頁巖氣壓裂系統分析

安健寧，王國付，劉傳馳，王衛強

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

頁巖氣壓裂系統分析

安健寧，王國付，劉傳馳，王衛強

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

頁巖氣系統其本質主要是由連續性生物、生物堆積形成的有機物礦藏。頁巖氣是儲存在天然裂縫和孔隙之間的氣體，氣體吸附在粘土顆粒表面，或者溶解在油母巖質和瀝青中。通過對美國安特里姆頁巖現場開采的分析，了解到頁巖氣的成功開采需要進行水力壓裂的配合。結合美國的成功案例，對我國頁巖氣開采方式展開討論。

頁巖氣；生物堆積；天然裂縫；水力壓裂

1 頁巖氣系統概況

美國在1999年開始生產頁巖氣，其中密歇根盆地泥盆世安特里姆頁巖和泥盆世俄亥俄州阿巴拉契亞盆地頁巖約占總數的84%。天然氣年產量也在穩步增加，通過不斷的探索和發展，又開發出三個有機頁巖地層:新奧爾巴尼泥盆紀頁巖在伊利諾斯州盆地,沃思堡的密西西比州的巴涅特頁巖盆地,白堊紀劉易斯在圣胡安盆地頁巖。在已知的盆地中，頁巖氣資源含量巨大，其含量高達497 ～ 783 tcf，使用已知技術進行開采，預估資源可產量可從31提升至76 tcf。其中俄亥俄地區頁巖占其最大份額。

1.1 頁巖氣發展歷史背景

在1627-1669年由法國探險家和傳教士最早發現并引用黑色（富含有機物）阿巴拉契亞盆地頁巖。他們指出最早的石油天然氣就出自紐約西部的泥盆紀頁巖[6]。但人們通常認為美國真正的天然氣行業是在1821年開始的。第一個完成對泥盆紀頁巖開采的是在紐約的肖托夸縣。開采出的氣體用于村莊照明。這一發現要比賓夕法尼亞州著名的的雷克油氣藏要提早35年以上。

在1863年在肯塔基州西部開始對泥盆紀頁巖密西西比頁巖進行頁巖氣勘探與開發。直到1870年，頁巖氣的開發開始向西傳播沿著南海岸線到俄亥俄州東北部的伊利湖。到了20世紀20年代，頁巖氣的開采工作已經發展到維吉尼亞州西部、肯塔基州以及印第安納州。1926年在肯塔基州和西佛吉尼亞州東部發現世界上已知最大的泥盆紀頁巖氣藏。1976年美國能源部發起了對東部頁巖氣地質、地球化學以及石油工程方面的研究，加快了頁巖氣發展的步伐。

圖1 天然氣產量圖Fig.1 Natural gas production figure

在20世紀80年代末到90年代初，美國天然氣技術研究所（GRI）在原有研究成果上更全面的評價與分析泥盆紀頁巖與密西西比州頁巖的頁巖氣開采潛力以及提高生產量[7]。在20世紀80年代密西西比州的巴涅特頁巖沃思堡盆地和白堊紀路易斯圣胡安盆地的頁巖油氣開采已經逐步走向商業化生產，到了90年代最為活躍的天然氣開采是在密歇根的安特里姆泥盆紀頁巖。（如圖1）美國在1979年到1999年之間頁巖氣產量增加超過七成。1998年頁巖氣產量占全美天然氣產量的1.6%，占已探明天然氣儲量的2.3%。

