巖中“捉”氣記

提起天然氣，可謂家喻戶曉，它在現代生產、生活中扮演著不可或缺的重要角色。天然氣家族龐大，其中有一種特殊的類別，叫作頁巖氣?？吹健绊搸r氣”三個字，相信絕大多數人覺得既熟悉又陌生：之所以說熟悉，是因為經常在新聞報道中聽到這個詞；說陌生，是因為并不知道頁巖氣到底是什么，也不知道它來自何處，有哪些用途。

頁巖氣是如何被人類發現和利用的？與常規天然氣相比，頁巖氣有哪些特點？它的開采難度為何那么大？開采頁巖氣的“武功秘籍”都有哪些？為什么說頁巖氣的開采是一項復雜和規模龐大的系統性工程？

下面，就讓筆者為大家一一道來。

氣在巖中藏

頁巖氣的開發利用歷史最早可以追溯到19世紀，在此之前，這種嵌藏在巖石孔隙中的資源并沒有引起太多重視。1821年，美國人威廉姆·A. 哈特（William A. Hart）在紐約弗里多尼亞首開先河，鉆探出第一口針對頁巖層的商業天然氣井，井深約8.23米。這一開創性的行動在日后被業界廣泛認為是頁巖氣為公眾所知的起點。

時光流轉至1914年，科研工作者在美國阿巴拉契亞盆地泥盆系俄亥俄（Ohio）頁巖中發現了著名的大桑迪（Big Sandy）頁巖氣田，但受限于當時的地質理論和方法技術，人們并未充分意識到頁巖氣所蘊含的巨大能源價值，也并未將頁巖氣視為可供大規模開采的能源。

直到20世紀70年代，美國才開始對頁巖氣進行全面研究，并嘗試進行實際開采。1976年，美國首次成功地從頁巖層中提取出天然氣，為頁巖氣的商業化開采奠定了基礎。隨后，在1981—1998年，米切爾能源公司在福特沃斯（Fort Worth）盆地進行了持續的實驗和探索，終于研發出水力壓裂技術和水平井技術。這些技術的應用使得巴內特（Barnett）頁巖氣田得以實現規模化開發，由此標志著頁巖氣的開采進入了全新的階段。

在接下來的幾十年里，隨著勘探開發技術的不斷革新和完善，頁巖氣的采集成本逐漸下降，產量不斷增加，頁巖氣逐漸成為美國的重要能源來源。與此同時，其他國家也逐漸開始關注頁巖氣資源的開發與利用，我國也不例外。

開采何其難

作為一種近年來異軍突起的非常規天然氣資源，頁巖氣的大氣田數量和產量規模越來越大，在我國能源結構調整中的作用愈發重要和明顯。

頁巖氣屬于非常規天然氣。從名字直觀來看，頁巖氣是來自頁巖的天然氣，通常賦存在有機質頁巖的納米級的細孔中，即主要以吸附和游離的方式賦存于有機質泥頁巖中—主要有炭質頁巖、硅質頁巖、鈣質頁巖和粉砂質頁巖等，且具有自生自儲、大面積連續成藏、低孔、低滲等特點。

如果把常規天然氣開采類比成醫學領域的“靜脈采血”，那么頁巖氣開采就如同更為精細的“毛細血管采血”。因此，相對于傳統天然氣，頁巖氣更難以開發。

“武功秘籍”多

近年來，隨著科技的不斷革新和完善，技術、裝備等持續不斷的發展，涌現出一批高精尖技術裝備，它們不僅大大降低了頁巖氣的勘探開發成本，而且快速提高了頁巖氣的采收率和產量，堪稱頁巖氣勘探開發的利器。

一、地震勘探技術

在眾多勘探開發技術中，一馬當先的就是地震勘探技術。地震勘探是利用地震波在地殼中的傳播特性來探測地下地質結構的一種方法。通過人工方式在地表激發地震波，并接收它們在地下反射回地面的信號，可以推斷出地下不同地質界面的深度和形態。這種技術堪稱描繪地下地質構造、確定含氣頁巖層位的“透視眼”。目前，頁巖氣勘探階段使用的重要工具就是高精度三維地震勘探技術，它能夠提供精確的地層結構和儲層分布信息。

地震勘探的主要設備包括震源、檢波器、記錄系統等。其中，震源負責激發地震波，常見的震源有炸藥震源、可控震源等；檢波器負責接收地震波信號，并把地震波信號轉化為電信號；記錄系統則負責將這些電信號收集和記錄下來，以供后續分析使用。

在地震勘探技術中，地震數據的處理至關重要。所謂地震數據處理，是通過濾波、疊加、反褶積等多種方法提高被記錄下來的地震波信號的信噪比，增強有效信號，并壓制干擾。經過處理后的地震數據可以生成地震剖面圖和三維圖像，這些圖像直觀地展示了地下的地質結構，通過解讀分析這些圖像，可以確定地下界面的相關信息。

數學領域中的空間有一維、二維、三維和多維之分，地震勘探的種類與之類似。一維勘探是指觀測地下某個點的情況；二維勘探是指觀測地下某條線的情況；三維勘探則是觀測地下某塊面積的特征。四維勘探是觀測同一塊面積在不同時間段的地下變化情況，即在同一地區的不同時間內重復進行三維地震勘探最終得到的勘探結果。根據地質任務目標的不同，我們可選擇不同的勘探維度。

