頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)研究

李建芳　劉云文

摘 要：頁巖氣是指產(chǎn)自低孔、低滲、富有機(jī)質(zhì)頁巖中的以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣。頁巖氣是一種大面積連續(xù)區(qū)域的非常規(guī)天然氣藏，與常規(guī)的氣藏相比，頁巖氣具有特殊的地質(zhì)特征，因此，要想對其進(jìn)行高效的開發(fā)就必須使用先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)。我國頁巖氣開發(fā)潛力巨大，但頁巖氣勘探開發(fā)相對落后，目前還處于起步階段。文章介紹了頁巖氣資源開發(fā)現(xiàn)狀、頁巖氣成藏機(jī)理、吸附與解吸機(jī)理、先進(jìn)的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)，針對國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀，指出建議重點研究的方向。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；成藏機(jī)理；勘探開發(fā)

1 國內(nèi)外頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀

全球頁巖氣資源量約為456.24×1012m3，主要分布在北美、中國和中亞、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)。2000年以來，頁巖氣的勘探開發(fā)技術(shù)不斷提高，并得以廣泛應(yīng)用，其中尤以美國最為突出。美國擁有豐富的頁巖氣資源和世界領(lǐng)先的勘探設(shè)備及技術(shù)，在頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域取得了豐碩的成果，已進(jìn)入頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展階段；加拿大約有15.6～24.4×1012m3頁巖氣儲量，其頁巖氣開發(fā)雖然還處于起步階段，但是目前頁巖氣已成為加拿大重要的替代能源，已實現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)開發(fā)；中國是繼美國和加拿大之后正式開始頁巖氣資源勘探開發(fā)的國家，我國頁巖氣資源豐富，約為30.7×1012m3，我國頁巖氣的勘探開發(fā)技術(shù)尚未成熟，對頁巖氣藏的研究還很欠缺，仍處于起步階段；目前歐洲等國也開始逐步展開頁巖氣的勘探及開發(fā)，如英國、德國、法國、波蘭、奧地利和瑞典等。

2 頁巖氣藏特征及其成藏機(jī)理

2.1 頁巖氣藏特征

與常規(guī)氣藏相比，頁巖氣藏有其自身的特征：（1）大面積連續(xù)區(qū)域成藏，沒有明顯的圈閉；（2）低孔、低滲的超致密儲層，孔隙度<4～6%左右（常規(guī)8～30%），滲透率一般<0.001～2×10-3？滋m2（常規(guī)50～2000）；（3）較易保存、不易被破壞；（4）獨特的地質(zhì)特征：“自生、自儲、自蓋”；頁巖氣成藏具有隱蔽性；具有普遍含氣性，但含氣量較低；成藏條件與儲量豐度關(guān)系復(fù)雜；具有異常高壓特征；產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長等。

2.2 成藏機(jī)理

頁巖氣以吸附態(tài)或游離態(tài)為主，成藏過程中頁巖氣無運移或極短距離的運移，頁巖氣本身形成了從典型吸附狀態(tài)到常規(guī)游離狀態(tài)之間的過渡特征，頁巖氣藏具有煤層氣、根緣氣、常規(guī)天然氣成藏的多重成藏機(jī)理，其成藏過程可以細(xì)分為三個階段，頁巖氣成藏過程如圖1所示。

（1）第一階段：天然氣的生成與吸附。此階段具有與煤層氣大致相同的富集成藏機(jī)理，在天然氣生成初期，主要是生物作用生成的天然氣滿足儲層中有機(jī)質(zhì)和粘土礦物顆粒表面的吸附作用，當(dāng)吸附氣量與溶解的逸散氣量達(dá)到飽和時，多余的天然氣就以游離或溶解的形式運移逸散。這一階段生成的頁巖氣主要以吸附態(tài)分布在頁巖內(nèi)部，氣量有限。

（2）第二階段：天然氣的擠壓造隙及排出。由于天然氣的生成主要來自于熱化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，高密度的有機(jī)母質(zhì)轉(zhuǎn)化為低密度的天然氣，在相抵密閉的頁巖系統(tǒng)中，導(dǎo)致體積的增大和壓力的升高，因此形成了高于地層壓力的排氣壓力，進(jìn)而導(dǎo)致沿巖石的薄弱面產(chǎn)生微裂縫。在此階段，天然氣主體上由生氣膨脹力的促動成藏，且不受浮力作用，反映了活塞式的成藏過程，與根緣氣具有相同的形成機(jī)理，天然氣就近或原地分布，構(gòu)成了擠壓造隙式的成藏特征。此階段天然氣高度聚集，頁巖氣藏含氣量豐度較高。

