關(guān)于中國頁巖氣勘探開發(fā)工作的思考

摘 要

摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源需求量的不斷增長以及常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)難度的不斷加大，頁巖氣等非常規(guī)油氣資源在油氣供給中的比例將日益增加。近年來北美地區(qū)頁巖氣快速
摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源需求量的不斷增長以及常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)難度的不斷加大，頁巖氣等非常規(guī)油氣資源在油氣供給中的比例將日益增加。近年來北美地區(qū)頁巖氣快速發(fā)展，主要得益于其優(yōu)越的地質(zhì)地表?xiàng)l件，得益于水平井及水力壓裂等核心工程技術(shù)的進(jìn)步，得益于高效組織降低了成本，得益于政策的大力扶持。中國海相古生界頁巖具有分布面積廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)及脆性礦物含量高等有利成藏條件；同時(shí)，與北美頁巖相比，中國南方海相頁巖也存在沉積時(shí)代老、埋藏深、成熟度高、保存條件差、地表復(fù)雜等不利條件。鑒于此，中國在勘探開發(fā)頁巖氣過程中需要加強(qiáng)有利區(qū)塊評(píng)價(jià)優(yōu)選，提高工程技術(shù)水平、加大應(yīng)用力度，努力降低勘探開發(fā)成本，并積極尋求國家政策的支持。
關(guān)鍵詞：中國；頁巖氣；成藏機(jī)理；勘探思路；開發(fā)技術(shù)；有利條件；不利因素
    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[1]。在頁巖氣藏中，天然氣賦存于細(xì)粒的粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及石灰?guī)r、白云巖或不同顆粒大小的混合巖性中，是天然氣生成之后在源巖層段內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式[2]。
    近年來，隨著社會(huì)對(duì)清潔能源需求的不斷擴(kuò)大、天然氣價(jià)格的不斷上漲、對(duì)頁巖氣成藏條件認(rèn)識(shí)的不斷深化、鉆井工藝的不斷進(jìn)步，頁巖氣勘探開發(fā)正由北美向全球擴(kuò)展。頁巖氣在非常規(guī)天然氣中異軍突起，成為全球非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)。加快頁巖氣資源勘探開發(fā)，已經(jīng)成為世界頁巖氣資源大國的共同選擇。
1 美國頁巖氣快速發(fā)展的有利條件
    美國含頁巖氣盆地共有22個(gè)，可采資源量為16.9×1012m3，投入商業(yè)開發(fā)的主要有Fayetteville、Haynesville和Marcellus等盆地[3]。美國頁巖氣藏分布于海相古生代地層，大面積連續(xù)成藏；以吸附、溶解和游離3種狀態(tài)賦存，主要為吸附氣與游離氣；來源于生物成因類型、熱成因和混合成因等3種成因類型，以熱成因?yàn)橹鳌?/span>
    美國頁巖氣勘探始于1981年，至2009年底，完鉆頁巖氣井4.2×104口，2009年頁巖氣產(chǎn)量900×108m3，預(yù)計(jì)2015年可達(dá)到2800×108m3。
1.1 美國頁巖氣成藏條件優(yōu)越
    1) 地質(zhì)背景好，頁巖廣泛分布、產(chǎn)狀平緩、后期斷層與褶皺不發(fā)育，埋藏深度適中。以Fort Worth盆地為例，其總體處于一個(gè)穩(wěn)定的構(gòu)造地質(zhì)背景，Barnett頁巖廣泛穩(wěn)定分布，具有開發(fā)潛力的面積為1.036×104km2，核心區(qū)面積達(dá)到4000km2[4]，埋深范圍主要介于1000～3500m之間。
    2) 頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，演化程度適中，TOC＞2%，干酪根類型為混合型，Ro＞1.1%；核心區(qū)TOC介于2%～7%，Ro介于1.1%～1.7%。
    3) 頁巖層內(nèi)有機(jī)質(zhì)微孔隙、原生孔隙以及無機(jī)礦物之間的粒間孔發(fā)育，總孔隙度一般介于4%～12%，構(gòu)成了游離氣儲(chǔ)集空間，是頁巖氣井早期高產(chǎn)的基礎(chǔ)。
    4) 具有良好的區(qū)域蓋層。頁巖氣儲(chǔ)層一般超壓，區(qū)域蓋層缺失將導(dǎo)致地層壓力降低，可能造成頁巖氣解吸和散失。另外，蓋層缺失容易使頁巖氣儲(chǔ)層與水層溝通，在頁巖氣儲(chǔ)層內(nèi)產(chǎn)生地下水徑流，對(duì)頁巖氣儲(chǔ)氣具有較強(qiáng)烈的溶蝕作用。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)的突破推動(dòng)頁巖氣快速發(fā)展
