页岩气压裂系统分析

安健宁 王国付 刘传驰 等

摘 要： 页岩气系统其本质主要是由连续性生物、生物堆积形成的有机物矿藏。页岩气是储存在天然裂缝和孔隙之间的气体，气体吸附在粘土颗粒表面，或者溶解在油母岩质和沥青中。通过对美国安特里姆页岩现场开采的分析，了解到页岩气的成功开采需要进行水力压裂的配合。结合美国的成功案例，对我国页岩气开采方式展开讨论。

关 键 词：页岩气；生物堆积；天然裂缝；水力压裂

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2468-04

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）

Abstract： 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， its 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.

Key words： Shale gas； Biological accumulation； Natural fracture； Fracturing

1 页岩气系统概况

美国在1999年开始生产页岩气，其中密歇根盆地泥盆世安特里姆页岩和泥盆世俄亥俄州阿巴拉契亚盆地页岩约占总数的84%。天然气年产量也在稳步增加，通过不断的探索和发展，又开发出三个有机页岩地层：新奥尔巴尼泥盆纪页岩在伊利诺斯州盆地，沃思堡的密西西比州的巴涅特页岩盆地，白垩纪刘易斯在圣胡安盆地页岩。在已知的盆地中，页岩气资源含量巨大，其含量高达497 ～ 783 tcf，使用已知技术进行开采，预估资源可产量可从31提升至76 tcf。其中俄亥俄地区页岩占其最大份额。

1.1 页岩气发展历史背景

在1627-1669年由法国探险家和传教士最早发现并引用黑色（富含有机物）阿巴拉契亚盆地页岩。他们指出最早的石油天然气就出自纽约西部的泥盆纪页岩[6]。但人们通常认为美国真正的天然气行业是在1821年开始的。第一个完成对泥盆纪页岩开采的是在纽约的肖托夸县。开采出的气体用于村庄照明。这一发现要比宾夕法尼亚州著名的的雷克油气藏要提早35年以上。

在1863年在肯塔基州西部开始对泥盆纪页岩密西西比页岩进行页岩气勘探与开发。直到1870年，页岩气的开发开始向西传播沿着南海岸线到俄亥俄州东北部的伊利湖。到了20世纪20年代，页岩气的开采工作已经发展到维吉尼亚州西部、肯塔基州以及印第安纳州。1926年在肯塔基州和西佛吉尼亚州东部发现世界上已知最大的泥盆纪页岩气藏。1976年美国能源部发起了对东部页岩气地质、地球化学以及石油工程方面的研究，加快了页岩气发展的步伐。

图1 天然气产量图

Fig.1 Natural gas production figure

在20世纪80年代末到90年代初，美国天然气技术研究所（GRI）在原有研究成果上更全面的评价与分析泥盆纪页岩与密西西比州页岩的页岩气开采潜力以及提高生产量[7]。在20世纪80年代密西西比州的巴涅特页岩沃思堡盆地和白垩纪路易斯圣胡安盆地的页岩油气开采已经逐步走向商业化生产，到了90年代最为活跃的天然气开采是在密歇根的安特里姆泥盆纪页岩。（如图1）美国在1979年到1999年之间页岩气产量增加超过七成。1998年页岩气产量占全美天然气产量的1.6%，占已探明天然气储量的2.3%。

