世界頁巖氣資源與勘探開發(fā)技術(shù)綜述.doc

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世界頁巖氣資源與勘探開發(fā)技術(shù)綜述頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。這是天然氣生成之后在炷源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。頁巖氣是目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下天然氣工業(yè)化勘探的重要領(lǐng)域和目標(biāo)[切。一、世界頁巖氣資源1.頁巖氣儲(chǔ)量從全世界范圍看，泥、頁巖約占全部沉積巖的60%,頁巖氣資源前景巨大。全球頁巖氣資源量為456.24x1012m3o主要分布在北美、中亞和中國、拉美、中東和北非、前蘇聯(lián)（表1）[3_5]o 地區(qū)或國家頁巖氣儲(chǔ)量北美拉丁美洲西歐中歐和東歐前蘇聯(lián)中東和北非非洲沙哈拉地區(qū)中亞和中國太平洋（經(jīng)濟(jì)合作和發(fā)展組織）亞太其他地區(qū)南亞108.7959.9514.441.1()17.7572.157.7699.9065.508.89發(fā)育黑色頁巖，演化程度高，可形成的頁巖氣資源潛力大。四川盆地為古生代海相沉積背景下形成的富含有機(jī)碳頁巖，與美國東部地區(qū)頁巖氣發(fā)育盆地相似。四川盆地威遠(yuǎn)和瀘州地區(qū)的頁巖氣資源潛力為（6.8?8.4）xl012m3,相當(dāng)于四川盆地的常規(guī)天然氣資源總量。中國松遼盆地白堊系、江漢盆地的第三系、渤海灣盆地、南華北、柴達(dá)木以及酒泉盆地均具有頁巖氣資源。1.頁巖氣產(chǎn)量頁巖氣產(chǎn)量與儲(chǔ)層性質(zhì)有關(guān)。影響儲(chǔ)層性質(zhì)的因素有：儲(chǔ)層內(nèi)流體的流動(dòng)；利于油氣流動(dòng)的孔喉大??；水動(dòng)力系統(tǒng)是否良好以及開采技術(shù)水平的高低。目前美國有頁巖氣井4259口，年產(chǎn)量已躍升至（168?204）X108m3,圖1反映了美國近年頁巖氣井?dāng)?shù)增加的情況。預(yù)測(cè)2010年美國頁巖氣產(chǎn)量將占其天然氣總 產(chǎn)量的13%o二、頁巖氣勘探技術(shù)1.頁巖氣地質(zhì)理論頁巖氣藏因?yàn)轫搸r基質(zhì)孔隙度很低，最高僅為4%?5%,滲透率小于1x10-3|im2,因此，主要由裂縫提供其儲(chǔ)氣空間。頁巖在地層組成上多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。在頁巖中，天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣，除極少量溶解狀態(tài)的天然氣以外，大部分均以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面，或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀態(tài)天然氣的賦存與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，其中吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20%?85%之間。頁巖氣介于煤層吸附氣（吸附氣含量在85%以上）和常規(guī)圈閉氣（吸附氣含量通常忽略為零）之間。頁巖氣成藏有著非常復(fù)雜的多機(jī)理遞變特點(diǎn)，體現(xiàn)為成藏過程中的無運(yùn)移或極短距離的有限運(yùn)移。因此，頁巖氣藏具有典型煤層氣、典型根緣氣和典型常規(guī)圈閉氣成藏的多重機(jī)理，如表2。 頁巖U煤層氣天然氣成因類型有機(jī)質(zhì)熱演化成因.生物成因冇機(jī)質(zhì)熱演化成因,生物成因冇機(jī)質(zhì)熱演化成因?生物成因,原油裂解成因主要成分甲烷為主，少量乙烷、內(nèi)烷等甲烷為主甲烷為主，乙烷、內(nèi)烷等含量變化較大成藏特點(diǎn)自生，自儲(chǔ)，自保自生.自儲(chǔ)，自保生、儲(chǔ)、蓋合理組合分布特點(diǎn)受貞巖分布控制，有廣布性受煤層分布控制.有廣布性受生、儲(chǔ)、蓋組合控制儲(chǔ)集方式吸附氣和游離氣并存，吸附氣占20%?80%吸附氣為主，占80%以上游離U為主理藏深度200m及以1：?