頁巖氣資源勘探開發(fā)歷史及現(xiàn)狀

門曉溪，韓志輝，王磊

（1.遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116085）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對石油和天然氣等天然礦產(chǎn)資源的需求量越來越大，而隨著開采的不斷深入，常規(guī)油氣資源逐漸開采殆盡，已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。在全球進(jìn)入了難動用儲量開發(fā)時代的背景下，中國主力油田亦均面臨著低滲、超低滲油藏開發(fā)的難題。1993年中國成為石油凈進(jìn)口國，2008年石油進(jìn)口量近2×108t，對外依存度達(dá)到47.0%，2013年，中國已超過美國，成為全球最大石油進(jìn)口國[1]，至2016年，中國石油對外依存度已達(dá)到60.6%，天然氣依存度達(dá)到32.7%[2].自2006年起，中國天然氣產(chǎn)量同樣開始難以滿足需求，缺口逐年增大[3]，預(yù)計到2020年，中國天然氣需求量將達(dá)4 200×108m3，缺口將達(dá)1 800×108～2 000×108m3[4].據(jù)美國能源信息署（EIA）預(yù)測，2030年，中國石油消費比例將由目前的23.9%上升到32.0%，天然氣的消費比例將由現(xiàn)在的4.0%提升至13.0%[5]，中國石油和天然氣都將面臨巨大的缺口。

在有效的可替代能源還未出現(xiàn)的情況下，石油天然氣依舊是滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及保證人民日常生活不可或缺的資源。據(jù)美國能源信息署預(yù)測，2030年前，化石能源仍為世界主體能源，石油和天然氣在世界一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比例將占66.0%[5].因此，隨著后石油時代的到來，儲量豐富且分布廣泛的非常規(guī)油氣資源在全球能源結(jié)構(gòu)中開始占領(lǐng)主要地位，對其進(jìn)行勘探和開發(fā)的研究勢在必行。非常規(guī)油氣資源包括煤層氣、頁巖油、頁巖氣、致密砂巖氣等，其中頁巖氣以其資源豐富和開發(fā)利用可行性較高而備受關(guān)注，尤其近年來美國對頁巖氣的成功開發(fā)，使得清潔、廉價的頁巖氣成為了解決能源危機(jī)的有效途徑，因此頁巖氣被列為了21世紀(jì)的重要接替能源。

相對于常規(guī)油氣藏來說，頁巖儲集層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、孔隙度極低和滲透率超低的特點，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，富集條件復(fù)雜多變，使得頁巖氣的勘探和開發(fā)具有極高的難度和極大的風(fēng)險。因此，在常規(guī)油氣資源產(chǎn)量及儲量逐年降低的背景下，針對頁巖儲集層展開地質(zhì)勘探與有效的儲集層改造研究，從而實現(xiàn)頁巖氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)是必須且亟需解決的問題，也是當(dāng)前世界范圍內(nèi)面臨的重要課題之一。

儲集層改造技術(shù)的研究與應(yīng)用，提高頁巖儲集層滲透率的研究，正成為破解當(dāng)前難題及今后發(fā)展的關(guān)鍵；加快頁巖油氣資源的勘探開發(fā)和利用，對改變中國油氣資源格局，緩解油氣資源短缺，實現(xiàn)向清潔能源轉(zhuǎn)變等都具有十分重要的意義。

1 頁巖氣資源勘探

頁巖屬于沉積巖，由粒徑小于0.005 mm的細(xì)粒碎屑、黏土、有機(jī)質(zhì)等共同組成，具有頁狀或薄片狀層理。頁巖氣藏是一種分布廣、豐度低、易發(fā)現(xiàn)但難開采的自生自儲連續(xù)型非常規(guī)氣藏。頁巖氣以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)賦存于納米—微米級孔隙及裂縫中，其形成和富集有其自身獨特的特點，往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布廣的頁巖烴源巖中。與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)具有開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點，大部分產(chǎn)氣頁巖分布范圍廣、厚度大，這使得頁巖氣井能夠長期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣。

