世界页岩气资源与勘探开发技术综述-江怀友等-期刊文章

/Natural Gas Technology 世界页岩气资源与勘探开发技术综述 文章编号：1673-9035（2008）06-0026-05 天然 气技术 Natural Gas Technology 2008年 第2卷·第6期 Vol.2，No6 Dec.2008 江怀友1 宋新民2 安晓璇3 齐仁理4 乔卫杰3 董利娟5 （1.中国石油经济技术研究院 2.中国石油勘探开发研究院 3.中国地质大学（北京） 4.大庆石油学院 5.大庆油田有限责任公司） 摘 要 在当前国际能源供需矛盾日益突出的形势下，页岩气资源勘探开发备受世界瞩目。在概述世界页岩 气储量、产量的基础上，介绍了页岩气地质理论、勘探方法和开发技术，以及美国、加拿大和中国3个国家页岩 气勘探开发的情况。 关键词 页岩气 储量 产量 勘探开发 勘探技术 地质理论 ∗本文受到中国石油科技重大专项“中国石油天然气可持续发展战略研究”（编号：2008D－5004）的资助。 作者简介：江怀友，1965年生，硕士，高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师；毕业于大庆石油学院石油地质专业，研究方向为油气勘探开发。地 址：（100011）北京市安外安华里二区3号楼。电话：（010）64523253，13426215091。E-mail: jianghuaiyou@cnpc.com.cn。 页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩 中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚 集。这是天然气生成之后在烃源岩层内就近聚集的 结果，表现为典型的“原地”成藏模式。页岩气是 目前经济技术条件下天然气工业化勘探的重要领域 和目标[ 1－2 ]。 一、世界页岩气资源 1.页岩气储量 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。全球页岩气资源量为 456.24×1012m3。主要分布在北美、中亚和中国、拉 美、中东和北非、前苏联（表1）[ 3－5 ]。 中国南方志留系地层中发育黑色页岩，演化程 度高，可形成的页岩气资源潜力大。四川盆地为古 生代海相沉积背景下形成的富含有机碳页岩，与美 国东部地区页岩气发育盆地相似。四川盆地威远和 泸州地区的页岩气资源潜力为（6.8～8.4）×1012m3，相 当于四川盆地的常规天然气资源总量。 中国松辽盆地白垩系、江汉盆地的第三系、渤 海湾盆地、南华北、柴达木以及酒泉盆地均具有页 岩气资源。 2.页岩气产量 页岩气产量与储层性质有关。影响储层性质的 因素有：储层内流体的流动；利于油气流动的孔喉 大小；水动力系统是否良好以及开采技术水平的高 低。目前美国有页岩气井4 259口，年产量已跃升至 （168～204）×108 m3，图 1反映了美国近年页岩气井 数增加的情况。预测 2010年美国页岩气产量将占其 1�082 1�840 2�156 2�223 2�842 4�259 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 2001 2002 2003 2004 2005 2006 ! ' （ # ） %&(%) 图1 美国近年页岩气井数变化图 表1 世界主要地区页岩气储量表(1012m3) 地区或国家 北美 拉丁美洲 西欧 中欧和东欧 前苏联 中东和北非 非洲沙哈拉地区 中亚和中国 太平洋（经济合作和发展组织） 亚太其他地区 南亚 世界 页岩气储量 108.79 59.95 14.44 1.10 17.75 72.15 7.76 99.90 65.50 8.89 0 456.24 资料来源：OIL&GAS JOURNAL on line，2007。 26 天然气技术／ 天然气总产量的13％。 二、页岩气勘探技术 1.页岩气地质理论 页岩气藏因为页岩基质孔隙度很低, 最高仅为 4% ~5%，渗透率小于 1×10-3 μm2，因此，主要由裂 缝提供其储气空间。 页岩在地层组成上多为暗色泥岩与浅色粉砂岩 的薄互层。