页岩气研究与勘探开发概况

页岩气研究与勘探开发概况刘贵熙PB13007144固体物理地空学院摘要：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。随着北美、欧洲和亚洲等地区页岩气勘探程度不断加大，对页岩气的储集特征、成藏机理等方面的研究取得重大进展。本文根据两篇相关论文的内容概述了页岩气的成因、来源和储层特征，介绍了全球页岩气勘探开发情况，并针对中国的页岩气勘探开发前景作详细说明。关键词：页岩气；勘探开发引言页岩气是典型的非常规天然气，产自极低孔渗、以富有机质页岩为主的储集岩系中。页岩气的形成与富集为自生自储、以游离气和吸附气为主、原位饱和富集于以页岩为主的储集岩系的微—纳米级孔隙－裂缝与矿物颗粒表面［1］。页岩气常被称为“人造气藏”，开采必须通过大型人工储层造缝（网）才能形成工业生产能力，初期产量一般较高、早期递减较快，后期低产稳产且生产时间长（一般50~30年）。页岩气是国外最早认识的天然气，自1821年在美国阿帕拉契亚盆地成功钻探第１口页岩气井以来，页岩气的发展已近200年历史。但20世纪90年代前，只有致密（岩石）气与煤层气受到重视，页岩气在天然气大家族中的地位微不足道。２１世纪以来，随着页岩气地质与开发理论的创新和勘探开发关键技术的进步，尤其是水平井钻完井与分段压裂技术的进步及规模推广应用，页岩气迈进了大发展阶段。2005年以来，中国借鉴北美经验，开始了中国页岩气地质条件评价与勘探开发先导性试验，不仅在地质认识上取得进展，在勘探开发实践上也取得突破，成为全球除北美以外地区率先发现页岩气的国家。1页岩气的主要特征1.1页岩气的成因特征页岩气的成因类型有生物成因型、热解成因型和热裂解成因３类型及其混合类型[2]。对生物成因气而言，其源岩的热演化程度低，所生成的甲烷碳同位素非常轻。表1是美国几个主要的页岩气产层的地质地化特征。不难看出，密执根盆地的Antrim页岩气是典型的生物成因，伊利诺斯盆地的NewAlbany页岩气是生物及热成因混合气。1.2页岩气的来源特征生成页岩气的源岩富含有机质，天然气主要来自于有机母质的热作用。在有机母质进入热成熟之前，它们往往都要经历一个生物降解作用阶段。在这一阶段生成的未熟生物气大多被滞留于源岩内，与后期生成的热解气混合，构成了成熟热解气或热裂解气的一部分。Curtis对美国产工业性泥页岩气的5套主要页岩气层的地质特征和地球化学特征进行了归纳和总结，发现泥页岩一般具有如下特征。（表1）1.2.1泥页岩气的地层厚度较大，埋深较浅。目前具有经济可采价值的页岩气地层的厚度均大于6m，最大达610m，埋深范围为m2600~183。埋深主要受当前钻探水平和经济条件的限制。埋深过浅，泥页岩含气饱和度较低；埋深过大，开采困难、成本太高而不具备工业价值。1.2.2泥页岩气的TOC含量值变化范围大，可由%25~%3.0。目前，美国主要的页岩气产层的TOC含量都较高，一般超过２％。ROC含量高的泥页岩含粘士矿物多，吸附性强，单位体积岩石内的容气量多。1.2.3泥页岩气的干酪根类型多为Ⅰ和Ⅱ型，Ⅲ型较少。类型好的源岩生成的油气量多，自身残留的烃量也多。需要指出的是，母质类型较好的泥页岩，其在热演化程度较低时形成泥页岩油藏，在热演化程度较高时，通过原油的裂解才能转变为泥页岩气藏。1.2.4形成页岩气资源并不需要源岩达到一个很高的热演化程度，关键是能够饱和岩层的残留需要。在满足了这一条件的情况下，它们内部残留的天然气在钻探的情况下能够得到较多的释放，从而实现有效开采。演化程度较低的源岩，生成的天然气量较少，能够残留的最大气量也较少，在开采过程中能够释放出来的气量亦较少，因而难以构成最优质的页岩气资源。热演化程度非常高的源岩层，虽然生成的天然气量非常大，但同时它们的埋深也大，孔渗非常小，温压也高，在这种条件下残留的量较小。绝大部分的天然气已被排出源岩外，形成了深盆气藏和常规气藏。