頁巖油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

王翠麗，周文 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （成都理工大學(xué)），四川 成都 610059）

李紅波 （中石油塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部，新疆 庫爾勒 814000）

頁巖油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

王翠麗，周文 （油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （成都理工大學(xué)），四川 成都 610059）

李紅波 （中石油塔里木油田分公司開發(fā)事業(yè)部，新疆 庫爾勒 814000）

綜述了各國頁巖氣的勘探開發(fā)現(xiàn)狀，探討了頁巖油氣勘探開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，主要有以下幾方面的認(rèn)識(shí)：①綜合多參數(shù)、多信息，建立不同相帶的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及有利區(qū)帶預(yù)測方法是頁巖氣勘探開發(fā)的前提。②頁巖氣的滲流模型呈現(xiàn)多尺度的特點(diǎn)，開采過程涉及到解吸、擴(kuò)散和滲流3個(gè)階段，建立滲流方程時(shí)需考慮解吸吸附模型、擴(kuò)散模型、壓裂裂縫模型等影響因素。③多分支井、叢式井、羽狀井等水平鉆井技術(shù)，體積壓裂技術(shù)等新技術(shù)是提高頁巖氣產(chǎn)能及收益的關(guān)鍵。④井中地震技術(shù)能實(shí)時(shí)提供施工過程中所產(chǎn)生的裂縫的方位、密度、尺寸、間距等參數(shù)，描述裂縫復(fù)雜程度，評(píng)價(jià)增產(chǎn)實(shí)施方案的有效性。

頁巖油氣藏；頁巖油氣勘探；目標(biāo)區(qū)優(yōu)選；微震監(jiān)測；水平井技術(shù)；水力壓裂技術(shù)

近年來對(duì)頁巖的研究和試驗(yàn)結(jié)果顛覆了 “頁巖是烴源巖或油氣藏的蓋層”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，提出了頁巖自身能形成復(fù)雜的頁巖油氣藏的新觀點(diǎn)［1］。頁巖氣在北美勘探開發(fā)取得巨大成功，掀起了全世界范圍頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮。各國頁巖氣的調(diào)查和評(píng)估工作都在緊張有序的開展，關(guān)鍵技術(shù)的不成熟制約了該資源開采的可行性。

1 頁巖油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

經(jīng)過近200年的勘探開發(fā)，美國的頁巖氣目前已步入高速發(fā)展階段，其理論研究及相關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟。據(jù)美國能源信息署 （EIA）預(yù)測，到2040年，頁巖氣產(chǎn)量將占到美國天然氣總產(chǎn)量的50%［2］。北得克薩斯州的Barnett頁巖有1.13×1012m3的可采儲(chǔ)量，是美國第一塊大規(guī)模商業(yè)化開采的頁巖氣田［3，4］。Marcellus頁巖儲(chǔ)量占美國頁巖總儲(chǔ)量的一半多，2010年6月進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段［5］。

加拿大是另一個(gè)對(duì)頁巖氣進(jìn)行規(guī)模開發(fā)的國家，大多數(shù)產(chǎn)區(qū)仍處于試驗(yàn)或發(fā)展階段，頁巖氣關(guān)鍵技術(shù)的不成熟制約了該資源開采的可行性。加拿大的頁巖氣預(yù)測資源量為42.5×1012m3，主要分布于Montney頁巖、Utica頁巖和HortonBluff頁巖中。頁巖氣有望成為加拿大重要的天然氣資源之一，補(bǔ)充常規(guī)天然氣的衰退［6］。

歐洲頁巖氣勘探開發(fā)目前仍處于搖籃期，2007年歐洲啟動(dòng)頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)與有利盆地優(yōu)選項(xiàng)目。2009年，ARI（先進(jìn)資源國際公司）估算歐洲頁巖氣資源量在30×1012m3（可采資源量約4×1012m3）以上［7］。國際石油公司將目光投向歐洲，在部分國家取得了頁巖氣探礦挖掘權(quán)，但在歐洲頁巖氣鉆探試驗(yàn)沒有取得積極成果，波蘭、匈牙利、瑞典等一些國家的頁巖氣井均以失敗告終，加之部分國家禁止采用水力壓裂技術(shù)，使得歐洲頁巖氣勘探和開發(fā)的前景不容樂觀。

