基本介紹
- 中文名：天然氣工程
- 外文名：gas engineering
- 領域：工程技術
- 開採方法：衝擊鑽法
- 最早利用時期：時代漢、晉
- 儲量潛力：中西部地區
開採簡史,發展簡述,利用技術,開發技術,對策,
開採簡史
早在秦朝(公元前250年)，我國的勞動人民就已在四川用與近代頓鑽原理相仿的衝擊鑽法開鑿鹽井。在漢、晉時代，我國的勞動人民發現並利用了天然氣。公元301年，晉朝人左思所作“蜀都賦”中有這樣的詩句：“火井沉熒於幽泉，高焰飛煽於天垂。”晉朝人常璩所著的“華陽國志”是描寫公元347年前四川情況的史書，其中寫有：“臨邛縣西南二百里本有邛民，火井欲出其火，先以家火投之，頃許如雷聲，火焰出，通耀數十里，......井有二水，取井火煮之……，一斛水得五斗鹽。家火煮之，得無幾也。”這段文字就是漢末晉初在四川盆地採氣熬鹽的歷史見證。
衝擊鑽
衝擊鑽在公元1000年左右的宋朝慶曆年間，“卓筒井”出現了，它是我國鑽井歷史上的重要轉折點，卓筒井是下有竹筒套管的小井眼井。自此以後，井深已可達230m。
卓筒井
卓筒井清朝道光15年(公元1835年)，我國鑽井已突破千米大關，而美國在1859年才鑽了一口21．69m的井。那年，在自流井構造頂部嘉陵江T3層中，磨子井發生強烈井噴。據不完全統計，從公元1700年以來，在自貢地區210km2的土地上，共鑽井11000口以上，其中採氣50年以上的氣井就有30多口。
我國勞動人民對找尋天然氣有著豐富的經驗，他們對四川三疊系嘉陵江灰岩地層縫洞早有了很好的認識，他們說：“水和火都是從縫裡出來的，要找水和火就要找縫”。我們的祖先還發展了一套井下工具，如：有了解井下情況的列印工具——泥娃兒；有作為井口測試或放空的“瓶塞子”、“通天梘”；有堵水和補井壁(稱補腔)的工藝技術；有能做到邊鑽邊采、邊撈水邊採氣的井口裝置——“康盆”；有高達百米的木製井架……，這些都是我國勞動人民智慧的結晶。但是，由於封建統治者的長期殘酷剝削和近百年來三座大山的沉重壓迫，使我國石油和天然氣工業長期處於落後狀態。國民黨反動派統治時期，在四川一共只鑽了5口半井，還報廢了3口，鑽井深度僅1402m，只在2口井中獲得了少量的天然氣。這就是舊中國所謂“資源開發”的縮影。
火井
火井發展簡述
主要發展的技術如下。
凝析氣藏
凝析氣藏1．提高天然氣和凝析油採收率技術
(1)水驅氣藏
1)國外70年代後期開始了強排水採氣的措施，對釋放封閉氣起到積極作用，使採收率提高了10%～20%。80年代發展了氣藏整體治水技術，具體方法是：
①單井排水採氣。目的是調整氣水邊界推進速度，降低水侵區壓力，使封閉氣膨脹而產出，避免氣藏水侵惡化，防止生產氣井過早水淹。
②氣水聯合開採。該開採方式是氣藏整體治水的一種工藝，不同於單井排水採氣，它適用於尚未完全水淹或已完全水淹而“報廢”了的氣藏。通過氣藏描述和氣藏數值模擬，確定最佳排水井位、排水量和採氣速度，實踐證明它是提高採收率的有效方法。
⑧阻水開採工藝。該工藝立足於氣藏早期整體治水，在邊水驅氣藏氣水界面的含水一側或底水驅氣藏的含水層布置排水井；對於局部水驅氣藏。在水沿高滲透帶或裂縫發育帶進入氣藏的通道上，建立高分子聚合物粘稠液(如聚丙烯腈醯胺)阻水屏障，也有注氮氣的，其目的在於減小邊水推進、底水上升的速度，變水驅為“彈性氣驅”。