它们还因埋深太大而得不到经济开采，如果因构造变动暴露地表，它们内部残留的气量还将大量损耗。因此，这类高演化程度的泥页岩层也构成不了最优质的页岩气资源。1.3页岩气的储层特征（1）页岩气富集于泥页岩内部复杂的介质条件中。泥页岩气既富存于暗色泥岩和页岩的孔隙内、裂缝中，也富集在泥页岩内部的浅色粉砂岩、细砂岩的薄互层中（图2），还有的溶解于干酪根介质内。（2）泥页岩气富集在非常细小的原生孔隙内（图3）。事实上，尽管泥页岩自身非常致密，但其孔隙度的大小随裂缝发育程度的不同变化范围较大，可由%15~%1，渗透率则随裂缝发育程度的不同而有较大变化。（3）泥页岩气以多种相态形式存留于孔隙空间，包括吸附态、游离态以及溶解态赋存在泥页岩中。其中吸附作用是页岩气储集下来的重要机制之一，吸附态天然气的含量变化为%85~%40（图4），主要是吸附在干酪根或矿物表面上，游离气及溶解气则富集在岩石孔隙、有机质内孔隙及裂缝的空间内。(4)泥页岩气在岩石中具有广泛的饱和性，每吨岩石含气量为3m9.9~4.0。大多数情况下为t/m3~13，它们主要以吸附状态存在于岩石内，吸附气含量一般为%85~%20。泥页岩残留的气量与许多地质条件有关，包括埋深条件、温压条件、生烃条件以及岩层的排烃条件等等。上面从天然气成因类型、源岩特征和储集特征3个方面阐述了泥页岩气的基本特征。即便如此，由于目前工业性产气层的地质地化条件变化大，要总结出泥页岩油气藏资源的判别标准或下限是非常困难的。对比分析美国不同盆地的页岩气成藏地质条件发现，各影响因素之间具有不同程度的互补性。如福特沃斯盆地与阿巴拉契亚盆地泥页岩平均含气孔隙度小但有机碳含量高，二者依然具有较高的页岩气产能。2世界页岩气勘探概况与勘探成效据2005年RHS的统计，全球页岩气资源量为312m10456，主要分布在北美、亚洲、欧洲和非洲。2011年4月美国能源信息署发布了“世界页岩气资源初步评价报告”，根据AdvancedResource国际有限公司负责完成的美国以外32个国家的页岩气资源评价以及美国页岩气资源评价结果，全球页岩气技术可采资源总量为312m106.187。这次评价没有包括俄罗斯、中亚、中东、东南亚和中非等地区,因为这些地区或有非常丰富的常规资源，或缺乏基础的评价资料。美国是世界上最早发现和生产页岩气的国家，已经实现了页岩气的大规模商业开采,页岩气已成为继致密砂岩气和煤层气之后的第三种重要的非常规天然气资源。加拿大、中国和欧洲国家也正积极开展页岩气方面的研究和勘探及开发试验工作。2.1北美的页岩气勘探概况与勘探成效美国目前已在多个盆地中发现并开采出了页岩气。美国的页岩气主要发现于中生界—古生界地层中，勘探开发的主要盆地有阿巴拉契亚盆地的Ohio页岩、密执根盆地的Antrim页岩、伊利诺斯盆地的NewAlbany页岩、威利斯顿盆地的Bakken页岩、圣胡安盆的Lewis页岩、福特沃斯盆地的Barnett页岩及阿纳达科盆地的Woodford页岩等，勘探正在由东北部盆地向中西部盆地发展。根据Brathwaite的研究结果，美国页岩气原地资源量大于312m1085。2009年美国页岩气产量为38m10878，2010年为38m101379，2011年则达到38m101700，占该国天然气总产量的1/4。加拿大的页岩气资源同样很丰富，主要分布在5个盆地中：BC省东北部中泥盆统的Hornriver盆地和三叠系Montney页岩，阿尔伯达省与萨斯喀彻温省的白垩系Cotorado群，魁北克省的奥陶系Utica页岩，新布伦斯威克省和新斯克舍省的石炭系HortonBuff页岩。根据加拿大非常规天然气协会资源评价结果，加拿大页岩气的原地资源量大于312m105.42。2.2欧洲的页岩气勘探概况与勘探成效国际能源署2009年预测欧洲的非常规天然气储量为38m103500，其中将近一半蕴藏在泥页岩中，这个数字远低于美国或者俄罗斯。国际能源署提醒说，从全球来看，除了撒哈拉以南的非洲地区，欧洲的页岩气储量可能是最少的。