頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀及核心技術(shù)關(guān)鍵問題

1、頁巖氣開發(fā)覺實狀況、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵問題第1頁頁巖氣：新聞熱點 頁巖氣成為各家媒體新聞焦點： “頁巖氣革命席卷全球，中國何時開啟頁巖氣時代？” “中國投入頁巖氣革命” “頁巖氣：未來能源主力軍”“ 頁巖氣：我國第172個獨立礦種 或可替換天然氣” “政策松綁欲打破三桶油壟斷 ，民企將成頁巖氣盛宴座上賓”“ 民企破冰：首獲頁巖氣勘探門票” 頁巖氣？請叫它漲停催化劑！ “頁巖氣熱背后冷思索”第2頁頁巖氣（1） 天然氣是一個清潔、高效化石能源: 燃燒同等熱值天然氣，其二氧化碳排放只有煤二分之一和石油70% 若采取冷熱電三聯(lián)供，經(jīng)過能源梯級利用能夠使能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)40%左右提升到80%左右

2、燃?xì)怆姀S開啟快速：天然氣發(fā)電成為間歇性可再生能源極佳補(bǔ)充 天然氣在我國一次能源結(jié)構(gòu)中百分比僅為4%，遠(yuǎn)低于亞洲平均10%和全球平均24%水平 城市化：燃?xì)庑枨罂焖僭黾?20，天然氣缺口達(dá)1000億方（相當(dāng)于年全國天然氣產(chǎn)量） 天然氣對外依存度達(dá)24；價格倒掛 頁巖氣：一個非常規(guī)天然氣 存在于致密泥頁巖中，較常規(guī)天然氣開采難度大第3頁頁巖氣（2） 頁巖氣儲量: 全球：456萬億方 技術(shù)可采儲量：189萬億方 美國：24.4萬億方 中國：26萬億方全球非常規(guī)天然氣資源儲量表第4頁Billion Cubic Feet 年，頁巖氣產(chǎn)量1800億方，占全國天然氣總產(chǎn)量34% 預(yù)計到2035年，頁巖氣產(chǎn)量

3、比將提升至46%。2,0004,0003,0005,0001,0000 BarnettWoodfordMarcellusFayettevilleHaynesvilleEagle Ford 美國有8000家油氣企業(yè)，85%頁巖氣由中小企業(yè)生產(chǎn) 關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)分別由各個中小專業(yè)技術(shù)掌握美國頁巖氣開發(fā)覺實狀況 1821,第一口井，Devonian Dunkrik Shale，F(xiàn)redonia 70年代之后-90年代，壓裂技術(shù)發(fā)展 1990年起頁巖氣產(chǎn)量每五年翻一番 年，頁巖氣產(chǎn)量1000億方，占全國天然氣14%，超出了我國常規(guī)天然氣總產(chǎn)量 20，頁巖氣產(chǎn)量1379億方，占全國天然氣總產(chǎn)量23%第5頁頁

4、巖氣改變美國能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)格局 美國和世界能源格局 產(chǎn)量快速上升：年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)1000億方，使美國成為第一大天然氣生產(chǎn)國 動搖了世界液化天然氣（LNG）市場格局，進(jìn)而改變世界能源格局 價格快速下降：十年最低 更多燃?xì)怆姀S取代燃煤電廠 美國產(chǎn)業(yè)格局 廉價天然氣價格為美國制造業(yè)和化工業(yè)提供了更多競爭力：能源價格、化工原材料 美國外交格局 頁巖油開發(fā)使美國原油進(jìn)口壓力降低：年，北美有望成為世界第一油氣生產(chǎn)基地 燃?xì)獍l(fā)電降低溫室氣體和污染物排放：氣候談判給其它國家壓力第6頁簡明歷史回顧 Mitchell Energy & Development Co.在極低經(jīng)濟(jì)效益情況下連續(xù)投入了上世紀(jì)90年代末，

5、在水力壓裂取代凍膠壓裂后，經(jīng)濟(jì)效益得到了提升 年，Devon Energy 收購了Mitchell Devon經(jīng)驗帶動了大量中小企業(yè)投資開發(fā)頁巖氣幾年后，Barnett成為美國最大氣田 Barnett成功經(jīng)驗推進(jìn)美國頁巖氣開發(fā) 推廣到多個盆地 頁巖氣開發(fā)技術(shù)又推進(jìn)了美國頁巖油開發(fā)第7頁頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015） 20完成資源潛力調(diào)查與評價 20實現(xiàn)產(chǎn)量65億方力爭年到達(dá)6001000億方中國頁巖氣開發(fā)覺實狀況中國開發(fā)進(jìn)展 年：揚(yáng)子地域為富集遠(yuǎn)景區(qū) 20 ：“中國重點地域頁巖氣資源潛力及有利區(qū)帶優(yōu)選”項目 20：川渝黔鄂頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導(dǎo)試驗區(qū) 完鉆頁巖氣井60余口，水力壓裂40余

