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页岩气概述4554278

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页岩 概述 4554278
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一. 页岩气概述(一)页岩气页岩气,是从页岩层中开采出来的天然气,是一种重要的非常规天然气资源。页岩气常分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中,分布范围广、厚度大,且普遍含气,这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。2012 年 3 月中国公布发现可采资源潜力为 亿立方米页岩气可供中国使用近 200 年。页岩气(赋存于富有机质泥页岩及其夹层中,以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气,成分以甲烷为主,与“煤层气” 、 “致密气”同属一类。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。页岩气很早就已经被人们所认知,但采集比传统天然气困难,随着资源能源日益匮乏,作为传统天然气的有益补充,人们逐渐意识到页岩气的重要性。页岩气主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气,它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态(大约 50%)存在于裂缝、孔隙及其它储集空间。页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点——大部分产气页岩分布范围广、厚度大,且普遍含气,使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低,开采难度较大。随着世界能源消费的不断攀升,包括页岩气在内的非常规能源越来越受到重视。美国和加拿大等国已实现页岩气商业性开发。(二)储量分布北美的克拉通盆地、前陆盆地侏罗系、泥盆系种成熟度的页岩气资源。而在中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层,互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件,不同规模的天然气发现,但尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一突破。中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此之外,松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带,因此被确定为首批实地勘查工作目标区。从全世界范围看,泥、页岩约占全部沉积岩的 60%,页岩气资源前景巨大。主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联。加拿大西部地区大约有 550 万至 860 万亿立方英尺页岩气储量。美国页岩气地质储量约 28 万亿立方米。2007 年美国页岩气总产量 500 亿立方米,占当年美国天然气总量的 8%以上。中国的页岩气储量超过其它任何一个国家,可采储量有 36 万亿立方米。按当前的消耗水平,这些储量足够中国使用 300 多年。(三)成藏条件1. 沉积环境页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础,要求生烃有机质含量达到一定标准。那些有机质丰度高的黑色泥页岩是页岩气成藏的最好源岩,它们的形成需要较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。沉积速率较快可以使得富含有机质页岩在被氧化破坏之前能够大量沉积下来,而水体缺氧可以抑制微生物的活动性,减小其对有机质的破坏作用。在沉积埋藏后控制甲烷产量的因素是缺氧、缺硫酸盐环境,低温、富含有机物质和具有充足的储存气体的空间。2. 总有机碳含量总有机碳含量是烃源岩丰度评价的重要指标,也是衡量生烃强度和生烃量的重要参数。有机碳含量随岩性变化而变化,对于富含粘土的泥页岩来说,由于吸附量很大,有机碳含量最高,因此,泥页岩作为潜力源岩的有机含量下限值就愈高,而当烃源岩的有机质类型愈好,热演化程度高时,相应的有机碳含量下限值就低。3. 干酪根类型在不同的沉积环境中,由不同来源有机质形成的干酪根,其组成有明显的差别,其性质和生油气潜能也有很大差别。因此研究干酪根的类型(性质)是油气地球化学的一项重要内容,也是评价干酪根生油、生气潜力的基础。