作為一種典型的非常規(guī)能源，頁巖氣資源在全球范圍內(nèi)十分豐富，并隨著勘探開發(fā)力度的加大，可探明儲量還在不斷上升。全球范圍內(nèi)的10個主要地理區(qū)域約有95個頁巖氣盆地和137個頁巖地層，頁巖氣風(fēng)險地質(zhì)資源量約為1 013.00×1012m3，技術(shù)可采資源量約為220.00×1012m3[6]（2011年其預(yù)測值分別為623.00×1012m3和163.00×1012m3[7]），其中亞洲地區(qū)的頁巖氣風(fēng)險地質(zhì)資源量和技術(shù)可采資源量均居五大洲之首。同時中國頁巖氣藏分布亦十分廣泛，全國海相頁巖氣資源量約37.40×1012m3，其中南方海相約32.00×1012m3，略低于美國[2]，技術(shù)可采資源量居世界第一（表1）。

全球頁巖氣資源主要分布于北美、拉美、中亞、中國、非洲南部和中東等國家和地區(qū)[8]，全球頁巖氣技術(shù)可采資源量排名前十位的資源國頁巖氣技術(shù)可采資源量合計達(dá)163.00×1012m3，約占全球頁巖氣技術(shù)可采資源量的79%（表1）。據(jù)世界能源研究所2014年研究表明，世界頁巖氣技術(shù)可采資源量達(dá)203.97×1012m3[9].作為北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)的主力國家，美國擁有5大頁巖系統(tǒng)：Michigan盆地Anrim頁巖系統(tǒng)，Appalachian盆地Ohio頁巖系統(tǒng)，F(xiàn)ort Worth盆地Bar?nett頁巖系統(tǒng)，Illinois盆地New Albany頁巖系統(tǒng)和San Juan盆地Lewis頁巖系統(tǒng)，這5大頁巖系統(tǒng)頁巖氣資源量約為12.85×1012～25.14×1012m3.

表1 全球頁巖氣技術(shù)可采資源量排名（EIA，2013）

加拿大是除美國之外的另一個頁巖氣大國，主要有5大頁巖氣分布區(qū)：British Columbia，Alberta和Sas?katchewan，Ontario，Quebec和Maritimes（表2），預(yù)計頁巖氣資源量超過42.50×1012m3，其中僅British Colum?bia泥盆系頁巖氣資源量就約為7.08×1012m3[7].

表2 加拿大頁巖氣主要分布區(qū)及資源量（加拿大非常規(guī)天然氣協(xié)會，2009）

中國各地質(zhì)時期的頁巖氣分布廣泛，資源豐富，開發(fā)潛力巨大。中國富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育層系多、類型多、分布廣。自古生界至新生界12個層系中形成了數(shù)十個含氣頁巖層段。寒武系、奧陶系、志留系和泥盆系主要發(fā)育海相頁巖，其中上揚子及滇黔桂區(qū)海相頁巖[10]分布面積大，厚度穩(wěn)定，有機(jī)碳含量高，熱演化程度高，頁巖氣顯示廣泛；石炭系—二疊系主要發(fā)育海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖，在鄂爾多斯盆地、南華北和滇黔桂地區(qū)[10]最為發(fā)育，頁巖單層厚度小，但累計厚度大，有機(jī)碳含量高，熱演化程度較高，頁巖氣顯示豐富；中—新生界陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育在鄂爾多斯盆地、四川盆地、松遼盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地[10]等含油氣盆地中，分布廣，厚度大，有機(jī)碳含量高，熱演化程度偏低，頁巖氣顯示層位多。根據(jù)大地構(gòu)造格局和頁巖氣發(fā)育背景條件，中國可劃分出上揚子及滇黔桂區(qū)、中—下?lián)P子及東南區(qū)、華北及東北區(qū)、西北區(qū)、青藏區(qū)和海域區(qū)6大頁巖氣區(qū)。

2 頁巖氣資源開發(fā)

2.1 美國

對于頁巖氣的開發(fā)，美國毫無疑問一直走在全球前沿，通過近50年勘探開發(fā)與技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了頁巖氣規(guī)?；_采，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了一場能源革命。