1.2 頁巖氣系統概述

圖2 頁巖氣形成地理位置Fig.2 Geographical location where shale gas formation

圖3 資源示意圖Fig.3 Resource diagram

美國頁巖氣地層形成于古生代和中生代的美國大陸架，（圖2）是通過連續積累而成的非常規油氣資源即頁巖氣[1]，頁巖氣的生產是一個十分龐大的系統模式，這個龐大的系統又是有小的系統分支所組成。金字塔資源示意圖，如（圖3）所示，這一概念早在1970年代末首次用于分析天然氣在低滲油藏中積累。如果想開發出金字塔最底層的礦產資源，需要考慮到降低運營成本、如何控制油價走勢，同時需要更先進的生產技術支持。人們逐漸意識到處于金字塔底部的待開發資源代表著石油系統資源的潛力。早在1800年美國建造頁巖氣作業現場的就超過了28 000人。目前除了美國很少有國家大規模開采頁巖氣。由于技術不成熟以及投資過高等原因沒有一個完善的頁巖氣生產系統。頁巖油氣存在于細小顆粒、粘土以及富含有機物的巖石中，由他們組成氣體源和儲集巖含油系統。產生能量的氣體石油生物源長期儲存在巖石夾層中吸收碳氫氧化物，并且以氣體的形式游離在油母頁巖和瀝青的粒間孔隙中[2]。對于氣體飽和度大的區域需要采取十分謹慎細密的機制。假設巖石標本成分是變量,從膨潤土(圣胡安盆地)到頁巖(阿巴拉契亞和沃思堡盆地)再到冰堆物(密歇根盆地)最后碳酸鹽巖(伊利諾斯州盆地)都在隨之發生變化。產熱是由生物氣構成，存在于頁巖氣儲層，然而在密歇根州和伊利諾伊州盆地生物氣似乎又占主導地位。如果產氣經濟效益一般，需要增加頁巖內在滲透率（小于0.001d）。完井現場采用水力壓裂技術解決天然裂縫系統和進行新的破裂。不到10%的頁巖氣井成功的借鑒水庫的壓裂方式進行系統作業。在開發初期這些地層裂縫一般采用硝酸甘油、推進劑配合各種水力壓裂技術。

2 頁巖系統分析

在美國頁巖的開采已經發展成為一個很完整的體系。目前開采量較大的在美國有五個地區，分別是安特里姆、俄亥俄州、新奧爾巴尼、巴奈特以及路易斯，本文對安特里姆密歇根盆地頁巖進行系統分析。美國五個地點的地質、化學物質含量以及儲層參數如表1。

表1 儲層參數Table 1 Reservoir parameters

2.1 安特里姆密歇根盆地的頁巖

安特里姆頁巖是一種較為普遍的頁巖資源，其含有豐富的有機物頁巖沉積系統，而密歇根克拉通內盆地是一個坐落在東部內陸的沉積中心。盆地充滿超過5 182 m的沉積物以及274 m的頁巖。構造基礎是在構造盆地的中心附近大約低于海平面732 m。安特里姆地層學相對簡單，通常完井的方式與要求都低于總厚度接近49 m的加拿大拉欽以及英國的諾伍德，拉欽和諾伍德的總有機碳含量占總重量的0.5%～24%。這些黑色頁巖含有豐富的硅（其中20%～41%來自風化的淤泥以及微晶石英）、白云巖、灰巖凝固物、硫化物、硫酸鹽以及硫酸鹽水泥等。對于較低的安特里姆帕克斯頓,是含有石灰和灰色泥巖的混合巖性頁巖，其中還含有0.3%～8% TOC和7%～30%的硅。

安特里姆頁巖氣的形成是雙重起源、是由熱成熟的油母頁巖和微生物(或生物)以及細菌代謝活動產生熱量。在1998年由馬提尼提出的地層水化學、氣體的產生和地質歷史等因素造成微生物對于北美地區產氣量起著十分重要的影響作用。

成熟的裂縫網不僅可以運輸安特里姆頁巖氣和原生水，還可以從新的冰磧的上覆水層影響大氣水細菌的入侵。氘甲烷同位素成分(dD)和聯合形成水域為產甲烷細菌提供了最有力的證據。同時馬提尼還提出了另一種動態關系，裂縫發展和新冰磧上覆水層關系，冰層負荷的提高是由于在水頭處先前存在天然裂縫的擴張，使流入大氣水的(充電)促進甲烷細菌的生成。通過基于甲烷：（乙烷＋丙烷）的比率和同位素碳13所組成的乙烷產生，可以確定少量產熱氣體（20%）的成分。內向產熱系統的氣體成分比例增加，增加的因素會取決于油母頁巖的成熟度。

2.2 安特里姆頁巖油氣系統

通過深入分析烴源巖之間的相互作用、圈閉、儲層巖石、技術人員的常規要求和經驗以及對氣體后期的分析等這些因素組成一個成熟的石油系統。這種理念石油馬古恩提出，評估一群活躍烴源巖和產生油氣藏之間的遺傳關系。含油氣系統主要因素是由石油烴源巖、儲集巖、海豹巖和復蓋巖層。在此過程中必須考慮圈閉的形成、遷移、碳氫化合物的積累，在一定時間和空間內完成。應用這一概念的核心就是對于時間點的確定，也就是說這一時間點也最能代表碳水化合物生成、遷移以及積累所用的時間。此外,這些過程可能發生在不同時間段。在任何情況下,頁巖中油氣運移距離相對較短。位于頁巖的加熱段或失水段的常見儲層也可能被同樣的泥質烴源巖所生成的油氣充滿。與其他非常規石油系統討論相類似，頁巖氣壓裂系統不具備任何單獨定義。拉欽和諾伍德以及較低的安特里姆頁巖，構成生油巖層和儲層巖都是含有豐富有機物的頁巖地層，例如油母頁巖和儲集巖的構成。壓裂是通過產生張力導致儲層發生滲透的過程，這個張力可能由如下過程產生的壓力引起：內部由油母頁巖到瀝青的熱熟化過程引起，或者是由外部構造力引起，或者兩者兼有。