干酪根类型是衡量有机质产烃能力的参数,不同类型的干酪根同时也决定了产物以油为主还是以气为主。页岩气可以在不同有机质类型的源岩中产出,有机质的总量和成熟度才是决定源岩产气能力的重要因素。4. 热演化程度热演化程度含气页岩的热成熟度通常用 表示,高表明生气的可能越大。美国五大产气页岩的热成熟度可以从 临界值)成熟),页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。也就是说,只要页岩层中的有机质达到了生烃标准,即 就可以生成天然气,它们就有可能在页岩中聚集成藏。一般地,当 易于生气,则生成干气;未成熟阶段,可生成生物成因气(四) 主要用途页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料,主要用于民用和工业燃料,化工和发电等,具有广阔开发前景,页岩气的开发和利用有利于缓解油气资源短缺,增加清洁能源供应,是常规能源的重要补充。页岩气开采技术,主要有水平井+多段压裂技术、清水压裂技术和压裂技术些先进的技术不断提高着页岩气井的产量。正是这些先进技术的成功应用,促进了美国页岩气开发的快速发展。(五)开采历史1. 美国美国进行页岩气开采大约有 80 多年历史。页岩气开发极大改善了美国天然气供应格局和能源安全状况,其占美国天然气产量的比重从 1996 年的 增至 2010 年的约 23%,并使美国在 2009 年超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国和资源国。随着技术的进步及探明储量的持续增加,未来页岩气开采将进入爆发式增长期,带动美国的天然气生产进入“黄金时代”。2 加拿大加拿大是继美国之后第二个实现页岩气商业化开采的国家,2009 年的产量已达到 72 亿立方米。数据显示,加拿大西部地区大约有 550 万至 860 万亿立方英尺页岩气储量。3 欧洲(除俄罗斯以外)页岩气技术可采资源量相对较低,但分布广泛,主要集中在波兰、挪威、乌克兰和瑞典等国。波兰的页岩气可采资源量为欧洲之最。此外,德国、英国、西班牙等国也已开始开展页岩气研究和试探性开发,部分企业已着手商业性勘探开发。法国由于担心页岩气的开采会对水资源管理带来较大负面影响,已暂时停止相关开采活动。2013 年 7 月,法国总统奥朗德日前发表声明说,不允许在法国境内开采页岩气,因为这将给生态带来风险。4 在亚太地区中国和澳大利亚的页岩气储量都很丰富,上述两国以及印度、印尼都已相继开始对页岩气资源展开调查与勘探。中国页岩气开发刚刚起步,总体处于以资源评估与勘探为主的探索和准备阶段。2011 年 7 月,中国国土资源部举行了首轮页岩气探矿权招标。中国相关部门和石油公司也已着手与美国有关机构在页岩气开发、技术合作研究等方面展开多种形式的合作。5 拉丁美洲页岩气资源主要集中在阿根廷、墨西哥和巴西等国。目前道达尔、埃克森美孚等能源公司已经开始与阿根廷国内的石油公司合作,参与其国内矿区页岩气的开采。墨西哥的页岩气可采资源量位列世界第四, 2011 年 10 月墨西哥北部与美交界处发现大规模页岩气田,预计该气田能满足墨西哥 90 多年的天然气需求。6 中国情况中国主要盆地和地区页岩气资源量约为 15 万亿亿立方米,与美国 济价值巨大。2009 年 10 月,中国国土资源部在重庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目。2012 年 3 月,中国国家能源局于发布了《页岩气发展规划(2011)》,根据该规划,中国计划在“十二五”期间,完成探明页岩气地质储量 6000 亿立方米,可采储量 2000 亿立方米,实现 2015 年页岩气产量 65 亿立方米,基本完成全国页岩气资源潜力的评估与勘探,为“十三五”打好基础,目标是到 2020 年力争达到页岩气年开采量为 600 亿立方米。中国是北美以外唯一一个现有石油服务行业规模较大而且政策和税收环境较为宽松的地区,加之中国页岩气储量丰富且能源供需严重不平衡,中国已被视为未来除美国之外页岩气开发最快的国家。发时间表页岩气的时间表包括了若干个重要的里程碑:1821 年,在美国纽约的弗里多尼亚商业天然气井中首次生产出页岩气。1859 年,埃德温· 德雷克表示油可大量生产,启动了美国的石油工业。19 世纪 60 年代到 20 世纪 20 年代,天然气,包括在阿巴拉契亚山脉和伊利诺伊州的盆地由浅,低压产出的页岩气,仅限于用在靠近生产领域的城市。20 世纪 30 年代,技术的发展使得运用大口径管道把大量的中大陆和东南部油田的天然气输送到东北部城市成为可能;天然气工业的迅速发展。20 世纪 40 年代后期,液压压裂首次用于刺激石油和天然气井。1947 年泛美石油股份公司经营的堪萨斯州格兰特县的气井第一次运用了水力压裂技术。20 世纪 70 年代初,井下发动机,作为定向钻井技术的关键组成部分,发展加速。在随后的三十年里,定向钻井能力继续向前推进。