頁巖氣研究現(xiàn)狀與展望

頁巖氣研究現(xiàn)狀與展望

隨著油氣資源的日益匱乏和可源性的考慮，黃巖氣作為世界能源研究的熱點之一，在中國的黃巖氣研究和勘探仍處于探索階段。一個領域內論文的分布蘊含著豐富的發(fā)展歷程信息,并在一定程度上可預示其發(fā)展趨勢,因而分析中國頁巖氣論文產出特點,追蹤研究機構和研究團隊,對回顧其頁巖氣研究歷程、分析研究現(xiàn)狀、預測發(fā)展趨勢均有裨益。筆者長期關注頁巖氣論文產出情況,所在科研團隊也正在開展四川盆地南部頁巖氣綜合地質評價攻關。為此,在利用維普中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫對1990年以來中國頁巖氣論文進行系統(tǒng)檢索基礎上,歸納了論文在發(fā)表時間等方面的分布特征,總結了中國頁巖氣研究現(xiàn)狀,并預測和展望了其未來產業(yè)發(fā)展的趨勢及相關科學技術問題。1搜索分析與巖發(fā)表利用維普中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)檢索結果顯示,該數(shù)據(jù)庫收錄了1990年至今頁巖氣文獻108篇(表1)。1.1中國頁巖氣研究程度較低,但研究類分布較(1)中國頁巖氣論文近20年內總數(shù)極少,年均僅約6篇,與同為非常規(guī)天然氣的中國煤層氣文獻年均122篇相差懸殊,反映出中國頁巖氣研究程度很低。(2)在論文類別分布方面,翻譯評述類所占比例最大,為32.4%,綜述類占11.1%,地質勘探類占30.6%,資訊簡報類占18.5%。即近一半論文屬于翻譯評述及綜述類,揭示出中國頁巖氣的研究尚處于起步探索階段。自2007年以來,論文數(shù)量和質量均有較大提高;從2009年起,地質勘探類論文數(shù)量顯著增長,體現(xiàn)出中國頁巖氣研究駛入了一個全新的起步階段。1.2對中國頁巖氣研究的初步分析、確定學術論文的數(shù)量、質量以及學術交流活動的活躍度在很大程度上反映一個學科或領域的研究進展。1990年以來中國頁巖氣文獻的分布體現(xiàn)出其頁巖氣研究具有典型初期階段特征,且以2004年出現(xiàn)地質勘探類文獻為界分為兩個階段(圖1)。第一階段是引入介紹國外頁巖氣基礎理論及勘探開發(fā)實踐階段。主要是國內部分學者和科研機構早期敏銳地跟蹤國外研究狀況,并翻譯評述,對中國頁巖氣勘探開發(fā)起步工作產生了重要的啟發(fā)作用。翻譯評述的內容涵蓋了基礎理論、成功開采技術、增產措施和極少量的經濟社會效益類文獻。如Curtis的經典文章的翻譯引入,使更多學者全面了解到裂縫性頁巖氣系統(tǒng)及其在美國的生產、研究現(xiàn)狀。第二階段是以尋找“證據(jù)”、框定資源、選擇區(qū)域和驗證目標為主的探索階段,這也是其他產業(yè)發(fā)展初期的典型特征。將美國5套頁巖特征與中國地質條件進行對比分析,初步評估中國頁巖氣資源潛力和有利區(qū)。其研究內容覆蓋了頁巖氣研究基礎地質理論及勘探開發(fā)技術相關要素,且著重體現(xiàn)在成藏機理、地質條件及關鍵性要素的對比分析上,為選區(qū)評估奠定了基礎。此外,由中國石油勘探開發(fā)研究院設計實施的中國首口頁巖氣取心淺井——長芯1井在四川省宜賓市完成,標志著中國頁巖氣研究確實步入了勘探開發(fā)研究的起步階段。該階段在頁巖氣地質研究上表現(xiàn)為尋證,在勘探上表現(xiàn)為找氣,在開發(fā)試驗上表現(xiàn)為摸索?？