中國頁巖氣的勘探開發(fā)及相關(guān)領(lǐng)域的研究尚處于探索階段［8］，短期內(nèi)尚無法達(dá)到商業(yè)化開采的程度。但中國擁有豐富的頁巖氣儲(chǔ)量，據(jù)最新研究估算，中國頁巖氣可采資源量約為36×1012m3。在各大國際石油公司的技術(shù)支持下，我國勘探發(fā)現(xiàn)了陸相、海相、湖相等頁巖區(qū)塊［9，10］，并將水平井、滑溜多段水壓裂技術(shù)應(yīng)用在頁巖油氣鉆探中，取得了巨大成功。

2 關(guān)鍵技術(shù)探討

2.1 有利目標(biāo)區(qū)優(yōu)選技術(shù)

頁巖氣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及具體的地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)方法是勘探開發(fā)的前提和基礎(chǔ)。有利區(qū)的優(yōu)選可為進(jìn)一步勘探?jīng)Q策和深化研究提供重要的依據(jù)［11］。

基于北美頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐、統(tǒng)計(jì)分析及關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)等結(jié)果，認(rèn)為有利頁巖氣及核心區(qū)具有4方面主要地質(zhì)特征和3方面主要開發(fā)特點(diǎn)，核心區(qū)有5個(gè)富集高產(chǎn)條件［10］。美國頁巖儲(chǔ)層基本以海相為主，我國富有機(jī)質(zhì)頁巖類型有海相、海陸過渡相和陸相3種類型。由于海相和陸相沉積類型的不同，其基本地質(zhì)條件差異較大。中國古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁巖分布范圍廣、連續(xù)厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高，但演化程度高、構(gòu)造變動(dòng)多；中新生界陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖橫向變化大，以厚層泥巖或砂泥互層為主，有機(jī)質(zhì)豐度中等，熱成熟度低［10］。因此，借鑒國外成功勘探經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本國地質(zhì)條件的特點(diǎn)，建立不同相帶的有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)是十分迫切的。

目前，對(duì)南方海、湖相頁巖氣，相關(guān)技術(shù)人員提出了一些有利區(qū)帶的預(yù)測方法。聶海寬［12］、王鵬萬［13］、徐士林［14］等分析頁巖氣藏主控因素，采用綜合信息疊合的方法，對(duì)南方海相頁巖和鄂爾多斯盆地湖相頁巖有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測。楊振恒［15］等建立了海相地層頁巖氣勘探選區(qū)的模型，結(jié)合泥頁巖礦物含量，泥頁巖層熱壓力系統(tǒng)、地層沉降史、原地含氣量預(yù)測核心有利區(qū)。李武廣等［16］通過層次分析法確定多個(gè)與目標(biāo)區(qū)優(yōu)選體系相關(guān)參數(shù)的權(quán)重，采用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該方法實(shí)用性較強(qiáng)，適用于不同地區(qū)的頁巖氣有利區(qū)預(yù)測。袁志華等［17］提出利用油氣微生物勘探技術(shù)，尋找頁巖氣富集區(qū)域，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于淺層天然氣藏的勘探效果尤為理想。

海陸交互相、陸相和湖相有利區(qū)優(yōu)選的研究成果很少，如何創(chuàng)新性地將海相預(yù)測方法應(yīng)用到陸相非常關(guān)鍵。隨著研究的逐漸深入，關(guān)鍵參數(shù)的不斷豐富，優(yōu)選頁巖氣有利區(qū)帶的技術(shù)和方法會(huì)不斷涌現(xiàn)。各種方法的綜合運(yùn)用，能更加準(zhǔn)確地預(yù)測出有利區(qū)帶的分布，為下一步頁巖氣勘探和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)提供依據(jù)。

2.2 水平鉆井技術(shù)

水平井具有增加泄流面積，連通多個(gè)裂縫系統(tǒng)，提高導(dǎo)流能力及單井產(chǎn)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