在页岩中，天然气的赋存状态多种多 样，除极少量溶解状态的天然气以外，大部分均以 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。吸附状态天然气的赋 存与有机质含量密切相关，其中吸附状态天然气的 含量变化于20%～85%之间。页岩气介于煤层吸附气 （吸附气含量在85%以上）和常规圈闭气（吸附气含量 通常忽略为零）之间。页岩气成藏有着非常复杂的多 机理递变特点，体现为成藏过程中的无运移或极短 距离的有限运移。因此，页岩气藏具有典型煤层 气、典型根缘气和典型常规圈闭气成藏的多重机 理，如表2。 页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞 留的结果。页岩气藏是“自生自储”式气藏，运移 距离极短，其现今保存状态基本上可以反映烃类运 移的状况，即天然气主要以游离相、吸附相和溶解 相存在。在生物化学生气阶段，天然气首先吸附在 有机质和岩石颗粒表面，饱和后则富余的天然气以 游离相或溶解相进行运移。当达到热裂解生气阶 段，由于压力升高，若页岩内部产生裂缝，则天然 气以游离相为主向其中运移聚集，受周围致密页岩 烃源岩层遮挡、圈闭，易形成工业性页岩气藏。由 于扩散对气态烃的运移能起到相当大的作用，天然 气继续大量生成，会因生烃膨胀作用而使富余的天 然气向外扩散运移，故此时不论是页岩地层本身还 是薄互层分布的砂岩储层，均表现为普遍的饱含气 性。 在陆相盆地中，湖沼相和三角洲相沉积产物一 般是页岩气成藏的最好条件，但通常位于或接近于 盆地的沉降—沉积中心处，导致页岩气的分布有利 区主要集中于盆地中心处。从天然气的生成角度分 析，生物气的产生需要厌氧环境，而热成因气的产 生也需要较高的温度条件，因此靠近盆地中心方向 是页岩气成藏的有利区域 [ 6 ]（图2、表3）。 图2 页岩气成藏的有利区域图（据李玉喜，2007） 图3 水平井开发页岩气层图 2.页岩气勘探方法 页岩气勘探方法有地质、地球物理、地球化学 勘探、钻井等方法，采用多学科综合勘探是页岩气 勘探发展方向。 3.页岩气开发技术 由于页岩气藏的自身特性，页岩气只有在某些 表2 页岩气与煤层气及天然气对比表 成因类型 主要成分 成藏特点 分布特点 储集方式 埋藏深度 资源潜力 开采特点 页岩气 有机质热演化成 因，生物成因 甲烷为主，少量 乙烷、丙烷等 自生，自储，自 保 受页岩分布控 制，有广布性 吸附气和游离气 并存，吸附气占 20%～80%200 m 及以上， 最浅8.2 m 不清 排气降压解析开 采 煤层气 有机质热演化成 因，生物成因 甲烷为主 自生，自储，自 保 受煤层分布控 制，有广布性 吸附气为主，占 80%以上 风氧化带以下， 一般大于300 m 37×1012m3 排水降压解析开 采 天然气 有机质热演化成 因，生物成因， 原油裂解成因 甲烷为主，乙 烷、丙烷等含量 变化较大 生、储、盖合理 组合 受生、储、盖组 合控制 游离气为主 一般大于500m 44×1012m3 自然压力开采 !"# $%# &'#()* + , 、 . " # / 0 # 1 + # 2 3 # + , 、 . " # !"#$%& '()*+, +,-. /01 天然气技术·勘探与开发总第12期 2008年 27 /Natural Gas Technology 特定条件下才能被开采出来。美国地质调查局 （USGS）认为，页岩气产自连续的气藏。USGS列举 了16个特征，所有这些特征都可能在连续气藏中出 现。与含气页岩有关的独特特征包括区域性分布、 缺少明显的盖层和圈闭、无清晰的气水界面、天然 裂缝发育、最终采收率低于常规气藏，以及极低的 基岩渗透率等。此外，其经济产量在很大程度上还 依赖于完井技术[ 7－9 ]。 页岩气是充填于页岩裂隙、微细孔隙及层面内 的天然气，其储层的渗透率低、气流的阻力比传统 天然气大得多，从而难以开采。开采页岩气层需要 采取某种增产 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 和特殊的钻井与完井方法，目前 多采用水平井或斜井开采，斜井钻进是开发透镜状 气藏可选择的最佳方法，而水平井将成为开发边缘 海相和海相席状砂岩的最佳方法。 岩石内必须具备足够的通道以使天然气流入井 筒。在页岩中，气源岩中裂缝引起的渗透性在一定 程度上可以补偿基质的低渗透率。