页岩气国内外研究现状及存在问题

页岩气国内外研究现状及存在问题前言页岩气是当今油气藏勘探的前沿领域，也是新近石油地质研究的热门课题。有的学者甚至用“炙手可热”来形容目前美国页岩气的勘探开发热潮。美国页岩气的勘探与开发已完全商业化运作，其勘探开发技术处于绝对领先地位，除加拿大外，中国及其他国家才刚刚起步，下面简单回顾一下美国页岩气历史，美国第一口商业性页岩气井是由WiliamHart于1825年在纽约弗雷多尼亚开钻，这也是世界上第一口商业性页岩气井，位于泥盆纪页岩中，1970年代晚期至1980年代早期，美国开始实施页岩气工程（EGSP），开始了大量的地质评价工作和钻探工作，1981年，Barnett页岩第一口发现井开钻，并注入CO2、N2聚合物流体，1991年，在Barnett页岩中钻探第一口水平井，1997年，聚合物注入持续减少，而首次采用水力压裂造缝，1998年Devon能源公司在特克萨斯东部试用压裂技术，2001年首次运用微震作构造裂缝图，2003年，Barnett页岩页岩气获得成功，这得益于水平钻井和压裂技术。2003年，实施了穿过Marcellus页岩至志留系地层的钻探，未取得有效成果，但表明Marcellus很有希望，果然在2004年，Marcellus页岩取得圆满成功，美国页岩气产量快速增长。据分析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。随着我国国民经济的快速发展，对石油天然气的需求日益增长，据专家估计，以我国目前的经济发展态势，10年后我国对油气的年消费将由目前的4亿多吨增加到6--8亿吨，油气进口的大幅提高存在诸多风险，因此，要做好立足国内的充分准备，而依靠常规油气藏的勘探难以满足需求，非常规油气特别是煤层气、页岩气的勘探将会日益重要，2009年美国的页岩气产量已经突破1000亿方，极大地增加了我国寻找页岩气的信心。一方面是为了满足国民经济快速发展对油气需求的需要，另一方面，也是为了探寻适合川西的页岩气研究方法，我们进行了本次有关页岩气的国内外调研。1.页岩气勘探开发现状1.1页岩气概念1.1.1非常规油气藏与连续性油气藏非常规油气藏指目前还不能完全用常规方法技术进行勘探、开发与加工的部分油气资源，主要根据一些特殊的标准来划分，如最大基质渗透率界限、非常规技术的使用以及开采的困难程度（例如极地地区或者深水地区），这些标准随着油气工业的进步而变化，并且不同的人对非常规理解不同，因此其主观性比较强。鉴于此，美国地质调查局在1995年美国油气资源评价中引入了“连续型”油气藏的概念。将油气藏分为常规圈闭油气藏和非常规圈闭油气藏,非常规圈闭油气藏又分为连续型油气藏与非连续型油气藏。常规圈闭油气藏指单一闭合圈闭油气聚集,圈闭界限清楚,具有统一油气水边界与压力系统。“连续型”非常规油气藏与常规圈闭油气藏本质区别在于圈闭界限是否明确、范围是否稳定、是否具有统一油气水界面与压力系统;也可以说前者是“无形”或“隐形”圈闭,以大规模储集体形式出现,后者是“有形”或“显形”圈闭,圈闭边界明确(邹才能，2009)。美国地质调查局在2006年提出深盆气(deep-basingas)、页岩气(shalegas)、致密砂岩气(tightgassands)、煤层气(coal-bedmethane)、浅层砂岩生物气(shallowmicrobialgassands)[8-11]和天然气水合物(naturalgashydrate,methaneclathrate)等6种非常规圈闭天然气(unconventionalgas),统称为连续气(continuousgas)。1.1.2粘土岩、泥岩、页岩、黑手页岩、碳质页岩、油页岩、硅质页岩、贴纸页岩、钙质页岩粘土岩：以粘土矿物为主（含量大于50％）的泥岩。泥岩：碎屑岩中颗粒粒径小于0.005mm(十进制)或小于0.0039mm（2的几何级数，1/256）的沉积岩，一般主要由粘土、石英、长石及钙质组成。页岩：页理发育的泥岩（页理是鳞片状的粘土矿物在压紧过程中，平行排列而成的）。