1.2 页岩气系统概述

图2 页岩气形成地理位置

Fig.2 Geographical location where shale gas formation

图3 资源示意图

Fig.3 Resource diagram

美国页岩气地层形成于古生代和中生代的美国大陆架，（图2）是通过连续积累而成的非常规油气资源即页岩气[1]，页岩气的生产是一个十分庞大的系统模式，这个庞大的系统又是有小的系统分支所组成。金字塔资源示意图，如（图3）所示，这一概念早在1970年代末首次用于分析天然气在低渗油藏中积累。如果想开发出金字塔最底层的矿产资源，需要考虑到降低运营成本、如何控制油价走势，同时需要更先进的生产技术支持。人们逐渐意识到处于金字塔底部的待开发资源代表着石油系统资源的潜力。早在1800年美国建造页岩气作业现场的就超过了28 000人。目前除了美国很少有国家大规模开采页岩气。由于技术不成熟以及投资过高等原因没有一个完善的页岩气生产系统。页岩油气存在于细小颗粒、粘土以及富含有机物的岩石中，由他们组成气体源和储集岩含油系统。产生能量的气体石油生物源长期储存在岩石夹层中吸收碳氢氧化物，并且以气体的形式游离在油母页岩和沥青的粒间孔隙中 [2]。对于气体饱和度大的区域需要采取十分谨慎细密的机制。假设岩石标本成分是变量，从膨润土（圣胡安盆地）到页岩（阿巴拉契亚和沃思堡盆地）再到冰堆物（密歇根盆地）最后碳酸盐岩（伊利诺斯州盆地）都在随之发生变化。产热是由生物气构成，存在于页岩气储层，然而在密歇根州和伊利诺伊州盆地生物气似乎又占主导地位。如果产气经济效益一般，需要增加页岩内在渗透率（小于0.001d）。完井现场采用水力压裂技术解决天然裂缝系统和进行新的破裂。不到10%的页岩气井成功的借鉴水库的压裂方式进行系统作业。在开发初期这些地层裂缝一般采用硝酸甘油、推进剂配合各种水力压裂技术。

2 页岩系统分析

在美国页岩的开采已经发展成为一个很完整的体系。目前开采量较大的在美国有五个地区，分别是安特里姆、俄亥俄州、新奥尔巴尼、巴奈特以及路易斯，本文对安特里姆密歇根盆地页岩进行系统分析。美国五个地点的地质、化学物质含量以及储层参数如表1。

表1 储层参数

Table 1 Reservoir parameters

性能/地点 安特里姆 俄亥俄州 新奥尔巴尼 巴奈特 路易斯

深度（ft） 600～2 400 2 000～5 000 600～4 900 6 500～8500 3 000～6 000

岩层厚度（ft） 160 300～1 000 100～400 200～300 500～1 900

有机碳含量，% 0.3～24 0～4.7 1～25 4.50 0.45～2.5

镜质体反射率，%（R0） 0.4～0.6 0.4～1.3 0.4～1.0 1.0～1.3 1.6～1.88

全孔隙度，% 9 4.7 10～14 4～5 3～5.5

充气孔隙度，% 4 2 5 2.5 1～3.5

含气量（scf/ton） 40～100 60～100 40～80 300～350 15～45

吸附气，% 70 50 40～60 20 60～85

储层压力/psi 400 500～2 000 300～600 3 000～4 000 1 000～1 500

产气量/（mcf·d-1） 40～500 30～500 10～50 100～1 000 100～200

2.1 安特里姆密歇根盆地的页岩

安特里姆页岩是一种较为普遍的页岩资源，其含有丰富的有机物页岩沉积系统，而密歇根克拉通内盆地是一个坐落在东部内陆的沉积中心。盆地充满超过5 182 m的沉积物以及274 m的页岩。构造基础是在构造盆地的中心附近大约低于海平面732 m。安特里姆地层学相对简单，通常完井的方式与要求都低于总厚度接近49 m的加拿大拉钦以及英国的诺伍德，拉钦和诺伍德的总有机碳含量占总重量的0.5%～24%。这些黑色页岩含有丰富的硅（其中20%～41%来自风化的淤泥以及微晶石英）、白云岩、灰岩凝固物、硫化物、硫酸盐以及硫酸盐水泥等。对于较低的安特里姆帕克斯顿，是含有石灰和灰色泥岩的混合岩性页岩，其中还含有0.3%～8% TOC和7%～30%的硅。

安特里姆页岩气的形成是双重起源、是由热成熟的油母页岩和微生物（或生物）以及细菌代谢活动产生热量。在1998年由马提尼提出的地层水化学、气体的产生和地质历史等因素造成微生物对于北美地区产气量起着十分重要的影响作用。

