中国页岩气勘探开发浅析

2016-09-18安少辉张作宏汤少兵

西部探矿工程 2016年7期

安少辉，张作宏，汤少兵

（1.中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津300451；2.中国石油天然气集团公司钻井工程重点实验室固井技术研究室，天津300451；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都610051）

中国页岩气勘探开发浅析

安少辉*1，2，张作宏3，汤少兵1，2

随着世界能源消费的不断攀升，规模储量大、易探好采的常规能源越来越少，页岩气作为一种清洁的非常规能源越来越受到重视。页岩气的开发利用，成为低碳经济战略发展机遇的推动力。我国页岩气资源丰富，储量位于世界前列，主要盆地和地区页岩气资源量约为（21.5～45）×1012m3，与美国大致相当，经济价值巨大。我国页岩气资源分为海相、陆相2种类型，其中海相页岩气储量约占我国页岩气总储量的70%。志留系龙马溪组和寒武系筇竹寺组有机质含量高，层位厚，拥有巨大的页岩气资源开发潜力。利用水平井钻完井和压裂技术可以提高页岩气井产量和最终采收率，更为经济有效地开发页岩气资源。我国页岩气开发中仍然面临一些问题亟待解决，包括技术准备、资源储量评价、政策研究到开发模式等方面，都需借鉴北美的成功经验，走出一条适合我国自己的页岩气开发之路。

页岩气；储量分布；进展；勘探开发；前景

随着全球天然气行业的快速发展，出现了3个引人注目的特征。一是我们都认识到21世纪是一个天然气的世纪；二是低碳经济和环境保护是世界发展的主题；三是非常规天然气不仅仅改变了国际能源格局，同时也成为全球热点。

相对于常规天然气，页岩气绝对是一个全新的领域。随着页岩气在美国的快速开发，产量快速增长，使得一些LNG项目暂停进口或推迟。我国对天然气有着极大的需求，然而，从中亚进口的天然气和中国东南沿海丘陵地区的LNG项目每方气的估价较高。相对来讲，中国有着丰富的页岩气资源，因此加快页岩气开发利用对促进中国经济的可持续性增长和缓解中国的石油资源短缺有着重要的战略意义。

1　中国的页岩气储量分布

1.1页岩气的定义

页岩气主要以吸附和游离方式赋存于富有机质泥页岩及其夹层中的生物成因或热成因天然气，是一种特殊的非常规天然气，一般来说气层压力低、低产，需要大型水力压裂和水平井技术进行开采，页岩气单井生产周期长。

1.2全球页岩气储量丰富

根据IHS的预测，全球页岩气总储量为456× 1012m3，是常规天然气储量的1.4倍。页岩气主要分布在北美、中亚和中国、中东、北非和全世界有非常规天然气资源的其他地区。世界非常规天然气储量分布见表1。

1.3中国页岩气资源特征［1］

中国页岩气资源分为海相、陆相2种类型，分布特征为华南：古生界海相页岩；华北：古生界海相页岩；塔里木盆地：∈-O海相页岩；松辽盆地：白垩纪湖相页岩；准格尔盆地：P/J1-2湖相页岩；鄂尔多斯盆地：三叠系页岩；吐哈盆地：J1-2页岩。

南志留系和寒武系是主要目的层，南元古界—古生界形成了6个海相页岩地层，志留系龙马溪组和寒武系筇竹寺组有机质含量高，层位厚，拥有巨大的页岩气资源开发潜力。南海相页岩有机碳含量、厚度表见表2。

1.4页岩气储量的地质评估

表1　世界非常规天然气储量分布

总体评价方法分为以下几种，类比法：如果评价地区和模拟区域有近似的油气地质条件，那么我们认为这2个区域的油气富集程度是大致相同的；成因法：烃源岩生成的油气储量可以通过油气的有机成因理论进行评估，开采因素可以了解该研究地区的油气可采储量；统计分析法：研究地区油气层不同评估单元的油气储量和与之相关联的每一个因素要分别进行详细的计算和分析，最后计算出不同可能性条件下的油气储量。