從頁巖氣開發(fā)的角度來講，水平井水平段在頁巖層中的位置、延伸長度和延伸方向是決定水平井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素［18］。水平井井位與井眼方位應(yīng)選在有機(jī)質(zhì)富集、熱成熟度較高、裂縫發(fā)育程度好的區(qū)域及方位。實(shí)際生產(chǎn)中，最佳水平段長度的確定需要充分考慮具體地質(zhì)實(shí)際、鉆井成本和經(jīng)濟(jì)效益等。而水平井的延伸方向應(yīng)盡可能地與最大主應(yīng)力方向垂直，為以后進(jìn)行的儲(chǔ)層改造、形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)提供條件。為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行水平井鉆井，提高水平井產(chǎn)能，與之相關(guān)的技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，三維地震解釋技術(shù)，隨鉆測井、測量技術(shù)等的應(yīng)用，使得水平井在建井過程中能以最佳的井身軌跡鉆進(jìn)；欠平衡鉆井技術(shù)，能有效地保護(hù)儲(chǔ)層，提高鉆井速度，預(yù)測頁巖封閉游離相天然氣的能力，指導(dǎo)頁巖油氣藏勘探；有機(jī)和無機(jī)鹽復(fù)合防膨技術(shù)，具有高礦化度、高鉆井液回收率、強(qiáng)抑制性、低固相的特點(diǎn)，能最大限度地降低儲(chǔ)層傷害，保持井壁穩(wěn)定。以上與水平井鉆井相關(guān)的配套技術(shù)的研究及應(yīng)用，對(duì)提高頁巖油氣藏的開發(fā)效果起到了很好的保障作用。

鑒于我國頁巖氣儲(chǔ)層埋藏深、地質(zhì)條件特殊、地面環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，在國外成熟水平井鉆井基礎(chǔ)之上，開發(fā)適合我國水平井開發(fā)配套技術(shù)十分重要。特別是對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的研究，分支井連接技術(shù)等都急需研究攻關(guān)。預(yù)開孔懸掛系統(tǒng)是目前國內(nèi)外最為先進(jìn)的分支連接方式，克拉瑪依鉆采中心自主研制的該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在新疆陸梁油田得到應(yīng)用［19］。

2.3 體積壓裂技術(shù)

國外微地震壓裂裂縫監(jiān)測研究成果［20～23］與生產(chǎn)井累計(jì)產(chǎn)量的對(duì)比分析驗(yàn)證了增產(chǎn)效果與改造體積呈正相關(guān)的觀點(diǎn)，促使以提高最大接觸面積、增加改造體積為目標(biāo)的壓裂技術(shù)新理念的形成。

體積壓裂技術(shù)是一種利用天然裂縫的擴(kuò)張和脆性巖石的剪切滑移，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層在長、寬、高三維方向的立體改造，形成主裂縫與多級(jí)次生裂縫共存的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壓裂技術(shù)的統(tǒng)稱。該技術(shù)能極大提高儲(chǔ)層的整體滲透率，縮短油氣滲流距離，增大縫面與儲(chǔ)層基質(zhì)接觸面積，達(dá)到提高頁巖儲(chǔ)層初始產(chǎn)量和最終采收率的目標(biāo)。實(shí)施體積壓裂需要目的層滿足以下幾個(gè)條件：①巖層中天然裂縫發(fā)育，且天然裂縫方位與最小主地應(yīng)力方位一致；②脆性礦物含量較高，一般來說要大于35%；③地層敏感性不強(qiáng)，采用低黏度壓裂液進(jìn)行儲(chǔ)層改造。多井同步體積壓裂技術(shù)兼具體積壓裂與同步壓裂的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用井間應(yīng)力干擾，獲得連通多井的復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，提高多井初始產(chǎn)量及采收率，降低作業(yè)成本［24］。體積壓裂在現(xiàn)場應(yīng)用中的技術(shù)關(guān)鍵體現(xiàn)在分段多簇射孔技術(shù)、快速可鉆式橋塞工具、滑溜多段水壓裂技術(shù)等方面，其中滑溜多段水壓裂技術(shù)在我國頁巖氣開采中的應(yīng)用已取得初步成效。

