美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的啟示

美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的啟示閆立作者簡(jiǎn)介：閆立，男，1984年5月出生，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程系，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于采油工程研究院信息中心，通信地址：讓胡路區(qū)西賓路九號(hào)，：163453，郵箱：yanli0514@petrochina〔1.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院黑龍江大慶062552〕摘要：近年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)清潔能源需求不斷擴(kuò)大，天然氣價(jià)格不斷上漲，人們對(duì)頁(yè)巖氣的地質(zhì)認(rèn)識(shí)不斷提高，水平井與壓裂技術(shù)水平不斷進(jìn)步，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)正由美國(guó)向全球擴(kuò)展。頁(yè)巖氣在非常規(guī)天然氣中異軍突起，已成為全球油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的新亮點(diǎn)，并逐步向一場(chǎng)全方位的變革演進(jìn)。由此引發(fā)的石油上游業(yè)的一場(chǎng)革命，必將重塑世界油氣資源勘探開(kāi)發(fā)新格局。加快頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)，已成為世界主要頁(yè)巖氣資源大國(guó)和地區(qū)的共同選擇。關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣，非常規(guī)天然氣，水平井與壓裂技術(shù)1世界頁(yè)巖氣資源潛力和勘探開(kāi)發(fā)的根本趨勢(shì)世界上的頁(yè)巖氣資源研究和勘探開(kāi)發(fā)最早始于美國(guó)。1821年，第一口頁(yè)巖氣井鉆于美國(guó)東部步入規(guī)模生產(chǎn)，20世紀(jì)70年代頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)擴(kuò)展到美國(guó)中、西部，20世紀(jì)90年代，在政策、價(jià)格和開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)步等因素的推動(dòng)下，頁(yè)巖氣成為重要的勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域和目標(biāo)。據(jù)預(yù)測(cè)，美國(guó)頁(yè)巖氣資源量超過(guò)28萬(wàn)億立方米，目前美國(guó)和加拿大是頁(yè)巖氣規(guī)模開(kāi)發(fā)的兩個(gè)主要國(guó)家，2021年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量接近1000億立方米，超過(guò)我國(guó)常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量。頁(yè)巖氣快速勘探開(kāi)發(fā)使美國(guó)天然氣儲(chǔ)量增加了40%，預(yù)計(jì)2021年頁(yè)巖氣產(chǎn)量將占全美天然氣產(chǎn)量的15%以上。目前，除美國(guó)和加拿大外，澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、波蘭等國(guó)家也開(kāi)始了頁(yè)巖氣的研究和勘探開(kāi)發(fā)。頁(yè)巖氣在非常規(guī)天然氣中異軍突起，已成為全球油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的新亮點(diǎn)，并逐步向一場(chǎng)全方位的變革演進(jìn)。由此引發(fā)的石油上游業(yè)的一場(chǎng)革命，必將重塑世界油氣資源勘探開(kāi)發(fā)新格局。加快頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)，已成為世界主要頁(yè)巖氣資源大國(guó)和地區(qū)的共同選擇。目前，全球?qū)?yè)巖氣的開(kāi)發(fā)并不普遍，僅美國(guó)和加拿大在這方面做了大量工作。其中，美國(guó)已進(jìn)入頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的快速開(kāi)展階段，在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)方面，美國(guó)早己進(jìn)入商業(yè)性運(yùn)營(yíng)階段。