表2　南海相页岩有机碳含量、厚度表

对于勘探程度低的页岩气资源采用类比法进行研究评估。中国的主要盆地和地区的页岩气储量采用类比法进行评估。中国的主要盆地和地区与国外相似类型盆地的页岩气储量评估结果见表3。

表3　中国的主要盆地和地区与国外相似类型盆地的页岩气储量评估结果

中国的主要盆地和地区的页岩气储量为（21.5～45）×1012m3。

古生界页岩气储量是古界中生代南部和西北部主要平面分布区域的2倍，四川盆地、鄂尔多斯盆地的古生界等是页岩气勘探的主要层位。在四川盆地，累积厚度最厚的筇竹寺组页岩总有机碳含量大于2.0%，周边区域最大厚度集中分布在以下区域：四川西南部威远—珙县；贵州麻江县河—瓮安；湘西—鄂西—巫山。

页岩气储量潜力顺序依次为四川盆地、鄂尔多斯盆地古生界、长江中下游地区和华北盆地的地质条件是最好的；准格尔、松辽、吐鲁番盆地次之；柴达木、辽河盆地地质条件最差。

2　中国页岩气开发进展

2.1中国页岩气开发总体情况［1-3］

2005年开始对页岩气的初步研究；2006年为开发威远气田与美国新田石油公司建立联合研究项目组进行联合评价；2007年对中国页岩气储量进行评估并选择有利勘探区；2008年建立页岩气关键技术实验室，在威远气田进行长岩芯资料井和页岩段岩芯采集系统井的钻探；2008～2009年挪威石油和埃克森美孚公司加入联合研究；2009年至今在四川盆地等勘探区域进行页岩气勘探开发。

我国石油企业经过近些年的努力，率先在四川盆地取得页岩气勘探突破，探明首个千亿方整装页岩气田，勘查开发技术基本实现国产化，开始进入规模化开发初期阶段。截至2014年7月底，全国共设置页岩气探矿权54个，面积17×104km2；累计投资200亿元，钻井400口，其中水平井130口；累计完成二维地震2×104km2，三维地震1500km2。中石油、中石化、延长石油相继在四川、鄂尔多斯盆地的长宁、威远、昭通、涪陵、延长等地取得突破，获得三级储量近5000×108m3，形成年产15×108m3产能，建成首条93.7km的输送管道，累计生产页岩气6.8×108m3。预计2014年页岩气产量15× 108m3，2015年有望达到或超过65×108m3的规划目标。

2.2获得的主要认识

2.2.1地质方面［1］

海相地层是页岩气主要储层，南部地区是有利勘探区域。目前全球页岩气储量主要集中在海相地层，初步预测海相页岩气资源在国内三大区域的储量约为21×108m3，其中南方古生界页岩气储量12×108m3，华北下古生界页岩气储量4×108m3，塔里木寒武—奥陶系页岩气储量5×108m3，三大区域占全国页岩气资源总量的70%。

南海相古生界页岩分布范围广，厚度大，有机质含量高，有利于页岩气聚集。

海相页岩主要数据见表4。

表4　海相页岩主要数据

下寒武系筇竹寺组页岩广泛分布于四川盆地，湘西、云南、贵州以及长江中下游地区，超过90×104km2。岩性：黑色页岩，黑色炭质页岩，炭硅质页岩，粉砂质黑色页岩。平均厚度超过12m，最大厚度423m。

下志留系龙马溪组页岩分布在整个长江地区。岩性：炭黑，硅质，粉砂质及笔石页岩；厚度：平均超过100m，最大厚度538m。页岩烃源岩在长江下游地区的最高含碳量为5.98%，最低为0.74%，平均为2.77%，在滇黔桂地区最高含碳量为4.27%，最低为0.74%，平均为1.86%。

