非常规油气资源开发的关键技术

非常规油气资源开发的关键技术

摘要：随着中国经济的快速发展，国内常规油气的开发生产已不能满足经济发展的需要，必须寻求新的出路。当前，世界各国都很重视非常规油气资源的开发和利用，煤层气、致密气和页岩气等已经在部分国家实现了有效开发。为此，详细分析了世界煤层气、致密气和页岩气等非常规油气资源的勘探开发现状；简述了中国在煤层气、致密气和页岩气等非常规能源方面所开展的工作以及相关的关键技术；提出了加快中国非常规油气勘探开发业务发展的建议。

1中国非常规油气资源与勘探开发关键技术

随着油气勘探开发的不断深入发展，致密气、页岩气、煤层气、致密油等非常规油气在现有经济技术条件下展示了巨大的潜力，全球油气资源将迎来二次扩展。页岩气、致密气的发展，使美国天然气探明储量从2002年的 4.96×1012m3增加到2008年的6.86×1012m3，增幅超过38%。中国的非常规油气资源也十分丰富，页岩气、致密气、致密油、油页岩、油砂、煤层气等开发利用潜力巨大；但中国非常规油气具有地质研究起步较晚，资源潜力认识不清，开发技术相对落后等特征。基于非常规油气的特点，对中国非常规油气资源潜力进行初步评价，并总结近年来中国非常规油气勘探开发技术进展。

1.1致密气勘探开发关键技术

鄂尔多斯盆地的苏里格气田和大牛地气田资源丰富，但储集层物性差，孔隙度为4%～10%，渗透率为0.1×10?3～3.5×10?3μm2，单井产量低，产量递减快。针对该盆地的低渗透致密砂岩储集层，油田现场开展了大量的勘探开发技术攻关：①全数字地震勘探技术实现了薄气层的有效预测。通过“常规地震勘探向全数字地震勘探、单分量地震勘探向多分量地震勘探、叠后储集层预测向叠前有效储集层预测”3大技术转变，采用折射波静校正、4次项速度分析、地表一致性振幅反褶积等技术处理地震资料，剖面的有效频带宽度达到5～105Hz，与常规地震剖面相比，低频拓宽5Hz，高频拓宽10Hz，实现了“岩性体刻画—有效储集层预测—流体检测”的技术进步，形成了全数字地震薄气层预测和多波地震流体检测2大主体技术，为叠前有效储集层的预测奠定了基础；②针对苏里格地区高阻、低阻气层并存及孔隙结构复杂的特点，研发了感应-侧向联测法、视弹性模量系数法等6种低渗低阻气层识别技术，提高了气层判识能力；③钻井方面大力推广应用不动管柱分层压裂合采技术，有效提高了储集层动用程度。

鄂尔多斯盆地致密气勘探开发的成功，依赖于地质认识的不断提高与勘探开发技术的不断进步。经过大力推进技术研发，2010年苏里格气田和大牛地气田

天然气产量分别提升为106×108m3和22.8×108m3，预计2020年将分别达到230×108m3和35×108m3。

按照中国石油制定的长庆油田5000万t油气当量发展规划，致密气将是下一步勘探开发的重点对象，2015年以前长庆油田致密气产能将达到230×108m3，占天然气总产量的65.7%(见图1)，并维持较长时间的稳产。结合华北分公司大牛地气田已建成的致密气年产量25×108m3，预计2015年以前鄂尔多斯盆地致密气年产量将超过255×108m3。

图1长庆油田天然气年产量及发展趋势图

1.2页岩气勘探开发关键技术

页岩气开发求产的关键是开发技术的进步，目前已推广应用大规模水力压裂技术、微地震监测技术等，取得明显效果。

中国石油天然气集团公司在上扬子地区古生界海相页岩的勘探中获突破，威201、宁201、宁203、昭104、阳101等5口井钻获工业气流；目前已部署3口页岩气水平井，包括威远地区2口、长宁地区1口。中国石油化工集团公司在中生界陆相页岩的勘探中获得突破，如元坝9井和建111井已获工业气流。

1.3煤层气勘探开发关键技术

为了加大煤层气产能建设力度，提高煤层气年产量，“十一五”期间进行了大量技术攻关：①丛式井钻完井技术。广泛应用丛式井钻井技术，建立合理的井身结构，选择适当的钻具组合，优选钻井参数，确保井身质量，加快钻井速度，缩短煤层浸泡时间，保护煤岩产气层，有效降低生产成本。②水平井分段改造技术。水平井分段改造技术日趋成熟，形成了6套主体技术，包括双封单压分段压裂技术（15段）、滑套封隔器分段压裂技术（6段）、水力喷射分段压裂技术（10段）、裸眼封隔器分段改造技术（10段）、快速可钻式桥塞分段改造技术（15段）、液体胶塞分段压裂技术（特殊技术）。2007―2010年累计改造水平井572口，压后稳定日产量6.5t，是直井的3.9倍，增产效果显著。