    美國頁巖氣勘探開發(fā)歷程證明，進(jìn)行規(guī)模開發(fā)是頁巖氣工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵[5]。由于頁巖氣單井產(chǎn)量低，為了提高效益，需要增加單井產(chǎn)量，為了獲得較高的總產(chǎn)量需要增加生產(chǎn)井?dāng)?shù)，兩項(xiàng)需求促進(jìn)了相應(yīng)工程技術(shù)的發(fā)展。
1.2.1水平井部署和鉆井技術(shù)
    在水平井的部署時(shí)，應(yīng)考慮水平段在空間上的均勻分布，盡量使水平段避開斷層，垂直于天然裂縫帶延伸，因而需要優(yōu)選水平段入靶位置、延伸方向。目前美國采用“餐叉式”叢式井組，每個(gè)井組一般5～10口水平井，水平段長1000～1500m，兩水平井之間井距150m。水平井鉆井工藝核心技術(shù)在于地質(zhì)導(dǎo)向，目前規(guī)模應(yīng)用最先進(jìn)高效的旋轉(zhuǎn)地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)Power Drive Archer，可較好地控制井眼軌跡，造斜能力達(dá)到17°/30m，進(jìn)尺5000m的水平井只需要280h。
1.2.2壓裂改造技術(shù)
    壓裂改造包括壓裂設(shè)計(jì)、壓裂施工以及壓后評(píng)價(jià)3個(gè)階段。壓裂設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)選射孔段、合適粒度和硬度的支撐劑，采取多段分簇、大規(guī)模的施工方式，對(duì)頁巖進(jìn)行體積改造，目前，單井壓裂規(guī)模已達(dá)到“千方砂、萬方液”。
    應(yīng)用微地震技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行壓裂效果檢測，掌握壓裂縫的延展方向、空間幾何形態(tài)和改造效果，明確主力產(chǎn)層段。
1.3 規(guī)模效應(yīng)及高效組織降低了施工成本
    頁巖氣勘探開發(fā)采取批量作業(yè)的方式，一個(gè)地區(qū)一次部署井位超過100口，通過新技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用、生產(chǎn)組織的合理高效運(yùn)作，使得頁巖氣開發(fā)成本逐年下降，尤其是2009年上半年，每米進(jìn)尺完井與壓裂改造費(fèi)用由1014美元降至709美元，為頁巖氣的快速發(fā)展打開了出路。
1.4 優(yōu)惠政策為頁巖氣快速發(fā)展提供了良好的發(fā)展環(huán)境
    美國政府1980年頒布的《能源意外獲利法》第29條稅款規(guī)定：1980—1992年間鉆探的非常規(guī)天然氣井生產(chǎn)出的可享受稅收補(bǔ)貼政策(頁巖氣為3.5美分/m3)；同時(shí)得克薩斯州對(duì)頁巖氣開發(fā)免收生產(chǎn)稅。這些措施為美國頁巖氣的發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境。
2 中美頁巖氣成藏條件對(duì)比
    我國海相古生界頁巖分布面積廣、厚度大，有機(jī)質(zhì)含量與成熟度較高，具備頁巖氣成藏條件。南方地區(qū)元古界-古生界發(fā)育6套海相頁巖地層，其中志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)含量高、厚度大，頁巖氣資源潛力大。目前中國頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域主要位于我國南方海相地區(qū)[6～8]。
    我國南方地區(qū)具有與美國東部盆地相似的頁巖氣成藏地質(zhì)條件和構(gòu)造演化歷史，均屬于古生代海相沉積盆地；沉積環(huán)境為深水相沉積、淺-深水陸棚相；頁巖的TOC＞2%，為富有機(jī)質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)類型為腐泥混合型；頁巖脆性礦物含量較高，石英、長石、方解石等脆性礦物總含量大于40%[9～14]。應(yīng)該看到，中國和美國頁巖氣成藏條件也存在較大的差異性(表1)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    1) 中國南方海相頁巖沉積時(shí)代比美國老，主要以早古生代寒武紀(jì)和志留紀(jì)為主。日前美國頁巖氣開發(fā)的5個(gè)主要盆地中，頁巖的形成時(shí)代以晚古生代泥盆紀(jì)、密西西比紀(jì)和中生代白堊紀(jì)為主。
