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全球页岩气资源潜力及开发现状

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全球 页岩 资源 潜力 开发 现状
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张焕芝等:全球页岩气资源潜力及开发现状 全球页岩气资源潜力及开发现状 中国石油集团经济技术研究院科技所 摘要:页岩气是一种重要的非常规资源。近年来,美国页岩气产业发展势头强劲,正在改变着天然气的供应格局,甚 至将会影响到美国乃至全球未来的整体能源局势。加拿大、中国、澳大利亚等国对其也有所关注。本文针对全球页岩气资 源与开发概况、美国页岩气开发的推动因素与障碍、巴耐特页岩气的主要开发指标等进行了重点剖析。 关键词:页岩气开发美国推动因素技术指标 0.3969~.002—302x.2010,06.012 随着世界各国对于煤、石油、天然气等化石能源需 求的不断攀升,页岩气、致密气、煤层气等非常规能源, 作为常规能源的重要补充,逐渐进入人们的视野。页岩 气是以多种相态存在,主体上富集于泥页岩(部分粉砂 岩)地层中的天然气聚集。页岩气藏中的天然气不仅包 括了存在于裂缝中的游离相天然气,也包括了存在于岩 石颗粒表面上的吸附气。页岩气与其他类型天然气的显 著差别在于,其具有典型的“自生自储”特点…。 全球对页岩气的勘探开发并不普遍,仅美国和加 拿大在这方面做了大量工作。近十年来,美国页岩气 行业发展迅速,目前已进入页岩气开发的快速发展阶 段,加拿大页岩气商业化开采还处于起步阶段。页岩 气在美国已经成为天然气家族中的重要成员,正广泛 应用于燃气化工、汽车燃料等方面。作为一个新兴的 非常规能源,页岩气资源的勘探开发需要大量技术、 资金和人员投人。我国页岩气资源的勘探开发刚刚起 步,经验匮乏,技术不成熟,实现页岩气资源的规模 开发还有很长的路要走。北美页岩气开发的成功经验 和先进技术非常值得我们借鉴和参考。 1 全球页岩气资源与开发概况 1.1 全球页岩气资源丰富 全球页岩气资源丰富。据美国国家石油委员会 (计,截至2007年底,全球页岩气资源量约为 456 X 10 全球非常规气资源量近50%,主要分 布在北美(占23.8%)、中亚和中国(占21.9%)、中东 和北非(占15.8%)、拉美(占13.1%)等国家和地区 (图1 o 图1全球页岩气资源分布图 (183 168×101.2 美国页岩气开发最成熟 美国页岩气最早的规模开发始于得克萨斯州的巴 耐特(岩。最近几年,得到开发。在过去的十几年,美国页岩气产量呈指 数级增长:1998年,产量为85 X 占美国天然气 年产量的1.6%;2008年,产量达500 X 10 美国 天然气年产量的8%。页岩气产量的大幅增长扭转了 第一作者简介:张焕芝,1981年生,油气田开发专业硕士,工程师,1/1前主要从事油气田开发科技信息研究工作。E—010年第6期·石油科技论坛53 美国天然气产量下降的趋势,降低了美国对进口天然 气(尤其是依赖_2l。据美国能源信息署(预测,未来20多年,页岩气产量还会大幅上涨,到2035 年,页岩气产量将占到美国天然气总产量的24.3% 3_ (图2) 000 2005 200020 2025 2030 2份 图2美国天然气产量历史及预测(1.3 全球页岩气勘探开发活动悄然兴起 北美页岩气的大规模生产引起了全球其他国家和 地区对页岩气资源的重视。2009年5月,欧洲启动了 一个由行业资助、德国国家地质实验室协作的研究项 目“;在南美洲,阿根廷 和智利也正在评估其页岩气的潜力;在亚洲,印度国 有石油公司(经开始评估印度的页岩气可采 量;我国也钻探了一些页岩气评价井。 