（3）第三階段：成藏階段。隨著天然氣不斷地生成、運移、聚集，微裂隙網(wǎng)絡(luò)組合成較大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，成為天然氣運移及賦存的場所，由于裂縫空間的增大，運移的方式也由活塞式變?yōu)橹脫Q式，從而導(dǎo)致常規(guī)圈閉氣藏的大范圍出現(xiàn)。

3 頁巖氣吸附、解吸機(jī)理

3.1 吸附機(jī)理

微觀物理吸附的實質(zhì)為分子間吸附力和吸附勢的作用，固體對氣體的吸附主要由范德華力和剩余化學(xué)鍵力產(chǎn)生。有機(jī)質(zhì)和粘土礦物顆粒對頁巖氣的吸附作用屬于物理吸附，頁巖表面的分子與CH4分子間的作用力為范德華力。由于有機(jī)質(zhì)和粘土礦物顆粒等與其內(nèi)部分子受力上存在差異，所以就存在剩余的表面力場，從而導(dǎo)致CH4分子在這些顆粒表面上的濃度增大，也就形成了吸附現(xiàn)象。

3.2 解吸機(jī)理

頁巖氣的解吸過程是吸附的逆過程：外界溫度、壓力等條件的變化將導(dǎo)致氣體分子動能的變化，如果動能增加，氣體分子將克服引力場，脫離束縛成為游離相，導(dǎo)致解吸現(xiàn)象的發(fā)生。在開發(fā)頁巖氣藏的初期，頁巖氣的產(chǎn)量主要來自于頁巖中處于游離態(tài)的天然氣；隨著游離氣的不斷采出，儲層壓力逐漸降低，頁巖中的吸附氣逐漸被解吸并進(jìn)入儲層微裂隙中成為游離氣。

4 頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)

4.1 頁巖氣開發(fā)特征

（1）自然產(chǎn)能低：由于頁巖氣具有產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長等獨特的地質(zhì)特征，頁巖氣井初期裸眼測試時產(chǎn)量極低甚至無產(chǎn)能，沒有工業(yè)價值，必須通過壓裂改造等增產(chǎn)措施來提高產(chǎn)能。

（2）生產(chǎn)周期長：頁巖氣井經(jīng)過壓裂改造后，儲層中形成很多裂縫，游離氣首先被排出，吸附氣逐漸被解吸并進(jìn)入裂縫中成為游離氣，這樣的過程反復(fù)持續(xù)，導(dǎo)致穩(wěn)產(chǎn)期后遞減速度極慢，生產(chǎn)周期較長。

（3）頁巖氣采收率差異大：由于頁巖儲層埋藏深度、地層壓力、有機(jī)質(zhì)豐度對頁巖氣的吸附氣量的影響，導(dǎo)致不同深度、不同有機(jī)質(zhì)豐度的頁巖在采收率上存在極大差異。

4.2 勘探技術(shù)

（1）儲層評價技術(shù)

測井和取芯是目前頁巖氣儲層評價的主要手段：成像測井可以有效識別出裂縫和斷層，并能對頁巖進(jìn)行分層；聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應(yīng)力方向，從而為氣井的增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)；巖心分析可以有效測試儲層滲透率、泥巖組分、孔隙度、TOC及等溫吸附曲線、流體及儲層的敏感性等。

（2）氣測錄井和現(xiàn)場測試技術(shù)

游離態(tài)的頁巖氣在鉆進(jìn)過程中逸散進(jìn)入井筒，隨循環(huán)的鉆井液一起返至地表，氣測錄井技術(shù)主要是通過分離鉆井液里的氣體測定巖心的吸附氣含量；現(xiàn)場測試技術(shù)包括頁巖層氣含量測定、解吸及吸附量測定等工作。氣測錄井和現(xiàn)場測試技術(shù)對評價頁巖儲層的資源量具有重要意義。

（3）三維地震技術(shù)