二、水平鉆井技術

水平鉆井技術堪稱頁巖氣開采的兩大核心“利器”之一。

鉆井通常都是垂直于地面向下打的?！八骄眲t是沿水平方向或接近水平的方向鉆出的。水平鉆井技術可以使井筒橫向穿越富含頁巖氣的巖層，大大增加了井筒與巖層的接觸面積，不僅有效提高了采收率，而且克服了頁巖氣儲層中日產量低、生產周期短等諸多問題。目前，水平井已逐漸成為頁巖氣開發中最受推崇的方法，特別是在美國的頁巖氣開發鉆井中得到廣泛采用。

不僅如此，水平井也是頁巖生產井中最理想的完井方式。這是因為頁巖層具有產層薄、孔隙度小、滲透率低等特點，水平井在開發這類儲層時展現出了獨特的優勢。與直井相比，水平井具有更高的單井產量和更長的生產周期，比較相關數據可知，從水平井中獲得的頁巖氣最終采收率大約是直井的三倍。

應用水平鉆井技術時，選擇合理的井位至關重要，應優先考慮那些天然裂縫系統發育、有機質富集、泊松比（反映材料橫向變形的彈性常數， 也被稱為橫向變形系數 ）低和楊氏模量（描述固體材料抵抗形變能力的物理量，用于表征材料剛度，是 材料力學中的一個重要概念）高的地區，因為這樣的地質條件有利于實現單井的高產量和長期的穩定生產。

三、分段壓裂及實時監測技術

分段壓裂技術是頁巖氣開發的另一項核心技術，一般在鉆井完成后，通過向地底深處的巖層注入高壓壓裂液，打開細小的巖石裂縫，把頁巖氣儲層連接起來，使頁巖氣能夠沿著裂縫自由地流到鉆井口。

水是壓裂液的主要成分，通常占到總體積的80%～90%。水的主要作用是作為溶劑和傳質介質，將其他組分溶解并輸送到巖石層中。此外，壓裂液中還包括能增加其黏度和密度的懸浮劑、改變壓裂液性質和性能的化學添加劑、溶解巖石礦物質的酸化劑、打破壓裂液膠體結構的破膠劑、調節壓裂液酸堿性的pH調節劑、用于防止壓裂液中細菌和微生物生長繁殖的防菌劑，以及緩蝕劑、漂浮劑、阻垢劑等。

在進行水力壓裂作業時，準確把握裂縫的走向和評估壓裂效果至關重要。因此，需要密切監測誘導裂縫的方位和幾何形態。頁巖氣井水力壓裂監測過程通常由專業的模擬軟件執行。這種軟件可以預生成裂縫的三維圖像，并為工程師們提供優化后的壓裂方案。在壓裂作業實施過程中，相關軟件還可以根據采集到的數據對壓裂效果進行實時監控和評價，以便修正不合理的壓裂措施，讓規劃壓裂過程更為經濟高效，進而提升增產效果。

目前，人們主要通過微地震監測來實現對水力壓裂過程中誘導裂縫的精確監控。其基本原理是，在水力壓裂過程中，裂縫周圍的天然縫隙、層理面等薄弱層面可能因穩定性受損而發生剪切滑動。這種現象類似于沿斷層發生的微地震或微天然地震。它們釋放出具有極高頻率的彈性波，安裝在鄰井中的精密傳感器可以探測到這些彈性波信號，并通過數據處理技術提取出震源的相關信息。由于對微地震的持續跟蹤，裂縫監測結果得以不斷更新，從而構建出動態的裂縫延伸圖像，即微地震裂縫圖。通過此圖，人們不僅可以直觀地觀察到裂縫的方位和長度，還可以直接獲取裂縫頂部和底部的深度、裂縫兩翼的長度和裂縫的擴展方位等數據，為優化壓裂作業提供重要依據。

四、壓裂液技術

壓裂液技術是一項在油氣開采中得到廣泛應用的關鍵技術，頁巖氣、煤層氣、油田開采等領域都會使用壓裂液技術。

所謂壓裂，是利用高壓水將石油天然氣儲層中的裂縫擴大，以增加儲層的滲透性，提高開采效率。

在壓裂過程中使用的壓裂液是由多種化學物質、水和材料組成的混合物，其組成和性質對于壓裂效果和環境具有極為重要的影響。壓裂液的主要成分包括水、黏度劑和斷裂劑等。其中，水作為壓裂媒介，傳遞壓力，造成巖層破裂，為裂縫擴大提供動力。黏度劑的主要作用是增加壓裂液的黏度，從而擴大壓裂液與巖石的接觸面積，減小壓裂液的流動速度，使巖層裂縫擴大得更加充分。斷裂劑則用于增加巖石的脆性，使巖石更容易破裂，裂縫得以擴大，提高儲層的滲透性。

在頁巖氣和煤層氣中，壓裂液被用于改善孔隙空間，增加氣體產量。在油田增產中，壓裂液可用于清潔油井和破壞儲層中的油氣結構，從而提高油井產量和能源利用率。

頁巖開發的關鍵技術之一是研究和開發高效的壓裂液配方、環保型添加劑和水資源管理技術。

五、環境保護技術

除了以上四項技術，頁巖氣開發還會涉及環保技術。這是因為，在頁巖氣開發過程中，可能造成壓裂液竄層、頁巖氣滲漏、巖石脆裂、壓裂液滲漏、甲烷和硫化氫等氣體滲漏，從而產生地下污染、地表污染和空氣污染等環境問題。

這些環境問題涉及的水資源使用、廢水處理和巖石固體廢棄物處理等。所以，開發廢水回收、固體廢棄物管理和二氧化碳捕集等環保技術，對于減少頁巖氣開發對環境的影響具有重要作用。

（本文受“南方頁巖氣重點調查區地球物理綜合調查項目”編號DD 20243070支持。作者單位：中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所）

【責任編輯】趙 菲