傊?是試圖通過引進和消化國外相關理論與技術來解決中國的頁巖氣地質問題。因而,今后一個相當長的時期,必然是一個積累頁巖氣地質基本信息,對全國頁巖氣資源及其分布規(guī)律、頁巖氣儲層特性等一些頁巖氣地質核心問題展開大量工作和深入研究的階段,并逐步開展適合于中國頁巖氣地質特點開發(fā)技術的試驗與探索,以及從區(qū)域上開始對全國或區(qū)域頁巖氣產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略展開思考。1.3國內頁巖氣研究的主要機構對頁巖氣論文的研究機構和學術團隊進行歸納,多家研究機構合作的情況較為普遍,27.8%的論文有多個科研機構的研究人員聯(lián)合署名,體現(xiàn)出起步階段頁巖氣研究工作具有合作的特點。為分析方便,有多家研究機構和人員聯(lián)合署名發(fā)表的論文,研究機構只統(tǒng)計前2位,各計1篇,作者統(tǒng)計前3位,也各計1篇。由圖2分析可見,中國石油天然氣集團公司系統(tǒng)(簡稱“中石油系統(tǒng)”)、高等院校和中國石油化工集團公司系統(tǒng)(簡稱“中石化系統(tǒng)”)是目前開展頁巖氣研究的主要機構,且中石油系統(tǒng)具有絕對優(yōu)勢。具體來看,中石油系統(tǒng)下屬中國石油勘探開發(fā)研究院和高等院校中的中國地質大學優(yōu)勢顯著。統(tǒng)計還表明,近年來以張金川為學術帶頭人,聶海寬和徐波等為主要成員的中國地質大學團隊,以董大忠和程克明為學術帶頭人,李新景和王社教等為主要成員的中國石油勘探開發(fā)研究院團隊,以王紅巖和李景明為代表的中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院團隊,以及以潘仁芳為代表的長江大學團隊等主要學術團隊,走在了頁巖氣研究隊伍的前列。預計在未來研究中這些團隊將會承擔更多課題,發(fā)揮更大作用,因而及時追蹤這些學術團隊的科研成果能更好地把握頁巖氣在國內的研究進展。1.4為發(fā)表基金提供的援助2中國巖氣研究與勘探的發(fā)展2.1頁巖氣資源評價的關鍵因素資源潛力評價首先面臨的是評價方法的問題。同一個評價單元,不同階段采用了不同的評價方法,由于其參數(shù)選擇及權重等的不同,導致評價結果出現(xiàn)較大差異。董大忠等在介紹美國地質調查局提出的全含油氣系統(tǒng)評價單元概念的基礎上,詳細論述了主要的頁巖氣藏資源評價方法。但不管采用哪種方法,頁巖礦物組成和結構、有機碳含量、熱成熟度、吸附氣含量、有效厚度、基質孔隙及裂縫都是影響頁巖氣資源評價的關鍵因素。目前,對中國頁巖氣資源潛力的系統(tǒng)評價還較少。美國對中國頁巖氣地質儲量的評估是100×1012m3,與美國的儲量大體相當;中國石油天然氣集團公司在2006年初步評估威遠和瀘州兩地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源為(6.8～8.4)×1012m3,李建忠等初步估算四川盆地南部筇竹寺組的頁巖氣資源量達(7.14～14.6)×1012m3;董大忠等對川西南筇竹寺組頁巖氣資源估算為(4.13～8.48)×1012m3,對威遠氣田區(qū)筇竹寺組頁巖氣估算為(0.8684～3.1692)×1012m3;王社教等對四川盆地及鄰區(qū)龍馬溪組頁巖氣資源量估算為(4.0～12.4)×1012m3。據(jù)此看來,中國頁巖氣資源量十分巨大。