美國頁巖氣開發(fā)的試驗研究最早可以追溯到19世紀(jì)，1821年William A.Hart在美國東部泥盆系Dunkirk頁巖中鉆成了第一口頁巖氣井[1]；1914年美國發(fā)現(xiàn)了第一個頁巖氣田——Big Sandy氣田；1920年，Ohio首個氣田級別頁巖氣得到開發(fā)；自20世紀(jì)50年代起，壓裂改造增產(chǎn)技術(shù)在油田現(xiàn)場不斷推廣應(yīng)用；20世紀(jì)70年代，一些私營公司、美國能源部以及天然氣研究所開始致力于美國東部淺層頁巖氣的商業(yè)開發(fā)，并最早形成了頁巖氣開發(fā)的幾項關(guān)鍵技術(shù)，包括水平井鉆井、分段壓裂和減阻水壓裂[11]；1981年，對Barnett頁巖C.W.Slay No.1井實施大規(guī)模壓裂并獲得成功[7]，之后Mitchell能源公司在德州中北部Barnett頁巖氣藏開始進(jìn)行商業(yè)性開發(fā)[12-14]；截至2000年，北美針對頁巖氣藏的鉆井?dāng)?shù)已超過28 000口，頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到100×108～120×108m3.

2001—2009年，美國頁巖氣年產(chǎn)量從122×108m3激增至880×108m3[5（]表3），并于2010年突破千億大關(guān)，年產(chǎn)量達(dá)到1 510×108m3，占全美天然氣總產(chǎn)量的23%[15]，超過中國當(dāng)年天然氣產(chǎn)量。2011—2012年，美國頁巖氣年產(chǎn)量從2 263×108m（32010年預(yù)測年產(chǎn)量為1 800×108m3）猛增至2 937×108m3，并于2013年突破3 000×108m3，到2014年，美國頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到3 808×108m（32009年EIA預(yù)測年產(chǎn)量為2 066×108m3），占美國當(dāng)年天然氣產(chǎn)量的48%[1].2015年美國頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到4 308×108m3，并且在2012年前后，美國就已實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)[16]。

表3 2001—2009年美國頁巖氣年產(chǎn)量（EIA）

2001—2015年，美國頁巖氣年產(chǎn)量獲得了超乎想象的迅猛增長（圖1），且增長幅度在不斷加大，實際產(chǎn)量都高出了曾經(jīng)的預(yù)測產(chǎn)量，使得美國實現(xiàn)了天然氣從進(jìn)口到出口的巨大轉(zhuǎn)變。

2.2 加拿大

圖1 2001—2015年美國頁巖氣年產(chǎn)量

加拿大是繼美國之后第二個實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)的國家，且頁巖氣在加拿大已成為了重要替代能源。

加拿大早期的頁巖氣生產(chǎn)來自Alberta東南部和Saskatchewan西南部白堊系科羅拉多群的Second White Speckled Shale.但在加拿大5大頁巖氣分布區(qū)中，British Columbia地區(qū)的Montney地層于2001年才開始進(jìn)行商業(yè)性生產(chǎn)[2]，2005年年產(chǎn)量僅約2.70×108m3，2007年，該地區(qū)年產(chǎn)量就達(dá)到8.50×108m3[7].目前，British Columbia和Horn River盆地已經(jīng)成為加拿大的頁巖開采熱點地區(qū)，其中Montney地層得到了大規(guī)模開發(fā)，而Horn River盆地內(nèi)的Muskwa頁巖還處于開發(fā)早期階段，僅這2個巖層在2009年的年產(chǎn)量就達(dá)到72.30×108m3[2]，其中Montney頁巖氣年產(chǎn)量為62.00×108m3[17].近年來，隨著新技術(shù)的應(yīng)用，加拿大對頁巖氣的勘探開發(fā)除了主要的British Columbia和Al?berta之外，還擴(kuò)展到了Saskatchewan，Ontario，Quebec，New Brunswick和Nova Scotia.2012年，加拿大頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到215.00×108m3，2013年頁巖氣年產(chǎn)量與2012年相當(dāng)[17]。據(jù)高級資源國際公司（ARI）預(yù)測，到2020年，加拿大頁巖氣年產(chǎn)量將超過620.00×108m3，占加拿大天然氣總產(chǎn)量的一半左右。

2.3 中國

中國是繼美國和加拿大之后，第三個成功實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家。在美國能源信息署2016年發(fā)布的國際能源展望中，中國在2040年將成為僅次于美國的世界第二大頁巖氣生產(chǎn)國，頁巖氣將占中國天然氣總產(chǎn)量的40%以上。