三維地震技術(shù)有助于鑒別異常的構(gòu)造帶、頁巖非均質(zhì)性和裂縫發(fā)育帶，利用速度分析預(yù)測儲層深度，預(yù)測潛在的壓裂液漏失層和含水層的滲透率，可依據(jù)反射特征的差異識別和預(yù)測誘導(dǎo)裂縫的傾向，以提高探井或開發(fā)井成功率。

（4）油氣微生物勘探技術(shù)

油氣微生物勘探技術(shù)是油氣藏中的輕烴在壓力的驅(qū)動下向地表擴(kuò)散和運移，土壤中的專性微生物以輕烴作為能量來源，在油氣藏正上方極度發(fā)育。利用生物技術(shù)分離、培養(yǎng)、檢測微生物異常，結(jié)合地質(zhì)和鉆井資料對油氣區(qū)進(jìn)行預(yù)測、分級評價、主控因素分析等。由于油氣微生物勘探技術(shù)在實際應(yīng)用中具有信息獨立、靈敏度高、成本低、穩(wěn)定性好等特點，已在我國12個頁巖氣區(qū)塊進(jìn)行過生產(chǎn)應(yīng)用，效果很好。

4.3 鉆井完井技術(shù)及工藝

水平井是定向斜井的延伸和發(fā)展，水平井的最大井斜角保持在90°左右，并在目的層維持一定長度水平段的特殊鉆井。頁巖氣井主要包括直井、定向斜井和水平井。直井和斜井大多是用于試驗，了解頁巖氣藏的特性；水平井則主要用于生產(chǎn)，可以形成目的層更大的泄流面積，提高產(chǎn)量，如圖2所示。水平井技術(shù)已廣泛應(yīng)用于頁巖氣藏的勘探開發(fā)，尤其是Barnett頁巖的勘探過程中，有90%以上的新井都是水平井。

4.4 頁巖氣井壓裂技術(shù)

頁巖氣儲層厚度薄，孔隙度小，滲透率低，大部分頁巖氣井必須通過儲層改造才能獲得理想的產(chǎn)能，而壓裂技術(shù)也是目前對頁巖氣井進(jìn)行儲層改造的最有效方式。美國是最早也是最成功的開發(fā)頁巖氣的國家，他們在頁巖氣井的改造增產(chǎn)過程中使用最廣泛的就是水平井多級分段壓裂技術(shù)，其他的技術(shù)還包括清水壓裂、水力噴射壓裂、重復(fù)壓裂、同步壓裂、氮氣泡沫壓裂、大型水力壓裂等。由于大型水力壓裂對底層傷害大、成本高等原因現(xiàn)已很少應(yīng)用。

4.4.1 壓裂技術(shù)工藝及適用性

頁巖氣儲層的壓裂改造工藝、加砂規(guī)模等都與常規(guī)壓裂改造不同。不同區(qū)塊的頁巖儲層特性各不相同，并不是所有的頁巖都適合滑溜水、大排量壓裂施工。脆性地層容易形成網(wǎng)絡(luò)裂縫，而塑性地層容易形成雙翼裂縫，因此不同的頁巖氣儲層所采用的工藝技術(shù)和液體體系是不一樣的。

（1）多級分段壓裂技術(shù)：利用堵球或限流技術(shù)分隔儲層不同層位進(jìn)行分段壓裂，其原理與直井應(yīng)用的投球壓差式封隔器相同，能夠針對儲層特點分段壓裂，目標(biāo)準(zhǔn)確，能有效產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，壓裂效果明顯，同時節(jié)約成本，如圖3所示。多級分段壓裂技術(shù)適用于產(chǎn)層較多，水平井段較長的生產(chǎn)井。

（2）清水壓裂技術(shù)：又叫減阻水壓裂，是用清水添加適當(dāng)?shù)臏p阻劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑或線性凝膠作為壓裂液，可在不減產(chǎn)的前提下可節(jié)約30%的成本。請水壓裂適用于天然裂縫系統(tǒng)較發(fā)育、巖性楊氏模量高的地層。

