中國頁巖氣勘探開發(fā)淺析

安少輝，張作宏，湯少兵

（1.中國石油集團海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室固井技術研究室，天津300451；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051）

中國頁巖氣勘探開發(fā)淺析

安少輝*1，2，張作宏3，湯少兵1，2

（1.中國石油集團海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.中國石油天然氣集團公司鉆井工程重點實驗室固井技術研究室，天津300451；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，四川成都610051）

隨著世界能源消費的不斷攀升，規(guī)模儲量大、易探好采的常規(guī)能源越來越少，頁巖氣作為一種清潔的非常規(guī)能源越來越受到重視。頁巖氣的開發(fā)利用，成為低碳經(jīng)濟戰(zhàn)略發(fā)展機遇的推動力。我國頁巖氣資源豐富，儲量位于世界前列，主要盆地和地區(qū)頁巖氣資源量約為（21.5～45）×1012m3，與美國大致相當，經(jīng)濟價值巨大。我國頁巖氣資源分為海相、陸相2種類型，其中海相頁巖氣儲量約占我國頁巖氣總儲量的70%。志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組有機質(zhì)含量高，層位厚，擁有巨大的頁巖氣資源開發(fā)潛力。利用水平井鉆完井和壓裂技術可以提高頁巖氣井產(chǎn)量和最終采收率，更為經(jīng)濟有效地開發(fā)頁巖氣資源。我國頁巖氣開發(fā)中仍然面臨一些問題亟待解決，包括技術準備、資源儲量評價、政策研究到開發(fā)模式等方面，都需借鑒北美的成功經(jīng)驗，走出一條適合我國自己的頁巖氣開發(fā)之路。

頁巖氣；儲量分布；進展；勘探開發(fā)；前景

隨著全球天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了3個引人注目的特征。一是我們都認識到21世紀是一個天然氣的世紀；二是低碳經(jīng)濟和環(huán)境保護是世界發(fā)展的主題；三是非常規(guī)天然氣不僅僅改變了國際能源格局，同時也成為全球熱點。

相對于常規(guī)天然氣，頁巖氣絕對是一個全新的領域。隨著頁巖氣在美國的快速開發(fā)，產(chǎn)量快速增長，使得一些LNG項目暫停進口或推遲。我國對天然氣有著極大的需求，然而，從中亞進口的天然氣和中國東南沿海丘陵地區(qū)的LNG項目每方氣的估價較高。相對來講，中國有著豐富的頁巖氣資源，因此加快頁巖氣開發(fā)利用對促進中國經(jīng)濟的可持續(xù)性增長和緩解中國的石油資源短缺有著重要的戰(zhàn)略意義。

1　中國的頁巖氣儲量分布

1.1頁巖氣的定義

頁巖氣主要以吸附和游離方式賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中的生物成因或熱成因天然氣，是一種特殊的非常規(guī)天然氣，一般來說氣層壓力低、低產(chǎn)，需要大型水力壓裂和水平井技術進行開采，頁巖氣單井生產(chǎn)周期長。

1.2全球頁巖氣儲量豐富

根據(jù)IHS的預測，全球頁巖氣總儲量為456× 1012m3，是常規(guī)天然氣儲量的1.4倍。頁巖氣主要分布在北美、中亞和中國、中東、北非和全世界有非常規(guī)天然氣資源的其他地區(qū)。世界非常規(guī)天然氣儲量分布見表1。

1.3中國頁巖氣資源特征［1］

中國頁巖氣資源分為海相、陸相2種類型，分布特征為華南：古生界海相頁巖；華北：古生界海相頁巖；塔里木盆地：∈-O海相頁巖；松遼盆地：白堊紀湖相頁巖；準格爾盆地：P/J1-2湖相頁巖；鄂爾多斯盆地：三疊系頁巖；吐哈盆地：J1-2頁巖。

南志留系和寒武系是主要目的層，南元古界—古生界形成了6個海相頁巖地層，志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組有機質(zhì)含量高，層位厚，擁有巨大的頁巖氣資源開發(fā)潛力。南海相頁巖有機碳含量、厚度表見表2。

1.4頁巖氣儲量的地質(zhì)評估

表1　世界非常規(guī)天然氣儲量分布

總體評價方法分為以下幾種，類比法：如果評價地區(qū)和模擬區(qū)域有近似的油氣地質(zhì)條件，那么我們認為這2個區(qū)域的油氣富集程度是大致相同的；成因法：烴源巖生成的油氣儲量可以通過油氣的有機成因理論進行評估，開采因素可以了解該研究地區(qū)的油氣可采儲量；統(tǒng)計分析法：研究地區(qū)油氣層不同評估單元的油氣儲量和與之相關聯(lián)的每一個因素要分別進行詳細的計算和分析，最后計算出不同可能性條件下的油氣儲量。