2021年第二屆亞太非常規(guī)天然氣〔煤層氣〕國(guó)際會(huì)議上的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示目前全球非常規(guī)天然氣產(chǎn)量超過(guò)1800億方。亞太地區(qū)為全球非常規(guī)天然氣儲(chǔ)量最多的地區(qū)之一。2021年劍橋能源周〔CERAWEEK〕會(huì)議上的數(shù)據(jù)顯示1998年－2007年，美國(guó)非常規(guī)天然氣產(chǎn)量占天然氣總產(chǎn)量的比重已經(jīng)從28%上升到46%。2021年頁(yè)巖氣產(chǎn)量占非常規(guī)天然氣總產(chǎn)量的40%，美國(guó)已進(jìn)入天然氣富裕的新時(shí)代，頁(yè)巖氣可以足夠滿足美國(guó)所有新的天然氣需求至少100年，頁(yè)巖氣產(chǎn)生了美國(guó)的沙特阿拉伯。頁(yè)巖氣是指賦存于泥頁(yè)巖中，以吸附及游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣。據(jù)預(yù)測(cè)，世界頁(yè)巖氣資源量為456萬(wàn)億立方米，主要分布在北美、中亞和中國(guó)、中東和北非、拉丁美洲、前蘇聯(lián)等地區(qū)，與常規(guī)天然氣相當(dāng)，頁(yè)巖氣的資源潛力甚至還可能明顯大于常規(guī)天然氣。世界頁(yè)巖氣資源前景地區(qū)頁(yè)巖氣(1012m3煤層氣(1012m3致密砂巖氣(1012m3合計(jì)(1012m3頁(yè)巖氣比例〔%〕北美108.785.438.8232.947拉丁美洲59.91.136.697.661西歐14.44.410.028.850中歐＋西歐1.13.32.26.716前蘇聯(lián)17.7112.025.5155.211中東＋北非72.10.023.395.476撒哈拉以南非洲7.81.122.231.025中亞＋中國(guó)99.834.410.0144.269太平洋地區(qū)(經(jīng)合組織)65.513.320.098.766其它亞太地區(qū)8.90.015.524.436南亞/1.15.56.7/世界456.0256.1209.6921.450據(jù)USGS對(duì)沃斯堡盆地Barnett頁(yè)巖氣預(yù)測(cè)，1996年技術(shù)可采儲(chǔ)量為850億方，2004年躍升至7419億方，2021年劇增到2.66萬(wàn)億方。2美國(guó)頁(yè)巖氣資源前景目前美國(guó)已生產(chǎn)的頁(yè)巖氣資源為2406.945億立方米，證實(shí)儲(chǔ)量的頁(yè)巖氣資源為2973.29億立方米，經(jīng)濟(jì)可采資源為1.5~3.23萬(wàn)億立方米，待發(fā)現(xiàn)的資源為3.7124萬(wàn)億立方米，遠(yuǎn)景資源量為16.9902萬(wàn)億立方米3美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量根據(jù)統(tǒng)計(jì)2007年的美國(guó)頁(yè)巖氣探明可采儲(chǔ)量為20214.75億方，年產(chǎn)已超過(guò)430億方，約占美國(guó)天然氣年產(chǎn)量的8%，下列圖為美國(guó)2000~2007年天然氣總產(chǎn)量與頁(yè)巖氣產(chǎn)量比照?qǐng)D。年份20002001200220032004200520062007頁(yè)巖氣產(chǎn)量〔億方〕112126149174186196283>430天然氣產(chǎn)量〔億方〕54325555536054085264511852415596.57頁(yè)巖氣產(chǎn)量/天然氣產(chǎn)量〔%〕2.12.32.83.23.43.85.4>7.7從圖上可以看出，頁(yè)巖氣產(chǎn)量占天然氣產(chǎn)量的百分比是呈逐年上升的趨勢(shì)的，近年來(lái)，美國(guó)頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)主要集中于七大商業(yè)頁(yè)巖氣盆地，2000年美國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)井28000口，2007年頁(yè)巖氣生產(chǎn)井己超過(guò)40000口(41726口〕4美國(guó)幾大盆地的頁(yè)巖介紹1、密歇根盆地Antrim頁(yè)巖密歇根盆地位于美國(guó)東北部，北美大陸中、上泥盆統(tǒng)廣泛分布有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖〔TOC含量0.3-24%〕，Antrim頁(yè)巖是其中之一。盆內(nèi)充填5182m沉積物，其中Antrim頁(yè)巖和相關(guān)巖層厚274m，頁(yè)巖純厚21-36m。