中国页岩气藏的地质条件与美国相比有所差异。美国的页岩气资源分布地区地表条件优越、地势平坦，而我国多分布在崇山峻岭间，如蜀南、鄂西、贵州、重庆等地，地质条件复杂。页岩气层埋深要比美国大，美国的页岩气层埋深适中，在800～2000m，而我国多分布于3000m左右。美国页岩气储层单层厚度比我国大，开采价值高于我国。以上这些差异无疑增添了开采难度和成本。

2.2.2勘探开发技术方面［3-12］

2.2.2.1水平井钻完井技术

常规钻完井很难实现页岩气井的有效经济开发，水平井技术是页岩气开发的关键技术。水平井不仅可以钻遇更多的裂缝，增大泄流面积，还能明显改善储层流体的流动状态。采用三维地震数据优化水平井布井，设计井眼轨迹。直井段用于采集数据，水平段在直井段基础上在目的层内水平钻进延伸。水平井方向应垂直于地层最大主应力方向，长井段应该尽可能多与天然裂缝联通以获得更多气流。完井方式主要有组合式桥塞完井、机械式组合完井、水力喷射射孔完井，组合式桥塞完井是页岩气水平井最常用的完井方法。水平井钻井费用是直井的2倍，产量却是直井的3～4倍。

2.2.2.2水平井压裂技术

水平井分段压裂技术。分段压裂是指套管射孔后，通过有滑套封隔器或可钻式桥塞来实现分段压裂。分段压裂能够针对储层特点进行有针对性的施工，目标准确，能有效产生裂缝网络，增产效果明显，通过下表的比较可以明显看出进行分段压裂水平井的泄流面积远远大于没有经过压裂的直井和水平井，而且水平井方向与压裂裂缝垂直能够取得最好的改造效果，分段压裂还能够节约成本。直井、水平井、压裂水平井泄流面积比较见表5，水平井不同压裂方向压裂效果见表6。

表5　直井、水平井、压裂水平井泄流面积比较

多井并行压裂技术。多井并行压裂技术是指在2口或2口以上平行的水平井段之间进行交互的多级压裂，压裂液和支撑剂在高压下从一口井沿最短路径向另一口井运移，在这个过程中原有裂缝扩展联通从而形成了更多的新的、更为复杂的裂缝，裂缝网络的密度和表面积得到了增加，这种技术不仅能够提高压裂施工效率，提高初期产量，还可以提高具有超低渗透率页岩的气体最终采收率。

表6　水平井不同压裂方向压裂效果

重复压裂技术。重复压裂技术是页岩气井增加单井产能、确保储层稳定、提高油田经济效益的有效手段。经过水力压裂的页岩气井，在生产过程中由于油藏或工艺方面的原因可能导致初始水力裂缝和支撑剂失效，从而造成产量递减，必须进行第二次或更多次数的压裂，从而诱导产生新的裂缝，增加裂缝网络的面积和体积，这样才能充分发挥储层潜能，保证页岩气井稳产甚至增产。重复压裂前要对重复压裂前后的平均储层压力、裂缝有效长度和导流能力及渗透率数据进行重新评估以确保重复压裂获得良好的效果。

2.2.2.3实验测试技术方面

美国的wetherford实验室、intertek实验室、Terattek实验室、Corelab实验室和Cheaspeake实验室开展了页岩气的分析测试项目研究，5个的页岩气分析测试项目水平经过检验达到了国际水平，分别是岩石测试、地球化学探测、含气测试、致密岩石测试、储层改造和开发测试，其中含气测试和致密岩石测试是页岩气勘探开发的关键技术。5个实验室测试设备及其主要功能见表7。

表7　5个实验室测试设备及其主要功能

我国也已经开展了页岩气分析测试项目、勘探开发先导试验和关键技术研究，在页岩气成藏机理、储量评价、资源量分类、页岩气渗流机理等方面取得了可喜的成果，但与北美的页岩气开发配套技术相比还有比较明显的差距，开采页岩气的适用性技术尚未成熟，还应加强与国外先进公司的技术交流合作，借鉴北美的经验，自主创新，研发出适合我国页岩气开发的实用技术，才能使我国页岩气开发快速发展起来。