世界页岩气资源与勘探开发技术综述.doc

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世界页岩气资源与勘探开发技术综述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炷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[切。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456.24x1012m3o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]o 地区或国家页岩气储量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108.7959.9514.441.1()17.7572.157.7699.9065.508.89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）xl012m3,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。1.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4259口，年产量已跃升至（168〜204）X108m3,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天然气总 产量的13%o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1x10-3|im2,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U煤层气天然气成因类型有机质热演化成因.生物成因冇机质热演化成因,生物成因冇机质热演化成因•生物成因,原油裂解成因主要成分甲烷为主，少量乙烷、内烷等甲烷为主甲烷为主，乙烷、内烷等含量变化较大成藏特点自生，自储，自保自生.自储，自保生、储、盖合理组合分布特点受贞岩分布控制，有广布性受煤层分布控制.有广布性受生、储、盖组合控制储集方式吸附气和游离气并存，吸附气占20%〜80%吸附气为主，占80%以上游离U为主理藏深度200m及以1：・最浅&2m风氧化带以下.一般大于300m一般大于500m资源潜力不清37x10'W44x10'W开采特点排气降爪解析丿1采排水降压解析爭采sw页岩气藏的形成是天然气在坯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炷类运移的状况，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，受周围致密页岩炷源岩层遮挡、圈闭，易形成工业性页岩气藏。由于扩散对气态炷的运移能起到相当大的作用，天然气继续大量生成，会因生炷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一沉积中心处，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⑹（图2、表3）。国家页岩盆地地区1X)(；(%)吸附气（％）Po(%)天然久类型关阿Bomctt组FortWorth畜两两比系1-1240~600.6-1.6热解气Ohio组Appalachian泥盆系1~45500.4-13热解气美国AntrimillMichigan泥盆系1-2070-750.4~0.6热無气美国NewAlbany组Illinois泥盆系1-2540-6()0.4~1.0热解尺Lewis组SanJuan口坚系1~2560-851.6-1.9-k衬八■热解久一如拿大WhileSprckkd组加拿大西部盆地（WCSB）白罢系1-11.9一中国龙马溪组四川盆地().5-4一1.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。2.页岩气开发技术由于页岩气藏的自身特性，页岩气只有在某些特定条件下才能被开釆出来。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、最终釆收率低于常规气藏，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［7一9】。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和特殊的钻井与完井方法，目前多釆用水平井或斜井开釆，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。 图4应用三维地震解释技术设计水平玉關歸;驚采用三维地震解释技术设计水平井轨迹（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%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）o 中国耶命規油毛图5应用随钻测井系统优化完井设许酚耳紗创裂缝的发育程度是页岩气运移聚集、经济开釆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。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%o1.美国丿I：数(io3II)增加储量(10Hm3)单丿I：产量(lOV/JI-)图7美国近年页岩气储量增长情况氤^・(L囂怎颐’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-2005年，北美的Barrent盆地页岩气产量为1.3x104m3,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4.07x10sm3；Appalachisn盆地产量将近1.35><10sm3；Arkoma盆地当年钻页岩气井数较少，但产量却增加了5.94x10?m3o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1.84xl012m3o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(BritishColumbia东部和Alberta地区)上白垩统Wilrich组及其同时代地层、侏罗系Nordegg/Femie组、三叠系Doig/DoigPhosphate/Montney组、Exshaw/Bakken组和泥盆系Ireton/Duvemay组开展页岩气勘探潜力评价，预测该区页岩气资源量约为24xl012m3o加拿大非常规天然气协会(CSUG)认为西部(包括BritishColumbia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oBritishColumbia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)xl08m3,2008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5.67xl08m2,预计含气资源量为1.98xl012m3,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。 1.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11葛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［心。丨为常规人然气；2为煤层气、致密砂岩气、生物气、无机3为页岩气、水溶代；4为天然代水合物；5为天然代总量亠亠■图x中国页岩气产量预测图（据范柏江，3刖海輕伽四、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门屮1?。世界范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456.24xlO12m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。