2.2盆地范圍和垂向地層目前中國頁巖氣勘探區(qū)域的優(yōu)選評價,主要是通過與美國5套開發(fā)成功的含氣頁巖進行地質要素比照分析完成的[1,6,8,11,12,13,14,15,16,17]。初步結論認為,中國頁巖氣資源分布極為廣泛。從平面盆地分布來看,四川盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地和準噶爾盆地等具有較好的頁巖氣資源勘探前景,特別是這些盆地的邊緣斜坡部位成藏條件更好。其中四川盆地可以作為中國頁巖氣勘探開發(fā)研究的首選區(qū)[8,9,11,12,14,15,16,17,18]。從垂向地層分布來看,南北兩分特點明顯:南方為海相頁巖,而北方為湖相泥頁巖;南方以古生界為主,而北方以中新生界為主。中國南方古生界發(fā)育上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖、下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖、上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖、下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖等多套海相黑色硅質頁巖建造;中國北方中新生代湖相泥頁巖發(fā)育,如松遼盆地下白堊統(tǒng)青山口組黑色泥巖、渤海灣盆地古近系沙河街組沙三段泥頁巖、鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組張家灘、李家畔頁巖,準噶爾盆地二疊系泥頁巖等,并且這些泥頁巖已被勘探實踐證實絕大部分為大型盆地中的優(yōu)質烴源巖。對頁巖氣成藏機理及成藏的物質基礎等分析表明,中國南方海相地層發(fā)育區(qū)具有優(yōu)越的頁巖氣成藏地質條件和豐富的頁巖氣資源,有望成為中國油氣資源的重要戰(zhàn)略接替新領域,其中對四川盆地頁巖氣成藏的物質基礎、地質條件、勘探油氣顯示以及實驗結果等研究較為詳細,因此四川盆地最值得首先關注。2.3勘探開發(fā)的有利區(qū)域選擇盡管將四川盆地作為中國頁巖氣首要勘探盆地的觀點較為普遍,但對盆地內具體區(qū)域和層位選擇的看法尚不統(tǒng)一。張金川等認為四川盆地東部和南部(包括川南與川西南)下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)頁巖層位老但埋深淺,是現(xiàn)今工業(yè)技術和經濟背景條件下開展頁巖氣勘探研究的重點目標。唐嘉貴等提出南部威遠和瀘州兩地區(qū)的龍馬溪組為首選目標。王世謙等認為南部威遠和自貢—瀘州—永川兩個區(qū)塊的筇竹寺組和龍馬溪組可作為近期開展頁巖氣勘探開發(fā)的有利目標,并建議通過老井復查和加砂壓裂測試取得勘探突破。王社教等認為川南瀘州—宜賓—自貢地區(qū),黔中麻江甕安,川東南秀山、松桃及湘西吉首一帶是志留系,尤其是下統(tǒng)的龍馬溪組筆石頁巖氣藏形成的較有利地區(qū)。董大忠等認為川西南,特別是威遠氣田區(qū)筇竹寺組頁巖氣是未來值得重視的重要天然氣勘探開發(fā)新領域。王蘭生等在從成熟度、運聚條件和礦物成分角度對寒武系和志留系頁巖地球化學特征進行對比基礎上,提出勘探開發(fā)的首選層系為川南下志留統(tǒng)頁巖。程克明等認為川南、黔北可作為中國頁巖氣藏近期突破的重要選區(qū)。