2)水驅氣藏的採氣工藝技術的選擇與儲層性質、水侵入氣藏的機理和氣井生產特徵有密切關係，隨著水驅機理的實驗和研究，促進了採氣工藝技術的不斷更新，單一的氣井排水或堵水不能從根本上解決水驅氣藏水淹的問題。近十幾年來，前蘇聯等國將數值模擬技術用於氣藏二次採氣方案，發展了氣藏整體治水的開採方式。
①排水採氣工藝。發展了小油管、泡沫、氣舉、機械抽油、電動潛油泵、柱塞氣舉、射流泵和螺桿泵等多種排水工藝。
人工助排時間的選擇非常關鍵，過早不經濟，過晚待氣井水淹嚴重時，氣相滲透率急劇下降而影響採氣效果，所以選擇在氣井出現“脈衝”或“自身壓井”之前開始人工助排較為合適，它是延長出水氣井開採期的最佳時機。關於氣井排水工藝最佳化設計，美國布朗等人研究的氣液流入井的動態關係與油管多相流及地面管流特性相協調的單井系統節點分析法在國外套用廣泛。
油管
油管氣田水處理是個大問題，一般選擇採用封閉性佳、滲透性好、儲集空間大、采出程度高的廢氣層作為回注地層；或淨化達標後直接排人江河或作農用；對氣層水中的有用元素進行回收。
②氣井堵水工藝。對氣水層段分明的井，理論上可在水層放置永久性屏障，堵水屏障採用非選擇性堵水，如採用水泥、樹脂或矽膠，也可用封隔器。
對於氣水分層不明的井，理論上採用選擇性堵水，即以聚丙烯醯胺和丙烯腈類水溶性高分子聚合物為堵劑的化學堵水方法，以減緩水侵通道中水推進的速度。
實踐證明，堵水在短時間內會增加氣井產量，但無助於提高氣藏最終採收率，因其截阻了水流入井底的通道，使井周圍水位升高，壓力增大，水必然向低壓含氣帶或氣井竄流，使氣藏水侵更加惡化，不利於釋放水封氣。
(2)凝析氣藏
對於凝析氣藏，在發展循環注氣提高採收率的同時，考慮用注段塞混相或近混相驅替，以增大驅替效率。同時，也在探索在一定地質條件下注水的可能性。注N2氣已經實施多年。
對於凝析氣藏、油環凝析氣藏的開採機理和提高採收率技術研究方面有待於深人研究的課題有：
原生水2)凝析氣藏衰竭開發控制油氣流動的因素和提高凝析氣井產量的研究，它包括：反凝析液臨界流動飽和度的測定；凝析油氣，凝析油、氣、水真實相對滲透率測定方法研究；近井地帶反凝析油污染評價及防治研究。
慮多孔介質吸附、毛管力和流體相態影響的凝析油氣滲流數學模型的建立及其解。
4)凝析氣藏地面、地下一體化開發研究，它包括：凝析氣井試井及產能評價新技術研究；油氣水多相垂直管流計算新方法研究；凝析氣藏一體化開發數值模擬研究。
(3)低滲緻密氣藏
大型壓裂是發現這類氣藏工業性氣流和提高採收率的重要措施。1981年以來，美國所鑽的35%～40%的井都必須實施大型水力壓裂，使緻密層增加40%～57%的採氣量。
水力壓裂
水力壓裂(4)異常高壓氣藏
近10多年來，國外對異常高壓氣藏儲層變形的研究表明：高壓,ml-裂縫是張開的，隨地層壓力的下降，裂縫逐漸閉合。因此，開發這類氣藏的關鍵在於儘量保持地層壓力高於正常的靜水柱壓力，使產層具有良好的滲流條件。
氣藏
氣藏對於這類氣藏，套用p/Z—Gp關係直接外推求儲量(所求儲量偏大)和作動態預測，必須進行岩石、水和氣體的壓縮係數校正。
2．現代試井技術
國外普遍運用和推廣高精度電子壓力計錄取資料，並採用以圖版為核心的資料分析方法，再加上完善的試井解釋軟體，形成了一套從模擬診斷到自動擬合分析、成果解釋和檢驗技術的方法，為氣藏開發提供產能、地層參數、儲層特徵、氣藏邊界和控制儲量等重要參數。
3．測井技術
核磁共振
