關于中國頁巖氣勘探開發工作的思考

杜金虎 楊華 徐春春 梁世軍 皮學軍 王紅巖

1.中國石油勘探與生產分公司 2.中國石油長慶油田公司 3.中國石油西南油氣田公司4.中國石油吐哈油田公司 5.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

關于中國頁巖氣勘探開發工作的思考

杜金虎1楊華2徐春春3梁世軍4皮學軍1王紅巖5

1.中國石油勘探與生產分公司 2.中國石油長慶油田公司 3.中國石油西南油氣田公司4.中國石油吐哈油田公司 5.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

隨著全球經濟發展對油氣資源需求量的不斷增長以及常規油氣資源勘探開發難度的不斷加大,頁巖氣等非常規油氣資源在油氣供給中的比例將日益增加。近年來北美地區頁巖氣快速發展,主要得益于其優越的地質地表條件,得益于水平井及水力壓裂等核心工程技術的進步,得益于高效組織降低了成本,得益于政策的大力扶持。中國海相古生界頁巖具有分布面積廣、厚度大、有機質及脆性礦物含量高等有利成藏條件;同時,與北美頁巖相比,中國南方海相頁巖也存在沉積時代老、埋藏深、成熟度高、保存條件差、地表復雜等不利條件。鑒于此,中國在勘探開發頁巖氣過程中需要加強有利區塊評價優選,提高工程技術水平、加大應用力度,努力降低勘探開發成本,并積極尋求國家政策的支持。

中國 頁巖氣 成藏機理 勘探思路 開發技術 有利條件 不利因素

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中,以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集[1]。在頁巖氣藏中,天然氣賦存于細粒的粉砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖及石灰巖、白云巖或不同顆粒大小的混合巖性中,是天然氣生成之后在源巖層段內就近聚集的結果,表現為典型的“原地”成藏模式[2]。

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、對頁巖氣成藏條件認識的不斷深化、鉆井工藝的不斷進步,頁巖氣勘探開發正由北美向全球擴展。頁巖氣在非常規天然氣中異軍突起,成為全球非常規油氣資源勘探開發的新亮點。加快頁巖氣資源勘探開發,已經成為世界頁巖氣資源大國的共同選擇。

1 美國頁巖氣快速發展的有利條件

美國含頁巖氣盆地共有22個,可采資源量為16.9 ×1012m3,投入商業開發的主要有Fayetteville、Haynesville和Marcellus等盆地[3]。美國頁巖氣藏分布于海相古生代地層,大面積連續成藏;以吸附、溶解和游離3種狀態賦存,主要為吸附氣與游離氣;來源于生物成因類型、熱成因和混合成因等3種成因類型,以熱成因為主。

美國頁巖氣勘探始于1981年,至2009年底,完鉆頁巖氣井4.2×104口,2009年頁巖氣產量900×108m3,預計2015年可達到2 800×108m3。

1.1 美國頁巖氣成藏條件優越

1)地質背景好,頁巖廣泛分布、產狀平緩、后期斷層與褶皺不發育,埋藏深度適中。以Fort Worth盆地為例,其總體處于一個穩定的構造地質背景,Barnett頁巖廣泛穩定分布,具有開發潛力的面積為1.036× 104km2,核心區面積達到4 000 km2[4],埋深范圍主要介于1 000～3 500 m之間。

2)頁巖有機質豐度高,演化程度適中,TOC> 2%,干酪根類型為混合型,Ro>1.1%;核心區TOC介于2%～7%,Ro介于1.1%～1.7%。

3)頁巖層內有機質微孔隙、原生孔隙以及無機礦物之間的粒間孔發育,總孔隙度一般介于4%～12%,構成了游離氣儲集空間,是頁巖氣井早期高產的基礎。

4)具有良好的區域蓋層。頁巖氣儲層一般超壓,區域蓋層缺失將導致地層壓力降低,可能造成頁巖氣解吸和散失。另外,蓋層缺失容易使頁巖氣儲層與水層溝通,在頁巖氣儲層內產生地下水徑流,對頁巖氣儲氣具有較強烈的溶蝕作用。