6、口，工業(yè)氣流30口頁巖氣開發(fā)瓶頸： 地質(zhì)特點：埋深大、盆地小、斷層多；陸相為主；地勢險峻 資源風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、投資風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險第8頁 年5月17日，國土資源部公布頁巖氣探礦權(quán)投標(biāo)意向調(diào)查公告，公布年頁巖氣探礦權(quán)招標(biāo)投標(biāo)資格條件： 內(nèi)資企業(yè)，注冊資金：人民幣3億元以上 投標(biāo)人應(yīng)含有石油天然氣或氣體礦產(chǎn)勘查資質(zhì)，或已與含有勘查資質(zhì)企事業(yè)單位建立合作關(guān)系 投標(biāo)人應(yīng)為獨立法人，不得以聯(lián)合體投標(biāo) 促進(jìn)民營企業(yè)進(jìn)入頁巖氣勘探開發(fā) 9月進(jìn)行了頁巖氣探礦權(quán)第二輪招標(biāo)，近百家投標(biāo)20個區(qū)塊 但我國當(dāng)前還不掌握頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)國家放寬頁巖氣探礦門檻第9頁頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)第10頁頁巖氣特征成藏機(jī)理與煤

7、層氣對比基質(zhì)滲透率更低游離氣含量高開采普通不需要排水降壓原地成藏、自生自儲第11頁頁巖氣評定地質(zhì)儲量 總有機(jī)碳含量TOC2%，成熟度Ro1.4 厚度30m，含氣孔隙度2% 氣體含量，含水飽和度40%埋深、溫度、壓力儲層評價勘探階段早期開發(fā)成熟開發(fā)下降維護(hù)第12頁頁巖氣總量天然裂縫礦物質(zhì)含量脆性地層壓力巖石強(qiáng)度滲透率頁巖厚度頁巖氣產(chǎn)量游離氣頁巖基礎(chǔ)物性測試有機(jī)物含量第13頁頁巖氣開發(fā)流程第14頁頁巖氣開采 頁巖氣中沒有“干井”! 問題關(guān)鍵是怎樣開采天然氣？ Barnett頁巖滲透率相當(dāng)?shù)? 開采天然氣需要人工增產(chǎn)伎倆，比如水力壓裂 凍膠壓裂: 成本太高 輕砂水力壓裂: 有效 15%-35% 采收

8、率Source: Devon第15頁水平井已經(jīng)證實, 在水平完井段進(jìn)行水力壓裂比在垂直完井段更高效: 23倍成本 1520倍產(chǎn)量Source: Devon第16頁水平井 水平井?dāng)U大接觸面積關(guān)鍵問題：井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆完井，確保安全穩(wěn)定。 水平井方向沿最大水平應(yīng)力方向：縱向裂縫垂直最大水平應(yīng)力：橫向裂縫低滲氣藏，橫向裂縫增產(chǎn)顯著普通垂直最大水平應(yīng)力方向鉆井第17頁完井決議圖深度、厚度、TOC、石英含量、氣體含量等直井 V.S 水平井單層 V.S 多段第18頁對非常規(guī)氣藏非常規(guī)考慮 當(dāng)滲透率低到一定程度，滲透率詳細(xì)是1 nD, 10 nD還是 100 nD已不再那么主要 擴(kuò)散起作用 問題在于巖層怎樣

9、被壓裂: 整齊大裂縫？ 零碎小裂縫？ 巖相對壓力響應(yīng)決定壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài)第19頁水力壓裂 第一步：泵入“巖石酸”（普通是鹽酸HCl），清理可能被鉆井泥漿和水泥封堵近井地帶。 第二步：壓入前置液，大量滑溜水被壓入地層引發(fā)地層破裂形成裂縫。 第三步：泵入含有支撐劑壓裂液，首先泵入大量含有低濃度細(xì)砂支撐劑壓裂液，不停增加泵入支撐劑數(shù)量和大小。 第四步：沖洗，去除設(shè)備和井壁附近支撐劑。 微震監(jiān)測在壓裂過程中，要連續(xù)監(jiān)測裂縫生長，確保這些裂縫沒有偏移出頁巖儲層或者延伸到鄰近水域。水力壓裂流程第20頁南北向 (ft)0-500-1000-1500-2500-3000-1000-50005001000150

10、025003000東西向 (ft)觀察井水力壓21頁水力壓裂巖石力學(xué)特征壓裂設(shè)計應(yīng)力分布礦物組成鉆井設(shè)計裂縫網(wǎng)絡(luò)SRV生產(chǎn) 常規(guī)儲層：高黏度壓裂液形成二維裂縫，并使用高濃度、大顆粒支撐劑填充 頁巖儲層：大量低黏度壓裂液和低濃度小顆粒支撐劑形成復(fù)雜三維裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加儲層改造總體積（SRV）第22頁巖石特征壓裂液壓裂流體體積支撐劑濃度脆性（Brittle）滑溜水高低層狀（Laminated）混合物中中塑性（Ductile）線性或交聯(lián)凝膠低高水力壓裂 壓裂液壓裂液選擇 欠壓實地層，需要輔以二氧化碳或泡沫壓裂 最近采取液化石油氣（LPG）壓裂效果顯著壓裂液選擇滑溜水壓裂液成份