核磁共振氣藏超薄層、薄層的識別；利用測井資料預測氣井產能；利用核磁共振測井技術研究含氣飽和度。
4．綜合天然氣上下游一體化的氣藏數值模擬技術
該技術已形成從氣層一氣井一地面採氣設備一集氣管線一氣體加工廠一壓縮機等完整的計算機模擬系統。
5．水平井、深井技術
水平井6．非常規天然氣利用技術
利用技術
天然氣是一種富含烷烴的低含碳量無色混合氣體，經過簡單的加工處理即可成為綠色環保的清潔能源。長久以來，我國以煤炭作為主要的使用能源，天然氣利用技術遠遠落後於世界水平，且雖然我國的天然氣儲量豐富，但採集難度大，依然存有無法合理利用等問題。因此，如何使天然氣利用方向更加多元化，如何創造新型的天然氣利用技術均已成為我國天然氣發展亟待解決的問題。
我國的天然氣利用技術已廣泛套用於城市氣化、交通運輸、燃料電池、電力工業、化工工業等，部分技術已趨於成熟，並取得了不少成就，無論給企業自身還是國家管理均帶來了不錯的經濟效益。然而，天然氣利用技術的研究和開發才剛剛步入正軌，依然存有很大的探索空間，因此，我們應儘快試驗開發新型成果，將尚未成型的技術逐步付諸實踐。
（1）城市氣化
由於每立方天然氣的燃燒熱值較高，在相同等條件下煤氣燃燒值的兩倍多，且相對於煤氣來說更加環保，因此非常適用於城市燃氣。隨著國內四大油氣輸送通道的建成，2016年後我國的城市氣化將會步入一個迅速發展的階段。與此同時，以天然氣為能源的燃氣熱水器、燃氣供暖等在經濟性和節能環保等方面的優勢，得到了廣大用戶的認可。在北京、上海等大城市套用的CCHP系統（熱電冷聯產供能系統），也隨著管網的不斷完善，慢慢步入了更多人的生活。
天然氣工程
天然氣工程（2）交通運輸
天然氣的交通運輸主要指普遍使用的壓縮天然氣汽車，與其他普通汽車相比，它具有安全性好、空氣污染物排放量少、燃氣費用低等優點。加上我國當前城市汽車尾氣排放量不斷增加，霧霾現象越來越重，間接導致壓縮天然氣作為車用燃料開始逐步登上城市的舞台。截止2015年底，全國天然氣汽車的數量約為500多萬量，依然擁有很大的發展空間。
（3）燃料電池
我們將可以使燃氣和空氣當中的化學能直接轉化為電能的裝置稱為燃料電池。其中，天然氣燃料電池以其效率高、清潔度好、安全性強和未來發展潛力優秀等方面受到世人的廣泛關注。然而，我國所使用的燃料電池並沒有達到理想效果，依然存有高溫時電池壽命和穩定性不太理想、沒有完善的燃料供應體系、市場價格昂貴等問題。
（4）電力工業
我國天然氣發電技術的套用和推廣始於20世紀90年代末，現已擁有了一定程度的建設基礎和使用經驗。由於其能源利用率高、環保等獨特優勢，天然氣發電在我國電力工業所占比例越來越多。我國主要套用的天然氣發電技術有兩種，一種是局部併網發電的天然氣聯合循環發電技術；另一種是給高樓供熱、供電、製冷的熱電冷聯產技術。
（5）化工工業
天然氣富含多種烷烴，組成成分較為複雜，其加工原理為通過對天然氣進行一系列的淨化、分離、裂解和轉化等程式，製成合成氨等日常生活中必備的化工產品。我國部分重點研究單位自50年代末開始就對天然氣化工領域進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。但若干年來由於設備結構不完善，技術不成熟和未受到足夠重視等原因，我國天然氣化工的發展依然靠引進技術來維持。
開發技術
