頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀與前景

付 琛 張建營(yíng) 周世明

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266000）

1 頁(yè)巖氣賦存條件分析

頁(yè)巖在地層組成上,多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。在頁(yè)巖中,天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣。除極少量的溶解狀態(tài)天然氣以外,大部分均以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面,或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀天然氣的賦存與有機(jī)質(zhì)含量密切有關(guān),它與游離狀天然氣含量之間呈彼此消長(zhǎng)關(guān)系,其中吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20%~85%之間。因此從賦存狀態(tài)觀察,頁(yè)巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85%以上)和常規(guī)圈閉氣(吸附氣含量通常忽略為零)之間。頁(yè)巖氣成藏體現(xiàn)出了非常復(fù)雜的多機(jī)理遞變特點(diǎn),除天然氣在孔隙水、干酪根有機(jī)質(zhì)以及液態(tài)烴類中的溶解作用機(jī)理以外,天然氣從生烴初期時(shí)的吸附聚集到大量生烴時(shí)期的活塞式運(yùn)聚,再到生烴高峰時(shí)期的置換式運(yùn)聚,體現(xiàn)出了頁(yè)巖氣自身所構(gòu)成的完整性天然氣成藏機(jī)理序列。

2 頁(yè)巖氣的生成

第一階段是天然氣在頁(yè)巖中的生成、吸附與溶解逃離,具有與煤層氣成藏大致相同的機(jī)理過(guò)程。在天然氣的最初生成階段,主要由生物作用所產(chǎn)生的天然氣首先滿足有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面吸附的需要,當(dāng)吸附氣量與溶解的逃逸氣量達(dá)到飽和時(shí),富裕的天然氣則以游離相或溶解相進(jìn)行運(yùn)移逃散,條件適宜時(shí)可為水溶氣藏的形成提供豐富氣源。此時(shí)所形成的頁(yè)巖氣藏分布限于頁(yè)巖內(nèi)部且以吸附狀態(tài)為主要賦存方式,總體含氣量有限。在熱裂解氣大量生成過(guò)程中,由于天然氣的生成作用主要來(lái)自于熱化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,它將較高密度的有機(jī)母質(zhì)轉(zhuǎn)換成較低密度的天然氣。在相對(duì)密閉的系統(tǒng)中,物質(zhì)密度的變小導(dǎo)致了體積的膨脹和壓力的提高,天然氣的大量生成作用使原有的地層壓力得到不斷提高,從而產(chǎn)生原始的高異常地層壓力,即/高壓鍋原理。由于壓力的升高作用,頁(yè)巖內(nèi)部沿應(yīng)力集中面、巖性接觸過(guò)渡面或脆性薄弱面產(chǎn)生裂縫,天然氣聚集其中則易于形成以游離相為主的工業(yè)性頁(yè)巖氣藏,此時(shí)頁(yè)巖氣藏的形成在主體上表現(xiàn)為由生氣膨脹力所促動(dòng)的成藏過(guò)程,天然氣原地或就近分布,構(gòu)成了擠壓造隙式的運(yùn)聚成藏特征。

在通常情況下,與頁(yè)巖間互出現(xiàn)的儲(chǔ)層主要為粉-細(xì)砂巖類,具有低孔低滲特點(diǎn),它限定了天然氣的運(yùn)移方式為活塞式排水特點(diǎn),這種氣水排驅(qū)方式從頁(yè)巖開始,從而在頁(yè)巖邊緣以活塞式推進(jìn)方式產(chǎn)生根緣氣聚集。此時(shí)的天然氣聚集已經(jīng)超越了頁(yè)巖本身,表現(xiàn)為無(wú)邊、底水和浮力作用發(fā)生的地層含氣特點(diǎn)。因此從整套頁(yè)巖層系考察,不論是頁(yè)巖地層本身還是薄互層分布的砂巖儲(chǔ)層,均表現(xiàn)為普遍的飽含氣性。若地層中的砂巖含量逐漸增多并逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾旅苌皫r為主,則頁(yè)巖氣藏逐漸改變?yōu)楦墯獠亍Ｈ绻鷼饬坷^續(xù)增加,則天然氣分布范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,直到遇常規(guī)儲(chǔ)層或輸導(dǎo)通道后,天然氣受浮力作用而進(jìn)行置換式運(yùn)移,從而導(dǎo)致常規(guī)圈閉氣藏的大范圍出現(xiàn)。

