规油气资源联探并采也是可行的。


2  技术的发展奠定了非常规油气资源联探并采的可行性

多种非常规油气资源共处一区,资源赋存形式不同、储层力学性质不同、资源组分不同,需要借助于合适的勘探开发技术方能实施,进而实现联探并采。伴随着油气资源勘探技术、钻完井技术、储层改造技术的不断进步以及资源综合利用政策支持力度的持续加大,非常规油气资源开发也日趋常规化。这就为联探并采提供了技术支持和政策扶持。因此,寻找不同非常规油气资源勘探开发所需技术的共同特征、集成多种资源综合勘探开发的适用技术,便成为保证非常规油气资源联探并采顺利实施的前提和基础。

2.1  综合勘探技术能够发现多种非常规油气资源共存的富集区

勘探是发现、描述非常规油气资源,获取前期资料的重要手段。不同非常规油气资源所处的位置不同,只有采用合适的勘探技术,才能更准确地发现和描述不同种类的非常规油气资源。目前,地震、综合地质研究、录井、测井、试井、数值模拟、地质储量计算及选区评价等技术都在迅速发展,基本上能满足油气勘探的需要。但非常规油气资源类型多、储层差异大、非均质性强,故而需要对一些共同适用的必要手段和关键技术,如地震叠前储层预测技术进行改进和完善。这样才能满足联探的需求。

目前,煤层气勘探主要采用二维地震、三维地震、三维三分量地震、AVO(Amplitude variation with offset,振幅随偏移距的变化)分析、地震岩性波阻抗反演、地震属性等技术,以此来实现富集区评价与预测。陈勇等从煤层物性上分析出最为敏感的地震属性,在沁水盆地与地震工区的煤层及煤层气储层预测中取得了较好的应用效果。因此,煤层气勘探目前最适用的技术为电成像测井、核磁共振测井和阵列声波测井等新技术。电成像测井具有较高的分辨率,可清晰反映井壁特征、准确划分储层厚度;核磁共振测井能够有效评价煤层孔隙度、流体类型、孔径、割理等特征;阵列声波测井获得的声学各向异性值尚不能完全反映煤层的各向异性特征,还需结合其他测井方法进行综合分析。

同样,页岩气常用的勘探技术依然是地球物理勘探(特别是地震)技术,结合录井、测井等资料来描述页岩气储层。三维地震及测井资料则是确定页岩气储层埋深、厚度、储层物性等的常用技术手段。高分辨率三维地震有助于准确辨别、认知页岩气藏的地层、构造、空间分布等。微地震裂缝技术可以预测裂缝走向、优化水力压裂设计和施工。

致密砂岩气勘探技术主要是地震识别和富集区预测,鄂尔多斯盆地苏里格气田是其典型代表。

盆地中心气也称深盆气,是坳陷煤系地层与砂岩直接或者近接触的水封闭天然气,主要贮存在致密砂岩中,因而可以直接采用致密砂岩气藏的勘探技术。

目前勘探天然气水合物的主要技术有地震勘探技术、海洋可控电磁勘探技术、地球化学勘探技术、测井及岩心分析技术和岩石物理模型技术等。

油页岩多集中在中生界、新生界,主要分布在我国东部、中部平原和黄土地区。目前主要通过化学分析手段对野外地质调查、槽探、钻探等获取的油页岩样品进行分析,获取含油率等指标进而发现油页岩。

油砂的主要组成是砂和黏土,流动性差,故一般采用先露头地质调查后钻井勘探的方式进行勘探。

综上可以发现,尽管非常规油气资源的种类不同,但却存在着不少相同或相近的勘探手段和技术。因此,通过研究不同种类非常规油气资源的勘探关键技术,寻找共同技术,提高技术的精确度,就有可能最终实现勘探技术的集成。这样做不仅节约了勘探作业时间,而且还因为获得良好的效益而降低了综合成本,反过来又推广了有效技术。