（3）水力噴射壓裂：是用高壓和高速液體攜帶砂體進(jìn)行射孔，打開地層與井筒之間的通道后，提高流體排量，從而在地層中打開裂縫的水力壓裂技術(shù)，如圖4所示。水力噴射壓裂技術(shù)不使用密封元件而維持較低的井筒壓力，能迅速地壓開多條裂縫，成功地解決了裸眼完井水力壓裂的難題。水力噴射壓裂在國內(nèi)應(yīng)用時間短，技術(shù)有待進(jìn)步，且成本較高，裸眼井壁坍塌嚴(yán)重，一般套管完井井內(nèi)使用。

（4）重復(fù)壓裂技術(shù)：當(dāng)頁巖氣井初始壓裂處理無效或現(xiàn)有支撐劑因時間關(guān)系損壞或質(zhì)量下降，導(dǎo)致產(chǎn)氣量大幅下降而采用壓裂工藝對氣井恢復(fù)或增加產(chǎn)能。采收率可提高8%～10%，可采儲量增加60%。重復(fù)壓裂適用于天然裂隙發(fā)育、層狀和非均質(zhì)地層，初始壓裂效果不理想的井等。

（5）同步壓裂技術(shù)：同時對配對井進(jìn)行壓裂，即同時對兩口（或兩口以上）井進(jìn)行壓裂，如圖5所示。同步壓裂目前在國內(nèi)還是一個新概念，在國內(nèi)的技術(shù)可行性還有待進(jìn)一步實踐。

（6）氮氣泡沫壓裂技術(shù)：泡沫壓裂施工最早開始于1968年1月，從20世紀(jì)70年代開始，美國和加拿大就廣泛運用泡沫壓裂技術(shù)。氮氣泡沫壓裂技術(shù)適用于水敏性地層和埋深較淺的井。

4.4.2 壓裂液體系

壓裂液是對儲層進(jìn)行壓裂改造時使用的工作液，它的的主要作用是將地面設(shè)備形成的高壓傳遞至地層中，使地層破裂形成裂縫并沿裂縫輸送支撐劑。頁巖氣井常用的壓裂液有降阻水壓裂液、線性膠壓裂液、交聯(lián)壓裂液和泡沫壓裂液等，而降阻水和復(fù)合壓裂液是目前最主要的壓裂液體系。

（1）降阻水壓裂液體系：針對頁巖氣儲層改造發(fā)展起來的一種新的壓裂液體系，通過使用少量的稠化降阻劑來降低摩阻，其主要特點為：低摩阻性，降阻率≥60%；低傷害性，傷害率<10%；低粘度，2～30mPa·s；返排液表面張力較低，具有可回收再循環(huán)利用的基礎(chǔ)；低成本，比常規(guī)凍膠壓裂降低成本40～60%。降阻水壓裂液適用于無水敏、儲層天然裂縫較發(fā)育、脆性較高的地層。

（2）復(fù)合壓裂液體系：由高粘度凍膠和低粘度降阻水組成，支撐劑則采用不同粒徑的陶粒，適用于粘土含量高、塑性較強(qiáng)的頁巖氣儲層。

4.5 超高導(dǎo)流能力壓裂技術(shù)

超高導(dǎo)流能力壓裂技術(shù)是利用高黏度的壓裂液及可溶性纖維將支撐劑緊緊包裹在一起，再采取多段注入低黏度隔離液以形成超高導(dǎo)流能力的通道。該技術(shù)是在頁巖氣網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上演變而來的，與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)壓裂技術(shù)相比有很大區(qū)別：首先，提供超高導(dǎo)流能力的不是支撐劑本身，而是各支撐劑堆間超高導(dǎo)流能力的通道；其次，由于支撐劑的作用不是直接提供導(dǎo)流能力，因此對支撐劑的質(zhì)量無過高要求；最后，在泵注工藝上，由于隔離液黏度低，所以操作起來既安全又方便。因此，該技術(shù)具有很好的推廣應(yīng)用前景。

該技術(shù)在北美地區(qū)進(jìn)行過對比實驗，有5口井采用超高導(dǎo)流能力壓裂技術(shù)，而另外8口井采用常規(guī)壓裂技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)能對比，對比結(jié)果是使用超高導(dǎo)流能力壓裂技術(shù)的5口井單井初產(chǎn)提高23%，預(yù)計采收率提高17%。因此，該技術(shù)具有很好的推廣應(yīng)用前景。

4.6 超臨界CO2輔助開發(fā)頁巖氣技術(shù)