虽然泥岩和页岩在岩性特征上有所不同，但国外及台湾研究者习惯使用Shale（页岩）这一术语；而大陆研究者则倾向于使用mudstone（泥岩）这个术语。针对这种情况，国内研究者通常采用“泥页岩”这一术语来表达这类泥质岩类，没有严格区分页岩和泥岩。其实国外也有这种类似情况，如美国著名的Barnett页岩，有的学者认为是“泥岩”，但一般都称之为页岩，其所具有的气藏被命名为裂缝性页岩气藏。常见的页岩有如下几种：黑色页岩：含有较多有机质与细粒、分散状黄铁矿、菱铁矿的页岩，层理一般较好。有机质含达2~10%或更高，很少化石，常据极薄层理，外貌有时与炭质页岩相似，区别在于黑色页岩不染手。黑色页岩一般形成于温湿气候、缺氧、富含H2S的较闭塞海湾和湖泊的较深水等环境的滞留水体中，是形成页岩气的最主要的页岩类型。黑色页岩出露地表后，常因其中的黄铁矿风化而使岩石表面及解理裂隙染成淡红色。炭质页岩：一种含有大量呈西分散状均匀分布与岩石中的已碳化的有机质的页岩。黑色、染手，灰分大于30%，一般很难作燃料。常含有大量植物化石，是湖泊、沼泽环境下的产物，常见于煤层的顶板与底板。油页岩：含一定数量的干酪根（10%），颜色以黑棕色、浅黄褐色等为主，一般说来，含有机质愈多，其颜色也愈深。其特点是比一般的页岩轻，而且有弹性，易燃，并发出沥青味及流出油珠。油页岩属于页岩的范畴，但具有腐泥煤的特征，也有人把它叫做“高灰分的腐泥煤”。油页岩主要是闭塞海湾或湖泊环境中由低等植物如藻类及浮游生物的遗体死亡后，在隔绝空气的还原条件下形成的，常与生油岩系或含煤岩系共生。硅质页岩：一般页岩中的SiO2平均含量约58%，硅质页岩中由于还含有较多的玉髓、蛋白石等，SiO2含量在85%以上，并常保存有丰富的硅藻、海绵和放射虫化石，所有一般认为硅质页岩中的硅质来源于生物有关，有的也可能与海底喷发的火山灰有关。铁质页岩：含少量铁的氧化物、氢氧化物等，多呈红色或灰绿色，在红层和煤系地层中较常见。钙质页岩：含CaCO3，但不超过25%的页岩。自然界中，页岩分布十分广泛，世界范围内页岩(包括细粒黏土沉积)约占沉积岩的60%，估计页岩气资源可能是煤层甲烷或致密砂岩气的2倍（Hambli，2006），因此页岩气具有很大的勘探前景。1.1.3页岩气的定义据J.BCurtis(2002)对页岩气的描述性界定，认为页岩气系统基本上是由生物成因气、热成因气或生物—热成因气两者混合构成的连续型天然气聚集，并以大面积含气、隐蔽圈闭机理、可变的盖层岩性和较短的烃类运移距离为特征。页岩气既可以是储存在天然裂缝和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气，或者是干酪根和沥青中的溶解气。页岩气与其它类型气藏相比存在较大差异，其成因多样，赋存方式复杂，成藏机理特殊。据据J.B.Curtis（2002）、张金川等（2004）国内外学者对页岩气的研究和描述，我们将页岩气系统内涵及主要属性归纳如下：（1）在页岩气藏中,天然气不仅存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现出典型的“原地”成藏特征，页岩既是烃源岩，又是储集层或盖层，表现为多元特征。也就是说,页岩气是存在于富含有机质的泥页岩层系中的天然气,而不仅是局限在某一单纯的富含有机质泥页岩层中的天然气。（2）由生物成因气、热成因气或生物－热成因气两者混合构成的连续型非常规天然气聚集；（3）由于储层特殊，天然气以多种相态存在，但以吸附和游离状态为主，少量为溶解气；其中吸附作用是页岩气的重要机理之一；（4）以储层大面积含气、隐蔽圈闭机理、致密低孔渗的储层、可变的盖层岩性、零距离和短距离烃类运移、无明显气水界面为特征；（5）从某种意义上讲页岩气藏形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果，表现为典型的自生自储或自封盖的“原地”成藏模式。