2.2  适用的钻完井技术能够建立多种非常规油气资源同时产出的通道

从历史上看,不断完善和发展钻完井技术是解决油气勘探开发成本高的有效途径之一。如水平井钻井成本已降至直井的1.5 ~ 2.0倍,产量则提高到直井的2 ~ 3倍,破解了低效油气井效益瓶颈,因而越来越受到人们的青睐;以水平井扩大泄流面积为主导思想,因地制宜地实施水平井形状变异不断提高单井产量,与之相匹配的完井技术也日新月异, 如MRC 技术就是其中之一。

目前,为保护储层,在出水量少、井壁稳定的地层已广泛应用欠平衡钻井技术来钻探煤层气井。为增大泄流面积,则应用复杂结构井技术来提高产能。为加强储层保护、提高完井质量,煤层气钻井中已采用了加入生物酶的解堵钻井液、无固相活性盐水、绒囊等钻井液;为满足煤层气储层低渗透性特点和解吸要求,可选用套管完井(射孔、割缝方法)和裸眼完井(筛管、裸眼、砾石充填、水力切割洞穴、自然造穴和动力造穴方法)两类完井方式。

水平井钻完井是页岩气开发的关键技术,完井方式包括套管射孔、尾管射孔、裸眼射孔、组合式桥塞、机械式组合等5种。但是,页岩气开发中造成储层解吸能力下降的现象已经被发现,所以技术需要进步。

与开发页岩气类似,致密砂岩油气开发同样将水平井作为其主要的技术手段。开采致密砂岩气常采用水平井、工厂化、欠平衡、控压、连续油管等钻井技术,以及储层保护型钻井液技术。王陶等指出,薄砂岩油藏双台阶水平井技术能明显地提高单井产量。裂缝性致密砂岩地层常用暂堵型钻井液控制储层侵入流体体积以达到保护储层的效果。致密砂岩油气藏完井技术包括即时射孔、套管外射孔、高压注氮射孔、连续油管传送射孔与喷砂、套管固井桥塞射孔压裂完井及裸眼分段压裂完井等。

天然气水合物钻井尚未形成合适技术,主要发展方向有分解抑法和分解容许法。完井方法为电潜泵结合自然分离和人工分离方法。优选防止气体分解的钻井流体是相当重要的工作。

油砂开采主要集中在美国和加拿大。埋深75 m以浅常采用露天开采,埋深75 m 以深多采用原位开采;油层较薄时常采用垂直钻井开采,油层较厚时常采用蒸汽吞吐以及蒸汽辅助重力泄油开采。水平井火烧油层法、溶剂开采法等也有使用。

除钻完井设备及工艺优化外,多类型钻完井流体的创新也极大地推动了高效钻完井技术的发展,特别是利用堆积、拉抻和填塞等封堵方式而不是“墙” 挡住水的形式,提高了地层岩石强度(图1、2),实现了低密度防塌,从而解决了漏失和坍塌协调困难的问题。与此相对应,自然地也就减轻了钻井流体对储层的伤害程度(图3)。

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通过研究地下流体的流动形式和岩石力学、工作流体等基础理论、方法,有望解决煤层气、页岩气、油砂等复杂地层的钻完井难题,并提供可供选择的技术。同时,一些思想方法也得以改变,如先期工程补偿技术,更是控制储层伤害,提高单井产量,全盘考量勘探开发一体化、经济工程一体化的宏观创新思维。

2.3  储层改造及采气技术能够支撑对多套储层或任意储层的有效开采

要实现非常规油气资源的联探并采,特别是多种低效益的非常规油气资源一起开采,每种储层都必须具备储层改造和增产的内在潜力,以及各种储层分层改造或者整体改造适宜技术的外在条件。王永辉等明确指出,非常规油气资源必须通过压裂才能形成工业产能。当然,目前看来,除了压裂及其衍生技术以外,酸压、酸洗等也具有成为非常规油气资源并采有效技术手段的巨大潜力。