全球各大石油公司也纷纷开始采取行动:埃克森 美孚在德国展开钻探工程;美国戴文能源(D ev 法国道达尔联手,在法国钻探页岩气;康 菲石油公司将在波兰展开页岩气勘探工作;中国石油 天然气集团公司和壳牌宣布将联手开发四川的页岩气 资源;挪威国家石油公司、美国页岩气开发最为成功 的切萨皮克能源公司(南非石化巨头萨 索尔公司(同向南非政府有关部门申请对南 非2 美国页岩气的开发经验 2.1 中小石油公司是主要推动者 美国的页岩气开发最初主要是由一些中小型石油 公司推动的,他们依靠传统的油田服务公司(如哈里 伯顿、斯伦贝谢等)提供服务和技术支持。这些中小 公司主要包括:as 大石油公司没有一个是页岩气开发的专家,他们 起初并没有着手开发页岩气,这一方面是由于大石油 公司把注意力都放在了墨西哥湾深水油气的开发,低 估了页岩气的潜力;另一方面是由于页岩气田开发矿 权极难获得,大油公司没有精力与土地持有者进行旷 日持久的谈判。近几年来,随着墨西哥湾深水油气产 量的急剧下滑,大石油公司再也找不到比较大的储量 增长点来保证储量接替率,因此又纷纷把目光转向了 页岩气。如前所述,一些大石油公司开始通过合伙、参 股或收购有页岩气开发经验的中小公司等形式参与页 岩气的勘探开发。 2_2 快速发展的主要推动因素 美国页岩气发展速度之快,离不开国家政策上的 支持和先进的开发技术,推动美国页岩气快速发展的 主要因素如下。 2.2.1 政府的财税政策 页岩气的开发具有高投入、高风险、回收期长等 特点,从发展的角度来说,特别需要一个协调一致的 政策环境。早在20世纪70年代末期,美国政府在《能 源意外获利法》中规定了非常规能源开发税收补贴政 策,而得克萨斯州自20世纪90年代初以来,对页岩气 的开发不征生产税。另外,美国还专门设立了非常规 油气资源研究基金。可以说,美国政府有利的政策支 持大大降低了页岩气的开发成本,为页岩气的快速发 展提供了强劲的动力。 2.2.2 天然气价格的作用 自2000年起美国天然气价格连年飙升,使得页岩 气的开采有利可图。虽然2008年至今,天然气价格受 金融危机的影响一路走低,但据美国能源信息署 (测,2010年之后,天然气价格会逐渐反弹(图 3),这对页岩气的大规模开发非常有利。 2_2.3 水平井和压裂技术的进步 页岩气资源丰富,要实现有效动用,其问题在于 有多少经济和技术可采储量。除了天然气价格上扬因 素以外,页岩气开发技术的进步使页岩气的有效开采 从以往的望而却步变成有利可图的现实。美国经过多 年攻关,探索出一套先进的页岩气开采技术,主要包 石游 茄鲶 ·2010车 6筋一 ; 。 * 。 。t|一 张焕芝等:全球页岩气资源潜力及开发现状 10 8 历史 预测 6 4/_、\ 2 O 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 年份 图3美国天然气井口价格(括:水平井钻井技术、水平井分段压裂技术、清水压 裂技术和微震裂缝实时成像技术等。正是在这些先进 技术不断推动下,以得克萨斯州的巴耐特页岩气开发 为例,其产量10年来一路走高(图4)。 1 一10∞ 0 800 600 400 j 200 盟 攀诊 \? , L———_、,. 嘲 1980 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份 图4 1998—2007年巴耐特页岩气产量 2.2.4 完备的基础设施 美国页岩气开发的另一个主要推动因素是附近有 现成的输气管线等基础设施。许多页岩气的开发紧邻 常规油气田,拥有现成的基础油气设施,交通便利,可 以实现钻机、压裂设备等快速转移。如果页岩气田附 近没有充足的基础设施的话,开发初期投资会很大。 2.3 美国页岩气开发的主要障碍 美国页岩气开发时面临的主要障碍具体表现在如 下三个方面。 