1.2 關鍵技術的突破推動頁巖氣快速發展

美國頁巖氣勘探開發歷程證明,進行規模開發是頁巖氣工業化生產的關鍵[5]。由于頁巖氣單井產量低,為了提高效益,需要增加單井產量,為了獲得較高的總產量需要增加生產井數,兩項需求促進了相應工程技術的發展。

1.2.1 水平井部署和鉆井技術

在水平井的部署時,應考慮水平段在空間上的均勻分布,盡量使水平段避開斷層,垂直于天然裂縫帶延伸,因而需要優選水平段入靶位置、延伸方向。目前美國采用“餐叉式”叢式井組,每個井組一般5～10口水平井,水平段長1 000～1 500 m,兩水平井之間井距150 m。水平井鉆井工藝核心技術在于地質導向,目前規模應用最先進高效的旋轉地質導向系統Power-Drive Archer,可較好地控制井眼軌跡,造斜能力達到17°/30 m,進尺5 000 m的水平井只需要280 h。

1.2.2 壓裂改造技術

壓裂改造包括壓裂設計、壓裂施工以及壓后評價3個階段。壓裂設計過程中,優選射孔段、合適粒度和硬度的支撐劑,采取多段分簇、大規模的施工方式,對頁巖進行體積改造,目前,單井壓裂規模已達到“千方砂、萬方液”。

應用微地震技術實時進行壓裂效果檢測,掌握壓裂縫的延展方向、空間幾何形態和改造效果,明確主力產層段。

1.3 規模效應及高效組織降低了施工成本

頁巖氣勘探開發采取批量作業的方式,一個地區一次部署井位超過100口,通過新技術的規模應用、生產組織的合理高效運作,使得頁巖氣開發成本逐年下降,尤其是2009年上半年,每米進尺完井與壓裂改造費用由1 014美元降至709美元,為頁巖氣的快速發展打開了出路。

1.4 優惠政策為頁巖氣快速發展提供了良好的發展環境

美國政府1980年頒布的《能源意外獲利法》第29條稅款規定:1980—1992年間鉆探的非常規天然氣井生產出的可享受稅收補貼政策(頁巖氣為3.5美分/ m3);同時得克薩斯州對頁巖氣開發免收生產稅。這些措施為美國頁巖氣的發展創造了良好的環境。

2 中美頁巖氣成藏條件對比

我國海相古生界頁巖分布面積廣、厚度大,有機質含量與成熟度較高,具備頁巖氣成藏條件。南方地區元古界—古生界發育6套海相頁巖地層,其中志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組頁巖有機質含量高、厚度大,頁巖氣資源潛力大。目前中國頁巖氣勘探開發區域主要位于我國南方海相地區[6-8]。

我國南方地區具有與美國東部盆地相似的頁巖氣成藏地質條件和構造演化歷史,均屬于古生代海相沉積盆地;沉積環境為深水相沉積、淺—深水陸棚相;頁巖的TOC>2%,為富有機質頁巖,有機質類型為腐泥—混合型;頁巖脆性礦物含量較高,石英、長石、方解石等脆性礦物總含量大于40%[9-14]。應該看到,中國和美國頁巖氣成藏條件也存在較大的差異性(表1),主要表現在以下幾個方面:

1)中國南方海相頁巖沉積時代比美國老,主要以早古生代寒武紀和志留紀為主。目前美國頁巖氣開發的5個主要盆地中,頁巖的形成時代以晚古生代泥盆紀、密西西比紀和中生代白堊紀為主。

2)中國下古生界海相頁巖Ro值一般介于1.1%～4.6%之間,目前已演化至高—過成熟階段,頁巖有機質演化程度偏高。美國主要頁巖氣儲層Ro值一般介于0.4%～2.5%之間,正處于生氣高峰期。