依靠科技進步，天然氣開發已形成了一系列實用技術，目前能基本適應氣田開發的需要。下面著重介紹產生較大影響的幾項實用技術。
1．開發地震技術在氣田開發中的套用與推廣取得了較顯著的效果
探井
探井川東石炭系高陡背斜構造氣藏，套用地質模式與地震成像結合，解決了高陡構造的圈閉評價問題，使五百梯開發井鑽井成功率達到85%以上。
氣田
氣田中原文23氣田，在開發實施階段，以三維地震人機聯作為主，綜合運用36口鑽井和18口地層傾角測井資料，準確地確定了地層邊界和內部斷層，查明了構造形態，劃分了斷塊區，核實了儲量，為氣田開發打下了很好的基礎。
2．氣藏描述與數值模擬技術的發展，推動了氣田開發水平的提高
測井四川大天池、大池乾井氣田在勘探開發初期，進行了氣藏描述和數值模擬，形成了一套系統工程的計算方法，在三維空間上對氣藏形態、儲集體展布、儲層參數、沉積有利相帶的變化及儲量分布等進行了綜合描述，搞清了氣藏地質特徵，為開發設計提供了較為準確的參數分布和編制依據。
3．現代試井與儲層綜合研究技術在氣田前期預測及產能評價中發揮了重要作用
通過幾十年的發展，試井技術已逐步成為氣藏動態分析的核心，成為確定物性參數、核實氣藏動態儲量和評價氣井產能的重要手段。近幾年來，在試井資料錄取和試井解釋方法上都有較大提高，資料錄取上採用高精度電子壓力計，基本滿足了試井方法的要求；試井解釋方法以圖版法為核心，廣泛套用電子計算機，形成了一整套現代試井分析方法。
試井
試井如長慶氣田，首先利用修正等時試井，採用延時生產短期試采方法，核實了產量，計算了絕對無阻流量；其次，通過壓力恢復試井，對儲層參數及平面變化進行了分析，結合氣藏數值模擬，對氣藏穩產條件進行了預測；通過干擾試井，幫助了解氣藏內部連通情況，為井網部署提供了依據。
4．凝析氣田循環注氣開發的實施填補了我國空白
凝析氣田是介於乾氣氣藏和油藏之間的一種特殊氣藏，從中同時產出乾氣和凝析油。由於存在反凝析現象，易發生地層凝析油的損失。為提高凝析油採收率，採用循環注氣的開發方式，開採技術也比較複雜，如油氣相態分析技術、多組分數值模擬技術、採氣注氣及地面集輸技術和氣藏動態監測技術等，經過幾年的研究和實踐，我國已初步掌握了氣田循環注氣技術，已在大港大張坨和塔西南柯克亞順利地實施了循環注氣的開發方案，實現了零的突破，並取得了比較顯著的效益。
凝析油
凝析油在凝析氣田開發的研究方面還取得了一系列可喜成績。
在油氣相態理論實驗研究等方面取得了重大進展，西南石油學院、石油大學、石油勘探開發科學研究院、大港、吐哈、塔里木、華北和中原等許多單位都作了有益的研究。西南石油學院對相態研究已從不考慮多孔介質轉向考慮多孔介質的影響，從靜態研究轉向動態，從兩相轉到多相研究等，這樣將岩石多孔介質的界面性質(吸附、毛管凝聚和潤濕性等)與流體相態性質結合起來進行研究。在凝析氣井試井方法的研究方面也取得了重要進展。
凝析氣
凝析氣油氣取樣工作得到了各有關油田的充分重視，均引進配備了精良的實驗分析裝備。
凝析氣井開採工藝也日趨完善。
在吸收國外先進技術的基礎上，獨創與引進相結合，提高了油氣加工的水平。
5．低滲透氣田採取經濟有效的配套技術，改善和提高了開發效果
壓裂適應不同儲層條件的配套工藝技術日趨成熟，包括：機理性試驗研究、工作液評價、壓裂地質及施工效果評價、工藝設計與參數優選、壓裂監測、完井及壓裂手段等都有較大進步。
泡沫酸6．老氣田通過調整挖潛技術和滾動勘探開發，取得了顯著的經濟效益