中國的頁巖氣研究及開發(fā)工作于2010年正式啟動[1]，2011年12月，國務(wù)院批準(zhǔn)頁巖氣為新的獨立礦種[18]，而早在2007年中國就已經(jīng)開始了頁巖氣地質(zhì)綜合評價工作。2010年，中國第一口頁巖氣直井在川東北鉆探成功，在4 100 m深的下侏羅統(tǒng)壓裂后獲得近1.00×104m3/d的工業(yè)頁巖氣。同年，川東南2個區(qū)塊下志留統(tǒng)、下寒武統(tǒng)海相頁巖3口直井壓裂后獲得1.00×104m3/d左右的工業(yè)頁巖氣。2011年，中國第一口頁巖氣水平井鉆探成功，鄂爾多斯盆地南緣的2口井在延長組突破了砂泥巖互層的頁巖井產(chǎn)氣大關(guān)；同年，在四川威遠(yuǎn)地區(qū)的水平井進(jìn)行分段壓裂獲得頁巖氣，長寧地區(qū)的直井在壓裂中獲得頁巖氣，四川永昌地區(qū)的深層頁巖油氣直井在分段壓裂后獲得了高產(chǎn)。2012年，中國第一口具商業(yè)價值的頁巖氣井鉆成并獲得高產(chǎn)，四川長寧地區(qū)的水平井獲得了15.00×104m3/d的產(chǎn)量，同年，重慶彭水地區(qū)的頁巖氣獲得2.60×104m3/d的初步產(chǎn)量[19]。2014年，中國建成第一條頁巖氣外輸管道，開始了示范區(qū)的規(guī)模建產(chǎn)，并達(dá)到了12.47×108m3的頁巖氣年產(chǎn)量。2015年，中國頁巖氣年產(chǎn)量超過40.00×108m3，2016年底，年產(chǎn)量達(dá)到78.82×108m3，僅次于美國和加拿大，位于世界第三位[20]。

近年來，中國頁巖氣發(fā)展迅速，已經(jīng)鉆成600多口頁巖氣井，且探明儲量快速增長，目前已形成涪陵、長寧、威遠(yuǎn)和延長4大頁巖氣產(chǎn)區(qū)。

中國“十二五”對頁巖氣開發(fā)的規(guī)劃為實現(xiàn)2015年頁巖氣年產(chǎn)量65.00×108m3（實際年產(chǎn)量為45.00×108m3），2020年力爭達(dá)到300.00×108m3.在國家能源局發(fā)布的2016—2020年頁巖氣發(fā)展規(guī)劃中展望，到2030年，實現(xiàn)年產(chǎn)量800.00×108～1 000.00×108m3.國土資源部計劃到2020年發(fā)現(xiàn)20～30個大型頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)塊，獲得1.00×1012m3的頁巖氣技術(shù)可采資源量，將年產(chǎn)量提升至150.00×108～300.00×108m3，使天然氣在中國能源結(jié)構(gòu)中的比例由2005年的3%提升至10%[7].

雖然中國頁巖氣資源量巨大，可采資源潛力居世界前列，且在近幾年的努力攻關(guān)之下，技術(shù)裝備基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，并已經(jīng)基本掌握了頁巖氣地球物理、鉆井、完井、壓裂和試氣等勘探開發(fā)技術(shù)。但與此同時，富集規(guī)律不清、核心技術(shù)尚需攻關(guān)仍是當(dāng)前中國頁巖氣勘探開發(fā)所面臨的難題。中國海相頁巖的構(gòu)造改造強(qiáng)、地應(yīng)力復(fù)雜、埋藏較深、地表條件特殊等復(fù)雜性[2]，使得中國并不能簡單地復(fù)制美國的成功，還需要探索適合中國頁巖氣勘探開發(fā)的發(fā)展之路。

在2016年發(fā)布的國家能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）中，將非常規(guī)油氣開發(fā)列為重點任務(wù)，提出要深入開展頁巖油氣地質(zhì)理論和勘探技術(shù)、油氣藏工程、水平井鉆完井以及壓裂改造技術(shù)的研究，實現(xiàn)頁巖油氣等非常規(guī)油氣的高效開發(fā)[21]。頁巖氣作為一種清潔、高效能源，在中國具有雄厚的資源基礎(chǔ)、廣闊的市場需求、良好的政策環(huán)境和難得的發(fā)展機(jī)遇，相信在不久的將來，在各個相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者共同協(xié)作及不懈努力之下，中國的頁巖氣勘探開發(fā)會進(jìn)入全新的快速發(fā)展階段，確立頁巖氣在中國能源中的戰(zhàn)略地位。