表2　南海相頁巖有機碳含量、厚度表

對于勘探程度低的頁巖氣資源采用類比法進行研究評估。中國的主要盆地和地區(qū)的頁巖氣儲量采用類比法進行評估。中國的主要盆地和地區(qū)與國外相似類型盆地的頁巖氣儲量評估結果見表3。

表3　中國的主要盆地和地區(qū)與國外相似類型盆地的頁巖氣儲量評估結果

中國的主要盆地和地區(qū)的頁巖氣儲量為（21.5～45）×1012m3。

古生界頁巖氣儲量是古界中生代南部和西北部主要平面分布區(qū)域的2倍，四川盆地、鄂爾多斯盆地的古生界等是頁巖氣勘探的主要層位。在四川盆地，累積厚度最厚的筇竹寺組頁巖總有機碳含量大于2.0%，周邊區(qū)域最大厚度集中分布在以下區(qū)域：四川西南部威遠—珙縣；貴州麻江縣河—甕安；湘西—鄂西—巫山。

頁巖氣儲量潛力順序依次為四川盆地、鄂爾多斯盆地古生界、長江中下游地區(qū)和華北盆地的地質(zhì)條件是最好的；準格爾、松遼、吐魯番盆地次之；柴達木、遼河盆地地質(zhì)條件最差。

2　中國頁巖氣開發(fā)進展

2.1中國頁巖氣開發(fā)總體情況［1-3］

2005年開始對頁巖氣的初步研究；2006年為開發(fā)威遠氣田與美國新田石油公司建立聯(lián)合研究項目組進行聯(lián)合評價；2007年對中國頁巖氣儲量進行評估并選擇有利勘探區(qū)；2008年建立頁巖氣關鍵技術實驗室，在威遠氣田進行長巖芯資料井和頁巖段巖芯采集系統(tǒng)井的鉆探；2008～2009年挪威石油和埃克森美孚公司加入聯(lián)合研究；2009年至今在四川盆地等勘探區(qū)域進行頁巖氣勘探開發(fā)。

我國石油企業(yè)經(jīng)過近些年的努力，率先在四川盆地取得頁巖氣勘探突破，探明首個千億方整裝頁巖氣田，勘查開發(fā)技術基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，開始進入規(guī)模化開發(fā)初期階段。截至2014年7月底，全國共設置頁巖氣探礦權54個，面積17×104km2；累計投資200億元，鉆井400口，其中水平井130口；累計完成二維地震2×104km2，三維地震1500km2。中石油、中石化、延長石油相繼在四川、鄂爾多斯盆地的長寧、威遠、昭通、涪陵、延長等地取得突破，獲得三級儲量近5000×108m3，形成年產(chǎn)15×108m3產(chǎn)能，建成首條93.7km的輸送管道，累計生產(chǎn)頁巖氣6.8×108m3。預計2014年頁巖氣產(chǎn)量15× 108m3，2015年有望達到或超過65×108m3的規(guī)劃目標。

2.2獲得的主要認識

2.2.1地質(zhì)方面［1］

海相地層是頁巖氣主要儲層，南部地區(qū)是有利勘探區(qū)域。目前全球頁巖氣儲量主要集中在海相地層，初步預測海相頁巖氣資源在國內(nèi)三大區(qū)域的儲量約為21×108m3，其中南方古生界頁巖氣儲量12×108m3，華北下古生界頁巖氣儲量4×108m3，塔里木寒武—奧陶系頁巖氣儲量5×108m3，三大區(qū)域占全國頁巖氣資源總量的70%。

南海相古生界頁巖分布范圍廣，厚度大，有機質(zhì)含量高，有利于頁巖氣聚集。

海相頁巖主要數(shù)據(jù)見表4。

表4　海相頁巖主要數(shù)據(jù)

下寒武系筇竹寺組頁巖廣泛分布于四川盆地，湘西、云南、貴州以及長江中下游地區(qū)，超過90×104km2。巖性：黑色頁巖，黑色炭質(zhì)頁巖，炭硅質(zhì)頁巖，粉砂質(zhì)黑色頁巖。平均厚度超過12m，最大厚度423m。

