頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與展望

頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與展望

0頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀幾十年來，巖漿巖的開發(fā)經(jīng)歷了一條漫長而曲折的道路。頁巖氣的研究和勘探開發(fā)最早始于美國,1821年美國東部第一口頁巖氣井開鉆,20世紀20年代開始步入規(guī)?；a(chǎn),20世紀70年代頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)擴展到美國中西部地區(qū)。20世紀90年代,在政策、價格和開發(fā)技術(shù)進步等因素的推動下,頁巖氣成為石油天然氣產(chǎn)業(yè)重要的勘探開發(fā)目標和領(lǐng)域。截至2006年,美國有頁巖氣井超過40000口,頁巖氣年生產(chǎn)量為311×108m3,占該國年天然氣總產(chǎn)量的6%。2007年美國頁巖氣生產(chǎn)井近42000口,頁巖氣年產(chǎn)量為450×108m3,約占該國年天然氣總產(chǎn)量的8%。同時參與頁巖氣開發(fā)的石油企業(yè)從2005年的23家發(fā)展到2007年的64家,見圖1。據(jù)預(yù)測,美國頁巖氣資源量超過28×1012m3。目前美國和加拿大是頁巖氣規(guī)模開發(fā)的兩個主要國家,2009年美國頁巖氣產(chǎn)量接近1000×108m3,超過我國常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量。頁巖氣快速勘探開發(fā)使美國天然氣儲量增加了40%,預(yù)計2010年頁巖氣產(chǎn)量將占全美天然氣產(chǎn)量的15%以上[1~2]。目前,除美國和加拿大外,澳大利亞、德國、法國、瑞典、波蘭等國家也開始了頁巖氣的研究和勘探開發(fā)。近年來,隨著社會對清潔能源需求的不斷擴大、天然氣價格的不斷上漲、頁巖氣地質(zhì)認識的不斷提高、水平井與壓裂技術(shù)水平的不斷進步,頁巖氣勘探開發(fā)正由北美向全球擴展。我國頁巖氣資源潛力大,但勘探開發(fā)處于“空白”狀態(tài)。我國頁巖氣富集地質(zhì)條件優(yōu)越,從現(xiàn)有資料看,除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地外,在我國廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也都有分布。據(jù)估算,我國頁巖氣可采資源量約為26×1012m3,與美國大致相當。川南、川東、渝東南、黔北、鄂西等上揚子地區(qū)是我國頁巖氣主要遠景區(qū)之一,以四川盆地為例,僅評價的寒武系和志留系兩套頁巖,頁巖氣資源量就相當于該盆地常規(guī)天然氣資源量的1.5~2.5倍,見圖2。受國外成功實例的啟發(fā),且為了滿足安全、環(huán)保、能源接替的需要,我國于90年代向頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域進軍。但是由于受地質(zhì)條件以及開發(fā)技術(shù)的限制,一直沒有形成大的開發(fā)規(guī)模。1頁巖氣藏儲層厚度頁巖氣區(qū)別于常規(guī)天然氣的特征之一是以吸附和自由氣的形式存在于頁巖之中。由于頁巖的致密性,具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣藏儲層厚度都比較大。自從頁巖氣產(chǎn)業(yè)化以來,國內(nèi)外都在儲層評價、水平井增產(chǎn)、射孔優(yōu)化和壓裂增產(chǎn)技術(shù)上不斷創(chuàng)新以尋求最佳的經(jīng)濟效益。1.1聲波測井識別頁巖氣儲層評價的兩種主要手段是測井和取心。應(yīng)用測井數(shù)據(jù),包括ECS(ElementalCaptureSpectroscopy)來識別儲層特征。單獨的GR不能很好地識別出粘土,干酪根的特征是具有高GR值和低Pe值。成像測井可以識別出裂縫和斷層,并能對頁巖進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應(yīng)力方向,進而為氣井增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性,并分析測試TOC和吸附等溫曲線。