截至2010年底，中国共开辟了48个煤层气勘探区，建立了6个开采与试采

区。目前，共钻煤层气井5400口，探明煤层气地质储量为2902×108m3，累计年产能超过30×108m3，沁水、鄂东、阜新、铁法已实现商业化生产，2010年产量达15×108m3。

表1中国煤层气主要分布区及资源量预测

我国煤层气勘探开发历程可以归结为3个发展阶段：矿井瓦斯抽放发展阶段、现代煤层气技术引进阶段和煤层气产业逐渐形成发展阶段。国内煤层气的基础研究起步较晚，但90年代以来进行了大量的研究工作，尤其是国家973煤层气项目研究工作的开展，使煤层气在成因类型划分及其判识、煤层储气机理和储层评价、煤层气吸附和解吸机理、煤层气藏形成的动力场及成藏过程、煤层气资源评价等方面取得了较大的进展。同时，近年来通过研发和引进，煤层气地球物理勘探、煤层气钻井、煤层气完井、煤层气增产技术也得到了很大的提高。深化煤层气成藏、吸附-解吸机理等方面的研究、加强选区评价工作、发展羽状水平井等先进的开采工艺及煤层气采出水的处理工艺是今后煤层气勘探开发的重点。

1.4致密油勘探开发关键技术

中国致密油已在鄂尔多斯、准噶尔、四川、松辽、渤海湾等盆地实现工业化生产，为致密油勘探开发提供了技术先导试验，起到技术引领作用。针对致密油开发特点，中国石油长庆油田公司大力开展技术攻关：测井曲线特征归纳法、产能指数法、模式识别法等快速预测技术对致密油油层的预测符合率达到了85%；水平井“分簇多段”压裂工艺使超低渗油藏改造效果大幅提升，在华庆油田已完成试验4口水平井，最高实现了9簇18段压裂施工，2口井压后自喷，其中庆平2井试油日产纯油105.6m3，4口井平均产量53.5m3/d，与直井相比提高了4.8倍，初步实现了超低渗油藏水平井压裂技术的突破。

表2中国致密油分布及资源量预测

2深水石油钻井技术现状及发展趋势

深水石油钻井是一项具有高科技含量、高投入和高风险的工作，其中喷射下导管技术、动态压井钻井技术、大位移井和分支水平井钻井技术、深水双梯度钻井等技术是深水钻井作业成功的关键。钻井船、隔水管和水下防喷器等设备的合理选择也是深水钻井作业成功的重要因素。

2.1深水钻井设备

适用于深水钻井的主要是半潜式钻井平台和钻井船2种浮式钻井装置。钻井船是移动式钻井装置中机动性最好的一种。其移动灵活，停泊简单，适用水深范围大，特别适于深海水域的钻井作业。钻井船主要由船体和定位设备2部分组成。船体用于安装钻井和航行动力设备，并为工作人员提供工作和生活场所。在钻井船上设有升沉补偿装置、减摇设备、自动动力定位系统等多种措施来保持船体定位。自动动力定位是目前较先进的一种保持船位的方法，可直接采用推进器及时调整船位。

2.2深水定位系统

半潜式钻井平台、钻井船等浮式钻井装置在海中处于飘浮状态，受风、浪、流的影响会发生纵摇、横摇运动，必须采用可靠的方法对其进行定位。动力定位系统一般采用DGPS定位和声纳定位2种系统。

2.3钻井技术

（1）大位移井和分支水平井钻井技术

海上钻井新技术发展较快，主要包括大位移井、长距离水平钻井及分支水平井钻井技术。这些先进技术在装备方面主要包括可控马达及与之配套的近钻头定向地层传感器。在钻头向地层钻进时，近钻头传感器可及时检测井斜与地层性质，从而使司钻能够在维持最佳井眼轨迹方面及时做出决定。

（2）深水双梯度钻井技术

与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更复杂，容易出现常规钻井装备和方法难以克服的技术难题：锚泊钻机本身必须承受锚泊系统的重量，给钻机稳定性增加了难度；隔水管除了承受自身重量，还承受严重的机械载荷，防止隔水管脱扣是一个关键问题；地层孔隙压力和破裂压力之间安全钻井液密度窗口窄，很难控制钻井液密度安全钻过地层；海底泥线处高压、低温环境影响钻井液性能产生特殊的难题；海底的不稳定性、浅层水流动、天然气水合物可能引起的钻井风险等。

（3）动态压井钻井技术

DKD(DynamickillDrilling)技术是深水表层建井工艺中的关键技术。该技术是一种在未建立正常循环的深水浅层井段，以压井方式控制深水钻井作业中的浅层气井涌及浅层水涌动等复杂情况的钻井技术。其工作原理与固井作业中的自动混浆原理相似，它是根据作业需要，可随时将预先配好的高密度压井液与正常钻进时的低密度钻井液，通过一台可自动控制密度的混浆装置，自动调解到所需密度的钻井液，可直接供泥浆泵向井内连续不断地泵送。在钻进作业期间，只要PWD 和ROV监测到井下有地层异常高压，就可通过人为输入工作指令，该装置立即就可泵送出所需要的高密度钻井液，不需要循环和等待配制高密度钻井液，真正意义上地实现边作业边加重的动态压井钻井作业。

