中國頁巖氣勘探開發(fā)淺析

安少輝，張作宏，湯少兵

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室，天津300451；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051）

中國頁巖氣勘探開發(fā)淺析

安少輝*1，2，張作宏3，湯少兵1，2

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室，天津300451；3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051）

隨著世界能源消費(fèi)的不斷攀升，規(guī)模儲量大、易探好采的常規(guī)能源越來越少，頁巖氣作為一種清潔的非常規(guī)能源越來越受到重視。頁巖氣的開發(fā)利用，成為低碳經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇的推動力。我國頁巖氣資源豐富，儲量位于世界前列，主要盆地和地區(qū)頁巖氣資源量約為（21.5～45）×1012m3，與美國大致相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)價值巨大。我國頁巖氣資源分為海相、陸相2種類型，其中海相頁巖氣儲量約占我國頁巖氣總儲量的70%。志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組有機(jī)質(zhì)含量高，層位厚，擁有巨大的頁巖氣資源開發(fā)潛力。利用水平井鉆完井和壓裂技術(shù)可以提高頁巖氣井產(chǎn)量和最終采收率，更為經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)頁巖氣資源。我國頁巖氣開發(fā)中仍然面臨一些問題亟待解決，包括技術(shù)準(zhǔn)備、資源儲量評價、政策研究到開發(fā)模式等方面，都需借鑒北美的成功經(jīng)驗(yàn)，走出一條適合我國自己的頁巖氣開發(fā)之路。

頁巖氣；儲量分布；進(jìn)展；勘探開發(fā)；前景

隨著全球天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了3個引人注目的特征。一是我們都認(rèn)識到21世紀(jì)是一個天然氣的世紀(jì)；二是低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)是世界發(fā)展的主題；三是非常規(guī)天然氣不僅僅改變了國際能源格局，同時也成為全球熱點(diǎn)。

相對于常規(guī)天然氣，頁巖氣絕對是一個全新的領(lǐng)域。隨著頁巖氣在美國的快速開發(fā)，產(chǎn)量快速增長，使得一些LNG項(xiàng)目暫停進(jìn)口或推遲。我國對天然氣有著極大的需求，然而，從中亞進(jìn)口的天然氣和中國東南沿海丘陵地區(qū)的LNG項(xiàng)目每方氣的估價較高。相對來講，中國有著豐富的頁巖氣資源，因此加快頁巖氣開發(fā)利用對促進(jìn)中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性增長和緩解中國的石油資源短缺有著重要的戰(zhàn)略意義。

1　中國的頁巖氣儲量分布

1.1頁巖氣的定義

頁巖氣主要以吸附和游離方式賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中的生物成因或熱成因天然氣，是一種特殊的非常規(guī)天然氣，一般來說氣層壓力低、低產(chǎn)，需要大型水力壓裂和水平井技術(shù)進(jìn)行開采，頁巖氣單井生產(chǎn)周期長。

1.2全球頁巖氣儲量豐富

根據(jù)IHS的預(yù)測，全球頁巖氣總儲量為456× 1012m3，是常規(guī)天然氣儲量的1.4倍。頁巖氣主要分布在北美、中亞和中國、中東、北非和全世界有非常規(guī)天然氣資源的其他地區(qū)。世界非常規(guī)天然氣儲量分布見表1。

1.3中國頁巖氣資源特征［1］

中國頁巖氣資源分為海相、陸相2種類型，分布特征為華南：古生界海相頁巖；華北：古生界海相頁巖；塔里木盆地：∈-O海相頁巖；松遼盆地：白堊紀(jì)湖相頁巖；準(zhǔn)格爾盆地：P/J1-2湖相頁巖；鄂爾多斯盆地：三疊系頁巖；吐哈盆地：J1-2頁巖。

南志留系和寒武系是主要目的層，南元古界—古生界形成了6個海相頁巖地層，志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組有機(jī)質(zhì)含量高，層位厚，擁有巨大的頁巖氣資源開發(fā)潛力。南海相頁巖有機(jī)碳含量、厚度表見表2。

