[科普中国]-天然气工程

开采简史

早在秦朝(公元前250年)，我国的劳动人民就已在四川用与近代顿钻原理相仿的冲击钻法开凿盐井。在汉、晋时代，我国的劳动人民发现并利用了天然气。公元301年，晋朝人左思所作“蜀都赋”中有这样的诗句：“火井沉荧于幽泉，高焰飞煽于天垂。”晋朝人常璩所著的“华阳国志”是描写公元347年前四川情况的史书，其中写有：“临邛县西南二百里本有邛民，火井欲出其火，先以家火投之，顷许如雷声，火焰出，通耀数十里，......井有二水，取井火煮之……，一斛水得五斗盐。家火煮之，得无几也。”这段文字就是汉末晋初在四川盆地采气熬盐的历史见证。

在公元1000年左右的宋朝庆历年间，“卓筒井”出现了，它是我国钻井历史上的重要转折点，卓筒井是下有竹筒套管的小井眼井。自此以后，井深已可达230m。

明朝崇祯丁丑年(公元1637年)宋应星所著的“天工开物”是珍贵的史书，它给我们留下了打盐井、火井和用气熬盐的图画，美国的《采气工程手册》还引用了它。

清朝道光15年(公元1835年)，我国钻井已突破千米大关，而美国在1859年才钻了一口21．69m的井。那年，在自流井构造顶部嘉陵江T3层中，磨子井发生强烈井喷。据不完全统计，从公元1700年以来，在自贡地区210km2的土地上，共钻井11000口以上，其中采气50年以上的气井就有30多口。

我国劳动人民对找寻天然气有着丰富的经验，他们对四川三叠系嘉陵江灰岩地层缝洞早有了很好的认识，他们说：“水和火都是从缝里出来的，要找水和火就要找缝”。我们的祖先还发展了一套井下工具，如：有了解井下情况的打印工具——泥娃儿；有作为井口测试或放空的“瓶塞子”、“通天枧”；有堵水和补井壁(称补腔)的工艺技术；有能做到边钻边采、边捞水边采气的井口装置——“康盆”；有高达百米的木制井架……，这些都是我国劳动人民智慧的结晶。但是，由于封建统治者的长期残酷剥削和近百年来三座大山的沉重压迫，使我国石油和天然气工业长期处于落后状态。国民党反动派统治时期，在四川一共只钻了5口半井，还报废了3口，钻井深度仅1402m，只在2口井中获得了少量的天然气。这就是旧中国所谓“资源开发”的缩影1。

发展简述国内外天然气开发近中期主要集中在水驱气藏、凝析气藏和低渗透及裂缝性碳酸盐岩等特殊气藏的开发研究上，对于非常规天然气，包括煤层气、致密气层气、水溶气、深层气、浅层气和水合物固态气等也作了一些超前研究。

主要发展的技术如下。

1．提高天然气和凝析油采收率技术

(1)水驱气藏

1)国外70年代后期开始了强排水采气的措施，对释放封闭气起到积极作用，使采收率提高了10%～20%。80年代发展了气藏整体治水技术，具体方法是：

①单井排水采气。目的是调整气水边界推进速度，降低水侵区压力，使封闭气膨胀而产出，避免气藏水侵恶化，防止生产气井过早水淹。

②气水联合开采。该开采方式是气藏整体治水的一种工艺，不同于单井排水采气，它适用于尚未完全水淹或已完全水淹而“报废”了的气藏。通过气藏描述和气藏数值模拟，确定最佳排水井位、排水量和采气速度，实践证明它是提高采收率的有效方法。

⑧阻水开采工艺。该工艺立足于气藏早期整体治水，在边水驱气藏气水界面的含水一侧或底水驱气藏的含水层布置排水井；对于局部水驱气藏。在水沿高渗透带或裂缝发育带进入气藏的通道上，建立高分子聚合物粘稠液(如聚丙烯腈酰胺)阻水屏障，也有注氮气的，其目的在于减小边水推进、底水上升的速度，变水驱为“弹性气驱”。

2)水驱气藏的采气工艺技术的选择与储层性质、水侵入气藏的机理和气井生产特征有密切关系，随着水驱机理的实验和研究，促进了采气工艺技术的不断更新，单一的气井排水或堵水不能从根本上解决水驱气藏水淹的问题。近十几年来，前苏联等国将数值模拟技术用于气藏二次采气方案，发展了气藏整体治水的开采方式。