1.2水平井立地條件頁巖氣儲層的滲透率低,氣流阻力比傳統(tǒng)的天然氣大得多,并且大多存在于頁巖的裂縫中,為了盡可能的利用天然裂縫的導(dǎo)流能力,使頁巖氣盡可能多的流入井筒,因此開采可使用水平鉆井技術(shù),并且水平井形式包括單支、多分支和羽狀。一般來說,水平段越長,最終采收率就越高。水平井的成本比較高,但其經(jīng)濟效益也比較高,現(xiàn)代鉆井技術(shù)使水平井的水平段在鉆探過程中比較容易控制,因此頁巖氣可以從相同的儲層但面積大于單直井的區(qū)域流出。在采用水平井增產(chǎn)技術(shù)過程中,水平井位與井眼方位應(yīng)選在有機質(zhì)富集,熱數(shù)度比較高、裂縫發(fā)育程度好的區(qū)域及方位。水平井,見圖3。1.3提供了流體通道定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒,減少井筒附近裂縫的彎曲程度,進而減少井筒附近的壓力損失,為壓裂時產(chǎn)生的流體提供通道。通過大量頁巖氣井的開發(fā)實踐,開發(fā)人員總結(jié)出定向射孔時應(yīng)遵循的原則,即在射孔過程中,主要射開低應(yīng)力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū),采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流體的阻力。在對水平井射孔時,射孔垂直向上或向下。1.4低滲透地層裂壓裂技術(shù)水力壓裂可以使儲層產(chǎn)生密集的裂縫網(wǎng)絡(luò),進而提高儲層滲透率,使地層中的天然氣更容易流入井筒。進行壓裂前,應(yīng)先對井(豎直井或水平井)進行測試,以確保井能夠承受壓裂的壓力和注入泵率。頁巖氣開采過程中可采用多種壓裂方式:重復(fù)壓裂、多層壓裂、清水壓裂、同步壓裂。重復(fù)壓裂主要是在不同方向上誘導(dǎo)產(chǎn)生新裂縫進而增加裂縫網(wǎng)絡(luò),可有效改進單井產(chǎn)量與生產(chǎn)動態(tài)特征;多層壓裂多用于垂直堆疊的致密地層。清水壓裂采用添加一定減阻劑的清水作為壓裂液。這種壓裂液的主要成分是水,以及很少量的減阻劑、粘土穩(wěn)定劑和表面活性劑。清水壓裂在低滲透氣藏中能取得更好的效果,該技術(shù)在不減產(chǎn)的前提下能節(jié)約30%左右的成本,而且清水壓裂也很少需要清理,且可提供更長的裂縫,并將壓裂支撐劑運至裂縫網(wǎng)絡(luò)。同步壓裂是指同時對兩口或兩口以上的井進行壓裂壓力液及支撐劑在高壓下從一口井沿最短距離向另一口井運移,這樣就增加了裂縫網(wǎng)絡(luò)的密度及表面積,從而快速提高頁巖氣井的產(chǎn)量。2開發(fā)頁巖氣的技術(shù)對策綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,我國在頁巖氣的基礎(chǔ)研究還很不成熟。一是技術(shù)問題。頁巖氣藏物性差,滲透率極低,開發(fā)技術(shù)要求高,難度大。而且我國頁巖氣普遍埋藏較深,進一步增加了開發(fā)難度。例如四川盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣層埋深在2000~3500m,而美國五大頁巖系統(tǒng)埋深在800~2600m。目前,我國在長距離多分支水平井、超致密儲層分段壓裂改造技術(shù)方面落后,并且沒有研制出有效保護頁巖儲層的低傷害壓裂液體系;不同頁巖儲層地質(zhì)條件下水力壓裂裂縫展布特征不夠清晰,頁巖儲層壓裂方式有待于改進;對多分支水平井頁巖氣生產(chǎn)過程中的頁巖芯產(chǎn)出認識程度較低,多分支水平井控制的影響關(guān)鍵因素及作用機制不清等直接制約了我國頁巖氣的開發(fā)和增產(chǎn)。目前,我國急需要開發(fā)適用于我國地質(zhì)條件的先進的生產(chǎn)工藝技術(shù),主要包括以下幾方面:定向水平井技術(shù)、低成本空氣鉆井、洞穴完井技術(shù)、壓裂技術(shù)、頁巖儲層保護技術(shù)、頁巖氣藏數(shù)值模擬技術(shù)等。我國目前頁巖氣生產(chǎn)規(guī)模比較小,沒有形成從鉆井、完井、生產(chǎn)到集輸?shù)囊惑w化程序。要選擇適合我國的頁巖氣開發(fā)技術(shù),首先要了解我國各地區(qū)頁巖儲層的特性(如粘土礦物成分及含量、脆性等),在借鑒國外頁巖氣開發(fā)先進工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化出適應(yīng)性較強的頁巖氣開發(fā)技術(shù)。