1.4頁巖氣儲量的地質(zhì)評估

表1　世界非常規(guī)天然氣儲量分布

總體評價方法分為以下幾種，類比法：如果評價地區(qū)和模擬區(qū)域有近似的油氣地質(zhì)條件，那么我們認(rèn)為這2個區(qū)域的油氣富集程度是大致相同的；成因法：烴源巖生成的油氣儲量可以通過油氣的有機(jī)成因理論進(jìn)行評估，開采因素可以了解該研究地區(qū)的油氣可采儲量；統(tǒng)計分析法：研究地區(qū)油氣層不同評估單元的油氣儲量和與之相關(guān)聯(lián)的每一個因素要分別進(jìn)行詳細(xì)的計算和分析，最后計算出不同可能性條件下的油氣儲量。

表2　南海相頁巖有機(jī)碳含量、厚度表

對于勘探程度低的頁巖氣資源采用類比法進(jìn)行研究評估。中國的主要盆地和地區(qū)的頁巖氣儲量采用類比法進(jìn)行評估。中國的主要盆地和地區(qū)與國外相似類型盆地的頁巖氣儲量評估結(jié)果見表3。

表3　中國的主要盆地和地區(qū)與國外相似類型盆地的頁巖氣儲量評估結(jié)果

中國的主要盆地和地區(qū)的頁巖氣儲量為（21.5～45）×1012m3。

古生界頁巖氣儲量是古界中生代南部和西北部主要平面分布區(qū)域的2倍，四川盆地、鄂爾多斯盆地的古生界等是頁巖氣勘探的主要層位。在四川盆地，累積厚度最厚的筇竹寺組頁巖總有機(jī)碳含量大于2.0%，周邊區(qū)域最大厚度集中分布在以下區(qū)域：四川西南部威遠(yuǎn)—珙縣；貴州麻江縣河—甕安；湘西—鄂西—巫山。

頁巖氣儲量潛力順序依次為四川盆地、鄂爾多斯盆地古生界、長江中下游地區(qū)和華北盆地的地質(zhì)條件是最好的；準(zhǔn)格爾、松遼、吐魯番盆地次之；柴達(dá)木、遼河盆地地質(zhì)條件最差。

2　中國頁巖氣開發(fā)進(jìn)展

2.1中國頁巖氣開發(fā)總體情況［1-3］

2005年開始對頁巖氣的初步研究；2006年為開發(fā)威遠(yuǎn)氣田與美國新田石油公司建立聯(lián)合研究項(xiàng)目組進(jìn)行聯(lián)合評價；2007年對中國頁巖氣儲量進(jìn)行評估并選擇有利勘探區(qū)；2008年建立頁巖氣關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，在威遠(yuǎn)氣田進(jìn)行長巖芯資料井和頁巖段巖芯采集系統(tǒng)井的鉆探；2008～2009年挪威石油和埃克森美孚公司加入聯(lián)合研究；2009年至今在四川盆地等勘探區(qū)域進(jìn)行頁巖氣勘探開發(fā)。

我國石油企業(yè)經(jīng)過近些年的努力，率先在四川盆地取得頁巖氣勘探突破，探明首個千億方整裝頁巖氣田，勘查開發(fā)技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，開始進(jìn)入規(guī)模化開發(fā)初期階段。截至2014年7月底，全國共設(shè)置頁巖氣探礦權(quán)54個，面積17×104km2；累計投資200億元，鉆井400口，其中水平井130口；累計完成二維地震2×104km2，三維地震1500km2。中石油、中石化、延長石油相繼在四川、鄂爾多斯盆地的長寧、威遠(yuǎn)、昭通、涪陵、延長等地取得突破，獲得三級儲量近5000×108m3，形成年產(chǎn)15×108m3產(chǎn)能，建成首條93.7km的輸送管道，累計生產(chǎn)頁巖氣6.8×108m3。預(yù)計2014年頁巖氣產(chǎn)量15× 108m3，2015年有望達(dá)到或超過65×108m3的規(guī)劃目標(biāo)。