下志留系龍馬溪組頁巖分布在整個長江地區(qū)。巖性：炭黑，硅質(zhì)，粉砂質(zhì)及筆石頁巖；厚度：平均超過100m，最大厚度538m。頁巖烴源巖在長江下游地區(qū)的最高含碳量為5.98%，最低為0.74%，平均為2.77%，在滇黔桂地區(qū)最高含碳量為4.27%，最低為0.74%，平均為1.86%。

中國頁巖氣藏的地質(zhì)條件與美國相比有所差異。美國的頁巖氣資源分布地區(qū)地表條件優(yōu)越、地勢平坦，而我國多分布在崇山峻嶺間，如蜀南、鄂西、貴州、重慶等地，地質(zhì)條件復雜。頁巖氣層埋深要比美國大，美國的頁巖氣層埋深適中，在800～2000m，而我國多分布于3000m左右。美國頁巖氣儲層單層厚度比我國大，開采價值高于我國。以上這些差異無疑增添了開采難度和成本。

2.2.2勘探開發(fā)技術方面［3-12］

2.2.2.1水平井鉆完井技術

常規(guī)鉆完井很難實現(xiàn)頁巖氣井的有效經(jīng)濟開發(fā)，水平井技術是頁巖氣開發(fā)的關鍵技術。水平井不僅可以鉆遇更多的裂縫，增大泄流面積，還能明顯改善儲層流體的流動狀態(tài)。采用三維地震數(shù)據(jù)優(yōu)化水平井布井，設計井眼軌跡。直井段用于采集數(shù)據(jù)，水平段在直井段基礎上在目的層內(nèi)水平鉆進延伸。水平井方向應垂直于地層最大主應力方向，長井段應該盡可能多與天然裂縫聯(lián)通以獲得更多氣流。完井方式主要有組合式橋塞完井、機械式組合完井、水力噴射射孔完井，組合式橋塞完井是頁巖氣水平井最常用的完井方法。水平井鉆井費用是直井的2倍，產(chǎn)量卻是直井的3～4倍。

2.2.2.2水平井壓裂技術

水平井分段壓裂技術。分段壓裂是指套管射孔后，通過有滑套封隔器或可鉆式橋塞來實現(xiàn)分段壓裂。分段壓裂能夠針對儲層特點進行有針對性的施工，目標準確，能有效產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡，增產(chǎn)效果明顯，通過下表的比較可以明顯看出進行分段壓裂水平井的泄流面積遠遠大于沒有經(jīng)過壓裂的直井和水平井，而且水平井方向與壓裂裂縫垂直能夠取得最好的改造效果，分段壓裂還能夠節(jié)約成本。直井、水平井、壓裂水平井泄流面積比較見表5，水平井不同壓裂方向壓裂效果見表6。

表5　直井、水平井、壓裂水平井泄流面積比較

多井并行壓裂技術。多井并行壓裂技術是指在2口或2口以上平行的水平井段之間進行交互的多級壓裂，壓裂液和支撐劑在高壓下從一口井沿最短路徑向另一口井運移，在這個過程中原有裂縫擴展聯(lián)通從而形成了更多的新的、更為復雜的裂縫，裂縫網(wǎng)絡的密度和表面積得到了增加，這種技術不僅能夠提高壓裂施工效率，提高初期產(chǎn)量，還可以提高具有超低滲透率頁巖的氣體最終采收率。

表6　水平井不同壓裂方向壓裂效果

重復壓裂技術。重復壓裂技術是頁巖氣井增加單井產(chǎn)能、確保儲層穩(wěn)定、提高油田經(jīng)濟效益的有效手段。經(jīng)過水力壓裂的頁巖氣井，在生產(chǎn)過程中由于油藏或工藝方面的原因可能導致初始水力裂縫和支撐劑失效，從而造成產(chǎn)量遞減，必須進行第二次或更多次數(shù)的壓裂，從而誘導產(chǎn)生新的裂縫，增加裂縫網(wǎng)絡的面積和體積，這樣才能充分發(fā)揮儲層潛能，保證頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)。重復壓裂前要對重復壓裂前后的平均儲層壓力、裂縫有效長度和導流能力及滲透率數(shù)據(jù)進行重新評估以確保重復壓裂獲得良好的效果。