成熟的裂缝网不仅可以运输安特里姆页岩气和原生水，还可以从新的冰碛的上覆水层影响大气水细菌的入侵。氘甲烷同位素成分（dD）和联合形成水域为产甲烷细菌提供了最有力的证据。同时马提尼还提出了另一种动态关系，裂缝发展和新冰碛上覆水层关系，冰层负荷的提高是由于在水头处先前存在天然裂缝的扩张，使流入大气水的（充电）促进甲烷细菌的生成。通过基于甲烷：（乙烷+丙烷）的比率和同位素碳13所组成的乙烷产生，可以确定少量产热气体（20%）的成分。内向产热系统的气体成分比例增加，增加的因素会取决于油母页岩的成熟度。

2.2 安特里姆页岩油气系统

通过深入分析烃源岩之间的相互作用、圈闭、储层岩石、技术人员的常规要求和经验以及对气体后期的分析等这些因素组成一个成熟的石油系统。这种理念石油马古恩提出，评估一群活跃烃源岩和产生油气藏之间的遗传关系。含油气系统主要因素是由石油烃源岩、储集岩、海豹岩和复盖岩层。在此过程中必须考虑圈闭的形成、迁移、碳氢化合物的积累，在一定时间和空间内完成。应用这一概念的核心就是对于时间点的确定，也就是说这一时间点也最能代表碳水化合物生成、迁移以及积累所用的时间。此外，这些过程可能发生在不同时间段。在任何情况下，页岩中油气运移距离相对较短。位于页岩的加热段或失水段的常见储层也可能被同样的泥质烃源岩所生成的油气充满。与其他非常规石油系统讨论相类似，页岩气压裂系统不具备任何单独定义。拉钦和诺伍德以及较低的安特里姆页岩，构成生油岩层和储层岩都是含有丰富有机物的页岩地层，例如油母页岩和储集岩的构成。压裂是通过产生张力导致储层发生渗透的过程，这个张力可能由如下过程产生的压力引起：内部由油母页岩到沥青的热熟化过程引起，或者是由外部构造力引起，或者两者兼有。

页岩地层占据超过75%的矿藏地层，需要解决与页岩稳定性相关联的问题，石油和天然气行业仍然在解决相关钻井问题。相关问题包括井壁坍塌、缩径、洗井、塑性流动、压裂井漏、井控，钻井过程中最大的问题是如何提高井筒稳定性以及控制钻井成本。这些问题主要是由于岩石应力与强度之间在钻进的过程中易产生失衡，钻井液就是用来将导致应力与强度失衡的岩石携带出，代替这些岩石使井内保持平衡，在钻探过程中，在钻进时钻孔附近的应力超过其本身的强度导致页岩地层不稳定。页岩与其他岩石最根本的区别在于钻井液的水敏性。影响页岩稳定性包括页岩本身的性能（例如矿物学、孔隙度）以及钻井液的性能（润湿性、密度、盐度和离子浓度）两大方面。由于裂缝的存在和产生，我们需要通过钻井液对易破碎岩层进行压裂和射孔，通过页岩和钻井液的相互作用改变有效应力和页岩强度来改善由于钻井液本身引起的孔隙压力不稳定。由于应力和强度变化通常发生在一段时间内，所以页岩稳定性也是一个时变问题。防止页岩的不稳定性需要更好的理解造成页岩稳定性的机理选择合适的钻井液[8]。