一是對已開發氣田進行老井複查，提出挖潛措施；
二是加大滾動勘探開發力度，努力尋找新儲量。
針對水驅氣藏開發後期低壓、小產、大量剩餘氣儲量被水封隔、採收率低的特點，逐步形成完善的“排水採氣”技術，減少裂縫含水飽和度，改善氣相滲透率，排除井底和井附近儲層的積水，增加採氣量。工藝方面發展了機械抽油、泡沫、電動潛油泵、氣舉和小油管排水等技術系列，提高了氣井排水量，使處於低壓小產的氣藏獲得了較大的增產效果。四川氣區經過排水採氣，累計增加氣量54.8×108m3，僅川西南威遠震旦系氣藏預計增加可采儲量56×105m3。
受排水採氣的啟發，又發展了一套排水找氣技術，依靠地層天然能量，排出封隔天然氣的水體，使產水井變成工業氣井，從而找到了隱蔽性裂縫性氣藏。僅在“九五”前3年，四川川南礦區通過“排水找氣”，新獲地質儲量28.8×108m3，經濟效益顯著。
排水採氣
排水採氣就中國石油天然氣集團公司範圍，含硫氣田占已動用氣層氣儲量的43%。在發展脫水、脫硫化氫、抗硫鋼材等防腐技術的基礎上，又發展了氣液兩相緩蝕劑、塗層油套管、玻璃鋼油管、硫化氫腐蝕專用塗料、防腐側鑽修井和H2滲透檢測等技術。四川磨溪氣田雷一1氣藏套用兩相緩蝕劑、塗層油套管和玻璃鋼油管等防腐技術後，有效地防止了井下腐蝕。
7．氣田內部集輸建設，形成了從設計到施工的配套技術開發建設有一半的投資是在地面。
隨著不同類型氣田投入開發，地面集輸技術也在不斷完善和發展，在天然氣計量設備改造、小型撬裝分離裝置、高壓與低壓氣分輸、利用大罐收氣與套管氣收集等方面發展了一批實用技術，提高了地面集輸的整體水平。
近年來，在常壓集氣工藝基礎上又發展了高壓集氣工藝，減少了單井節流、加熱、分離、計量和值班等配套設施，實現了低成本集輸。
8．採氣工藝技術水平的提高，為氣田穩產、高產發揮了重要作用
採氣
採氣目前已形成了10項採氣工藝技術，它們是：
1) 以保護氣井產能為目標的氣層保護及完井技術：
2) 以提高產能為目標的高效射孔技術；
3) 低滲、緻密氣藏壓裂、酸化技術；
4) 水驅氣藏見水生產井排水採氣工藝技術；
5) 氣井試井及動態監測技術；
6) 採氣作業安全控制技術；
7) 開採後期低壓氣井集輸工藝技術；
8)氣井井下作業、修井技術；
9) 氣井防腐、防水合物技術；
10) 雙管採氣技術。
對策
在明晰我國天然氣開發技術面臨的挑戰後，我們就可以針對上述挑戰有針對性的提出迎接挑戰的對策，將這一對策概括為加強重視、關注問題、有效開採等三個方面。
（一） 加強重視
為了較好解決天然氣管線腐蝕問題，我國天然氣運輸部門與相關管理部門都必須予以這一問題高度重視，這一重視需要通過經天然氣管線腐蝕預防作為日常工作、完善防腐制度等方式實現天然氣管線腐蝕問題的較好解決。
（二）關注問題
為了保證天然氣開發後期問題能夠實現較好解決，相關天然氣開採企業就必須予以天然氣開發後期階段出現問題的高度重視，這一重視需要相關工作人員實時分析礦井，並結合地層水回注技術、增壓開採技術，實現天然氣開發後期問題的較好解決。
（三）有效開採
為了能夠保證非常規天然氣開採的較好實現，相關天然氣開採企業就需要不斷進行非常規天然氣開採技術的改進，並在適當時候結合非常規天然氣藏實際，有針對性的進行天然氣開採管理體系的建立、開採技術的科技含量提高，這樣才能夠保證非常規天然氣實現有效開採與合理開發。