    2) 中國下古生界海相頁巖Ro值一般介于1.1%～4.6%之間，目前已演化至高 過成熟階段，頁巖有機(jī)質(zhì)演化程度偏高。美國主要頁巖氣儲(chǔ)層Ro值一般介于0.4%～2.5%之間，正處于生氣高峰期。
    3) 美國目前已開發(fā)的頁巖氣藏埋深范圍主要在1000～3500m之間；中國南方海相頁巖埋深小于3000m的范圍較小，部分頁巖儲(chǔ)層埋深可超過5000m，埋藏深度較大。
    4) 美國大陸總體為一個(gè)穩(wěn)定地臺(tái)，以海相沉積為主，頁巖氣藏構(gòu)造條件較為簡單，頁巖氣儲(chǔ)層大面積連續(xù)分布，儲(chǔ)集條件較好；中國陸地總體以陸相沉積為主，可供勘探面積較小，僅在古生界揚(yáng)子地塊、華北地區(qū)和塔里木盆地存在較為廣泛的海相頁巖沉積。
    5) 中國下古生界海相頁巖后期改造比美國強(qiáng)烈，尤其是南方的揚(yáng)子地塊，盆地周緣頁巖地層抬升出露，盆地內(nèi)部頁巖遭受斷層切割，氣體大量散失，保存條件不利。
    6) 地表?xiàng)l件差異大，美國Barnett頁巖主要分布于美國地勢較為平坦的地區(qū)；而中國目前認(rèn)為頁巖氣成藏最有利的南方海相地區(qū)，多處于地形復(fù)雜的山區(qū)。
3 中國發(fā)展頁巖氣需要注意的幾個(gè)問題
    通過分析我國頁巖氣成藏條件和資源潛力，筆者認(rèn)為我國具備發(fā)展頁巖氣的基本條件，但在具體工作中需要注意4個(gè)方面的問題：
    1) 要加強(qiáng)有利區(qū)塊評(píng)價(jià)優(yōu)選工作。我國頁巖氣勘探工作剛剛起步，需要借鑒美國頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國頁巖氣成藏地質(zhì)特點(diǎn)，在有利目標(biāo)優(yōu)選過程中，充分考慮儲(chǔ)層分布面積、埋藏深度、地勢和水源等問題。井位部署過程中應(yīng)避開構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)烈的褶皺區(qū)，重點(diǎn)考慮大型寬緩的構(gòu)造斜坡區(qū)。重點(diǎn)層系主要考慮下古生界寒武系和志留系頁巖。我國陸相盆地頁巖分布廣泛，在對(duì)海相盆地頁巖氣進(jìn)行評(píng)價(jià)的同時(shí)兼顧陸相盆地頁巖氣地質(zhì)研究工作。
    2) 在工程技術(shù)方面要提高技術(shù)水平、加大應(yīng)用力度。具體來說，要加強(qiáng)測井解釋和綜合評(píng)價(jià)力度，加強(qiáng)多種學(xué)科的綜合應(yīng)用、多種信息的綜合分析評(píng)價(jià)，測井資料的綜合解釋應(yīng)用，不斷提高研究水平；要加大水平井應(yīng)用力度，提高部署水平、施工水平、鉆井速度及綜合效益；要規(guī)模應(yīng)用水平井分段壓裂技術(shù)，根據(jù)水平段內(nèi)巖性、物性及應(yīng)力的變化，分段設(shè)計(jì)相應(yīng)的施工參數(shù)進(jìn)行壓裂，最終在水平井段形成多條相互獨(dú)立的人工裂縫系統(tǒng)，改善近井地帶滲流條件，提高單井產(chǎn)量；要盡快開展壓裂監(jiān)測工作，引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，實(shí)時(shí)研究裂縫擴(kuò)展規(guī)律，及時(shí)采取有效措施控制裂縫的擴(kuò)展形態(tài)，保證壓裂質(zhì)量，評(píng)價(jià)壓裂效果，改進(jìn)壓裂措施以及優(yōu)化后期部署方案。
    3) 要努力降低勘探開發(fā)成本。目前，我國頁巖氣相關(guān)作業(yè)成本過高，嚴(yán)重制約了頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；必須通過規(guī)模部署、提速增效、精細(xì)組織等合理有效的手段，降低頁巖氣勘探開發(fā)成本，只有實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)，頁巖氣生產(chǎn)才有出路。
    4) 要積極尋求國家政策的支持。借鑒美國的做法，積極爭取頁巖氣在稅收、財(cái)政補(bǔ)貼等方面的優(yōu)惠政策，為推動(dòng)頁巖氣的發(fā)展創(chuàng)造良好的外部環(huán)境，調(diào)動(dòng)能源企業(yè)參與發(fā)展頁巖氣的積極性。
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(本文作者：杜金虎1 楊華2 徐春春3 梁世軍4 皮學(xué)軍1 王紅巖5 1.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司；2.中國石油長慶油田公司；3.中國石油西南油氣田公司；4.中國石油吐哈油田公司；5.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)