由于體積壓裂產(chǎn)生的裂縫系統(tǒng)極其復(fù)雜，壓裂裂縫的起裂機(jī)理，油氣在裂縫系統(tǒng)中的滲流特征，裂縫系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)、裂縫預(yù)測模型等理論技術(shù)需要加強(qiáng)攻關(guān)。

2.4 滲流機(jī)理研究

頁巖油氣以吸附、游離的狀態(tài)存在于儲(chǔ)層中。隨著開采的進(jìn)行，地層壓力下降，使頁巖基質(zhì)表面的吸附氣體發(fā)生解吸作用，形成游離態(tài)氣體進(jìn)入基質(zhì)微孔隙中，在濃度差的作用下，由基質(zhì)向裂縫擴(kuò)散，最終由裂縫流向井底，涉及到解吸、擴(kuò)散和滲流3個(gè)階段，滲流模型呈現(xiàn)多尺度的特點(diǎn)。

頁巖氣的解吸吸附具有可逆性，可用Langmuir等溫吸附模型、BET多分子層模型、吸附勢(shì)理論模型、D-A模型、QSDFT模型等來表征，這些模型可用來計(jì)算吸附氣量、孔徑分布、分離壓力等。微孔隙中氣體流動(dòng)遵循擴(kuò)散定律，受孔隙形狀、大小、連通性、氣體性質(zhì)及狀態(tài)的影響，可用流體力學(xué)格子Boltzmann方法、耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法等從介觀層次角度進(jìn)行研究，但其滲流機(jī)理目前尚不明確。由于頁巖油氣儲(chǔ)層與脆性煤層氣儲(chǔ)層具有相似性，前人已對(duì)煤層氣擴(kuò)散模式及滲流機(jī)理進(jìn)行深入研究，將其研究成果創(chuàng)新性引入頁巖氣擴(kuò)散過程中，對(duì)了解頁巖氣擴(kuò)散機(jī)理及其滲流特征有很重要的指導(dǎo)意義。流體在裂縫中的流動(dòng)是頁巖油氣真正意義上的滲流階段，遵循達(dá)西定律。由于儲(chǔ)層改造產(chǎn)生復(fù)雜裂縫系統(tǒng)，流體以最短的距離由基巖向各方向的裂縫滲流［25］（圖1），大大降低所需驅(qū)動(dòng)壓力，滲流特征發(fā)生變化。

頁巖油氣的滲流機(jī)理研究需充分考慮各個(gè)階段的影響因素，建立合理的滲流方程。段永剛等［26］嘗試將儲(chǔ)層的吸附解吸特性考慮到壓縮系數(shù)中，得出與常規(guī)氣藏形式一致的滲流方程；高樹生等［27］在建立滲流方程時(shí)充分考慮了氣體的滑脫效應(yīng)對(duì)其影響；張士誠等［28］應(yīng)用非常規(guī)裂縫模型、離散裂縫模型和雙重介質(zhì)模型表征壓裂裂縫形態(tài)及滲流特點(diǎn)，建立壓裂產(chǎn)能預(yù)測模型。

2.5 微震監(jiān)測技術(shù)

目前對(duì)裂縫網(wǎng)絡(luò)起裂和延伸機(jī)理的理論研究尚未成熟，關(guān)于剪切作用所產(chǎn)生的復(fù)雜分支縫也沒有詳細(xì)地描述和分析。如何運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)直觀定性地描述裂縫的形態(tài)、方位、密度，構(gòu)建裂縫網(wǎng)絡(luò)模型是目前急需解決的問題。

微地震監(jiān)測技術(shù)作為一種用于油氣田開發(fā)的新地震方法［29］，在監(jiān)測壓裂裂縫效果方面，比傳統(tǒng)的測井方法更具優(yōu)勢(shì)。近年來，該技術(shù)在頁巖氣儲(chǔ)層壓裂改造中得到非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為頁巖油氣勘探開發(fā)的必要手段。