20 世纪 70 年代末和 80 年代初,出于对美国的天然气资源日益减少的担心,联邦政府开始资助“非常规天然气藏”,如页岩气,致密砂岩和煤层的气体等方面的估算方法的研究和如何改善将气体从这些岩石中提取的方法。页岩埋藏较深,如得克萨斯州 宾夕法尼亚州 块,都是被众所周知,认为其通透性基本上为零,因此也不考虑其经济性。20 世纪 80 至 90 年代初, 源公司结合大裂缝设计,严谨的油藏描述,水平井,更低的成本和水力压裂,使得 岩区块具有经济性。2003 年至 2004 年,从 岩区块生产的页岩气超越了一些浅层天然气井的产量,如历史上的阿巴拉契亚俄亥俄区块和密歇根盆地 岩区块。现在每天约有 20 亿立方英尺的天然气是产自美国页岩气。2005 年至 2010 年,块的页岩产量增长到大约每天 5 亿立方英尺。在其他主要盆地的主要页岩区块也开始发展。2010 年,岩区块亚特兰大中部 /东北部地区内页岩气开采技术进展因页岩气开发具有资源潜力大、开采寿命长和生产周期长等优点,已成为当前能源研究的热点和突破口。自2009 年以来,我国已在页岩气开发实验区钻井62口,其中24口井获得工业气流,这预示着国内页岩气资源开发全面铺开。页岩气储层与常规储层差异很大, 必须采用先进技术, 尤其是水平井钻井、完井及压裂技术, 才能实现经济有效开发。介绍了国外页岩气开采技术以及国内近两年在页岩气钻井技术、钻井液技术、固井技术和压裂技术方面取得的经验,这些经验奠定了国内页岩气开发的技术基础。论述了页岩气开采面临的技术和环境问题,指出下一步页岩气技术发展方向。今后,需要结合国内页岩气藏特点, 在借鉴国外新技术及国内经验基础上, 通过工具研制、技术配套、方案优化,尽快完善适用于页岩气开发的水平井钻井技术; 从流变性、封堵能力方面进一步完善油基钻井液体系,同时开展适用于页岩气水平井钻井的水基钻井液体系研究;针对页岩气水平井多采用油基钻井液的现状,进一步完善冲洗液、水泥浆体系及固井工艺技术。开发适合页岩气水平井多级压裂技术相关的井下工具、工作液和施工工艺,加强压裂裂缝动态监测,优化压裂设计。形成配套的钻井和压裂等作业过程中产生的废液、废水及废渣处理技术,重视页岩气开采的环境污染评估,保证我国页岩气开发的健康发展。 [1]页岩气测井技术页岩气有别于已经大量开采的常规天然气, 在成藏机理及赋存特征方面都有其独特的特点, 识别页岩气的方法也有别于以往对常规天然气气藏的判别模式。总有机碳含量、成熟度是其重要的判别指标 [ 2] 。通过对这些地球化学指标的认识, 作为对可用地化分析样品的补充,利用测井资料计算这两个参数将有助于对页岩气藏的识别。总有机碳含量代表了页岩气源岩的生气潜力, 成熟度则表现干酪根的演化程度, 两者综合指示页岩储层中可能存在的天然气量。老井测井资料复查是找到有利页岩气藏的重要途径之一, 综合测井资料分析可以在测井曲线上辨别有利的页岩气储层。对页岩气储层有效的测井曲线及对应的响应关系, 如表1所示。国内研究者进一步证明了测井响应识别页岩气目的层的有效性, 初步探究和介绍了页岩气藏参数的求算方法, 以求能够更加准确有效地识别优质页岩气藏 [2] 。在生产实践中, 通过了解国外的相关研究和国内的发展形势, 利用测井方法对一些老井进行复查, 有望获得页岩气勘探方面的重大突破。水平井钻完井技术为了更好地利用储层中的天然裂缝, 并且使井筒穿越更多储层, 越来越多的作业者都在应用水平井钻井技术。1) 采用三维地震解释技术设计水平井轨迹 通过沿垂直于最大水平应力方向钻井的方法增加井筒与裂缝相交的可能性, 从而打开更多的页岩表面进行开采[ 7] 。但是, 常规的定向钻井技术可能受到扭矩和阻力的影响, 扭矩和阻力通常是司钻在井筒造斜过程中由滑动和旋转造成的。在更复杂的井眼轨迹中, 扭矩和阻力可能限制横向位移, 加大测井难度。因此在开采较直且曲折度不大的井时, 可以采用旋转导向系统。某些情况下, , 应用三维地震解释技术设计水平井轨迹图见图1 [3] 。2) 应用随钻成像测井技术 随钻成像测井系统已被应用于解决水平井测井存在的一些问题。应用该系统可以在整个井筒长度范围内进行电阻率成像和井筒地层倾角分析。成像测井提供构造信息、地层信息和力学特性信息, 用于优化完井作业。成像能够将地层天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较, 帮助作业者确定射孔和油井增产的最佳目标, 应用随钻测井系统优化完井的示意图见图2 [3] 。利用测井得到的成像资料来识别地震资料无法识别的断层以及与之相关的从下伏喀斯特白云岩中产水的天然裂缝群。在进行加密钻井时, 井眼成像有助于识别邻井中的水力裂缝, 从而帮助作业者将注意力集中在储层中原先未被压裂部分的增产措施上。井中是否存在钻井诱发裂缝以及裂缝的方向如何, 对确定整个水平井的应力变化及力学特性非常有用, 而且在减轻页岩完井难度及降低相关费用方面也起到一定作用。页岩气储层改造技术裂缝的发育程度是页岩气运移聚集、经济开采的主要控制因素之一, 图3 [3] 为页岩气储层裂缝模型。仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产, 其余90%以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施沟通其天然裂缝, 提高井筒附近储层导流能力。国外一些页岩埋藏较深, 地层压力较高的页岩气藏开发历程印证了钻采技术的不断更新: 氮气压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂、水平井钻探技术。页岩储层改造技术要求针对页岩储层特点优选压裂层位和施工工艺, 才能取得比较好的开发效果和经济效益。对于埋藏较浅、地层压力较低的储层通常采用氮气泡沫压裂。清水压裂的压裂液中一般已加入适量抑制剂, 但仍要求储层中膨胀性蒙脱石含量不能很高, 原因是其水敏性强, 遇水易膨胀、分散和运移, 导致岩石渗透率下降, 所以利用X 射线衍射等测试结果分析粘土矿物的类型和含量十分必要 [3] 。存在问题目前有关页岩气的研究, 绝大多数集中在页岩气的地质理论上, 包括成藏、储层特征等方面。有关页岩气开发的钻井技术论述较多, 也相对成熟一些, 主要是将致密储层水平井钻井技术应用于页岩气储层。在测井技术和储层改造技术方面也有大体上的论述, 但不够深入, 没有形成系统的开发技术体系。在页岩气资源评价方面, 重点从地质角度考虑了页岩气的储量规模, 而对准确的页岩气储量计算, 只局限于常规气藏的类比法、容积法以及动态法, 对页岩气的特殊地质特征没有充分考虑。另外, 有关页岩气的渗流机理方面研究较少。储量的准确计算存在困难页岩气基本属于自生自储型气藏 [4~7] 。因此, 页岩气藏有不同于常规气藏的特殊性。页岩气藏有独特的天然气存储特征。在形式上游离气和吸附气并存。由于页岩一般含有较高的有机质和粘土矿物,同时, 其孔隙结构使其具有较大的比表面积, 有利于在基质孔隙表面吸附大量的天然气, 因此, 除游离气外, 吸附气也成为页岩气藏重要的天然气存在形式 [ 8] 。在存储空间上基质孔隙和次生裂缝并存。因此, 页岩气藏中的天然气由3部分组成: 裂缝中的游离气、基质孔隙中的游离气和吸附气。由此可见, 要想准确地计算页岩气的储量, 必须解决好几个问题: 一是页岩基质孔隙度的准确计算; 二是裂缝系统的准确评价; 三是页岩基质吸附量的准确评价; 四是含气饱和度的准确计算。1. 渗流机理复杂多样页岩气藏有特殊的产气机制。与常规低渗气藏不同, 天然气在页岩中的流动主要有4种机理, 这4种机理覆盖了从分子尺度到宏观尺度的流动。主要表现为游离气渗流、解吸附、扩散和自吸 [8] 。第一, 由于气体滑脱效应的存在, 游离气在有机质和无机质基岩中的流动属非达西渗流, 但在天然或水力裂缝中的流动为达西渗流。第二, 有机质上的吸附气对渗透率有不利的影响, 这是由于有机质的天然气吸附层对天然气分子的引力增大所致, 但是, 如果有机质不属于多孔介质, 仅作为连接基质孔隙或为裂缝之用, 那么, 在生产时, 远离孔隙和裂缝的吸附气只能沿有机质表面易扩散的方式进行运移。如果有机质属于多孔介质, 部分吸附气能够直接释放进入有机质孔隙, 并且, 这样会使扩散的重要性被减弱。第三, 自吸作用是当压裂水在致密气藏流动时发生的一种现象, 在页岩储层压裂时, 由于自吸作用和重力分异作用, 导致压裂水的返排率不足50%。因此, 气水两相在裂缝中共同流动时, 往往气在裂缝的上部流动, 此时, 在裂缝的下部留有大量的水。在钻井液和增产措施作业水的冷却作用下, 储层接触面附近会聚集更多的束缚水, 因而也会恶化自吸现象的影响。 [9][1]王中华,. 国内页岩气开采技术进展[J]. 中外能源,2013,(2).[2] 潘仁芳, 伍媛, 宋争,等。 页岩气勘探的地球化学指标及测井分析方法初探[ J] 。中国石油勘探, 2009, 9 ( 3) : 6~9。[3] 江怀友, 宋新民, 安晓璇等。世界页岩气资源与勘探开发技术综述[ J]。天然气技术, 2008, 2 ( 5) : 26~29。[4] M, M, M, e t a l. m nt J]. 1998, 62 ( 10) :1699~ 1720.[5] J, H , R, e t Un of as J]. 2007, 91 ( 4) : 475~ 499.[7] J, z B J, et of et t J ] 2007, 91 ( 4) : 501~ 521.[8] J K, M. a in of an in J ] . 2008, 92 ( 1) : 87~ 125￿[8] P. f in J]. 2009.[9]刘德华,肖佳林,关富佳,. 页岩气开发技术现状及研究方向[J]. 石油天然气学报,2011,(1).[4] 崔思华, 班凡生, 袁光杰. 页岩气钻完井技术现状及难点分析[J]011,31(4):15] 李生莉,吴太平,周建生,]012,26(1):756] 王琳,毛小平,]011,40(5):504
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