最淺&2m風(fēng)氧化帶以下.一般大于300m一般大于500m資源潛力不清37x10'W44x10'W開采特點(diǎn)排氣降爪解析丿1采排水降壓解析爭(zhēng)采sw頁巖氣藏的形成是天然氣在坯源巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果。頁巖氣藏是“自生自儲(chǔ)”式氣藏，運(yùn)移距離極短，其現(xiàn)今保存狀態(tài)基本上可以反映炷類運(yùn)移的狀況，即天然氣主要以游離相、吸附相和溶解相存在。在生物化學(xué)生氣階段，天然氣首先吸附在有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面，飽和后則富余的天然氣以游離相或溶解相進(jìn)行運(yùn)移。當(dāng)達(dá)到熱裂解生氣階段，由于壓力升高，若頁巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，則天然氣以游離相為主向其中運(yùn)移聚集，受周圍致密頁巖炷源巖層遮擋、圈閉，易形成工業(yè)性頁巖氣藏。由于擴(kuò)散對(duì)氣態(tài)炷的運(yùn)移能起到相當(dāng)大的作用，天然氣繼續(xù)大量生成，會(huì)因生炷膨脹作用而使富余的天然氣向外擴(kuò)散運(yùn)移，故此時(shí)不論是頁巖地層本身還是薄互層分布的砂巖儲(chǔ)層，均表現(xiàn)為普遍的飽含氣性. 在陸相盆地中，湖沼相和三角洲相沉積產(chǎn)物一般是頁巖氣成藏的最好條件，但通常位于或接近于盆地的沉降一沉積中心處，導(dǎo)致頁巖氣的分布有利區(qū)主要集中于盆地中心處。從天然氣的生成角度分析，生物氣的產(chǎn)生需要厭氧環(huán)境，而熱成因氣的產(chǎn)生也需要較高的溫度條件，因此靠近盆地中心方向是頁巖氣成藏的有利區(qū)域⑹（圖2、表3）。國家頁巖盆地地區(qū)1X)(；(%)吸附氣（％）Po(%)天然久類型關(guān)阿Bomctt組FortWorth畜兩兩比系1-1240~600.6-1.6熱解氣Ohio組Appalachian泥盆系1~45500.4-13熱解氣美國AntrimillMichigan泥盆系1-2070-750.4~0.6熱無氣美國NewAlbany組Illinois泥盆系1-2540-6()0.4~1.0熱解尺Lewis組SanJuan口堅(jiān)系1~2560-851.6-1.9-k襯八■熱解久一如拿大WhileSprckkd組加拿大西部盆地（WCSB）白罷系1-11.9一中國龍馬溪組四川盆地().5-4一1.頁巖氣勘探方法頁巖氣勘探方法有地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)勘探、鉆井等方法，采用多學(xué)科綜合勘探是頁巖氣勘探發(fā)展方向。2.頁巖氣開發(fā)技術(shù)由于頁巖氣藏的自身特性，頁巖氣只有在某些特定條件下才能被開釆出來。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）認(rèn)為，頁巖氣產(chǎn)自連 續(xù)的氣藏。USGS列舉了16個(gè)特征，所有這些特征都可能在連續(xù)氣藏中出現(xiàn)。與含氣頁巖有關(guān)的獨(dú)特特征包括區(qū)域性分布、缺少明顯的蓋層和圈閉、無清晰的氣水界面、天然裂縫發(fā)育、最終釆收率低于常規(guī)氣藏，以及極低的基巖滲透率等。此外，其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量在很大程度上還依賴于完井技術(shù)［7一9】。頁巖氣是充填于頁巖裂隙、微細(xì)孔隙及層面內(nèi)的天然氣，其儲(chǔ)層的滲透率低、氣流的阻力比傳統(tǒng)天然氣大得多，從而難以開采。開采頁巖氣層需要采取某種增產(chǎn)措施和特殊的鉆井與完井方法，目前多釆用水平井或斜井開釆，斜井鉆進(jìn)是開發(fā)透鏡狀氣藏可選擇的最佳方法，而水平井將成為開發(fā)邊緣海相和海相席狀砂巖的最佳方法。巖石內(nèi)必須具備足夠的通道以使天然氣流入井筒。在頁巖中,氣源巖中裂縫引起的滲透性在一定程度上可以補(bǔ)償基質(zhì)的低滲透率。因此，將頁巖作為開采目標(biāo)的作業(yè)者應(yīng)事先考慮系統(tǒng)滲透率，即包含頁巖基質(zhì)和天然裂縫的綜合滲透率。為了更好地利用儲(chǔ)層中的天然裂縫，并且使井筒穿越更多儲(chǔ)層，越來越多的作業(yè)者都在應(yīng)用水平鉆井技術(shù)（圖3）。