當(dāng)溫度超過31.1℃，壓力超過7.38MPa，CO2氣體就會變成超臨界態(tài)。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特的物理化學(xué)特性：超臨界CO2的密度接近液體，黏度接近氣體，擴(kuò)散系數(shù)比液體大，具有良好的傳質(zhì)、傳熱性能等。

利用超臨界CO2開采頁巖氣，具有獨特的優(yōu)勢：

（1）利用超臨界CO2噴射鉆井，超臨界CO2破巖門限壓力低、破巖速度快，同時不會造成頁巖層黏土礦物膨脹，能大大縮短建井周期。

（2）超臨界CO2強(qiáng)化采氣，提高采收率.超臨界CO2流體既不含固相又不含水，對儲層無任何損害和污染，非常適合于黏土含量較高的頁巖氣藏開發(fā)。

（3）超臨界CO2流體黏度低、易流動、表面張力為零，容易進(jìn)入儲層毛細(xì)孔隙中，加之CO2分子與頁巖的吸附能力強(qiáng)于CH4分子與頁巖的吸附能力，置換CH4分子，提高單井產(chǎn)量。

（4）利用超臨界CO2流體作為介質(zhì)，可替代大量的水資源，同時CO2也可以得到有效地利用，降低溫室氣體排放量，清潔環(huán)保。

利用超臨界CO2開采頁巖氣技術(shù)在我國仍處于實驗研究和探索試驗階段，預(yù)計在未來的2～3年內(nèi)，該技術(shù)將在我國頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

5 研究方向

近年來，國外對頁巖氣進(jìn)行了很好的開發(fā)利用，成果豐碩，而我國頁巖氣勘探開發(fā)尚處于起步階段?；趪鴥?nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀，建議從下面幾個方向進(jìn)行重點研究：

（1）理論研究：結(jié)合我國頁巖氣儲層的地質(zhì)特征，加強(qiáng)對地質(zhì)理論研究，深入了解頁巖氣的成因和富集規(guī)律；加強(qiáng)對頁巖氣吸附解吸機(jī)理、滲流機(jī)理等的研究，準(zhǔn)確地評價頁巖氣藏，為有效地開發(fā)頁巖氣藏提供理論依據(jù)。

（2）鉆井及壓裂技術(shù)：重點研究頁巖氣水平井施工、水平井壓裂、壓裂液等關(guān)鍵技術(shù)。鉆井技術(shù)方面深入研究羽狀井、多分支井技術(shù)；壓裂投產(chǎn)方式上亟待攻關(guān)，重點研究水平井主體體積壓裂技術(shù)，可鉆式橋塞分段壓裂技術(shù)等。

（3）儲層保護(hù)技術(shù)：鉆井過程中，頁巖儲層極易受到堵塞和水鎖等傷害。因此，鉆井和儲層改造過程中儲層保護(hù)極其重要。我們應(yīng)充分認(rèn)識頁巖儲層性質(zhì)和傷害機(jī)理，優(yōu)選鉆井液及壓裂液體系，避免對頁巖儲層造成傷害。

6 結(jié)論及認(rèn)識

（1）頁巖氣在國外得到很好的開發(fā)利用，我國對頁巖氣的勘探開發(fā)總體上還處于起步階段，應(yīng)該在結(jié)合我國頁巖儲層的實際，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，探索出一套適合我國頁巖氣藏的先進(jìn)的開采技術(shù)。

（2）頁巖氣藏不同于常規(guī)天然氣藏，頁巖氣資源開發(fā)技術(shù)要求高、成本高、經(jīng)濟(jì)性差等。我們應(yīng)該加強(qiáng)對關(guān)鍵技術(shù)的研究和攻關(guān)，實現(xiàn)技術(shù)上的重大突破。

（3）技術(shù)上的突破是關(guān)鍵，政策上的扶持是導(dǎo)向。2013年10月30日國家能源局發(fā)布我國首個《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》，其中明確將頁巖氣開發(fā)納入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，國家將加大對頁巖氣勘探開發(fā)等的財政扶持力度。在國家政策大力支持頁巖氣開發(fā)的今天，更應(yīng)該順應(yīng)潮流，把握機(jī)遇，加快頁巖氣勘探開發(fā)的步伐。

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