3)美國目前已開發的頁巖氣藏埋深范圍主要在1 000～3 500 m之間;中國南方海相頁巖埋深小于3 000 m的范圍較小,部分頁巖儲層埋深可超過5 000 m,埋藏深度較大。

表1 中國南方下古生界海相頁巖與美國頁巖氣成藏條件對比表

4)美國大陸總體為一個穩定地臺,以海相沉積為主,頁巖氣藏構造條件較為簡單,頁巖氣儲層大面積連續分布,儲集條件較好;中國陸地總體以陸相沉積為主,可供勘探面積較小,僅在古生界揚子地塊、華北地區和塔里木盆地存在較為廣泛的海相頁巖沉積。

5)中國下古生界海相頁巖后期改造比美國強烈,尤其是南方的揚子地塊,盆地周緣頁巖地層抬升出露,盆地內部頁巖遭受斷層切割,氣體大量散失,保存條件不利。

6)地表條件差異大,美國Barnett頁巖主要分布于美國地勢較為平坦的地區;而中國目前認為頁巖氣成藏最有利的南方海相地區,多處于地形復雜的山區。

3 中國發展頁巖氣需要注意的幾個問題

通過分析我國頁巖氣成藏條件和資源潛力,筆者認為我國具備發展頁巖氣的基本條件,但在具體工作中需要注意4個方面的問題:

1)要加強有利區塊評價優選工作。我國頁巖氣勘探工作剛剛起步,需要借鑒美國頁巖氣選區評價經驗,結合我國頁巖氣成藏地質特點,在有利目標優選過程中,充分考慮儲層分布面積、埋藏深度、地勢和水源等問題。井位部署過程中應避開構造變動強烈的褶皺區,重點考慮大型寬緩的構造斜坡區。重點層系主要考慮下古生界寒武系和志留系頁巖。我國陸相盆地頁巖分布廣泛,在對海相盆地頁巖氣進行評價的同時兼顧陸相盆地頁巖氣地質研究工作。

2)在工程技術方面要提高技術水平、加大應用力度。具體來說,要加強測井解釋和綜合評價力度,加強多種學科的綜合應用、多種信息的綜合分析評價,測井資料的綜合解釋應用,不斷提高研究水平;要加大水平井應用力度,提高部署水平、施工水平、鉆井速度及綜合效益;要規模應用水平井分段壓裂技術,根據水平段內巖性、物性及應力的變化,分段設計相應的施工參數進行壓裂,最終在水平井段形成多條相互獨立的人工裂縫系統,改善近井地帶滲流條件,提高單井產量;要盡快開展壓裂監測工作,引進相關技術,實時研究裂縫擴展規律,及時采取有效措施控制裂縫的擴展形態,保證壓裂質量,評價壓裂效果,改進壓裂措施以及優化后期部署方案。

3)要努力降低勘探開發成本。目前,我國頁巖氣相關作業成本過高,嚴重制約了頁巖氣產業的發展;必須通過規模部署、提速增效、精細組織等合理有效的手段,降低頁巖氣勘探開發成本,只有實現效益開發,頁巖氣生產才有出路。

4)要積極尋求國家政策的支持。借鑒美國的做法,積極爭取頁巖氣在稅收、財政補貼等方面的優惠政策,為推動頁巖氣的發展創造良好的外部環境,調動能源企業參與發展頁巖氣的積極性。

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10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.002

2011-04-19 編輯 趙 勤)

杜金虎等.關于中國頁巖氣勘探開發工作的思考.天然氣工業,2011,31(5):6-8.

杜金虎,1959年生,教授級高級工程師;1983年畢業于原成都地質學院石油系,現任中國石油勘探與生產分公司副總經理,長期從事油氣勘探工作,2002年享受國務院政府津貼,2009年獲“李四光野外地質工作獎”,著有《二連盆地隱蔽油氣藏勘探》、《中國東部裂谷盆地地層巖性油氣藏》等專著。地址:(100007)北京市東直門北大街9號B座。電話:(010)59986287。E-mail: dujinhu@petrochina.com.cn