2.3.1 获得开发权比较困难 资源开发权的获得应该是页岩气开发的最大障 碍。与常规气藏相比,页岩气不仅气藏面积比较大,而 且需要的井数为常规气藏的意味着钻井和生 产作业对地面影响比较大。大规模钻井会对人口密集 的社区产生干扰并增加当地对基础设施的需求。尽管 美国采取了一系列措施来限制页岩气开发对当地社区 的影响,并通过公关和教育争取公众的认可,但如果 当地公众不能获得直接利益的话,想获得开发权会非 常困难。 2.3.2 水源和水处理问题突出 页岩气的开发用水量很大。以巴耐特页岩为例, 钻井平均用水量为1 82t/口井,压裂平均用水量为 13650t/口井l 4_。因此,页岩气成功开发的一个关键点就 是要确保钻井和压裂用水供应不与当地社区居民用水 发生冲突。尽管正在设法减少施工过程的用水量,获 得足够的水源仍是一大障碍。 产出水的处理也是一个很大的问题,需要制定既 环保又经济的水处理方案。井场附近如果没有污水处 理设备的话,会大大减缓页岩气藏的开发速度,增加 开发成本。 2.3.3 环境法规约束 环境法规是页岩气开发的又一大障碍。由于页岩 气需要的井数很多,钻井对地面影响较大。大量压裂 用水的处理可能会触犯环境法,尤其是那些地下水污 染很受重视的地方,水处理成本会很高。如果能够在 进一步降低占地面积方面技术有所突破的话,将有助 于开发更多的页岩气藏,尤其是人口密集和环境敏感 地区的资源。 3 成功开发页岩气的典型案例——巴耐 特页岩气田 巴耐特页岩气田是目前世界上开发最成功的页岩 气田,也是美国目前产量最大的页岩气田,其产量占 美国总页岩气产量的50%~60%。国际能源署(对巴耐特页岩的钻井井型、井距、生产剖面、产量递 减率、净现值等重要开发指标进行了分析l 5】。 3.1 井型与井距 在常规油气藏中,如果钻井过密,每口井的生产 速度和井间干扰会对油气藏整体压力产生影响,但是 对于页岩气藏来说并非如此。由于页岩渗透率极低, 只要钻井密度不够大或者临近井的压裂裂缝没有相互 交叉,每口井只能采出该井所控制那一小块气藏里的 天然气。因此,页岩气产量与钻井数量和压裂规模密 切相关。 页岩气藏需要的井数为常规气藏的10倍,井距较 小。截至2008年,巴耐特页岩气田总井数为12000口。 *撂 。。 豫÷ a 。 瓣 豫黪 秘嚣* |。鹾_ 穗瓣辨 拱 鬻 黪 20 0 6 ; ; 2008年产量高峰期的时候,有180多台钻机同时作 业,相当于美国所有可用钻机数的10%。如图5所示, 近几年钻的井绝大多数为水平井(通常为20~40口的 丛式井),水平段长度通常为1000~2000m,压裂级数 为4~15级。大多数页岩气井井距为400—800m,但是 为了提高采收率,一些区块的井距甚至为245~283m (相当于16口井/。 994 000 2002 2004 2006 2008 年份 图5巴耐特页岩井型和产气量 (据009) 3_2 生产剖面 巴耐特页岩7000多口气井的生产剖面极为类似 (图6):均为早期出现一个产量高峰,之后迅速下滑。 每口井的产能都与所在区块的地质特征及完井作业的 有效性(是否实现了与产层的最大接触)有关。井与 井之间的产能差异明显大于常规油气藏。 暑 一 图6巴耐特页岩水平井生产剖面 (据I 很高的初始产量和紧随其后的快速下滑意味着页 岩气资源开发很快,4年之内就可以开发出2/3。这就 确保了每口井的投资成本可以很快回收。增加钻井数 量可以迅速提高产量,一旦停止钻井,产量就会迅速 下滑。 石游 坛·201 0车 6期. 。 - 瓣 从对巴耐特页岩气井的生产剖面分析可以推断其 他有待开发的页岩气藏的生产特征,即产量与钻井数 量成函数关系。假设每年钻80口井,每口井的设计和 生产特征相同,一个新开的页岩气藏7年之后能达到 高产稳产期(图7)。