①排水采气工艺。发展了小油管、泡沫、气举、机械抽油、电动潜油泵、柱塞气举、射流泵和螺杆泵等多种排水工艺。

人工助排时间的选择非常关键，过早不经济，过晚待气井水淹严重时，气相渗透率急剧下降而影响采气效果，所以选择在气井出现“脉冲”或“自身压井”之前开始人工助排较为合适，它是延长出水气井开采期的最佳时机。关于气井排水工艺优化设计，美国布朗等人研究的气液流入井的动态关系与油管多相流及地面管流特性相协调的单井系统节点分析法在国外应用广泛。

气田水处理是个大问题，一般选择采用封闭性佳、渗透性好、储集空间大、采出程度高的废气层作为回注地层；或净化达标后直接排人江河或作农用；对气层水中的有用元素进行回收。

②气井堵水工艺。对气水层段分明的井，理论上可在水层放置永久性屏障，堵水屏障采用非选择性堵水，如采用水泥、树脂或硅胶，也可用封隔器。

对于气水分层不明的井，理论上采用选择性堵水，即以聚丙烯酰胺和丙烯腈类水溶性高分子聚合物为堵剂的化学堵水方法，以减缓水侵通道中水推进的速度。

实践证明，堵水在短时间内会增加气井产量，但无助于提高气藏最终采收率，因其截阻了水流入井底的通道，使井周围水位升高，压力增大，水必然向低压含气带或气井窜流，使气藏水侵更加恶化，不利于释放水封气。

(2)凝析气藏

对于凝析气藏，在发展循环注气提高采收率的同时，考虑用注段塞混相或近混相驱替，以增大驱替效率。同时，也在探索在一定地质条件下注水的可能性。注N2气已经实施多年。

对于凝析气藏、油环凝析气藏的开采机理和提高采收率技术研究方面有待于深人研究的课题有：

1)多孔介质中，凝析油气开采特征的实验和理论研究，它包括：吸附、毛管力和重力、毛管凝聚、润湿性和原生水存在等对凝析油气开采的影响研究：

2)凝析气藏衰竭开发控制油气流动的因素和提高凝析气井产量的研究，它包括：反凝析液临界流动饱和度的测定；凝析油气，凝析油、气、水真实相对渗透率测定方法研究；近井地带反凝析油污染评价及防治研究。

3)注气过程开采机理、驱替效率和提高凝析油采收率研究，它包括：其它保持压力开发方式(气水交替、注水、注氮气或空气)的探索研究；考

虑多孔介质吸附、毛管力和流体相态影响的凝析油气渗流数学模型的建立及其解。

4)凝析气藏地面、地下一体化开发研究，它包括：凝析气井试井及产能评价新技术研究；油气水多相垂直管流计算新方法研究；凝析气藏一体化开发数值模拟研究。

(3)低渗致密气藏

大型压裂是发现这类气藏工业性气流和提高采收率的重要措施。1981年以来，美国所钻的35%～40%的井都必须实施大型水力压裂，使致密层增加40%～57%的采气量。

钻加密井或水平井与大型压裂相匹配是目前开采致密气藏和老气田增产挖潜、提高采收率行之有效的方法。

对于低渗、致密气藏还有许多值得深入研究的问题，在开发方面如：低渗气藏非达西渗流的阈压效应(启动压力)和气体滑脱效应；低渗气藏储层物性的测定方法与技术；气井试井方法和单井控制储量计算方法等。

(4)异常高压气藏

近10多年来，国外对异常高压气藏储层变形的研究表明：高压,ml-裂缝是张开的，随地层压力的下降，裂缝逐渐闭合。因此，开发这类气藏的关键在于尽量保持地层压力高于正常的静水柱压力，使产层具有良好的渗流条件。

对于这类气藏，应用p/Z—Gp关系直接外推求储量(所求储量偏大)和作动态预测，必须进行岩石、水和气体的压缩系数校正。

2．现代试井技术

国外普遍运用和推广高精度电子压力计录取资料，并采用以图版为核心的资料分析方法，再加上完善的试井解释软件，形成了一套从模拟诊断到自动拟合分析、成果解释和检验技术的方法，为气藏开发提供产能、地层参数、储层特征、气藏边界和控制储量等重要参数。