而黃籍中則認為上三疊統(tǒng)須家河組煤系有利于頁巖氣成藏,川西南威遠背斜周緣—川南北段區(qū)塊和米倉山前緣區(qū)塊是兩個有利區(qū)塊;龍馬溪組和筇竹寺組成熟度過高及其埋深大,對頁巖氣成藏不利,但可在老氣田“立體勘探”時予以關注,并可重點研究大巴山靠盆地一側、江南古陸西北緣地帶(因其有機質成熟度有降低趨勢,預計會成為頁巖氣成藏的有利地帶)。由此可見,不同的研究者對于關鍵要素的選擇分析不盡相同,因而在近期勘探首選目標區(qū)上出現(xiàn)了一些分歧。綜合地質條件、成藏要素和研究程度等因素來看,將四川盆地南部威遠和瀘州(或瀘州—自貢—永川,或瀘州—宜賓—自貢)等地龍馬溪組作為未來勘探開發(fā)首選目標更為可行。2.4“尋證找氣”與“巖石學”研究階段2007年10月,中國石油天然氣股份有限公司與美國新田石油公司簽署了中國第一個頁巖氣開發(fā)對外合作協(xié)議——《威遠地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究》,標志著中國頁巖氣借鑒合作研究的開端。2008年11月26日,長芯1井在四川省宜賓市順利完鉆,意味著中國頁巖氣研究步入了以“尋證找氣”為特點的勘探開發(fā)階段。2009年5月11日,中國頁巖氣技術國際研討會在長江大學召開;之后,《中國石油石化》刊登原中石油副總裁胡文瑞的隨筆《迎接頁巖氣發(fā)展的春天》。這些重要事件都反映出中國頁巖氣研究正在悄然興起,并通過開展技術合作、學術交流和政策引導,在四川盆地等優(yōu)選探區(qū)開展頁巖氣研究與勘探開采技術先導試驗,快速發(fā)展頁巖氣產業(yè),以緩解因石油資源短缺而帶來的制約全球經濟發(fā)展的能源問題。3頁巖氣地質基礎研究的未來展望常規(guī)油氣儲量的瓶頸迫使中國天然氣工業(yè)重心向非常規(guī)天然氣轉移只是個時間的問題,而非常規(guī)油氣資源中的頁巖氣資源豐富,開發(fā)前景廣闊,已經成為研究者的共識,但在產業(yè)發(fā)展上仍面臨著資源勘探理論與實踐程度低,勘探開發(fā)的部分關鍵技術尚未突破,投入成本高、周期長而短期收益難等方面的巨大挑戰(zhàn)。即中國頁巖氣研究與勘探開發(fā)將在極富挑戰(zhàn)性的背景下展開,總體上會有如下發(fā)展趨勢。(1)頁巖氣地質理論及資源評價理論、方法是未來一個時期的主要研究內容。中國頁巖氣研究尚處于起步階段,在未來較長時期內,一方面還需要進一步借鑒和消化國外成功理論和經驗,特別是美國5套頁巖成功實現(xiàn)商業(yè)開采所經歷的資源評價與地質勘探歷程;另一方面需要不斷收集和積累國內資料,結合國內沉積地層和盆地構造特征等因素,對頁巖氣成藏機理、地質條件、資源評價方法等進行科學分析,以形成一套適合中國頁巖氣資源評價和勘探開發(fā)的理論體系。(2)頁巖氣地質基礎研究工作必受重視。頁巖氣與煤層氣的成藏機理類似。煤層氣研究與勘探開發(fā)歷史表明,地質基礎研究極為重要,包括早期地質資源評價,初期試井、氣體收集輸送實驗以及中期一些勘探開發(fā)過程的各類實驗。這些地質基礎研究在煤層氣研究和成功開采中都起到了舉足輕重的作用。所以,要想在頁巖氣研究與勘探開發(fā)中取得突破性進展和長足發(fā)展,頁巖氣地質基礎研究理應也必然會受到重視。盡管國內頁巖氣地質基礎研究,包括巖心樣品和露頭樣品測試成果目前報道較少,但隨著長芯1井相關成果的發(fā)表,地質基礎研究工作將全面開展。(3)頁巖氣勘探試井及與之相關的產能模擬、壓裂等增產開發(fā)措施研究也會逐步展開。