可以采用水力喷射煤层气压裂、高能气体煤层气压裂、间接煤层气压裂、氮气泡沫煤层气压裂、连续油管煤层气压裂等技术来解决煤层气储层气体运移方式的复杂问题。

与水平井钻完井技术相似,水力压裂技术同样也是推动页岩气储层高产稳产的关键技术之一。目前已经发展至水平井分段压裂、同步压裂、重复压裂、工厂化压裂等技术系列。

对于致密油储层,已发展了直井分层压裂技术和水平井分段压裂技术。

对于天然气水合物目前正在尝试使用热激法、降压法、化学试剂法、CO2置换法及水力提升等方法来开采。

为解决非常规油气资源难以有效开采的问题, 必须采取非常规的技术手段。如开发不接触储层的活塞修井流体、不伤害原缝的重复压裂暂堵流体[68] 等, 满足了防漏堵漏、压裂转向等承压能力需求(图4), 不仅在室内研究方面取得了进展,而且已经在现场应用中取得了满意的效果。如控制致密砂岩地层外来水侵入(图5),实现低产气或不产气井重复压裂转向形成新缝(图6)等。稳油或稳气的控水技术已在现场试用,相信在不久的将来可以为致密气产量衰竭速度快、井筒产水速度快等稳产难题提供解决方案。此外,还有一些认识的创新与突破,如多煤层分层压裂起裂位置均位于软煤层中,近水平煤层中形成网状裂缝但无明显主裂缝存在。这些理论指导生产获得突破也值得期待。

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当然,针对现场具体情况而开发的有杆泵法、电潜泵法、螺杆泵法、气举法、水力喷射泵法、泡沫法、优选管柱法等煤层排水采气方法,都是实现多煤层高效并采的有效技术。刘文东等认为双管分层开采油气能够加快开采速度、提高生产效率、避免层间干扰,也可以被借鉴到并采多种资源当中来。为了实现单次作业有效改造多套地层,修书志等针对砂泥岩储层研究了以穿层压裂来实现对多个储层中任意储层的改造。刘秉谦等认为,通过对煤储层、致密砂岩储层、页岩储层等实施同步压裂、高速通道压裂、纤维压裂、穿层压裂、固井滑套压裂和泵送桥塞压裂,能够实现对多类型非常规油气资源的综合储层改造。

先寻找非常规油气资源中单种资源适用钻井完井技术及采集技术,然后优选共同技术,通过融合创新单种气体适用技术,集成创新联探并采适用技术,将成为未来非常规油气资源钻完采技术的主要创新方式,即适用就好。

2.4  资源综合利用政策支持非常规油气资源联探并采

资源综合利用,狭义上讲是指矿产资源开采、生产作业和社会消费过程中,对共生矿、伴生矿、废渣、废水(液)、废气、余热、余压等废旧物资,实施统一利用、回收和再生利用的做法。广义上讲,所有在生产过程中以最小代价获得最大效益的做法, 都可以称之为综合利用。因此,把非常规油气资源中共生、伴生的石油天然气一起开采的联探并采, 是资源综合利用一直以来的期望和持续发展、节能减排的模式。

中国政府一直重视资源综合利用并始终坚持从国家政策的层面,鼓励资源综合利用措施的落实和发展。《中华人民共和国企业所得税法》第三十三条规定,企业综合利用资源生产符合国家产业政策规定的产品所取得的收入,可以在计算应纳税所得额时减计收入。《中华人民共和国企业所得税法实施条例》和《财政部、国家税务总局、国家发展和改革委员会关于公布资源综合利用企业所得税优惠目录(2008 年版)的通知》《财政部、国家税务总局关于执行资源综合利用企业所得税优惠目录有关问题的通知》就相关问题作了后续补充规定。

2008 年12 月财政部和国家税务总局联合发布的《关于资源综合利用及其他产品增值税政策的通知》调整和完善了部分资源综合利用产品的增值税政策, 同时规范资源综合利用产品认定管理,整合现行相关政策,其目的就是进一步推动资源综合利用、促进节能减排。2009 年11 月国务院发布的《关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定》的通知,再次加大政策鼓励废物综合利用和无害化处理。《财政部、国家税务总局关于调整完善资源综合利用及劳务增值税政策的通知》《财政部、国家税务总局关于享受资源综合利用增值税优惠政策的纳税人执行污染物排放标准的通知》,进一步从税收政策上鼓励摸索合理的资源综合利用方式。