2.2獲得的主要認(rèn)識

2.2.1地質(zhì)方面［1］

海相地層是頁巖氣主要儲層，南部地區(qū)是有利勘探區(qū)域。目前全球頁巖氣儲量主要集中在海相地層，初步預(yù)測海相頁巖氣資源在國內(nèi)三大區(qū)域的儲量約為21×108m3，其中南方古生界頁巖氣儲量12×108m3，華北下古生界頁巖氣儲量4×108m3，塔里木寒武—奧陶系頁巖氣儲量5×108m3，三大區(qū)域占全國頁巖氣資源總量的70%。

南海相古生界頁巖分布范圍廣，厚度大，有機(jī)質(zhì)含量高，有利于頁巖氣聚集。

海相頁巖主要數(shù)據(jù)見表4。

表4　海相頁巖主要數(shù)據(jù)

下寒武系筇竹寺組頁巖廣泛分布于四川盆地，湘西、云南、貴州以及長江中下游地區(qū)，超過90×104km2。巖性：黑色頁巖，黑色炭質(zhì)頁巖，炭硅質(zhì)頁巖，粉砂質(zhì)黑色頁巖。平均厚度超過12m，最大厚度423m。

下志留系龍馬溪組頁巖分布在整個長江地區(qū)。巖性：炭黑，硅質(zhì)，粉砂質(zhì)及筆石頁巖；厚度：平均超過100m，最大厚度538m。頁巖烴源巖在長江下游地區(qū)的最高含碳量為5.98%，最低為0.74%，平均為2.77%，在滇黔桂地區(qū)最高含碳量為4.27%，最低為0.74%，平均為1.86%。

中國頁巖氣藏的地質(zhì)條件與美國相比有所差異。美國的頁巖氣資源分布地區(qū)地表?xiàng)l件優(yōu)越、地勢平坦，而我國多分布在崇山峻嶺間，如蜀南、鄂西、貴州、重慶等地，地質(zhì)條件復(fù)雜。頁巖氣層埋深要比美國大，美國的頁巖氣層埋深適中，在800～2000m，而我國多分布于3000m左右。美國頁巖氣儲層單層厚度比我國大，開采價值高于我國。以上這些差異無疑增添了開采難度和成本。

2.2.2勘探開發(fā)技術(shù)方面［3-12］

2.2.2.1水平井鉆完井技術(shù)

常規(guī)鉆完井很難實(shí)現(xiàn)頁巖氣井的有效經(jīng)濟(jì)開發(fā)，水平井技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。水平井不僅可以鉆遇更多的裂縫，增大泄流面積，還能明顯改善儲層流體的流動狀態(tài)。采用三維地震數(shù)據(jù)優(yōu)化水平井布井，設(shè)計井眼軌跡。直井段用于采集數(shù)據(jù)，水平段在直井段基礎(chǔ)上在目的層內(nèi)水平鉆進(jìn)延伸。水平井方向應(yīng)垂直于地層最大主應(yīng)力方向，長井段應(yīng)該盡可能多與天然裂縫聯(lián)通以獲得更多氣流。完井方式主要有組合式橋塞完井、機(jī)械式組合完井、水力噴射射孔完井，組合式橋塞完井是頁巖氣水平井最常用的完井方法。水平井鉆井費(fèi)用是直井的2倍，產(chǎn)量卻是直井的3～4倍。

2.2.2.2水平井壓裂技術(shù)

水平井分段壓裂技術(shù)。分段壓裂是指套管射孔后，通過有滑套封隔器或可鉆式橋塞來實(shí)現(xiàn)分段壓裂。分段壓裂能夠針對儲層特點(diǎn)進(jìn)行有針對性的施工，目標(biāo)準(zhǔn)確，能有效產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，增產(chǎn)效果明顯，通過下表的比較可以明顯看出進(jìn)行分段壓裂水平井的泄流面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有經(jīng)過壓裂的直井和水平井，而且水平井方向與壓裂裂縫垂直能夠取得最好的改造效果，分段壓裂還能夠節(jié)約成本。直井、水平井、壓裂水平井泄流面積比較見表5，水平井不同壓裂方向壓裂效果見表6。