1.2世界页岩气勘探开发现状页岩气的勘探开发历史悠久，已有近200年的历史，目前正迈入快速发展期。据统计,在全世界142个盆地中存在超过688处的页岩气资源,目前已有12处(主要位于北美地区)得到开发（Jarvie，2008）。其主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、俄罗斯等地区,预计全球资源量约为456×1012m3（表1-1）,约为当前世界常规天然气探明总储量的2.46倍。2011年美国能源信息署发布研究报告对除美国以外的全球14个区域、32个国家的48个页岩气盆地和近70个页岩气储层进行了资源评价,指出全球页岩气技术可采储量将超过187.40×1012m3，而中国、美国、阿根廷、墨西哥和南非的页岩气技术可采储量居世界前五位,分别为36.08×1012m3、24.39×1012m3、21.90×1012m3、19.27×1012m3和13.73×1012m3。目前,在美国、加拿大、法国、德国、新西兰、澳大利亚、匈牙利、波兰、瑞典、英国、印度和中国等诸多国家,都发现相当规模的页岩气储量,而美国、加拿大、中国等是世界上页岩气勘探开发程度较高或资源量较大的国家（郑军卫，2011）。1.2.1美国页岩气的勘探开发现状美国页岩气资源丰富,在其本土的48个州均有分布。据美国能源信息署2011年最新资料,美国页岩气技术可采储量为24.39×1012m3。目前,美国主要有5套具有商业开发价值的页岩气系统,即:FortWorth盆地密西西比系Barnett页岩、Appalachian盆地泥盆系Ohio页岩、Michigan盆地泥盆系Antrim页岩、Illinois盆地的泥盆系NewAlbany页岩和SanJuan盆地白垩系Lewis页岩。其中,FortWorth盆地以密西西比系Barnett页岩为储层的NewarkEast页岩气田,勘探开发程度较高,目前产量已超过300×108m3,已是美国第二大气田（表1-2）。美国页岩气工业发展过程如下：表1-1世界各地区非常规天然气资源量预测表（据Rongner,1997;Kawata和Fujita,2001）地区页岩气（×1012m3）煤层气（×1012m3）致密气（×1012m3）合计（×1012m3）页岩气比例（%）北美108.785.438.8232.947拉丁美洲59.91.136.697.661中欧+西欧15.57.712.235.444前苏联17.711225.5155.211中东+非洲79.91.145.5126.563中亚+中国99.834.410144.269太平洋地区65.513.32098.866其他亚太地区8.91.1213129全世界456256.1209.6921.749转引自《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2011表1-2美国天然气田产量排名（据Kuuskras,2006）排名气田名称盆地/州天然气类型产量(107m3/d)2002年2003年2004年1SanJuan产区SanJuan,NM/CO煤层甲烷、致密砂岩气10.911.511.23NewarkEastFortWorth,TX页岩气1.72.23.14Wyodak/BigGeorgePowderRiver,WY煤层甲烷2.52.22.55JonahGGRB,WY致密砂岩气1.72.02.07Wattenberg/DJ盆地Denver,CO致密砂岩气1.41.41.49CarthageEastTexas,TX致密砂岩气1.41.41.410AntrimMichigan,MI页岩气1.41.11.411S.Piceance产区Piceance,CO致密砂岩气、煤层甲烷0.81.11.7（1）纽约市西部Chautauagua县，产层为阿帕拉契亚盆地泥盆系Dukirk页岩，井深仅8米。（2）1926年在阿巴拉契亚盆地泥盆系成功地实现了页岩气的商业性开发，东肯塔基和西弗吉尼亚气田成为当时世界上最大气田。（3）20世纪70年代，美