2.2.2.3實驗測試技術方面

美國的wetherford實驗室、intertek實驗室、Terattek實驗室、Corelab實驗室和Cheaspeake實驗室開展了頁巖氣的分析測試項目研究，5個的頁巖氣分析測試項目水平經(jīng)過檢驗達到了國際水平，分別是巖石測試、地球化學探測、含氣測試、致密巖石測試、儲層改造和開發(fā)測試，其中含氣測試和致密巖石測試是頁巖氣勘探開發(fā)的關鍵技術。5個實驗室測試設備及其主要功能見表7。

表7　5個實驗室測試設備及其主要功能

我國也已經(jīng)開展了頁巖氣分析測試項目、勘探開發(fā)先導試驗和關鍵技術研究，在頁巖氣成藏機理、儲量評價、資源量分類、頁巖氣滲流機理等方面取得了可喜的成果，但與北美的頁巖氣開發(fā)配套技術相比還有比較明顯的差距，開采頁巖氣的適用性技術尚未成熟，還應加強與國外先進公司的技術交流合作，借鑒北美的經(jīng)驗，自主創(chuàng)新，研發(fā)出適合我國頁巖氣開發(fā)的實用技術，才能使我國頁巖氣開發(fā)快速發(fā)展起來。

3　結論

2030年世界能源格局展望。根據(jù)IEA的估計，到2030年石油和天然氣在世界一次能源消費結構中所占的比例將達到53%，在中國這個比例將由目前的22.4%提高至32.9%。

特別是天然氣消費的比重將繼續(xù)上升，到2030年，世界天然氣在一次能源消費結構中所占的比例將占到26%，中國的天然氣在一次能源消費結構中的比重將從目前的3.8%提高到7.6%。

（1）頁巖氣資源的前景在我國引起了各級的高度關注。

（2）我國已經(jīng)開展了頁巖氣開發(fā)先導試驗和關鍵技術研究，部分領域取得了可喜的成果。

（3）四川盆地的頁巖氣先導試驗展示了中國頁巖氣資源的前景。

（4）北美的頁巖氣開發(fā)為中國的頁巖氣開發(fā)展示了良好的前景，我們應該借鑒美國的頁巖氣勘探開發(fā)的先進經(jīng)驗和技術，作為參考。選擇有實力的國外公司進行合作開發(fā)，并盡快制定出頁巖氣產(chǎn)業(yè)的標準和規(guī)范，從而引導產(chǎn)業(yè)持續(xù)、有效、健康發(fā)展，走出適合我國自己的頁巖氣勘探開發(fā)之路。

［1］董大忠，鄒才能，楊樺，等.中國頁巖氣勘探開發(fā)進展與發(fā)展前景［J］.石油學報，2012，33（增刊1）：107-113.

［2］張所續(xù).世界頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及我國頁巖氣發(fā)展展望［J］.中國礦業(yè)，2013，22（3）：2-11.

［3］鄭軍衛(wèi)，孫德強，李小燕，等.頁巖氣勘探開發(fā)技術進展［J］.天然氣地球科學，2011，22（3）：511-517.

［4］楊登科，王勇，劉權勝，等.國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)技術研究現(xiàn)狀及進展［J］.石油化工應用，2012，31（2）：1-4.

［5］胡進科，李皋，陳文可，等.國外頁巖氣勘探開發(fā)綜述［J］.重慶科技學院學報：自然科學版，2011，13（2）：72-75.

［6］周守為，姜偉，張春陽，等.美國Eagle Ford頁巖氣開發(fā)對我國頁巖氣勘探開發(fā)的啟示［J］.中國工程科學，2012，14（6）：16-21.

［7］黎紅勝，王海閣，紀國棟，等.美國頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術［J］.石油機械，2011，39（9）：78-83.

［8］肖洲，鄧虎，侯偉，等.頁巖氣勘探開發(fā)的發(fā)展與新技術探討［J］.鉆采工藝，2011，34（4）：18-20.

［9］蔣國盛，王榮璟.頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術綜述［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，40（1）：3-8.

［10］許潔，許明標.頁巖氣勘探開發(fā)技術研究［J］.長江大學學報：自然科學版，2011，8（1）：80-82.

［11］路萍，劉興國.頁巖氣勘探開發(fā)綜述［J］.油氣地球物理，2013，11（3）：54-56.

［12］范厚江.世界頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀［J］.油氣地球物理，2013，11（2）：37-41.

P634

A

1004-5716（2016）07-0050-05

2015-07-07

2015-07-10

安少輝（1985-），男（漢族），河北保定人，工程師，現(xiàn)從事固井工藝和水泥漿方面的研究工作。