該技術(shù)在石油工業(yè)中并不是一項(xiàng)新技術(shù)，但它對(duì)提高頁巖氣開發(fā)成功率卻有著重大的意義。從水平井中獲得的最終采收率是直井的3倍，而費(fèi)用只相當(dāng)于直井的2倍。 圖4應(yīng)用三維地震解釋技術(shù)設(shè)計(jì)水平玉關(guān)歸;驚采用三維地震解釋技術(shù)設(shè)計(jì)水平井軌跡（圖4）。由于采用了該技術(shù)，作業(yè)者將頁巖鉆井?dāng)U展到那些原來被一直誤認(rèn)為沒有產(chǎn)能、含水且位于頁巖下方的喀斯特白云巖區(qū)域。一般情況下，作業(yè)者通過沿垂直于最大水平應(yīng)力方向鉆井的方法來增加井筒 與裂縫連接的可能性，從而打開更多的頁巖表面進(jìn)行開采。但是,常規(guī)的定向鉆井技術(shù)可能受到扭矩和阻力的影響，而扭矩和阻力通常是井筒造斜過程中由滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)所造成的。在更復(fù)雜的井眼軌跡中，扭矩和阻力可能限制橫向位移，加大測(cè)井難度。為了避免上述問題的發(fā)生，在開采較直且曲折度不大的井時(shí)，可采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)。在某些情況下，從水平段底部到頂部的傾角變化低于0.5%隨鉆成像測(cè)井系統(tǒng)已被應(yīng)用于解決水平井測(cè)井存在的一些問題。應(yīng)用該系統(tǒng)可以在整個(gè)井筒長度范圍內(nèi)進(jìn)行電阻率成像和井筒地層傾角分析。成像測(cè)井提供構(gòu)造信息、地層信息和力學(xué)特性信息，用于優(yōu)化完井作業(yè)。成像能夠?qū)⒌貙犹烊涣芽p和鉆井誘發(fā)裂縫進(jìn)行比較，幫助作業(yè)者確定射孔和油井增產(chǎn)的最佳目標(biāo)。利用測(cè)井得到的成像資料來識(shí)別地震資料無法識(shí)別的斷層以及與之相關(guān)的從下伏喀斯特白云巖中產(chǎn)水的天然裂縫群。在進(jìn)行加密鉆井時(shí)，井眼成像有助于識(shí)別鄰井中的水力裂縫，從而幫助作業(yè)者將注意力集中在儲(chǔ)層中原先未被壓裂部分的增產(chǎn)措施上。井中是否存在鉆井誘發(fā)裂縫以及裂縫的方向如何，對(duì)確定整個(gè)水平井的應(yīng)力變化及力學(xué)特性非常有用，而且在減輕頁巖完井難度及降低相關(guān)費(fèi)用方面也起到一定作用（圖5）o 中國耶命規(guī)油毛圖5應(yīng)用隨鉆測(cè)井系統(tǒng)優(yōu)化完井設(shè)許酚耳紗創(chuàng)裂縫的發(fā)育程度是頁巖氣運(yùn)移聚集、經(jīng)濟(jì)開釆的主要控制因素之一，圖6為頁巖氣儲(chǔ)層裂縫模型。僅有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁巖氣井可直接投入生產(chǎn)，其余90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通其天然裂縫，提高井筒附近儲(chǔ)層導(dǎo)流能力。FortWorth盆地Barnett組頁巖埋藏較深，地層壓力較高，其開發(fā)歷程印證了鉆采技術(shù)的不斷更新：N2壓裂、泡沫壓裂、凝膠壓裂、清水壓裂、水平井鉆探技術(shù)。頁巖儲(chǔ)層改造技術(shù)要求針對(duì)頁巖儲(chǔ)層特點(diǎn)優(yōu)選壓裂層位和施工工藝，才能取得比較好的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于埋藏較淺、地層壓力較低的儲(chǔ)層通常采用N2泡沫壓裂。清水壓裂的壓裂液中一般已加入適量抑制劑，但仍要求儲(chǔ)層中膨脹性蒙脫石含量不能很高，原因是其水敏性強(qiáng)，遇水易膨脹、分射和SEM測(cè)試結(jié)果分析黏土礦物的類型和含量十分必要。 三、頁巖氣勘探開發(fā)熱點(diǎn)國家隨著非常規(guī)氣體勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)氣的產(chǎn)量在天然氣總產(chǎn)量中所占比重將有望從2000年的35%提高到2012年的54%o1.美國丿I：數(shù)(io3II)增加儲(chǔ)量(10Hm3)單丿I：產(chǎn)量(lOV/JI-)圖7美國近年頁巖氣儲(chǔ)量增長情況氤^?