圖1 體積改造網(wǎng)絡(luò)裂縫滲流示意圖 （據(jù)文獻(xiàn) ［25］）

在壓裂施工過程中，可在破裂區(qū)周圍空間內(nèi)布置微震檢測儀，收集裂縫起裂和錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的低頻能量波，再對(duì)微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行正、反演處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂施工效果的準(zhǔn)確評(píng)估，并實(shí)時(shí)提供施工過程中所產(chǎn)生的裂縫的方位、密度、尺寸 （長度、寬度和高度）、間距等參數(shù)，描述裂縫復(fù)雜程度，評(píng)價(jià)增產(chǎn)實(shí)施方案的有效性。

微地震監(jiān)測技術(shù)是通過間接手段認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)裂縫縫網(wǎng)最為常用的手段［30］。由于裂縫形態(tài)復(fù)雜，處理難度大，要構(gòu)建與實(shí)際情況更為接近的裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，需要技術(shù)人員具有豐富的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及對(duì)研究區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)的充分理解吸收，依據(jù)微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布和密度，應(yīng)用地質(zhì)建模軟件和具有較強(qiáng)圖形處理功能的壓裂軟件來劃分復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，形成離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型 （圖2）。

圖2 微地震監(jiān)測壓裂裂縫的微地震事件圖 （據(jù)Weatherford公司［29，30］）

3 結(jié)論

頁巖氣勘探開發(fā)過程中，關(guān)鍵技術(shù)成熟度直接決定了開發(fā)效果。當(dāng)前，各國正在開展頁巖氣的調(diào)查和評(píng)估等初級(jí)階段的研究工作，關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用的不成熟制約了該資源開采的可行性。

頁巖氣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)方法是勘探開發(fā)的前提和基礎(chǔ)，綜合多參數(shù)、多信息，使海相、湖相和陸相有利區(qū)帶預(yù)測更加準(zhǔn)確；頁巖氣的滲流模型呈現(xiàn)多尺度的特點(diǎn)，開采過程涉及到解吸、擴(kuò)散和滲流3個(gè)階段，建立滲流方程時(shí)需考慮解吸吸附模型、擴(kuò)散模型、壓裂裂縫模型等影響因素。多分支井、叢式井、羽狀井等水平井鉆井技術(shù)，體積壓裂技術(shù)等新技術(shù)是提高頁巖氣產(chǎn)能及收益的關(guān)鍵；微震監(jiān)測技術(shù)能實(shí)時(shí)提供施工過程中所產(chǎn)生的裂縫的方位、密度、尺寸、間距等參數(shù)，描述裂縫復(fù)雜程度，評(píng)價(jià)增產(chǎn)實(shí)施方案的有效性。

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［編輯］ 黃鸝

Status and Key Technologies of Shale Oil and Gas Exploration and Development

WANG Cuili，ZHOU Wen，LI Hongbo （First Author' s Address：State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China）

The status of shale gas exploration and development of various countries was described，the key technologies of its exploration and development were discussed.The major understandings were obtained，which included that①integrated with multiple parameters and information，the premise was to establish the evaluation criteria for different facies belt evaluation and method for favorable facies belt prediction.②The percolation model of shale gas presented a fea-ture of multiple scales，it involved three stages of desorption，diffusion and seepage in production.When a percolation equation was established，it was needed to consider adsorption model，diffusion model，fracture model and other factors in desorption.③New technologies such as the horizontal well drillings of multilateral wells，cluster wells，plume wellsvolume fracturing technology were the key factors of improving productivity and revenue of shale gas.④Borehole seismic technology could provide real-time fracturing azimuth，density，size，spacing and other parameters generated during the operation，describe the complexity of fractures and evaluate the effectiveness of stimulation.It provides reference for exploration and development of using horizontal wells.

shale oil and gas reservoir；exploration of shale oil and gas；selection of target area；micro-seismic monitoring；horizontal well technology；hydraulic fracturing

TE132.2

A

1000-9752（2014）04-0051-05

2013-10-22

全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)國家專項(xiàng) （第二批）（2009GYXQ15）。

王翠麗 （1985-），女，2009年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事油氣藏描述、非常規(guī)油氣研究方面的工作。