2、阿帕拉契亞盆地Ohio頁(yè)巖該區(qū)古生代沉積巖是個(gè)巨大的楔形體，總體上是富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖〔TOC含量0-4.7%〕、碎屑巖和碳酸鹽巖構(gòu)成的旋回沉積體。總巖層厚1524m，其中富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖152m，純厚度9-30m。3、伊利諾依盆地NewAlbany頁(yè)巖NewAlbany頁(yè)巖總厚30-122m，純厚15-30m，埋深182-1494m，源巖有機(jī)碳含量1-25%，成熟度Ro值僅0.4-1.0%，其頁(yè)巖氣主要為生物成因氣。該頁(yè)巖氣主要產(chǎn)自肯塔基西南部和印地安納南部60多個(gè)油氣田。這個(gè)盆地的頁(yè)巖氣產(chǎn)量一直較少，研究程度也較低。4、圣胡安盆地Lewis頁(yè)巖是地史時(shí)期最年青的商業(yè)開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)〔晚白堊世〕。Lewis頁(yè)巖被認(rèn)為是低海岸面近海遠(yuǎn)端沉積物。頁(yè)巖TOC含量0.45-2.5%，目前產(chǎn)量較低，但正隨時(shí)間而增長(zhǎng)。5、沃思堡盆地Barnett頁(yè)巖.1981年來(lái)，Mitchell能源開(kāi)發(fā)公司開(kāi)始在沃思堡盆地密西西比系Barnett頁(yè)巖中生產(chǎn)商用天然氣。盆地東部是主要產(chǎn)區(qū)，該區(qū)頁(yè)巖埋深1981-2591m，頁(yè)巖純厚15-61m，TOC平均含量4.5%，頁(yè)巖氣屬熱解成因氣。5沃思堡盆地Barnett頁(yè)巖氣藏特征及開(kāi)發(fā)過(guò)程沃思堡盆地位于Texas州西南部，面積38100km2，其北部的Bend背斜區(qū)是一個(gè)成熟油區(qū)，自20世紀(jì)初以來(lái)就一直在進(jìn)行油氣勘探與生產(chǎn)，產(chǎn)層主要是奧陶－二疊系。富含有機(jī)質(zhì)的密西西比Barnett頁(yè)巖是Bend油區(qū)的主要烴源巖。1981年，Mitchell公司在Barnett頁(yè)巖烴源巖中發(fā)現(xiàn)了NewarkEast天然氣田，自2000年起，NewarkEast就成為得克薩斯最大的氣田，目前該氣田的年產(chǎn)氣量排在美國(guó)第二位，1981-1997年間，Barnett頁(yè)巖核心區(qū)生產(chǎn)井缺乏百口，開(kāi)采緩慢，1997年由水力壓裂取代凝膠壓裂及1999年使用重復(fù)壓裂后，頁(yè)巖氣開(kāi)采加快步伐，2003年采用水平井完鉆及2005年采用水平井分段壓裂，2007年，Barnett頁(yè)巖氣開(kāi)采速度驚人，年產(chǎn)量315億m3，居五大頁(yè)巖氣盆地之首6開(kāi)發(fā)技術(shù)頁(yè)巖氣于1821年在美國(guó)的阿帕拉契亞盆地被發(fā)現(xiàn)，是國(guó)外最早認(rèn)識(shí)的天然氣，至今已有近200年的歷史。但是20世紀(jì)90年代前人們重點(diǎn)關(guān)注煤層氣與致密砂巖氣。盡管人們認(rèn)識(shí)頁(yè)巖油/氣藏已有近200余年歷史，頁(yè)巖油/氣資源也極其豐富，但大局部一直未開(kāi)發(fā)。其原因主要有以下幾個(gè)方面：1、頁(yè)巖地層孔隙度和滲透率極低，通常被視為常規(guī)油氣藏的烴源巖和蓋層，對(duì)頁(yè)巖氣成藏機(jī)理、分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)以及綜合評(píng)價(jià)手段，普遍存在局限性。2、勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)尚未到達(dá)頁(yè)巖油/氣層有效開(kāi)采水平。3、低油氣價(jià)格下，頁(yè)巖氣油/氣藏的開(kāi)采不具經(jīng)濟(jì)性。因此可以看出，先進(jìn)的開(kāi)發(fā)技術(shù)是主要因素，下面將著重介紹一下美國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)頁(yè)巖氣藏在美國(guó)的成功開(kāi)發(fā)依賴于水平井與清水壓裂技術(shù)的應(yīng)用1、水平井鉆井技術(shù)Barnett頁(yè)巖氣產(chǎn)量在不到10年間快速開(kāi)展的最根本因素是技術(shù)進(jìn)步，特別是水平井及水力分段壓裂技術(shù)的使用，2003－2007年Barnett頁(yè)巖氣藏水平井?dāng)?shù)累計(jì)達(dá)4960口，占該區(qū)生產(chǎn)總井?dāng)?shù)50%以上，2007年水平完鉆井?dāng)?shù)即為2219口，占當(dāng)年頁(yè)巖氣完鉆井?dāng)?shù)94%；直井井?dāng)?shù)為149口，僅為當(dāng)年完鉆井?dāng)?shù)6%，F(xiàn)ortworthFortworth盆地Barnett頁(yè)巖氣井?dāng)?shù)量〔據(jù)IHS〕1990-20071990-2007年沃斯堡盆地Barnett頁(yè)巖氣生產(chǎn)井?dāng)?shù)量變化圖FayettevilleFayetteville頁(yè)巖氣井?dāng)?shù)量變化〔據(jù)IHS〕2、完井氣藏改造增產(chǎn)技術(shù)據(jù)C.R.Vanorsdael〔1991〕對(duì)密歇根盆地Antrim6500口頁(yè)巖氣生產(chǎn)井統(tǒng)計(jì)，40%的井完鉆后無(wú)氣流可測(cè)；55%的井僅有無(wú)商業(yè)價(jià)值的氣流；僅有5%的井由于自然裂縫發(fā)育而獲有商業(yè)價(jià)值的初始?xì)饬?，?jīng)壓裂改造措施后，90%原未獲氣流的井和初始?xì)饬鳠o(wú)商業(yè)價(jià)值的井都變成了商業(yè)價(jià)值氣井，壓裂增產(chǎn)技術(shù)對(duì)提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量至關(guān)重要，在頁(yè)巖的商業(yè)性開(kāi)采中起著決定性作用。美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中主要采用泡沫壓裂、重復(fù)壓裂、水平井水力壓裂以及多階段壓裂等增產(chǎn)措施。通常壓裂深度為1500-3100m，頁(yè)巖中使用減阻水〔低粘性水射流〕和支撐劑，淺層頁(yè)巖和低地層壓力頁(yè)巖多使用氮泡沫壓裂液〔1〕、泡沫壓裂技術(shù)對(duì)于埋藏較淺，地層壓力相對(duì)較低的頁(yè)巖氣藏進(jìn)停增產(chǎn)改造時(shí)，一般用液氮或二氧化碳泡沫壓裂作業(yè)。該措施實(shí)用于低壓低滲、水敏性儲(chǔ)層，其具用水量少、造縫率高、低濾失性、返排及攜砂能力強(qiáng)、摩阻低以及對(duì)儲(chǔ)層傷害小等特點(diǎn)〔2〕、重復(fù)壓裂技術(shù)

重復(fù)壓力能重建儲(chǔ)層到井眼的線性流，恢復(fù)或增加產(chǎn)量，使最終采收率增加8－10%，可采儲(chǔ)量增加60%，是一種低本錢增產(chǎn)方法

美國(guó)天然氣研究所〔GRI〕研究證實(shí)：重復(fù)壓裂能夠以0.1美元/Mcf的本錢增加儲(chǔ)量，遠(yuǎn)低于收購(gòu)天然氣儲(chǔ)量0.54美元/Mcf或發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)天然氣儲(chǔ)量0.75美元/Mcf的平均本錢〔3〕、水力壓裂技術(shù)由于頁(yè)巖氣產(chǎn)能較低，通常埋深較大，地層壓力較高的頁(yè)巖儲(chǔ)層必需進(jìn)行水力壓裂改方能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性開(kāi)采。2003年，隨著水平井成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的主要完鉆井方式，水力壓裂開(kāi)始成為頁(yè)巖氣水平井主要增產(chǎn)措施。最初水平井水力壓裂一般采用單段式或兩段式，目前已增至7段或更多。水平井水力多段壓裂極大地延伸了頁(yè)巖氣在橫向及縱向的開(kāi)采范圍，是目前美國(guó)頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)快速開(kāi)展最關(guān)鍵技術(shù)①清水壓裂技術(shù)：該項(xiàng)技術(shù)是用清水添加適當(dāng)?shù)臏p組劑作為壓裂液來(lái)替代通常使用的凝膠壓裂液。這項(xiàng)技術(shù)可以在不減產(chǎn)的前提下節(jié)約30％的本錢。清水壓裂技術(shù)在低滲透油氣藏儲(chǔ)層改造中取得很好的效果。清水壓裂是利用含有減阻劑、黏土穩(wěn)定劑和必要的外表活性劑的水為壓裂液，以這種壓裂液作為前置液來(lái)提供支撐劑輸送，清水壓裂技術(shù)提高滲透率的原理在于：第一、天然的縫面不吻合和產(chǎn)生粗糙縫面，剪切應(yīng)力使縫面偏移，同樣在裂縫擴(kuò)展時(shí)，水力裂縫將開(kāi)啟早已存在的天然裂縫，提高油氣層的滲透率；第二、是常規(guī)的處理并不能徹底清洗，而水壓裂是一種清潔壓裂技術(shù)，這也將提高油氣層的滲透率②多井同步壓裂〔Simo-Fracturing〕技術(shù)：是近期使用的最新壓裂技術(shù)。該技術(shù)的理論依據(jù)是：同時(shí)對(duì)配對(duì)井〔OFFSETWELLS〕進(jìn)行壓裂，在壓裂過(guò)程中，壓裂時(shí)產(chǎn)生的高應(yīng)力所造成的兩口井之間的相互影響，最大限度地減少壓裂流體和支撐劑從一口井流向另外一口井，利用該技術(shù)盡可能地減少該侵入量。