頁巖地層占據超過75%的礦藏地層，需要解決與頁巖穩定性相關聯的問題，石油和天然氣行業仍然在解決相關鉆井問題。相關問題包括井壁坍塌、縮徑、洗井、塑性流動、壓裂井漏、井控，鉆井過程中最大的問題是如何提高井筒穩定性以及控制鉆井成本。這些問題主要是由于巖石應力與強度之間在鉆進的過程中易產生失衡，鉆井液就是用來將導致應力與強度失衡的巖石攜帶出，代替這些巖石使井內保持平衡，在鉆探過程中，在鉆進時鉆孔附近的應力超過其本身的強度導致頁巖地層不穩定。頁巖與其他巖石最根本的區別在于鉆井液的水敏性。影響頁巖穩定性包括頁巖本身的性能（例如礦物學、孔隙度）以及鉆井液的性能（潤濕性、密度、鹽度和離子濃度）兩大方面。由于裂縫的存在和產生，我們需要通過鉆井液對易破碎巖層進行壓裂和射孔，通過頁巖和鉆井液的相互作用改變有效應力和頁巖強度來改善由于鉆井液本身引起的孔隙壓力不穩定。由于應力和強度變化通常發生在一段時間內，所以頁巖穩定性也是一個時變問題。防止頁巖的不穩定性需要更好的理解造成頁巖穩定性的機理選擇合適的鉆井液[8]。

3 頁巖氣開發展望

頁巖氣是一種非常規天然氣新型能源，在世界新能源的推動下，中國也掀起了新一輪能源開采的熱潮，作為新型能源，目前國內開采經驗尚短，依據國外的先進技術配以目前的新行業標準，對頁巖油氣礦藏可以進行不斷完善。在生產天然氣商業展覽時發現五個關鍵參數的值: 熱成熟度、氣體吸附分數、儲層厚度、有機碳總含量和氣體體積。天然裂縫的發育程度受頁巖儲層低矩陣滲透控制的因素所影響。美國天然氣實行大規模生產是從頁巖氣開始的，考慮到無論是從技術上還是資源含量上看，頁巖氣是一項可持續發展的資源類型。天然氣的形成是由巖層斷裂引發的，在美國古生代和中生代頁巖地層是富含豐富有機物的，考慮到烴源巖、儲層、密封以及圈閉可以構建出油氣系統的框架。另外必須考慮氣體的來源,是否生物產生熱量,潛在定義進化的關鍵是碳氫化合物。本文討論的安特里姆頁巖氣系統均表現出大量的關鍵地質和地球化學參數，但是每個系統都可以生產可供銷售的天然氣。盡管如此，將如此大量的天然氣帶入市場對運營商來說也是一個很大的挑戰。雖然，通過采用適當的增產措施提高裂縫和基質滲透率，是實現經濟氣體流率的關鍵，但是有機物必須足夠生成最初的儲層氣。因此，對整體或局部頁巖內有機物的成因的解析，以及巖石力學對頁巖有機物的影響的分析是確定它們與產氣能力之間復雜關系的關鍵步驟。質量差的因素可以由另一個因素來進行補償，無論怎樣，頁巖氣的量產即使在地質和地球化學處于最佳值時期也有很大難度。

從開采角度上看，開采頁巖氣所使用的方法是水平井水力壓裂，但我們需要從美國頁巖氣開采的過程中得到一些啟示，雖然該方法是目前較為有效的頁巖氣開采方式，但是由于其對環境影響巨大，例如在壓裂過程中需要大量的水，對于壓裂反排液的慢滲會直接影響地層，壓裂液中還經常含有苯的衍生物等有毒化學物質，最終造成嚴重污染[10]， 同時還有在頁巖氣開采現場周圍還出現過地震現象，我們還應慎用該法進行開采，同時對鉆井液以及完井液做到高效低污染，要注重現場廢液的有效分解與回收，在提高采收率的同時要保障資源的綠色可循環開采。