3．测井技术

气藏超薄层、薄层的识别；利用测井资料预测气井产能；利用核磁共振测井技术研究含气饱和度。

4．综合天然气上下游一体化的气藏数值模拟技术

该技术已形成从气层一气井一地面采气设备一集气管线一气体加工厂一压缩机等完整的计算机模拟系统。

5．水平井、深井技术

分枝状水平井，复杂结构井的钻井、完井技术；压裂酸化、射孔等技术。

6．非常规天然气利用技术

煤层气储集层模拟技术；吸附和脱附规律；渗流机理、开采动态和试井方法及解释；以保护煤层气为中心的完井技术；以提高产量为中心的增产技术；天然气水合物开采技术1。

利用技术天然气是一种富含烷烃的低含碳量无色混合气体，经过简单的加工处理即可成为绿色环保的清洁能源。长久以来，我国以煤炭作为主要的使用能源，天然气利用技术远远落后于世界水平，且虽然我国的天然气储量丰富，但采集难度大，依然存有无法合理利用等问题。因此，如何使天然气利用方向更加多元化，如何创造新型的天然气利用技术均已成为我国天然气发展亟待解决的问题。

我国的天然气利用技术已广泛应用于城市气化、交通运输、燃料电池、电力工业、化工工业等，部分技术已趋于成熟，并取得了不少成就，无论给企业自身还是国家管理均带来了不错的经济效益。然而，天然气利用技术的研究和开发才刚刚步入正轨，依然存有很大的探索空间，因此，我们应尽快试验开发新型成果，将尚未成型的技术逐步付诸实践。

（1）城市气化

由于每立方天然气的燃烧热值较高，在相同等条件下煤气燃烧值的两倍多，且相对于煤气来说更加环保，因此非常适用于城市燃气。随着国内四大油气输送通道的建成，2016年后我国的城市气化将会步入一个迅速发展的阶段。与此同时，以天然气为能源的燃气热水器、燃气供暖等在经济性和节能环保等方面的优势，得到了广大用户的认可。在北京、上海等大城市应用的CCHP系统（热电冷联产供能系统），也随着管网的不断完善，慢慢步入了更多人的生活。

（2）交通运输

天然气的交通运输主要指普遍使用的压缩天然气汽车，与其他普通汽车相比，它具有安全性好、空气污染物排放量少、燃气费用低等优点。加上我国当前城市汽车尾气排放量不断增加，雾霾现象越来越重，间接导致压缩天然气作为车用燃料开始逐步登上城市的舞台。截止2015年底，全国天然气汽车的数量约为500多万量，依然拥有很大的发展空间。

（3）燃料电池

我们将可以使燃气和空气当中的化学能直接转化为电能的装置称为燃料电池。其中，天然气燃料电池以其效率高、清洁度好、安全性强和未来发展潜力优秀等方面受到世人的广泛关注。然而，我国所使用的燃料电池并没有达到理想效果，依然存有高温时电池寿命和稳定性不太理想、没有完善的燃料供应体系、市场价格昂贵等问题。

（4）电力工业

我国天然气发电技术的应用和推广始于20世纪90年代末，现已拥有了一定程度的建设基础和使用经验。由于其能源利用率高、环保等独特优势，天然气发电在我国电力工业所占比例越来越多。我国主要应用的天然气发电技术有两种，一种是局部并网发电的天然气联合循环发电技术；另一种是给高楼供热、供电、制冷的热电冷联产技术。

（5）化工工业

天然气富含多种烷烃，组成成分较为复杂，其加工原理为通过对天然气进行一系列的净化、分离、裂解和转化等程序，制成合成氨等日常生活中必备的化工产品。我国部分重点研究单位自50年代末开始就对天然气化工领域进行了全面深入的研究和探索，至60年代中期已取得一定的科研成果。但若干年来由于设备结构不完善，技术不成熟和未受到足够重视等原因，我国天然气化工的发展依然靠引进技术来维持2。

开发技术依靠科技进步，天然气开发已形成了一系列实用技术，目前能基本适应气田开发的需要。下面着重介绍产生较大影响的几项实用技术3。

1．开发地震技术在气田开发中的应用与推广取得了较显著的效果

一旦探井取得工业产量后，针对复杂气藏条件，为了有效地确定开发井位及开发程序，应用开发地震技术少打空井、少打低产井，最大限度地提高气藏采收率、提高开发效果，是实现气田高效开发的一项重要措施。