2.4喷射下导管技术

海上浅水区的表层套管作业通常采用钻孔、下套管然后固井的作业方式。在深水区，由于海底浅部地层比较松软，常规的钻孔/下套管/固井方式常常比较困难，作业时间较长，对于日费高昂的深水钻井作业显然不合适。目前国外深水导管钻井作业通常采用“Jettingin”的方式。

3海洋工程装备关键技术分析

海洋作为全球油气资源开发的新领域，已经成为全球油气资源重要的接替区。开发海洋油气资源特别是深水油气资源已作为国家的重要战略举措之一。我国已将海洋工程装备产业列为培育发展的新兴产业，在“十二五规划纲要”中要求优化海洋产业结构，培育壮大海洋工程装备制造业。

3.1钻井平台

1）自升式钻井平台

悬臂梁式自升式钻井平台是发展主流，它便于在导管架上修井、钻井、实现快速钻井等。液压驱动移动式悬臂梁，钻台在悬臂梁上沿纵橫向移动，一次定位能钻数十口丛式井。钻井设备的配置，一般采用顶部驱动装置、大功率绞车、大

功率泥浆泵、电驱动系统等，可整体提升钻井平台的作业能力，也为安全、快速钻井提供了前提条件。

自升式钻井平台是近海石油勘探开发的主要钻井平台形式，主要关键技术有：（1）总体优化设计；（2）悬臂梁优化设计；（3）桩腿高强度钢应用研究；（4）升降系统研究；（5）建造技术研究。

2）半潜式钻井平台

随着海洋勘探开发向深水发展，对深水半潜平台的设计技术提出了更高要求，如：适应更加恶劣海况、解决稳性与可变载荷的平衡矛盾、使平台结构更趋合理简洁、减少焊接缺陷和疲劳裂纹、采用高强度钢以减轻自重、提高可变载荷量、设备材料的选择、建造成本的控制、水动力性能和运动性能预报、强度和疲劳评估等技术研究，使深水半潜平台的设计更优化，以趋向最佳。

半潜式钻井平台是深海水域进行油气勘探开发的主要钻井平台形式之一，主要关键技术有：（1）深水半潜式钻井平台优化设计；（2）钻井系统及设备配套技术；（3）深水半潜式钻井平台控制系统集成技术；（4）深水半潜式钻井平台定位技术；（5）深水半潜式钻井平台建造技术。

3.2钻井船

随着钻井水深和钻井深度的不断增加，钻机的钻深能力也不断加大，配套的钻机功率也不断增大。钻井船受风浪影响大，稳定性差，摇摆幅度大，海况条件对正常钻井作业有较大限制，解决在高海况恶劣环境条件下的耐波性能、提高减摇性能是钻井船技术研究中的关键问题之一。主要关键技术有：（1）总体优化设计；（2）钻井系统及设备配套技术；（3）控制系统集成技术；（4）高海况耐波性能；（5）建造技术。

3.3平台

1）张力腿平台

张力腿平台的动力响应问题在设计中非常重要，运动性能的优劣会直接影响到TLP的设计形式以及结构用钢量等，张力腿平台动力响应分析包括波频响应、低频响应、高频响应等。系索问题也是TLP设计研究的关键技术之一，主要是系索的形式、安装、受力分析及可靠性等方面的分析研究。张力腿平台在深水和超深水海洋油气勘探开发时可与海工设施灵活组合，是油气处理及外输的主要钻井平台形式之一，主要关键技术有：（1）总体优化设计；（2）系泊系统技术；（3）动力响应分析；（4）油气处理外输形式；（5）建造技术。

2）立柱式平台

Spar平台运动响应技术分析主要研究垂荡运动、纵荡/横荡、纵摇/横摇、首

摇和涡激振荡。系泊系统设计分析主要研究涡激振动对系泊系统的影响。疲劳强度分析主要集中在顶部模块同Spar筒体间连接、桁架同硬舱/软舱间连接等关键节点上。Spar平台与海底管道立管及浮筒的相互作用以及在运输、建造、安装中的技术问题也需进行研究。技术研究的主要内容：（1）总体优化设计；（2）系泊系统技术；（3）动力响应分析；（4）理论研究与模型试验技术；（5）建造和安装技术。

4几点建议

随着非常规油气资源基础理论水平的不断提高和配套工艺技术的不断创新，非常规油气资源必将提升我国能源保障能力，在我国能源体系中发挥举足轻重的作用。有效合理地开发利用非常规能源，需注意以下几个方面：

（1）创新地质理论，加快油气资源勘探开发；

（2）优化改进现有开发工艺技术，提高经济效益；

（3）发展综合利用技术，缓解环境压力；

（4）坚定信心，加快非常规油气资源开发。

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