4 結 論

通過對美國頁巖氣藏的深入了解，以及對現場性能參數的分析，不難得到以下結論：

（1）由于頁巖氣的地層比較特殊，分析其歷史形成以及地層構造，從而得出使用壓裂方式對頁巖氣進行實地開采。

（2） 借鑒目前較為成功的水平井水力壓裂的開采方式，在我國進行調試與使用。同樣的，含油氣系統主要是由石油烴源巖、儲集巖、海豹巖和復蓋巖層組成。在設計系統過程中必須考慮圈閉的形成、遷移、碳氫化合物的積累。應用這一概念的核心就是對于時間點的確定，也就是說這一時間點也最能代表碳水化合物生成、遷移以及積累所用的時間。通過確定積累時間，我們可以判定頁巖氣藏的含量、氣體吸附分數、儲層厚度、有機碳總含量和氣體體積等等，對系統方案的模擬起到十分重要的作用。

（3）針對水利壓裂這一開采方法，還存在很多不足，例如對環境的破壞，從用水量、污染地層、廢液中有毒化學物質含量過高等等。我們在有效開采的同時要對其進行優化使用，在美國頁巖氣開發的基礎上改善壓裂用水方式以及控制廢液排放量等方面加以重視。

［1］Curtis U S. Geological Survey National Oil and Gas Resource Assessment Team Report, [R].Geological Survey National Oil and Gas Resource Assessment Team, 2001.

［2］Schettler P D, C R Parmely.The measurement of gas desorption isotherms for Devonian shale[J]. Gas Shales Technology Review, 1990,7.

［3］Kuuskraa V A, G Koperna, J W Schmoker, J C Quinn.Barnett Shale rising star in Fort Worth basin[J]. Oil & Gas Journal, 1999, 21: 67-68;71-76.

［4］劉偉,李唯多,閆夕堯,等.頁巖氣水力壓裂技術產生的環境問題分析[J].中國石油和化工標準與質量,2014(13):122-122.

［5］Hill D G, C R Nelson. Gas productive fractured shales—an overview and update [J]. GasTIPS, 2000(6): 4-13.

［6］閆晟.柴北緣西大灘地區頁巖氣成藏條件研究[D].西安科技大學,2013．

［7］周慶凡,白振瑞,楊國豐,等.美國頁巖氣發展現狀及對我國的啟示[J].中國石化,2011(9):15-18．

［8］Manohar Lal, Shale Stability.Drilling Fluid Interaction and Shale St rength[J]. M.LAL， SPE 54356，1999:2-3．

［9］田磊,劉小麗,楊光,等.美國頁巖氣開發環境風險控制措施及其啟示[J].天然氣工業, 2013,33(5):115-119.

國際磷肥市場需求減弱

國際市場需求量不高，當前普鈣、重鈣市場整體出口量較少，因出口對于肥料的品質要求較為嚴格，且進口商要求多多，即便有出口訂單，運輸等方面依舊困難重重，甚至因個別企業因前期出口質量較低，已有國家禁止中國磷肥入港，使得行情壓力進一步凸顯。雖近兩年政府通過關稅來調節，從下圖可以看出重鈣普鈣的年出口量略好于前幾年：12年重鈣共出口了85.30萬噸、普鈣69.87萬噸，13年重鈣共出口了77.57萬噸、普鈣60.42萬噸，14年重鈣共出口了87.97萬噸、普鈣74.96萬噸；15年1-8月份重鈣共出口了61.82萬噸、普鈣63.96萬噸。

Analysis on Fracturing System of Shale Gas Reservoir

AN Jian-ning，WANG Guo-fu，LIU Chuan-chi，WANG Wei-qiang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Shale gas system is organic matter deposit formed by biological accumulation in nature. Shale gas is a kind of gas stored in natural fractures and pores; it is adsorbed on the surface of clay particles, or dissolved in kerogen and asphalt. In this article, through analysis of recovering Antrim shale field, it’s learned that the hydraulic fracturing must be required in order to successfully recover shale gas. Combined with successful cases in the United States, the mode of recovering shale gas in China was discussed.

Shale gas; Biological accumulation; Natural fracture; Fracturing

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）10-2468-04

2015-04-22

安健寧（1988-），女，遼寧撫順人，碩士，2015年畢業于遼寧石油化工大學油氣田開發專業，研究方向：從事鉆井液技術工作。E-mail：donas_jianning@163.com。