东部复杂构造及断块油气藏，应用地震等技术，已形成一套滚动勘探开发程序。

长庆中部气田采用高分辨率地震、古地貌和微构造相结合的精细解释技术来搞清了奥陶系风化壳的沟槽展布和上古地层的成组砂岩厚度变化。

川东石炭系高陡背斜构造气藏，应用地质模式与地震成像结合，解决了高陡构造的圈闭评价问题，使五百梯开发井钻井成功率达到85%以上。

中原文23气田，在开发实施阶段，以三维地震人机联作为主，综合运用36口钻井和18口地层倾角测井资料，准确地确定了地层边界和内部断层，查明了构造形态，划分了断块区，核实了储量，为气田开发打下了很好的基础。

2．气藏描述与数值模拟技术的发展，推动了气田开发水平的提高

在开发地震、测井、试井、岩心描述及分析技术等取得气藏第一性资料的基础技术方面，进行了完善和配套。

大港、吐哈、华北、塔西南、塔里木和中原文23等凝析气田，应用气藏描述、数值模拟等技术编制方案，指导开发全过程，支持和促进了气田开发水平的提高。

四川大天池、大池干井气田在勘探开发初期，进行了气藏描述和数值模拟，形成了一套系统工程的计算方法，在三维空间上对气藏形态、储集体展布、储层参数、沉积有利相带的变化及储量分布等进行了综合描述，搞清了气藏地质特征，为开发设计提供了较为准确的参数分布和编制依据4。

3．现代试井与储层综合研究技术在气田前期预测及产能评价中发挥了重要作用

通过几十年的发展，试井技术已逐步成为气藏动态分析的核心，成为确定物性参数、核实气藏动态储量和评价气井产能的重要手段。近几年来，在试井资料录取和试井解释方法上都有较大提高，资料录取上采用高精度电子压力计，基本满足了试井方法的要求；试井解释方法以图版法为核心，广泛应用电子计算机，形成了一整套现代试井分析方法。

如长庆气田，首先利用修正等时试井，采用延时生产短期试采方法，核实了产量，计算了绝对无阻流量；其次，通过压力恢复试井，对储层参数及平面变化进行了分析，结合气藏数值模拟，对气藏稳产条件进行了预测；通过干扰试井，帮助了解气藏内部连通情况，为井网部署提供了依据。

4．凝析气田循环注气开发的实施填补了我国空白

凝析气田是介于干气气藏和油藏之间的一种特殊气藏，从中同时产出干气和凝析油。由于存在反凝析现象，易发生地层凝析油的损失。为提高凝析油采收率，采用循环注气的开发方式，开采技术也比较复杂，如油气相态分析技术、多组分数值模拟技术、采气注气及地面集输技术和气藏动态监测技术等，经过几年的研究和实践，我国已初步掌握了气田循环注气技术，已在大港大张坨和塔西南柯克亚顺利地实施了循环注气的开发方案，实现了零的突破，并取得了比较显著的效益。

在凝析气田开发的研究方面还取得了一系列可喜成绩。

塔里木和石油勘探开发科学研究院编制了第一个高温高压、深层富含凝析油的牙哈凝析气田开发方案。吐哈和西南石油学院开展了凝析气田开发的系列研究。凝析气田的开发正在走上科学、合理开发的道路。

在油气相态理论实验研究等方面取得了重大进展，西南石油学院、石油大学、石油勘探开发科学研究院、大港、吐哈、塔里木、华北和中原等许多单位都作了有益的研究。西南石油学院对相态研究已从不考虑多孔介质转向考虑多孔介质的影响，从静态研究转向动态，从两相转到多相研究等，这样将岩石多孔介质的界面性质(吸附、毛管凝聚和润湿性等)与流体相态性质结合起来进行研究。在凝析气井试井方法的研究方面也取得了重要进展。

油气取样工作得到了各有关油田的充分重视，均引进配备了精良的实验分析装备。

凝析气井开采工艺也日趋完善。

在吸收国外先进技术的基础上，独创与引进相结合，提高了油气加工的水平。

5．低渗透气田采取经济有效的配套技术，改善和提高了开发效果

加砂压裂和酸化压裂技术的整体水平有了很大的提高，现已发展到针对储层特点，以气藏工程为基础，通过对开发层位的整体措施改造，把增加可采储量、提高采收率和储量动用程度作为评价增产措施效果的衡量标准。