欧洲自2007年启动了由行业资助、德国国家地质实验室协助的为期６年的欧洲页岩气项目以来，已经在5个盆地发现了富含有机质的黑色页岩，初步估算页岩气资源量至少在312m1030以上。2.3亚洲的页岩气勘探概况与勘探成效亚洲页岩气的研究尚处于探索阶段，没有大规模商业性开采的页岩气，但中国正在大力开展页岩气方面的研究并取得了巨大成效。2002年至2008年页岩气的研究主要基于理论层面上，在2009年西南油气田成功开钻中国第一口页岩气井-威201井。西南油气田最早着手页岩气的开发研究，通过取芯分析化验等系列前期研究发现，蜀南地区页岩分布广泛，页岩层厚度大、含气性较好，有着良好的勘探开发前景。随后国内外多个石油公司也加入到中国页岩气勘探开发的研究中，很好地推动了页岩气的发展。据Rogner估计，我国和中亚地区页岩气原地资源量约312m10100，是仅次于北美地区的世界第二大页岩气资源区。张金川等曾对我国页岩气资源潜力进行了估算，认为我国的页岩气资源总量约为312m1030~15）（。3页岩气理论研究取得的主要进展通过多年的勘探开发实践和研究，世界在泥页岩气的形成机制、分布预测方法和开发增产措施等方面取得了一系列重要的进展。（1)认识到长期以来被天然地看成为源岩或盖层的致密泥页岩在一定的地质条件下可以作为一种新型的储油气目的层，在油气勘探中有着巨大的发展潜力。(2)认识到泥页岩油气藏与煤层（油）气藏、泥岩裂缝性油藏一样，都属于自生自储类的油气资源，但三者在成藏特征及油气的富存状态方面有着著的差异（表2)。它们的根本区别表现在3个方面：①泥页岩油气藏中油气的富存状态十分复杂。类油气藏中的天然气除了吸附态之外,还溶解态，甚至包括液化态和固化态。但其他两种油气藏中的天然气相态简单，煤层气主要为吸附态，裂缝性天然气主要为游离态。②煤层气的富存介质主要为有机质构成的煤层，其他两种油气藏的富存介质条件均为泥页岩层，差别显著。③泥岩裂缝性油气藏不完全属于自生自储自盖，它们中的油气实际上已从源岩内排出源岩外，只是目前还在同一层中而已。此外，泥岩裂缝性油气的开采主要依赖浮力作用，与常规油气藏没有差别,而前两者必须通过解析作用才能释放被吸附或溶解的天然气。(3)认识到页岩油气藏与深盆油气藏、致密构气和致密岩性气藏一样，都是孔渗条件非常差的密型油气资源，但四者的成因机制和分布特征着显著的不同（图5）。它们之间的主要区别在于离源岩之间距离的远近。泥页岩油气藏是一种离源最近的致密型油气藏，是一种典型的“自生自储自盖型”的非常规油气资源。它们自源岩生成后就在源岩内部的原生孔隙内富集成藏，是在饱和了源岩各种形式需要后没有被排出源岩之外的残留部分，它们的特性最能代表源岩。深盆气藏是富集在紧临源岩层的致密砂岩储层内的非常规油气资源，它紧临源岩但不在源岩内，有些学者称它为根缘气藏。致的构造气藏和致密的岩性地层气藏，均属常规气藏之列，虽然在烃源灶的控藏范围之内，但可以离源区较远。它们是在浮力作用下形成的常规油气藏，后因埋深加大，地层被压实变得致密形成的。(4)认识到页岩油气藏中的裂缝与泥页岩裂缝油气藏中的裂缝对于这两类油气资源都非常重要，但它们对于两类油气藏的地质意义不同。比较泥页岩油气藏和泥页岩裂缝性油气藏不难发现，裂缝对于这两类油气藏的形成和开采来说至关重要。对于泥页岩裂缝性油气藏，裂缝为油气富集提供了储集空间和动力来源，没有裂缝这类油气藏不可能存在。裂缝是形成这类油气藏的必要条件，也是勘探这类油气藏的最重要地质依据（图６)。对于泥页岩油气藏，裂缝在页岩气开发过程中能增加渗透率，在开发过程中水平井穿过裂缝发育带，通过水力压裂措施产生大量裂缝并提高页岩气的渗流能力，没有裂缝它们不能实现经济开（图７）。尽管两类油气藏都需要裂缝，但裂缝对于二者的地质意义是完全不同的。对于泥页岩裂缝性油气藏而言，裂缝是形成油气藏的必要条件，没有裂缝，这类油气藏就不存在。在这种情况下，可