并行壓裂可以增加水力壓裂網(wǎng)絡(luò)的密度，或增加壓裂作業(yè)產(chǎn)生的外表積采用該技術(shù)的井要比未采用該技術(shù)的井或斜井產(chǎn)量更高。并行壓裂最初需要采用兩口互相接近且大致平行的水平井，然后立刻壓裂每一口井。并行壓裂，最初需要雙重壓裂，兩口相近的水平井每口井壓裂一次，但目前已開(kāi)展到三次壓裂，甚至正在應(yīng)用四次壓裂。3、裂縫綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)推斷壓裂裂縫幾何形態(tài)和產(chǎn)能的常規(guī)方法主要包括靜壓力分析裂縫模擬、試井以及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)分析等間接的井響應(yīng)方法。利用地面、井下測(cè)斜儀與微地震鑒測(cè)技術(shù)結(jié)合的裂縫綜合診斷技術(shù)，可直接測(cè)量因裂縫間距超過(guò)裂縫長(zhǎng)度而造成的變形來(lái)表征所產(chǎn)生的裂縫網(wǎng)絡(luò)，評(píng)價(jià)壓裂效果，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣藏開(kāi)采管理最正確化。

該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量快速，方便現(xiàn)場(chǎng)使用;實(shí)時(shí)確定微地震位置;能確定裂縫高度、長(zhǎng)度、傾角及方位;具噪音過(guò)濾能力據(jù)Schlumberger，20077.我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀我國(guó)與美國(guó)在頁(yè)巖氣地質(zhì)條件上具有許多相似之處，頁(yè)巖氣富集地質(zhì)條件優(yōu)越，具有與美國(guó)大致相同的頁(yè)巖氣資源前景和開(kāi)發(fā)潛力。目前我國(guó)頁(yè)巖氣資源調(diào)查與勘探開(kāi)發(fā)還處于探索起步階段，至今尚未對(duì)其潛力進(jìn)行全面估算，頁(yè)巖氣資源有利目標(biāo)區(qū)有待進(jìn)一步落實(shí)，勘探開(kāi)發(fā)還處于“空白〞狀態(tài)。頁(yè)巖氣資源已引起油氣界廣泛而密切的關(guān)注，受到黨中央、國(guó)務(wù)院的高度重視。更新理念、破解難題、創(chuàng)新模式，大力推進(jìn)頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開(kāi)發(fā)，已成為我國(guó)油氣資源領(lǐng)域重要而迫切的戰(zhàn)略任務(wù)。據(jù)專家估算，我國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量約為26萬(wàn)億立方米，與美國(guó)大致相當(dāng)。從現(xiàn)有資料看，頁(yè)巖氣除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地外，在我國(guó)廣泛分布的海相頁(yè)巖地層、海陸交互相頁(yè)巖地層及陸相煤系地層也都有分布。我國(guó)頁(yè)巖地層在各地質(zhì)歷史時(shí)期均發(fā)育很好，我國(guó)海相沉積廣泛，分布面積多達(dá)300萬(wàn)平方公里，海陸交互相沉積200多萬(wàn)平方公里，陸上海相沉積面積約280萬(wàn)平方公里。頁(yè)巖在南方、北方、西北和青藏等廣闊地區(qū)均有分布，既有有機(jī)質(zhì)含量高的古生界海相頁(yè)巖、海陸交互相頁(yè)巖，也有有機(jī)質(zhì)豐富的中、新生界陸相頁(yè)巖，在油氣、煤炭勘探中，甚至固體礦產(chǎn)勘探時(shí)已在油氣盆地及盆地外的沉積地層中發(fā)現(xiàn)多處頁(yè)巖氣顯示。我國(guó)與美國(guó)在頁(yè)巖氣地質(zhì)條件上具有許多相似之處，頁(yè)巖氣富集地質(zhì)條件優(yōu)越，具有與美國(guó)大致相同的頁(yè)巖氣資源前景和開(kāi)發(fā)潛力。川南、川東、渝東南、黔北、鄂西等上揚(yáng)子地區(qū)是我國(guó)頁(yè)巖氣主要遠(yuǎn)景區(qū)之一，以四川盆地為例，僅評(píng)價(jià)的寒武系和志留系兩套頁(yè)巖，頁(yè)巖氣資源量就相當(dāng)于該盆地常規(guī)天然氣資源量的1.5～2.5倍。我國(guó)頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)前景很好，具有加快勘探開(kāi)發(fā)的資源根底。目前，我國(guó)頁(yè)巖氣資源調(diào)查與勘探開(kāi)發(fā)還處于探索起步階段。20世紀(jì)60～90年代，在常規(guī)油氣勘探中，個(gè)別盆地在頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)過(guò)泥