由此可以清晰地看出,国家发布诸多文件实行优惠政策,鼓励和扶持企业积极开展资源综合利用,引导各地区、各有关部门对企业资源综合利用项目进行重点扶持,包括优先立项、银行根据信贷政策在安排贷款上给予积极支持。因此在非常规油气资源综合利用过程中,应该更高效、合理地利用国家支持政策,提高资源综合利用效果。

另外,中国政府从“十一五”开始,通过国家科技重大专项,鼓励开展煤层气、油页岩、油砂等非常规油气资源调查勘探,推进油气勘探开发主体多元化。国家发展和改革委员会、国家能源局编制的《煤层气(煤矿瓦斯)开发利用十二五规划》中指出,“十一五”煤层气开发初步实现商业化、规模化。“十二五”又推出加大勘探开发投入、落实完善扶持政策、加强科技创新等保障措施,以解决当前煤层气开发中存在的问题。

同时,“十二五”规划明确要求推进页岩气等非常规油气资源开发利用,以缓解中国天然气供需矛盾,调整能源结构,促进节能减排。在《页岩气发展规划(2011—2015)》中要求基本完成全国页岩气资源潜力调查与评价,形成适合中国页岩气地质条件的地质调查与资源评价的技术方法以及勘探开发关键技术及配套装备,形成技术标准和规范,通过加大保障推动规划实施顺利进行。《页岩气发展规划(2016— 2020)》指出,通过“十二五”攻关和探索,南方海相页岩气资源基本落实,并实现规模开发;页岩气开发关键技术基本突破,工程装备初步实现国产化; 页岩气矿权管理、对外合作和政策扶持等方面取得重要经验。并指出下一个五年计划中,完善成熟3500 m 以浅海相页岩气勘探开发技术,突破3500 m 以深海相页岩气、陆相和海陆过渡相页岩气勘探开发技术;在政策支持到位和市场开拓顺利情况下,2020 年力争实现页岩气产量300×108 m3

近期出台的“十三五”规划(2016—2020 年)纲要,依据《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》,再一次强调煤层气、页岩气等非常规油气资源发展的重要性,并引导非常规油气资源寻找合理合适的发展模式,提高资源综合利用效率。

虽然目前全球油价低位徘徊,但相比之下天然气需求依旧旺盛,尤其面对能源产业结构调整压力巨大的中国,为煤层气、页岩气、致密砂岩气等非常规油气资源为代表的清洁能源提供良好的发展环境始终贯穿于中国政府的相关政策法规中。与此同时,石油资源的综合开发会带来具有经济价值的副产品,其经济回报相当可观,进一步增加了非常规油气资源开发的信心。国家多种指导扶持政策的组合式提出,为以煤层气、页岩气、致密砂岩气为代表的非常规油气资源联探并采提供了强有力的政策支持。因此,需要立即行动起来,从实践中来到实践中去,了解现场存在的问题,抓住问题存在的实质,吃透国家政策,减少不切实际的论证和争论,加快实施节奏。


3目前的能源环境决定了非常规油气资源联探并采的艰巨性和长期性

非常规油气资源面临的环境与常规能源相似, 甚至在经济环保方面的形势更加严峻。勘探开发油气资源给自然环境带来的负面影响,已经逐渐成为当下非常规油气资源勘探开发必须面对的难题。此外, 国际油气价格低位徘徊、新能源强劲的发展势头以及非常规油气资源勘探开发技术需要逐步成熟等因素, 都加大了非常规油气资源联探并采的难度。

3.1  环境保护压力迫使非常规油气资源勘探开发速度减缓

非常规油气资源的勘探开发过程中不可避免地会对自然环境产生影响。煤层气开发过程的废气、废水、废渣排放,影响和制约了其大规模开采。针对这些环境问题,不同学者从不同的角度提出了治理措施。白浩提出先治水,后治废气、废渣,以实现高效清洁开发。这从另一个角度揭示了煤层气开采受限制较多,由此减缓了开发速度。