通過國內(nèi)外頁巖儲層層位對比、國內(nèi)外頁巖儲層特性對比等,發(fā)現(xiàn)我國頁巖氣富集儲層埋深比美國大,厚度相當;頁巖儲層的鏡質(zhì)組反射率、總有機質(zhì)含量、孔隙度、滲透率等指標相當。國內(nèi)水平井鉆井技術(shù)、欠平衡鉆井技術(shù)、射孔完井、儲層改造、氣舉排水等技術(shù)發(fā)展已相對完善。二是政策問題。頁巖氣屬于非常規(guī)低品位天然氣資源,開發(fā)投資較大,風(fēng)險大,需要積極有效的政策支持。目前,我國缺乏鼓勵開發(fā)包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)油氣資源的政策體系。政府應(yīng)對非常規(guī)能源開發(fā)實施稅收補貼和鼓勵政策,應(yīng)設(shè)立專門的非常規(guī)油氣資源研究基金,以促進頁巖氣的開發(fā)和基礎(chǔ)研究。三是市場條件和基礎(chǔ)設(shè)施問題。目前我國應(yīng)建立健全的天然氣市場體系以及四通八達的天然氣管網(wǎng)和城市供氣網(wǎng)絡(luò),這樣可以減少頁巖氣開發(fā)在末端環(huán)節(jié)的前期投入,可以降低市場風(fēng)險,迅速實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)的市場化和商品化,提高頁巖氣的商業(yè)價值。此外,政府應(yīng)該進行大量區(qū)域性和基礎(chǔ)性頁巖氣資源調(diào)查、評價和研究工作,特別是對重點盆地和重點地區(qū)開展頁巖氣資源評價,進而促進頁巖氣資源勘探開發(fā)。3新技術(shù)總結(jié)3.1頁巖氣地質(zhì)資源開發(fā)和環(huán)境地質(zhì)關(guān)系研究根據(jù)我國頁巖分布和頁巖氣富集的地質(zhì)條件,在全國范圍內(nèi)開展頁巖氣地質(zhì)調(diào)查。充分利用已有的地質(zhì)資料,有針對性地部署實物工作量,通過調(diào)查,進一步查明我國頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)背景和條件,預(yù)測富含有機質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū),預(yù)測頁巖氣資源潛力與分布。同時,獲取系統(tǒng)的資料數(shù)據(jù),編制系列圖件,建成頁巖氣地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)資料集成系統(tǒng),形成系列調(diào)查研究成果。優(yōu)選頁巖氣富集有利目標區(qū)和勘探開發(fā)區(qū)。建立頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗區(qū)。同時,著力解決頁巖氣重大地質(zhì)問題和關(guān)鍵技術(shù)方法,形成頁巖氣資源技術(shù)標準和規(guī)范。3.2頁巖氣勘探的主要領(lǐng)域把落實資源并實現(xiàn)儲量穩(wěn)步增加放在首位。南方海相頁巖地層、北方湖相頁巖地層和廣泛分布的海陸交互相地層等將是今后頁巖氣勘探的主要領(lǐng)域。四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼等八大盆地頁巖氣富集條件優(yōu)越,是未來頁巖氣勘探的主要對象,含油氣盆地之外廣泛分布的頁巖也是重要的勘察目標。近期應(yīng)以川南、川東南、黔北、渝東南、渝東北、川東、渝東、鄂西為重點,加大勘探力度,加快勘探步伐,爭取獲得重大進展,提交頁巖氣儲量,發(fā)現(xiàn)大氣田,逐步加強頁巖氣開發(fā)。3.3基于頁巖氣特點的地質(zhì)理論體系建立的技術(shù)路線系統(tǒng)研究我國頁巖氣地質(zhì)理論。在分析我國頁巖氣地質(zhì)理論研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,重點研究我國頁巖的發(fā)育情況和頁巖氣的富集模式,系統(tǒng)研究我國頁巖氣資源分布規(guī)律、資源潛力和評價方法參數(shù)體系等。建立符合我國頁巖氣特點的地質(zhì)理論體系。通過近些年不斷探索,盡管我國頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究取得了一定進展,然而針對我國地質(zhì)特點的頁巖氣地質(zhì)理論還不成熟。應(yīng)結(jié)合目前起步的頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)、勘探開發(fā)研究,并盡快啟動鉆井、完井地質(zhì)的研究,進而建立符合我國頁巖氣特點的且對我國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)具有指導(dǎo)意義的較為完整的中國頁巖氣地質(zhì)理論體系。