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页岩气的研究现状与发展趋势_图文

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1 / 7 页岩气研究现状与发展趋势 摘要: 页岩气作为一种重要的非常规天然气,已成为全球油气资源勘 探开发的新热点。 本文将 从页岩气概况、形成条件、生产现状、技术进展 等多方面探讨了页岩气开发的技术可行性和经济性,并提出了页岩气开发在水资源消耗和环境污染等方面存在的问题。 关键词: 页岩气;非常常规油气;现状与问题; of of as an a of of of in 着世界对油气资源需求的持续增长, 以及应对气候变化、 发展低碳经济的现实需要, 全球正在由常规油气向非常规油气转化,特别是非常规天然气 (页岩气、煤层气、致密气等 )日益受到各国的重视 。 页岩气为近年来在北美地区广泛勘探开发的天然气新目标,在全球非常规油气勘探开发中异军突起,成为突破最晚、近期发展最快的非常规天然气资源。 我国页岩气储量丰富,具有极高的开采价值。 页岩气系指泥岩或页岩在各种地质条件下生成的、已饱和岩石自身各种形式的残留需要、进入了排烃门限但尚未完全排出的以吸附、游离及溶解等多种形式残留于泥页岩内部 的天然气资源。页岩气是指以热成熟作用或连续的生物作用为主以及两者相互作用生成的聚集在烃源岩中的天然气,大部分以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面,或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中,还有少数为溶解状态。 页岩气的形成与分布独具特征,往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的有效烃源岩层中,具资源潜力大、开采寿命长的优势 [1, 2]。 按成因机制,页岩气为典型的自生自储、大面积连续聚集型的天然气藏。富有机质暗色页岩既是气源岩,又是储层和封盖层。富有机质暗色页岩生成的油气除部分排出、运移至砂岩或碳酸盐岩等渗透性,岩石中形成常规油气藏外,余者大量(高达总 生烃量的 50% 以上)在“原地”滞留、富集,以游离气和吸附气为主赋存于纳米级孔隙及微裂缝中。页岩气可生成于有机质演化的各个阶段,形成生物成因气、热成因气、热裂解气、混合成因气等,其化 2 / 7 学成分以甲烷为主,占 90% 或更多,是典型的干气,仅极少部分为湿气。 1 页岩气的形成条件 与北美相比,中国页岩气形成与富集条件具明显特殊性,中国沉积盆地发育3类富有机质页岩 [3包括海相富有机质页岩、海陆过渡相与湖沼相煤系富有机质页岩和湖相富有机质页岩。不同时代、不同地区发育不同类型富有机质页岩组合,页岩成气潜力差异明显。 相富有机质页岩 中国海相富有机质页岩分布广泛,主要发育在中国南方地区、华北地区及西部塔里木盆地的上震旦统、下寒武统、上奥陶统 — 下志留统等。海相富有机质泥页岩分布面积大、横向变化稳定,厚度一般在 100~500m。海相富有机质页岩有机质丰富,平均含量 其中高 量( 量大于2%)的富含有机质页 岩段发育, 厚度一般为 20~ 180m 。海相富有机质页岩有机质类型以腐泥型 — 混合型为主, 属倾成油型母质, 热演化程度处在裂解成气阶段( R < [5],页岩气以原油热裂解气为主。海相高演化页岩基质孔隙、有机质微 — 纳米级孔隙发育,构成了页岩气良好的储集空间。海相页岩脆性矿物丰富, 黏土矿物单一。海相页岩成气藏条件优越,勘探 开发前景好。 中国南方地区是海相页岩气较有利地区,尤以上扬子地区为好,如四川盆地筇竹寺组富有机质页岩分布面积 104 200~ 600m,有效页岩厚度 110~ 163m, 平均 页岩含气量 t,石英、长石和碳酸盐岩等脆性矿物为 49%~ 58%;五峰组 — 龙马溪组富有机质页岩分布面积 104 300~ 500m,有效页岩厚度 40~ 125m, 平均 页岩含气量 t,石英 、长石和碳酸盐岩等脆性矿物含量为 2010 年钻探的 口页岩气评价井(直井),经大型水力压裂,在筇竹寺组页岩和五峰组 — 龙马溪组页岩中均获得了初始页岩气产量过 104m3/d 的高产页岩气流,实现了中国页岩气首次突破 。 