适应不同储层条件的配套工艺技术日趋成熟，包括：机理性试验研究、工作液评价、压裂地质及施工效果评价、工艺设计与参数优选、压裂监测、完井及压裂手段等都有较大进步。

四川自50年代以来，先后在近200个构造约3000 口气井进行了酸化压裂作业，增加的产能占当年新增产的1/3～1/4，又发展了稠化酸、前置液、泡沫酸等酸化压裂技术和多级注入闭合酸化压裂技术，使酸蚀缝长由10～20m增到40-50m。

6．老气田通过调整挖潜技术和滚动勘探开发，取得了显著的经济效益

一是对已开发气田进行老井复查，提出挖潜措施；

二是加大滚动勘探开发力度，努力寻找新储量。

针对水驱气藏开发后期低压、小产、大量剩余气储量被水封隔、采收率低的特点，逐步形成完善的“排水采气”技术，减少裂缝含水饱和度，改善气相渗透率，排除井底和井附近储层的积水，增加采气量。工艺方面发展了机械抽油、泡沫、电动潜油泵、气举和小油管排水等技术系列，提高了气井排水量，使处于低压小产的气藏获得了较大的增产效果。四川气区经过排水采气，累计增加气量54.8×108m3，仅川西南威远震旦系气藏预计增加可采储量56×105m3。

受排水采气的启发，又发展了一套排水找气技术，依靠地层天然能量，排出封隔天然气的水体，使产水井变成工业气井，从而找到了隐蔽性裂缝性气藏。仅在“九五”前3年，四川川南矿区通过“排水找气”，新获地质储量28.8×108m3，经济效益显著。

就中国石油天然气集团公司范围，含硫气田占已动用气层气储量的43%。在发展脱水、脱硫化氢、抗硫钢材等防腐技术的基础上，又发展了气液两相缓蚀剂、涂层油套管、玻璃钢油管、硫化氢腐蚀专用涂料、防腐侧钻修井和H2渗透检测等技术。四川磨溪气田雷一1气藏应用两相缓蚀剂、涂层油套管和玻璃钢油管等防腐技术后，有效地防止了井下腐蚀。

7．气田内部集输建设，形成了从设计到施工的配套技术开发建设有一半的投资是在地面。

随着不同类型气田投入开发，地面集输技术也在不断完善和发展，在天然气计量设备改造、小型撬装分离装置、高压与低压气分输、利用大罐收气与套管气收集等方面发展了一批实用技术，提高了地面集输的整体水平。

近年来，在常压集气工艺基础上又发展了高压集气工艺，减少了单井节流、加热、分离、计量和值班等配套设施，实现了低成本集输。

8．采气工艺技术水平的提高，为气田稳产、高产发挥了重要作用5

目前已形成了10项采气工艺技术，它们是：

1) 以保护气井产能为目标的气层保护及完井技术：

2) 以提高产能为目标的高效射孔技术；

3) 低渗、致密气藏压裂、酸化技术；

4) 水驱气藏见水生产井排水采气工艺技术；

5) 气井试井及动态监测技术；

6) 采气作业安全控制技术；

7) 开采后期低压气井集输工艺技术；

8)气井井下作业、修井技术；

9) 气井防腐、防水合物技术；

10) 双管采气技术1。

开发技术迎接挑战的对策在明晰我国天然气开发技术面临的挑战后，我们就可以针对上述挑战有针对性的提出迎接挑战的对策，将这一对策概括为加强重视、关注问题、有效开采等三个方面。

（一） 加强重视

为了较好解决天然气管线腐蚀问题，我国天然气运输部门与相关管理部门都必须予以这一问题高度重视，这一重视需要通过经天然气管线腐蚀预防作为日常工作、完善防腐制度等方式实现天然气管线腐蚀问题的较好解决。

（二）关注问题

为了保证天然气开发后期问题能够实现较好解决，相关天然气开采企业就必须予以天然气开发后期阶段出现问题的高度重视，这一重视需要相关工作人员实时分析矿井，并结合地层水回注技术、增压开采技术，实现天然气开发后期问题的较好解决。

（三）有效开采

为了能够保证非常规天然气开采的较好实现，相关天然气开采企业就需要不断进行非常规天然气开采技术的改进，并在适当时候结合非常规天然气藏实际，有针对性的进行天然气开采管理体系的建立、开采技术的科技含量提高，这样才能够保证非常规天然气实现有效开采与合理开发6。