为了维持稳产,必须不停地钻井; 如果彻底停止钻井,3年之后产气量就会下降到稳产 期产量的一半。 鲁 一 J}L 1 5 l0 O 25 30 35 4O 生产年数 图7一个新开发的页岩气藏的生产剖面 (说明:假设每年钻800口井,连续钻27年,每个条带代表 一年钻的所有井的总产量) 3.3 产量递减率 巴耐特页岩气井的产量递减率明显高于大多数常 规气井。总体来说,巴耐特页岩气井产量第二年比第 一年下降39%,第三年比第二年下降50%(图8)。几 年之后,产量下降速率会放缓但还是相当高,因此,几 年之后大部分可采气都可以采出了。垂直井的产量递 减率也很高:第二年比第一年下降42%,第三年比第 二年下降55%。 窨 一 吲Ⅲ】l 1 2 3 4 5 6 7 l o l 1 l 2 l 3 1 4 生产年数 图8巴耐特页岩水平井产量递减率 (据I 3.4 单井最终可采资源量 国际能源署在历史产量数据的基础上对巴耐特页 岩气井的单井最终可采资源量进行了预测。水平井平 ∞ ∞ O 4 2 0 8 6 4 2 O 1 1 1 O 0 O 0 张焕芝等:全球页岩气资源潜力及开发现状 均单井可采量为3860 X 10 m。,60%的井在平均值以下 (图9 ,没有考虑新产层压裂和老产层的重复压裂所带来 的产量剧增,所以数据有点保守。垂直井的单井最终 可采资源量分布与水平井非常类似,但总体数值有点 低,平均单井可采量为2070 X 10 暑 __ \-, 甘 图9巴耐特页岩现有水平井的 最终单井可采资源量(预测) (据I 页岩气藏每口井的单井产量和可采资源量之间差 别很大,这反映了原始地质储量、储层的局部地质特 征、井的水平段长度以及压裂规模之间的差异。平均 单井产量最高的区块称为“核心区块”。 3.5 净现值(N 由于巴耐特页岩气田每口井的单井可采资源量和 单井产量变化很大,它们的经济价值(净现值)也差 别很大。据国际能源署(估,水平井平均净现 值为58万美元/口井(以2008年的钻井和作业成本、 美国财政成本为基础,贴现率为10%,井口气价为6美 元/基于同样的假设, 垂直井平均净现值不到10万美元/口井。如果要获得 10%的资本利润率,几个主要的生产页岩气的县的临 界井口气价为4~13美元/10)。迄今为止,过 半数的水平生产井都分布在最具产能的两个县 (o 这些临界气价是各个县的所有作业者的平均值, “核心区块”的作业者能够把它们的临界气价控制的 比较低。降低生产成本的关键在于通过试验找到最佳 的气井设计和完井方法,尤其是井的水平段长度、压 裂级数与规模、井距、施工等。如果每口井都采用最 /.、 三 ∞ 岂 、 1 一 生严年数 图1 0巴耐特页岩几个主要区县的临界井口气价 (据009;佳的开发设计和技术,并根据试验不断更新作业标 准,经营者就能够提高产能和采收率、降低单位成本、 增加盈利。 我国页岩气资源也很丰富,开发潜力巨大。美国 页岩气开发的成功经验和先进技术非常值得我们借鉴 和参考。目前,我国页岩气资源的勘探开发才刚刚起 步,还未得到大规模商业化开采,相信随着水平井、 分段压裂等技术的进步,页岩气的开发也将取得重大 突破。 【参考文献】 [1】潘仁芳,黄晓松.页岩气及国内勘探前景展望U】.中国 石油勘探,2009,14(3). [2],. ]. 009,11(3). [3].010[R]..S.009,12(14). 『4]in ].009. 【5]009[R].009. [6]4,张焕芝.未来全球油气技术展望U】.石油科技 论坛,2010,29(3). (收稿日期:2010—04—15改回日期:2010—06—13) o 201 0年第6期·石油科技论坛57
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