陆过渡相 — 煤系富有机质页岩 海陆过渡相 — 煤系富有机质页岩可划分为海陆过渡相、湖沼相煤系富有机质泥页岩 [6, 7]。海陆过渡相富有机质泥页岩主要分布在中国东部的石炭系 — 二叠系 [8]、南方的二叠系;湖沼相煤系富有机质泥页岩包括四川盆地及周缘的上三叠统 — 下侏罗统、中国西部地区的侏罗系,具有分布面积大、有机质类型复杂、热演化程度适中等特点 。 研究发现,中国海陆过渡相 — 煤系富有机质泥页岩除上扬子及滇黔桂地区单层厚度较大外,其余多数地区的海陆过渡相 — 煤系富有机质泥页岩单层厚度都不大,不 利于页岩气单层独立开发。但海陆过渡相 — 煤系富有机质泥页岩总有机碳含量较高、演化程度一般在过成熟早期以下,有利于成气且泥页岩层多与煤、致密砂岩互层,易形成页岩气、煤层气和致密砂 3 / 7 岩气等多种类型天然气藏叠置。 相富有机质泥页岩 中国中生代、新生代盆地多为陆相沉积,深湖和半深湖相形成的富有机质黑色泥页岩是盆地的主力烃源岩。研究发现,现阶段多数泥页岩正进入大量生油期,仅在埋深较大的凹陷中的部分烃源岩才演化至生气阶段,因此,湖相页岩气勘探开发领域,将会是页岩油和页岩气并存的局面,纵向上具有“上油下气”的展布特 点,横向上埋深大的凹陷区及近凹陷斜坡区是页岩气的主要富集区。渤海湾盆地沙河街组、松辽盆地青山口组、鄂尔多斯盆地延长组、四川盆地侏罗系等都具备湖相页岩气形成基本地质条件 。 2 页岩气的开发技术 随着天然气需求增加,页岩气作为一种新型的非常规天然气资源, 越来越受到关注。美国页岩气开发已有 80 多年的历史, 20 世纪 90 年代以来页岩气的成功开采使美国天然气储量增加了近 40%,改变了美国的能源格局,页岩气成为美国重要的供给能源之一。中国页岩气资源总量巨大,但勘探开发尚处于起步阶段,核心技术不成熟,没有实现工业开采。页岩 气藏一般具有面积广、厚度大、能够长期稳产的特点,由于页岩孔隙度和渗透率极低,开采时须进行压裂改造,水平井、水力压裂和裂缝监测技术是页岩气开发中的关键技术。 水平井和水力压裂技术的快速发展使得页岩气的工业开采成为可能。 1992 年, 岩第一次钻探水平井,由于水力压裂技术不够成熟,水平井产量并没有显著提高。 2002 年, 源公司在 岩的7口试验水平井取得巨大成功,此后岩水平井完井数迅速增加,水平井逐渐成为美国工业界页岩气开发主要钻井方式。另 一项重要技术是储层改造压裂技术, 目前美国页岩气井约有 90%的井进行水力压裂。水平井和水力压裂技术不仅极大地提高了页岩气的开采速率,还提高了单井最终采收率, 大部分生产井的极限采收率在 15%到 35%之间。同时,裂缝监测技术的发展增进了对于储层压裂的内在认识,为评价、优化压裂效果提供了参考。 平井 技术 水平井能够扩大井筒与地层的接触面积,增加储层泄流面积、提高产量。在直井中水力压裂技术可以将井筒与储层的接触面积扩大数百倍, 而水平井中,井筒与储层的接触面积会呈指数增长 [9]。目前美国页岩气开发中,水平井成本是直井的2~3倍,产量可以达到直井的 15~ 20 倍。水平井的关键问题是井身结构设计、钻井工艺、固井与完井,由于页岩地层裂缝发育、机械承受能力低,需要采用快速、高效、稳定、目标区域可准确控制的钻井工艺,最大化泄流面积和产量,同时保证生产的安全稳定 [10]。 水平井钻井的方位角对页岩气产量有着重要影响,沿最大水平应力方向钻井会产生纵向 4 / 7 裂缝,垂直于最大水平应力方向会产生横向裂缝( 如图所 ) , 横向裂缝可以极大地增加气井与储层的接触面 [11, 12],产生横向裂缝的水平井在低渗(< 气藏中经济效益好,纵向裂缝水平井在渗透率较高(>5mD)的气藏中增产效果好 [13]。在低渗透页岩中一般垂直于最大水平应力的方向进行钻井以产生大规模横向裂缝网络。 5 / 7 页岩水平井的主要完井方式包括套管固井后射孔完井、裸眼井射孔完井、组合式 桥塞完井、机械式组合完井等 [14]。 [15]等总结美国五大页岩盆地开发完井技术, 设计了完井决策流程 图( 如图所示) ,根据埋深、厚度、 矿物组成等因素选择完井方式,为其他页岩盆地的开发提供参考。 力压裂技术 力压裂过程 水力压裂的原理是利用地面高压泵组,将超过地层吸液能力的大量压裂液泵入井内, 在井底或封隔器封堵的井间产生高压,当压力超过井壁附近岩石的破裂压力时,就会产生裂缝。随着压裂液注入裂缝会逐渐延伸,进一步注入带有支撑剂的混砂液,在裂缝中填充支撑剂。