因此，将页岩作 为开采目标的作业者应事先考虑系统渗透率，即包 含页岩基质和天然裂缝的综合渗透率。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钻井技术（图 3）。该技术在石油工业中并不是一项新技术，但它 对提高页岩气开发成功率却有着重大的意义。从水 平井中获得的最终采收率是直井的 3倍，而费用只 相当于直井的2倍。 采用三维地震解释技术 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 水平井轨迹（图 4）。 由于采用了该技术，作业者将页岩钻井扩展到那些 原来被一直误认为没有产能、含水且位于页岩下方 的喀斯特白云岩区域。一般情况下，作业者通过沿 垂直于最大水平应力方向钻井的方法来增加井筒与 裂缝连接的可能性，从而打开更多的页岩表面进行 开采。但是，常规的定向钻井技术可能受到扭矩和 阻力的影响，而扭矩和阻力通常是井筒造斜过程中 由滑动和旋转所造成的。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。为 了避免上述问题的发生，在开采较直且曲折度不大 的井时，可采用旋转导向系统。在某些情况下，从 水平段底部到顶部的倾角变化低于0.5°。 图4 应用三维地震解释技术设计水平井轨迹图 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。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（图5）。 表3 页岩气成藏模式（据葛岩，2007） 国家 美国 美国 美国 美国 美国 加拿大 中国 页岩 Barnett组 Ohio组 Antrim组 New Albany组 Lewis组 White Speckled组 龙马溪组 盆地 Fort Worth Appalachian Michigan Illinois San Juan 加拿大西部盆地（WCSB） 四川盆地 地区 密西西比系 泥盆系 泥盆系 泥盆系 白垩系 白垩系 志留系 TOC（%） 1 ~ 12 1 ~ 4.5 1 ~ 20 1 ~ 25 1 ~ 2.5 1 ~ 11.9 0.5 ~ 4 吸附气（%） 40 ~ 60 50 70 ~ 75 40 ~ 60 60 ~ 85 - - Po（%） 0.6 ~ 1.6 0.4 ~1.3 0.4 ~ 0.6 0.4 ~ 1.0 1.6 ~ 1.9 未成熟至过成熟 2.0 ~ 4.5 天然气类型 热解气 热解气 热解气 热解气 热解气— 生物气 热解气 热解气干气 第2卷 第6期江怀友，等：世界页岩气资源与勘探开发技术综述 28 天然气技术／ 天然气技术·勘探与开发总第12期 2008年 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6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。FortWorth盆地Barnett组页岩埋藏较深，地层压 力较高，其开发历程印证了钻采技术的不断更新： N2压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂、水平井 钻探技术。 图6 页岩气储层裂缝模型图 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N2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—衍 射和 SEM测试结果分析黏土矿物的类型和含量十分 必要。 三、页岩气勘探开发热点国家 随着非常规气体勘探开发技术的发展，非常规 气的产量在天然气总产量中所占比重将有望从 2000 年的35%提高到2012年的54%。 1.美国 2007年美国天然气产量增长的主要来源为页岩 气（见图7），增长率为20%，其他产量则有所下降。 图7 美国近年页岩气储量增长情况图 2005年，北美的Barrent盆地页岩气产量为1.3×104 m3，其中水平井产量较高，将近60%的产量来自于EOG、 XTD以及边缘资源。开发技术不断提高，同时“技术 实验室”也推动着页岩气的发展。