表5　直井、水平井、壓裂水平井泄流面積比較

多井并行壓裂技術(shù)。多井并行壓裂技術(shù)是指在2口或2口以上平行的水平井段之間進(jìn)行交互的多級壓裂，壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井沿最短路徑向另一口井運(yùn)移，在這個過程中原有裂縫擴(kuò)展聯(lián)通從而形成了更多的新的、更為復(fù)雜的裂縫，裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度和表面積得到了增加，這種技術(shù)不僅能夠提高壓裂施工效率，提高初期產(chǎn)量，還可以提高具有超低滲透率頁巖的氣體最終采收率。

表6　水平井不同壓裂方向壓裂效果

重復(fù)壓裂技術(shù)。重復(fù)壓裂技術(shù)是頁巖氣井增加單井產(chǎn)能、確保儲層穩(wěn)定、提高油田經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。經(jīng)過水力壓裂的頁巖氣井，在生產(chǎn)過程中由于油藏或工藝方面的原因可能導(dǎo)致初始水力裂縫和支撐劑失效，從而造成產(chǎn)量遞減，必須進(jìn)行第二次或更多次數(shù)的壓裂，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生新的裂縫，增加裂縫網(wǎng)絡(luò)的面積和體積，這樣才能充分發(fā)揮儲層潛能，保證頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)。重復(fù)壓裂前要對重復(fù)壓裂前后的平均儲層壓力、裂縫有效長度和導(dǎo)流能力及滲透率數(shù)據(jù)進(jìn)行重新評估以確保重復(fù)壓裂獲得良好的效果。

2.2.2.3實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)方面

美國的wetherford實(shí)驗(yàn)室、intertek實(shí)驗(yàn)室、Terattek實(shí)驗(yàn)室、Corelab實(shí)驗(yàn)室和Cheaspeake實(shí)驗(yàn)室開展了頁巖氣的分析測試項(xiàng)目研究，5個的頁巖氣分析測試項(xiàng)目水平經(jīng)過檢驗(yàn)達(dá)到了國際水平，分別是巖石測試、地球化學(xué)探測、含氣測試、致密巖石測試、儲層改造和開發(fā)測試，其中含氣測試和致密巖石測試是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。5個實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備及其主要功能見表7。

表7　5個實(shí)驗(yàn)室測試設(shè)備及其主要功能

我國也已經(jīng)開展了頁巖氣分析測試項(xiàng)目、勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)研究，在頁巖氣成藏機(jī)理、儲量評價、資源量分類、頁巖氣滲流機(jī)理等方面取得了可喜的成果，但與北美的頁巖氣開發(fā)配套技術(shù)相比還有比較明顯的差距，開采頁巖氣的適用性技術(shù)尚未成熟，還應(yīng)加強(qiáng)與國外先進(jìn)公司的技術(shù)交流合作，借鑒北美的經(jīng)驗(yàn)，自主創(chuàng)新，研發(fā)出適合我國頁巖氣開發(fā)的實(shí)用技術(shù)，才能使我國頁巖氣開發(fā)快速發(fā)展起來。

3　結(jié)論

2030年世界能源格局展望。根據(jù)IEA的估計，到2030年石油和天然氣在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例將達(dá)到53%，在中國這個比例將由目前的22.4%提高至32.9%。

特別是天然氣消費(fèi)的比重將繼續(xù)上升，到2030年，世界天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例將占到26%，中國的天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重將從目前的3.8%提高到7.6%。

（1）頁巖氣資源的前景在我國引起了各級的高度關(guān)注。

（2）我國已經(jīng)開展了頁巖氣開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)研究，部分領(lǐng)域取得了可喜的成果。

（3）四川盆地的頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)展示了中國頁巖氣資源的前景。

（4）北美的頁巖氣開發(fā)為中國的頁巖氣開發(fā)展示了良好的前景，我們應(yīng)該借鑒美國的頁巖氣勘探開發(fā)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，作為參考。選擇有實(shí)力的國外公司進(jìn)行合作開發(fā)，并盡快制定出頁巖氣產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從而引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)持續(xù)、有效、健康發(fā)展，走出適合我國自己的頁巖氣勘探開發(fā)之路。

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A

1004-5716（2016）07-0050-05

2015-07-07

2015-07-10

安少輝（1985-），男（漢族），河北保定人，工程師，現(xiàn)從事固井工藝和水泥漿方面的研究工作。