停泵后,由于支撑剂对裂缝壁面有支撑作用,在地层中就形成了有一定长度、宽度的填砂裂缝 [11]。 缝监测技术 水力压裂作业过程中,需 要监测裂缝生长的走向和形态,保证压裂区域的准确性、评价压裂效果并优化压裂方案。微地震技术可以对水力压裂产生的复杂裂缝网络进行成像和监测[16],其原理是:水力压裂过程中,地层应力和孔隙压力发生改变,裂缝周围的天然裂缝、层理面等薄弱层面的稳定性受到影响,发生剪切滑动,引起类似于断层引发的微小地震,只是能量小很多量级,这种释放出的地震能量能够被监测井的地震波检波器探测到,通过数据处理可以得到有关震源的信息。页岩气井水力压裂作业时,在压裂井的邻井下入一组检波器, 对压裂产生的微地震事件进行接收处理,确定震源在时间和空间上的分布。微地震技术的应用 不仅体现在成像和监测上,随着微地震信息解释的深入,将微地震获得的信息与地质、 地球物理、测井数据等信息集成,应用到数值模拟中,可以更加准确地模拟复杂裂缝网络气藏, 优化生产预测 [17]。 3 中国页岩气开采面临的问题 尽管页岩气开采前景广阔,并在开采技术上取得了成功经验,见到了初步的成果,但在页岩气开采方面仍然存在一些不容忽视的问题,主要体现在技术和环境保护两方面 [18, 19] 。 术问题 美国早在 1821 年就发现和使用页岩 气,但直到近 10 年才得以飞速发展。而我国页岩气才刚刚起步,显然,在页岩气开发的初级阶段将面临许多挑战。我国页岩气储层埋藏 深,如四川盆地的页岩气层埋深在 2000~ 3500m,页岩气层深度的增加也增加了开采难度,这就对开发技术提出了更高要求,同时也需要更大的投资支撑。 6 / 7 境保护问题 尽管人们对页岩气作为替代能源类型的前景充满期待,但同时面临大量耗水、气体泄漏等问题,因此页岩气开采带来的问题不容忽视。 当前, 页岩气开发过程中所使用的水平钻井技术和水力压裂技术因其所具有的优势而成为当前使用最广泛的技 术。但是不可忽视的是,这两种技术会造成对水资源的大量消耗。页岩气的开发不仅会造成水资源的大量消耗,更可能带来水资源的严重污染,严重影响水资源的可持续发展。在页岩气开采过程中,常规钻井作业或者意外井喷都会带来大量的有毒有害物质,尤其是在常规钻井作业过程中所使用的压裂液中基本都添加有种类较多的化学药剂[20]。水力压裂过程中,压裂液中的有毒有害物质可能会通过地质缝隙渗入地下水,从而对地下水 和地表水 造成污染 ,不得不引起重视 。 在页岩气勘探开发进程中,我们应重视页岩气开采的环境污染评估,争取以技术进步和相关环境立法来克服环境安全隐患,减少对环境的破坏和污 染,保证页岩气开采的健康发展 4 发展趋势 世界各国都在积极的发展页岩气资源,美国作为世界上最早发现和开采页岩气的国家之一,其基础研究相对比较完善,今后的重点可能会集中在页岩气开发技术领域,即增加产能方面。而我 国正处于起步 页岩气的开采面临诸多挑战, 例如:理论研究和勘探调查程度低、 发技术瓶颈未突破、前期风险投入高、收益见效慢等,在这种背景下,总体上会有如下发展趋势: ( 1)页岩气的地质理论及其资源评价体系是我国今后的重点,为页岩气的后期开发鉴定基础;( 2)页岩气的相关开发技术是我国必须突破的瓶颈, 由于缺乏对页岩气岩石力学特性的深入了解,在产能模拟、压裂等增产开发措施上与美国尚有差距。因此,随着研究的深入,需要技术手段的不断进步才能成功地开采页岩气资源 ;( 3) 鉴于页岩气资源潜力巨大,在非常规能源中占有重要 的战略地位,国家将会逐渐加大对其扶持的力度 , 而中国的页岩气资源丰富,前景广阔,一旦形成产能,势必会缓解国内能源压力。 5 展望 中国页岩气资源潜力大,勘探开发还处于起步阶段,海相页岩是开发的有利对象,陆相页岩是重要的资源领域。美国的海相页岩开发经验不能直接应用于中国陆相页岩开发,需要加强基础研究和科技攻关。“十二五”规划明确了页岩气发展的重要地位,积极开发页岩气对保障中国能源安全,缓解天然气供给压力有重要意义。 7 / 7 参考文献: [1] 邹才能, 董大忠,王社教 等 质特征及资源潜力 [J] 2010, 641[2] 董大忠,程克明,王玉满,等 . 中国上扬子地区下古生界页岩气形成条件及特征 [J]. 石油与天然气地质 , 2010, 288[3] 邹 董 王 等 质特征及资源潜力 [J] 2010, 641- 653. 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