3 頁巖氣壓裂技術(shù)

伴隨著壓裂相關(guān)技術(shù)、設(shè)備、材料等的更新，頁巖氣開發(fā)經(jīng)歷了多年的探索，從最早的直井壓裂發(fā)展到水平井壓裂；從小規(guī)模探索性實驗壓裂發(fā)展到大規(guī)模體積壓裂；從純清水壓裂發(fā)展到多種壓裂液組合壓裂；從小型壓裂泵車發(fā)展到大功率作業(yè)。頁巖儲集層一般具有一定的厚度和較大的平面展布，具有分布廣、比表面積大、規(guī)模大和儲量大的特點，同時頁巖又具有著孔隙度小、滲透率低和連通性差的特點，因此，需要人工制造體積裂縫，溝通天然裂縫和儲集層中不連通的細(xì)微孔隙空間，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)[22-23]，提高儲集層滲透率，從而獲得有效產(chǎn)能?；谠O(shè)計理念、壓裂管柱、支撐劑、壓裂液及壓裂設(shè)備能力等不同條件，多種壓裂技術(shù)[24]被推出并逐漸廣泛應(yīng)用于各大油田。

（1）分段（分級）壓裂技術(shù) 在完井套管串上用封隔器和壓裂滑套通過射孔將儲集層分成若干段，依次單段壓裂。主要分為可鉆式橋塞封隔分段壓裂、多級滑套封隔器分段壓裂、固井壓差式滑套多級分段壓裂和水力噴射分段壓裂。

（2）“井工廠”壓裂技術(shù) 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件和設(shè)計理念的不同，可分為水平井單井順序壓裂作業(yè)、多井“拉鏈?zhǔn)健眽毫炎鳂I(yè)和多井同步壓裂作業(yè)等。

（3）同步壓裂技術(shù) 能夠增加水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度和比表面積，最大限度的連通天然裂縫，對頁巖氣井短期內(nèi)的增產(chǎn)效果非常明顯，完井速度快，節(jié)省壓裂成本。

（4）爆燃壓裂技術(shù) 利用火藥或火箭推進(jìn)劑等高含能材料，在目的層段進(jìn)行有控制的燃燒，通過高溫高壓氣體使井筒周圍地層產(chǎn)生多條徑向輻射狀裂縫。

（5）氣槍技術(shù) 基于美軍專有彈道導(dǎo)彈技術(shù)以改善儲集層條件，通過逐漸燃燒的推進(jìn)劑進(jìn)行有效造縫，從而提高儲集層滲透率。

（6）液態(tài)二氧化碳壓裂技術(shù) 通過一定的壓力，將液態(tài)二氧化碳和支撐劑混合，利用液態(tài)二氧化碳起到攜砂和造縫的作用，具有避免液體滯留地層，消除滯留液對產(chǎn)出氣流的阻礙作用。

4 結(jié)論

（1）在常規(guī)石油天然氣逐漸開采殆盡，油氣供需缺口逐年增大且化石能源為世界主體能源的背景之下，頁巖氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)是必須且亟需解決的問題。

（2）頁巖氣是21世紀(jì)的巨大資源，中國頁巖氣資源豐富，分布廣泛，如能成功開發(fā)，頁巖氣的產(chǎn)量也將是巨大的，并會逐年大幅增長，對緩解中國油氣資源短缺及國家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

（3）中國頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜，海相、海陸過渡相和陸相頁巖均有發(fā)育，具有多層系分布、多成因類型、復(fù)雜后期改造等特點，不能簡單照搬國外開發(fā)經(jīng)驗，需在學(xué)習(xí)和借鑒北美成功經(jīng)驗的同時，結(jié)合中國頁巖儲集層實際，突破關(guān)鍵技術(shù)，開創(chuàng)出獨具中國特色的中國頁巖氣勘探開發(fā)之路。

（4）頁巖氣在中國具有雄厚資源基礎(chǔ)、廣闊市場需求和良好政策支持，雖然中國的頁巖氣勘探開發(fā)尚處于起步階段，但“十二五”期間頁巖氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，相信“十三五”期間頁巖氣會形成快速發(fā)展之勢，從而確立頁巖氣在中國能源中的戰(zhàn)略地位。

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