3 國(guó)外頁(yè)巖氣開發(fā)情況

1821年,美國(guó)鉆探了第一口商業(yè)性頁(yè)巖氣井,井深8.23米二戰(zhàn)后,天然氣成為重要能源,極大地推動(dòng)了美國(guó)包括頁(yè)巖氣在內(nèi)的天然氣開采到20世紀(jì)70年代后期,美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)已步入規(guī)模化產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段,年產(chǎn)頁(yè)巖氣20億立方米左右。近10年,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展階段,頁(yè)巖氣產(chǎn)量不斷增長(zhǎng),提高了美國(guó)國(guó)內(nèi)天然氣供給能力,緩解了進(jìn)口壓力,增強(qiáng)了美國(guó)的能源安全。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000年全美頁(yè)巖氣產(chǎn)量近200億立方米,頁(yè)巖氣井2.8萬(wàn)口,開發(fā)企業(yè)10余家;到2008年,頁(yè)巖氣產(chǎn)量增至507億立方米,占全美天然氣總產(chǎn)量的9%左右,年均增長(zhǎng)12.5%,頁(yè)巖氣井超過(guò)4萬(wàn)口,開發(fā)企業(yè)達(dá)到64家據(jù)預(yù)測(cè),美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量將繼續(xù)保持較快增長(zhǎng),2010年產(chǎn)量將達(dá)到830億立方米,超過(guò)煤層氣產(chǎn)量;2015年達(dá)到2800億立方米,約占當(dāng)時(shí)全美天然氣產(chǎn)量的40%。目前,美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)主要集中在五大頁(yè)巖氣區(qū),其中,位于美國(guó)得克薩斯州的沃思堡盆地的巴納特(Barnett)頁(yè)巖氣區(qū),截至2008年底完鉆頁(yè)巖氣生產(chǎn)井271口,獲得頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量2.7萬(wàn)億立方米,同年生產(chǎn)頁(yè)巖氣366億立方米,其核心產(chǎn)區(qū)NewarkEast氣田頁(yè)巖氣產(chǎn)量超過(guò)110億立方米,成為美國(guó)境內(nèi)12個(gè)大氣田之一。

4 我國(guó)頁(yè)巖氣的現(xiàn)狀與展望

1966年在四川盆地威遠(yuǎn)構(gòu)造鉆探的威5井，在2795~2798m井深寒武系笨竹寺組頁(yè)巖中獲口產(chǎn)氣2.46 X 104m3，成為中國(guó)早期發(fā)現(xiàn)的典型的頁(yè)巖產(chǎn)氣井。2000年以來(lái)，中國(guó)政府及相關(guān)企業(yè)就已高度重視頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)，密切注視北美頁(yè)巖氣的發(fā)展動(dòng)態(tài)。近年來(lái)，更是將頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)提到重要口程。2006年中國(guó)石油與美國(guó)新田石油公司進(jìn)行了首次頁(yè)巖氣國(guó)際研討，2007年進(jìn)一步開展了威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣潛力與開發(fā)可行性聯(lián)合研究;2008年國(guó)土資源部在全國(guó)油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)中確立了中國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力和有利區(qū)帶優(yōu)選項(xiàng)目。2009年中國(guó)石油與美國(guó)、挪威等國(guó)專家組織召開了頁(yè)巖氣國(guó)際研討會(huì)，與殼牌(Shell)公司在四川盆地富順一永川區(qū)塊啟動(dòng)了中國(guó)第一個(gè)頁(yè)巖氣國(guó)際合作勘探開發(fā)項(xiàng)目，在四川盆地威遠(yuǎn)一長(zhǎng)寧、云南昭通等地區(qū)率先開展了中國(guó)頁(yè)巖氣工業(yè)生產(chǎn)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)。國(guó)土資源部與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)在四川盆地東部鉆探了地質(zhì)調(diào)查井一一渝頁(yè)1井，探索了頁(yè)巖地層廣泛出露區(qū)和高陡構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的頁(yè)巖氣勘探前景。中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院、中國(guó)石油西南油氣田公司綜合運(yùn)用伽馬能譜儀、元素捕獲儀、探地雷達(dá)、陸地激光三維全信息掃描儀等新技術(shù)，開展了中國(guó)南方古生界頁(yè)巖露頭地質(zhì)調(diào)查與實(shí)測(cè)，在四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)建立了中國(guó)第一個(gè)海相頁(yè)巖地層數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)剖面一一長(zhǎng)寧雙河上奧陶統(tǒng)五峰組一下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖地層剖面。國(guó)土資源部、石油企業(yè)和相關(guān)科研院校開展了中國(guó)揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣資源調(diào)查與選區(qū)評(píng)價(jià)示范區(qū)建設(shè)，使中國(guó)頁(yè)巖氣占天然氣消費(fèi)量的50%到100%。總之，借鑒北美頁(yè)巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、廣泛的國(guó)際交流與合作，目前中國(guó)已在南方多個(gè)地區(qū)開展針對(duì)古生界海相頁(yè)巖地層的頁(yè)巖氣工業(yè)化勘探開發(fā)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)，正在進(jìn)行揚(yáng)子、鄂爾多斯、塔里木、渤海灣、松遼等盆地或地區(qū)的頁(yè)巖氣基礎(chǔ)研究和前期評(píng)價(jià)。但中國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)和相關(guān)研究起步較晚，目前總體仍處于起步階段。

近幾十年來(lái)，頁(yè)巖氣的開發(fā)走過(guò)了漫長(zhǎng)曲折的道路。頁(yè)巖氣的研究和勘探開發(fā)最早始于美國(guó)，1821年美國(guó)東部第一口頁(yè)巖氣井開鉆，20世紀(jì)20年代開始步入規(guī)模化生產(chǎn)，20世紀(jì)70年代頁(yè)巖氣勘探開發(fā)區(qū)擴(kuò)展到美國(guó)中西部地區(qū)。到現(xiàn)在已經(jīng)近40年了。我們可以預(yù)見到21世紀(jì)中期，在政策、價(jià)格和開發(fā)技術(shù)進(jìn)步等因素的推動(dòng)下，頁(yè)巖氣或?qū)⒊蔀槭吞烊粴猱a(chǎn)業(yè)最重要的勘探開發(fā)目標(biāo)和領(lǐng)域。

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［2］張大偉.加快中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)和利用的主要路徑[J].天然氣工業(yè)，2011(05).

［3］張煥芝,何艷青.全球頁(yè)巖氣資源潛力及開發(fā)現(xiàn)狀[J].石油科技論壇,2010,29(06):53-57.