在優(yōu)選評價不斷“尋證”的基礎上,需要有針對性地在有利區(qū)域、有利井段、有利時機展開頁巖氣勘探開發(fā)的試氣和試井工作,并逐步開展與之相關的產能模擬、壓裂等增產開發(fā)關鍵技術試驗工作,將資源評價與有效試井相結合,將詳細尋證與嘗試尋氣相結合,尋找突破口,爭取使頁巖氣產業(yè)早日走上商業(yè)化發(fā)展道路。(4)四川盆地在物質基礎、地質條件及勘探開發(fā)實踐條件上的優(yōu)越性,使之很可能會成為中國第一個頁巖氣勘探開發(fā)的先導性試驗建設基地。初步評價認為,中國南方和北方分布的多套厚度大、分布穩(wěn)定、有機質含量高的海相或湖相黑色或暗色頁巖,均具有一定的頁巖氣成藏條件和較大的資源潛力。其中四川盆地,特別是其南部地區(qū)的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖是目前認為的最佳目標。并且四川盆地常規(guī)油氣勘探開發(fā)的大量基礎研究和生產實踐,都會為頁巖氣勘探開發(fā)提供極其重要的參考資料;加之常規(guī)油氣開采的強大技術和設備的借鑒、借用也極為方便。此外,中國對頁巖氣資源勘探開發(fā)前景綜合評價的第一個對外合作聯(lián)合研究已在四川盆地威遠地區(qū)展開。因此,四川盆地具有“天時地利人和”的條件,很可能成為第一個如“晉城煤層氣”的頁巖氣先導性試驗基地,甚至成為首個成功開發(fā)的范例。(5)爭取政策扶植和基金資助,堅持科技攻關。煤層氣產業(yè)在國內獲得較大發(fā)展是和政策扶植與基金資助密切相關的。國家從強大的安全社會效益和環(huán)境效益出發(fā),對煤層氣開采出臺多項鼓勵政策,不斷促進其商業(yè)開發(fā)利用。但頁巖氣與之相比,目前所能得到的政策引導與扶植較少,故而企業(yè)和研究人員應該努力爭取基金資助,堅持科技攻關。不管是政府還是企業(yè)都不會忽視科技投入與科研產出所具有的良好正比關系事實,相信政府和企業(yè)的資助會隨著科研產出的增多而進一步加強。所以,緊密依靠政策扶植和基金資助,開展頁巖氣勘探開發(fā)研究的前景光明。(6)開展多種合作,增進學術交流,促進人才培養(yǎng),將有益于剛剛起步的頁巖氣研究。合作多贏已成為時代趨勢。對于頁巖氣地質研究與勘探開發(fā)而言,借鑒美國成功的勘探開發(fā)實踐經驗,加強合作,可在短期高效學習其先進技術,降低頁巖氣勘探開發(fā)投入成本,并會給國內頁巖氣的勘探開發(fā)帶來啟發(fā)和現(xiàn)實效益。未來,合作理念更為深入,合作方式更為多樣,合作機會更為增多。有合作就需交流,而一個產業(yè)的繁榮,更會促進該領域學術交流趨于頻繁,而相應的國際、國內學術交流活動成果又會補益于產業(yè)的發(fā)展。同時,合作交流必將促進人才培養(yǎng),人才也為產業(yè)發(fā)展不斷注入新的活力,從而共同促進頁巖氣勘探開發(fā)研究的大繁榮,并會較早結束探索階段而向商業(yè)化方向發(fā)展。4中國頁巖氣勘探開發(fā)的展望(1)中國頁巖氣論文總數(shù)少,分布上具有典型初期階段特征,且具有兩階段特點;中石油系統(tǒng)和高等院校在所有參研機構中優(yōu)勢明顯,尤以中國石油勘探開發(fā)研究院“董大忠、程克明”和中國地質大學“張金川”兩個學術團隊成果豐富;國家或企業(yè)基金資助對科研產出影響很大,核心期刊中頁巖氣論文77%都受到過基金資助。(2)中國頁巖氣基礎研究與勘探開發(fā)剛