3.4巖氣勘探技術(shù)創(chuàng)新完善和創(chuàng)新頁巖氣地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、鉆探完井和壓裂等技術(shù)方法,形成多學(xué)科、多手段的綜合勘探技術(shù)方法體系,確?？碧侥繕说穆鋵嵑晚樌瓿伞ａ槍搸r氣特點,引進、吸收、提高、創(chuàng)新頁巖氣儲層評價技術(shù)、射孔優(yōu)化技術(shù)、水平井技術(shù)和壓裂技術(shù)。構(gòu)筑支撐頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)體系。確定我國頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)方向和重點,瞄準國際先進或領(lǐng)先水平,強化科技攻關(guān),建立頁巖氣關(guān)鍵技術(shù)、核心技術(shù)、重大先導(dǎo)、推廣技術(shù)、引進技術(shù)等分層次的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用保障體系。積聚力量,攻克難關(guān),逐步由技術(shù)引進向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變,推進原始創(chuàng)新,力爭跨越關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)門檻,提高頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)水平和競爭力。3.5頁巖氣地質(zhì)資料管理和服務(wù)規(guī)范頁巖氣地質(zhì)資料采集與匯交。依法開展頁巖氣原始和實物地質(zhì)資料的匯交,嚴格規(guī)范新形成頁巖氣地質(zhì)資料的匯交工作。建立頁巖氣地質(zhì)資料數(shù)據(jù)采集、加工、處理和存儲機制,推進頁巖氣地質(zhì)資料的數(shù)字化,實現(xiàn)頁巖氣地質(zhì)資料數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、協(xié)調(diào)和規(guī)范管理。建設(shè)頁巖氣地質(zhì)資料信息共享和社會化服務(wù)體系。建立健全頁巖氣地質(zhì)資料數(shù)據(jù)管理和服務(wù)工作新機制,形成完善的頁巖氣地質(zhì)資料匯交、交換和服務(wù)等相關(guān)技術(shù)標準體系。依法強化對頁巖氣地質(zhì)資料的管理和公共服務(wù)。建立頁巖氣地質(zhì)資料管理與社會化服務(wù)體系,提高頁巖氣地質(zhì)資料社會化利用效益,為政府資源管理和企業(yè)及社會提供服務(wù)。3.6培養(yǎng)一支政治素質(zhì)好、科技創(chuàng)新能力的專業(yè)人才培養(yǎng)頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)人才。加強人才培養(yǎng),擇優(yōu)選拔具有實際工作經(jīng)驗、組織管理能力和業(yè)務(wù)能力較強的中青年專家擔任項目負責人,通過頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā),在全國培養(yǎng)一批領(lǐng)軍人才和業(yè)務(wù)骨干。建立頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查多學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新團隊,在全國逐步形成眾多的頁巖氣戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)隊伍。開展頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)業(yè)務(wù)培訓(xùn)。采取多種形式,開展頁巖氣地質(zhì)理論和技術(shù)交流,提高理論技術(shù)水平和業(yè)務(wù)能力。依托頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查項目和勘探開發(fā)工程,積極開展形式多樣的頁巖氣技術(shù)和業(yè)務(wù)培訓(xùn)。4頁巖氣開采方式a)頁巖氣