页岩气开采工艺与常规气大部分相同,也会产生一定的环境和生态破坏,如地表植被的破坏、水资源大量消耗及污染。潘永建指出页岩气大规模工业化开采占用居住用地,水力压裂威胁地表水和地下水。与煤层气、页岩气资源开发采用相似技术的致密砂岩气,在实际开发过程中同样也面对着地表植被破坏、水污染等环境问题。

天然气水合物开采过程中温室效应、海洋生态恶化以及海底坍塌等事故对环境有可能造成较大压力。

油页岩开发过程中的水污染、固体废弃物污染, 会影响人体健康,目前还没有完全解决的方案和技术。

应该清醒地看到,在为国家提供非常规油气资源的同时,如何与环境和谐发展是必须考虑的问题。通过技术优化,降低非常规油气资源开发过程中对自然环境的不利影响,综合利用联探并采的开发平台, 实现多种资源开发相似环境问题协同解决,促进非常规油气资源的开采和使用绿色化,是可以也是必须实现的。

3.2  低位徘徊的油气价格难以保证勘探开发资金及时回流

全球的非常规油气资源储量丰富,但勘探开发程度仍处于低水平阶段,在目前的油气价格下,难以获得满意的投资回报。

煤层气项目投资大、建设周期长、投资风险高, 初期收益回收开发期投资需要时间长。

页岩气开发技术要求和单位资金投入远高于常规天然气资源开发,由于资源品位限制和勘探开发经济性尚不明确,中国页岩气实际开发收益尚未达到理想目标。

致密气开发手段与页岩气较为相似,致密气是现阶段非常规天然气发展的最现实选择,但致密气开发如果采用常规的想法和做法,取得盈利的机会同样很小。

油页岩开发期望综合利用经济效益才高于炼油和发电,但目前仅处于高成本低盈利的探索阶段。

致密油作为非常规资源开发投入高、基础配套设施薄弱、产业化程度较低,虽然通过“水平井体积压裂和工厂化作业”可以实现有效开发,但要实现低成本高产出的目标还有较长的路要走。

由此可以看出,以煤层气、页岩气为代表的非常规能源在目前油气市场及发展形势下,单类型资源开发面对投入高、产出低的困境,尤其是投资初期资本回收缓慢,严重打击了投资者的信心。面对如此低回报的现实处境,非常规油气资源联探并采通过压缩发展初期成本、提高初期产能规模、创造回报累加的机会,促使生产达到一定的产量时投资获得一定程度的回流,从而降低投资风险、提高资源开发经济性。

3.3  新能源强劲发展打击着投资者重拾油气资源的信心

近年来,随着国家对能源合理开发和利用关注度的提高,政府积极推进核能、水能、风能、光能等新型能源的发展步伐,使得其与非常规油气资源开发竞争关系日趋紧张。这也是各国政府、商业投资机构对油气资源开发未能持续投资的重要因素之一。

相对于常规油气煤炭等能源,新能源具有储量丰富、分布范围广、环境污染小或无污染、未充分挖掘的开发和应用潜力以及用之不竭等明显优势。

在保证安全的前提下,适当增加核能利用率有利于中国的能源安全和战略安全。

中国的水能资源理论蕴藏量达6.94×108 kW, 居世界首位,并且水能还具有清洁、能减少温室气体排放量的优点。

太阳能、风能等可以弥补油气资源及其他资源利用的不足之处,充分展示出其利用的优越性。

虽然核能、水能、太阳能、风能等新能源发展潜力巨大,但类似能源发展初期较高的经济投入以及漫长的技术发展周期,决定了现阶段以及未来较长一段时间内,新能源仅仅只能作为能源产业结构中的补充环节,尚无法取代油气资源成为主导产品,甚至在部分地区取代以煤炭为代表的初级资源尚需时日。与此同时,油气资源中化工产品、生活用品等附属产品提供的经济价值,也是新能源无法取代油气资源的重要原因。因此,面对如此低迷的油气资源市场, 通过低成本高产出的联探并采方式,高效开发非常规油气资源,明显提高油气资源开发的经济效益,是重拾油气能源发展信心的必经之路,也是必然方向。