(L囂怎頤’2007年美國天然氣產(chǎn)量增長的主要來源為頁巖氣(見圖7),增長率為20%,其他產(chǎn)量則有所下降-2005年，北美的Barrent盆地頁巖氣產(chǎn)量為1.3x104m3,其中水平井產(chǎn)量較高，將近60%的產(chǎn)量來自于EOG、XTD以及邊緣資源。開發(fā)技術(shù)不斷提高，同時(shí)''技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”也推動(dòng)著頁巖氣的發(fā)展。Antrim盆地頁巖氣總產(chǎn)量為4.07x10sm3；Appalachisn盆地產(chǎn)量將近1.35><10sm3；Arkoma盆地當(dāng)年鉆頁巖氣井?dāng)?shù)較少，但產(chǎn)量卻增加了5.94x10?m3o美國Barrent地區(qū)的頁巖氣產(chǎn)量逐年增長，特別是2002年以 后發(fā)展迅速，2007年已達(dá)到1.84xl012m3o美國頁巖氣進(jìn)一步的勘探開發(fā)方向?yàn)楸辈康貐^(qū)，預(yù)計(jì)維吉尼亞頁巖氣有望穩(wěn)步增長。2.加拿大對(duì)加拿大西部沉積盆地(BritishColumbia東部和Alberta地區(qū))上白堊統(tǒng)Wilrich組及其同時(shí)代地層、侏羅系Nordegg/Femie組、三疊系Doig/DoigPhosphate/Montney組、Exshaw/Bakken組和泥盆系Ireton/Duvemay組開展頁巖氣勘探潛力評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)該區(qū)頁巖氣資源量約為24xl012m3o加拿大非常規(guī)天然氣協(xié)會(huì)(CSUG)認(rèn)為西部(包括BritishColumbia北部Bowser盆地)Colorado頁巖段、侏羅系及古生界頁巖和東南部的泥盆系頁巖具有開發(fā)的潛力oBritishColumbia油氣委員會(huì)已核準(zhǔn)的白堊系和泥盆系頁巖氣試驗(yàn)區(qū)塊共計(jì)22個(gè)。西加拿大沉積盆地頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到(1.13?1.42)xl08m3,2008年將有望突破。2008年3月，在北美洲東北部的哥倫比亞北部偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一套泥盆紀(jì)的頁巖氣藏，該地區(qū)有望成為北美洲最大的儲(chǔ)氣盆地。該區(qū)帶的Muskwa頁巖分布于卡爾加里東北部的合恩河盆地，面積為5.67xl08m2,預(yù)計(jì)含氣資源量為1.98xl012m3,是約翰遜縣Barnett頁巖的2.5倍。Muskwa頁巖和Barnett頁巖的埋藏深度相當(dāng)，但厚度更大，滲透率更好，地質(zhì)構(gòu)造更簡(jiǎn)單且不含水。 1.中國中國頁巖氣具有良好的勘探前景，中國對(duì)頁巖氣的勘探研究也在逐步展開。在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、 塔里木和準(zhǔn)11葛爾等盆地均有頁巖氣成藏的地質(zhì)條件。圖8為中國頁巖氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)圖［心。丨為常規(guī)人然氣；2為煤層氣、致密砂巖氣、生物氣、無機(jī)3為頁巖氣、水溶代；4為天然代水合物；5為天然代總量亠亠■圖x中國頁巖氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)圖（據(jù)范柏江，3刖海輕伽四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度一般為4%?5%,滲透率小于10><10門屮1?。世界范內(nèi)泥巖與頁巖約占全部沉積巖的60%,頁巖氣資源前景巨大，其資源量為456.24xlO12m主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)。頁巖氣產(chǎn)量與儲(chǔ)層性質(zhì)有關(guān)。儲(chǔ)層內(nèi)流體可否流動(dòng)，是否具有利于油氣流動(dòng)的大孔喉和良好的水動(dòng)力系統(tǒng)與先進(jìn)的開采技術(shù)，是影響頁巖氣產(chǎn)量的重要因素。開采頁巖氣層需要采取相應(yīng)的增產(chǎn)措施和特殊的鉆井和完井方法。采用水平井或斜井開采，斜井鉆井是開發(fā)透鏡狀氣藏的最佳方法，而水平井將成為開發(fā)邊緣海相和海相席狀砂巖的最佳方法。