Antrim盆地页岩气 总产量为4.07×108 m3；Appalachisn盆地产量将近1.35× 108 m3；Arkoma盆地当年钻页岩气井数较少，但产量却 增加了5.94×107 m3。 美国Barrent地区的页岩气产量逐年增长，特别 是 2002年以后发展迅速，2007年已达到 1.84×1012 m3。美国页岩气进一步的勘探开发方向为北部地 区，预计维吉尼亚页岩气有望稳步增长。 2.加拿大 对加拿大西部沉积盆地（British Columbia东部和 Alberta地区）上白垩统Wilrich组及其同时代地层、侏 罗系Nordegg／Fernie组、三叠系Doig／DoigPhosphate／ Montney组、Exshaw/Bakken组和泥盆系Ireton／Duvernay 组开展页岩气勘探潜力评价，预测该区页岩气资源量 约为24×1012m3。加拿大非常规天然气协会（CSUG）认为 西部（包括British Columbia北部Bowser盆地）Colorado页 岩段、侏罗系及古生界页岩和东南部的泥盆系页岩具 有开发的潜力。British Columbia油气委员会已核准的 白垩系和泥盆系页岩气试验区块共计22个。 西加拿大沉积盆地页岩气产量达到（1.13～ 1.42）×108m3，2008年将有望突破。 2008年 3月，在北美洲东北部的哥伦比亚北部 0 2 4 6 8 10 12 14 16 '(（10 3 )） "#$%（10 11 m 3 ) +',%（10 6 m 3 /'） 2003 2005!~ 2001 2002!~ 1996 2000!~ 2.63 2.15 9.54 1.90 0.79 1.47 14.99 0.64 4.11 图5 应用随钻测井系统优化完井设计图 29 /Natural Gas Technology 偏远地区发现了一套泥盆纪的页岩气藏，该地区有 望成为北美洲最大的储气盆地。该区带的Muskwa页 岩分布于卡尔加里东北部的合恩河盆地，面积为 5.67×108 m2，预计含气资源量为 1.98×1012 m3，是约 翰逊县Barnett页岩的 2.5倍。Muskwa页岩和Barnett 页岩的埋藏深度相当，但厚度更大，渗透率更好， 地质构造更简单且不含水。 3.中国 中国页岩气具有良好的勘探前景,中国对页岩气 的勘探研究也在逐步展开。在四川、鄂尔多斯、渤 海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等盆地 均有页岩气成藏的地质条件。图8为中国页岩气产量 预测图[ 10 ]。 1为常规天然气；2为煤层气、致密砂岩气、生物气、无 机气；3为页岩气、水溶气；4为天然气水合物；5为天然气 总量 图8 中国页岩气产量预测图（据范柏江，2007） 四、结论与认识 页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩 中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚 集。页岩气储层孔隙度一般为4% ~5%，渗透率小于 10×10-3 μm2。世界范围内泥岩与页岩约占全部沉积 岩的 60%，页岩气资源前景巨大，其资源量为 456.24×1012m3，主要分布在北美、中亚、中国、拉 美、中东、北非和前苏联。 页岩气产量与储层性质有关。储层内流体可否 流动，是否具有利于油气流动的大孔喉和良好的水 动力系统与先进的开采技术，是影响页岩气产量的 重要因素。 开采页岩气层需要采取相应的增产措施和特殊 的钻井和完井方法。采用水平井或斜井开采，斜井 钻井是开发透镜状气藏的最佳方法，而水平井将成 为开发边缘海相和海相席状砂岩的最佳方法。 参考文献 ［1］Exxon Annual Report 2006［R］. Exxon，2006. ［2］Mobil Annual Report 2007［R］. Mobil，2007. ［3］BP Annual Report 2007［R］. BP，2007. ［4］Chevron Annual Report 2007［R］. Chevron，2007. ［5］ ChevronTexaco Annual Report 2007［R］. 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