3.4  创新技术转化为实用技术需要较长时间,将考验投资者的耐心

国际油气资源市场波动式变化的规律是经济体自身发展的客观存在,很难改变。通过更新勘探开发理论、升级勘探开发技术水平、提高资源勘探开发经济效益、吸引投资,才能重塑非常规油气能源高投入高回报的地位。

联探并采的关键技术,是通过配套一种或几种适用不同赋存形式、不同流体组分、不同岩石性质的理论、方法和技术,解决产能伤害问题。但是,现有的勘探开发技术不能直接拿来就适应复杂的地质条件;作业人员难以快速且完全掌握钻井、压裂、采集等适用技术;勘探风险大、投入高、资金回收周期长等依然是困惑我们的问题。不认识这些现状, 就会影响勘探开发技术后期投入。为此,保持对技术研发周期规律的清楚认识,保持技术研发投入持续稳定,整合优化现有勘探开发先进技术,成为了联探并采成功与否的关键要素。

中国煤层气开发始于20 世纪50 年代,以保证煤矿安全的井下瓦斯抽采为主。地面勘探始于20 世纪90 年代初,短短30 年已初步探明可供开发的煤层气资源量,形成煤层气开发配套技术,实现了小规模商业化生产。

中国页岩气资源潜力大,这只是根据国外机构与初步勘探结果推断而已,尚未系统开展全国范围内页岩气资源调查和评价,资源总量和分布尚未完全掌握,需确定有利目标区及各地区可采资源量。工作难度高,资金投入大,实施周期长。

中国已形成以鄂尔多斯盆地、四川盆地为主的致密砂岩气产区,逐步形成了提高单井产量、降低成本、数字化生产管理等技术。但致密砂岩气井产能衰减迅速、生产中后期地层出水伤害气井产能等问题急需获得最终解决的配套技术及措施,以提高资源整体开发的经济效益。

相对而言,天然气水合物、油页岩、致密油等非常规能源研究在我国起步晚,仍处于早期摸索阶段,成熟技术投入市场应用仍需较长的时间。

概括来讲,优选多种资源适合的三维地震、地质综合研究等勘探技术,实现从上到下寻找一井发现和采集多层油气和/或者一井中有多种资源的富集区域,然后采用水平井和/或储层改造技术,或者/和使用相互补偿能量的井型,或者/和使用稳产高产生产层接替计划,或者/和容易开采的资源为难开采的资源提供开采动力等开发技术,实现一井多产、多井多产等效用,是联探并采集成技术的核心。但是,这些技术需要通过大量的室内研究工作论证可行性和现场一轮一轮的技术完善,需要酝酿、完善和成熟期,可能不是一个五年计划或者一个重大专项研究或者企业一个任期内所能完成的,需要投资者稳健、持续的攻关。


4  结论及建议

无论是常规油气或者非常规油气能源,其与新型能源之争的关键都在于开发成本、环境保护程度以及可持续发展效果。

1)非常规油气资源联探并采是在油气资源共存某一区域的客观地质条件和勘探开发工程技术发展到一定水平的外在技术条件下提出的,旨在减少工程作业量和环境影响程度、提高单井产量、降低油气资源勘探开发成本。

2)非常规油气资源联探并采构想满足当前资源、技术、经济和环境要求,能够实现资源综合利用且完全具备实现的可行性,将推动油气资源利用跨越式突破。

3)联探并采构想的实现需要理论更新、方法创新和技术革新等创造性工作,坐而论道或者急功近利都会错失良机。

为此,非常规油气开发项目,在保障经济效益的前提下,积极采取有效措施控制污染风险,同时加大对技术开发尤其是鼓励技术的环境友好型,在维护石油天然气资源战略安全的同时也能够促使人与自然和谐发展,将非常规油气能源中“非常规”的定义向生态环保、和谐发展延伸。(来源:《天然气工业》,2017 年 5 月


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