3 页岩气开发展望

页岩气是一种非常规天然气新型能源，在世界新能源的推动下，中国也掀起了新一轮能源开采的热潮，作为新型能源，目前国内开采经验尚短，依据国外的先进技术配以目前的新行业标准，对页岩油气矿藏可以进行不断完善。在生产天然气商业展览时发现五个关键参数的值： 热成熟度、气体吸附分数、储层厚度、有机碳总含量和气体体积。天然裂缝的发育程度受页岩储层低矩阵渗透控制的因素所影响。美国天然气实行大规模生产是从页岩气开始的，考虑到无论是从技术上还是资源含量上看，页岩气是一项可持续发展的资源类型。天然气的形成是由岩层断裂引发的，在美国古生代和中生代页岩地层是富含丰富有机物的，考虑到烃源岩、储层、密封以及圈闭可以构建出油气系统的框架。另外必须考虑气体的来源，是否生物产生热量，潜在定义进化的关键是碳氢化合物。本文讨论的安特里姆页岩气系统均表现出大量的关键地质和地球化学参数，但是每个系统都可以生产可供销售的天然气。尽管如此，将如此大量的天然气带入市场对运营商来说也是一个很大的挑战。虽然，通过采用适当的增产措施提高裂缝和基质渗透率，是实现经济气体流率的关键，但是有机物必须足够生成最初的储层气。因此，对整体或局部页岩内有机物的成因的解析，以及岩石力学对页岩有机物的影响的分析是确定它们与产气能力之间复杂关系的关键步骤。质量差的因素可以由另一个因素来进行补偿，无论怎样，页岩气的量产即使在地质和地球化学处于最佳值时期也有很大难度。

从开采角度上看，开采页岩气所使用的方法是水平井水力压裂，但我们需要从美国页岩气开采的过程中得到一些启示，虽然该方法是目前较为有效的页岩气开采方式，但是由于其对环境影响巨大，例如在压裂过程中需要大量的水，对于压裂反排液的慢渗会直接影响地层，压裂液中还经常含有苯的衍生物等有毒化学物质，最终造成严重污染[10]， 同时还有在页岩气开采现场周围还出现过地震现象，我们还应慎用该法进行开采，同时对钻井液以及完井液做到高效低污染，要注重现场废液的有效分解与回收，在提高采收率的同时要保障资源的绿色可循环开采。

4 结 论

通过对美国页岩气藏的深入了解，以及对现场性能参数的分析，不难得到以下结论：

（1）由于页岩气的地层比较特殊，分析其历史形成以及地层构造，从而得出使用压裂方式对页岩气进行实地开采。

（2） 借鉴目前较为成功的水平井水力压裂的开采方式，在我国进行调试与使用。同样的，含油气系统主要是由石油烃源岩、储集岩、海豹岩和复盖岩层组成。在设计系统过程中必须考虑圈闭的形成、迁移、碳氢化合物的积累。应用这一概念的核心就是对于时间点的确定，也就是说这一时间点也最能代表碳水化合物生成、迁移以及积累所用的时间。通过确定积累时间，我们可以判定页岩气藏的含量、气体吸附分数、储层厚度、有机碳总含量和气体体积等等，对系统方案的模拟起到十分重要的作用。

（3）针对水利压裂这一开采方法，还存在很多不足，例如对环境的破坏，从用水量、污染地层、废液中有毒化学物质含量过高等等。我们在有效开采的同时要对其进行优化使用，在美国页岩气开发的基础上改善压裂用水方式以及控制废液排放量等方面加以重视。

参考文献：

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[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]刘伟，李唯多，闫夕尧，等.页岩气水力压裂技术产生的环境问题分析[J].中国石油和化工标准与质量，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]闫晟.柴北缘西大滩地区页岩气成藏条件研究[D].西安科技大学，2013.

[7]周庆凡，白振瑞，杨国丰，等.美国页岩气发展现状及对我国的启示[J].中国石化，2011（9）：15-18.

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

[9]田磊，刘小丽，杨光，等.美国页岩气开发环境风险控制措施及其启示[J].天然气工业， 2013，33（5）：115-119.

国际磷肥市场需求减弱

国际市场需求量不高，当前普钙、重钙市场整体出口量较少，因出口对于肥料的品质要求较为严格，且进口商要求多多，即便有出口订单，运输等方面依旧困难重重，甚至因个别企业因前期出口质量较低，已有国家禁止中国磷肥入港，使得行情压力进一步凸显。虽近两年政府通过关税来调节，从下图可以看出重钙普钙的年出口量略好于前几年：12年重钙共出口了85.30万吨、普钙69.87万吨，13年重钙共出口了77.57万吨、普钙60.42万吨，14年重钙共出口了87.97万吨、普钙74.96万吨；15年1-8月份重钙共出口了61.82万吨、普钙63.96万吨。