11、第23頁壓裂技術(shù)技術(shù)特點適用性泡沫壓裂地層傷害小、濾失低、攜砂能力強(qiáng)水敏性、埋深淺地層凝膠壓裂成本高、攜砂能力較強(qiáng)塑性高、天然裂縫不發(fā)育地層清水壓裂滑溜水壓裂液、成本低、攜砂能力有限脆性高、天然裂縫發(fā)育地層多級壓裂分段壓裂、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛水平段較長水平井快速可鉆式橋塞封隔分段壓裂套管壓裂、多段分簇射孔，儲層傷害低美國頁巖氣開發(fā)主要技術(shù)多級滑套封隔分段壓裂經(jīng)過井口落球系統(tǒng)操控滑套，降低施工時間和成本、風(fēng)險較高技術(shù)要求高膨脹式封隔器分段壓裂遇油（水）膨脹式封隔器，滿足裸眼完井分隔壓裂需要裸眼完井生產(chǎn)井水力噴射壓裂定位準(zhǔn)確、無需機(jī)械封隔、節(jié)約時間裸眼完井生產(chǎn)井同時壓裂相鄰井同時作業(yè)、增加裂縫復(fù)雜

12、性井眼密度大、井位距離近重復(fù)壓裂重新開啟裂縫增產(chǎn)產(chǎn)能下降井水力壓裂壓裂技術(shù)對比不一樣壓裂技術(shù)基本原理是一樣，只是實施過程、工具和材料有所差異第24頁頁巖氣生產(chǎn)速率生產(chǎn)機(jī)制主裂縫儲量微裂縫中儲量解吸&擴(kuò)散第25頁生產(chǎn)機(jī)制控制產(chǎn)量關(guān)鍵原因1. 與井連通裂縫網(wǎng)絡(luò)2. 基質(zhì)中氣含量第26頁流動機(jī)理 雙重介質(zhì)模型 多尺度流動模型 三孔雙滲模型雙重介質(zhì)三孔雙滲關(guān)鍵：刻畫吸附氣、游離氣在不一樣尺度下運(yùn)移規(guī)律與井連通裂縫網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)有主要意義多尺度流動模型第27頁FractureMatrixFractureMatrixCacas et al., Shaul et al., Warren & Root, 1963

13、方法討論裂縫儲層數(shù)值模擬 局部網(wǎng)格細(xì)化 離散裂縫網(wǎng)絡(luò) 雙孔雙滲模型第28頁pw wgD qw mfw Swt Bw (pw wgD) qw mfw Sw t Bw f kkro So (po ogD) qo mfo t Bo(pg ggD) S(po ogD) Sg RSSo qg mfg RSmog t BgBo f mfw t Bw m mfo t Bo m Sgt Bgm kkro So (po ogD) qo mfo t Bo(pg ggD) S(po ogD) qg mfg Sg RSSo RSmog t BgBo f kkrw Sw (pw wgD) qw mfw t Bw m k

14、kro So (po ogD) qo mfo t Bo(pg ggD) S(po ogD) qg mfg Sg RSSo t Bg RSmog Bo m黑油模型雙孔單滲ffkkrwBwwBoR S Boo f f kkrg R kkro Bgg f Boo f Sw So mfg RS mfo S o黑油模型雙孔雙滲 f kkrwBww Boo f f kkrg R kkro Bgg f Boo fBww mBoo m m kkrg R kkro Bgg m Boo m控制方程第29頁w(pw wgD) qw mfw w(pw wgD) qw mfw yigpg ggD xiopo ogD y

15、igpg ggD xiopo ogD w(pw wgD) qw mfw yigpo ogD 組分模型雙孔單滲組分模型雙孔雙滲wSwfkkrwwt fkkrootfSgyig Soxiof kkrg g xiqo yiqg yimfg ximog Swwmt mfw Sg yig Soxiomt yi mfg xi mfo wSwfkkrwwt fkkrootfSgyig Soxio f kkrg g xiqo yiqg yimfg ximog wSwmkkrwwtmkkrookkrggSgyig Soxiomt xiqo yiqg yimfg ximog mpg ggD xio控制方程第30頁

16、（1）生產(chǎn)速率產(chǎn)氣速率產(chǎn)水速率兩個階段：開采早期生產(chǎn)速率較高但下降很快，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量較低但能夠長久保持。早期：排氣降壓、產(chǎn)水量極少,產(chǎn)氣速率快速下降，1000天左右進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期。穩(wěn)產(chǎn)期：氣水產(chǎn)量都趨于穩(wěn)定，長久穩(wěn)產(chǎn)。普通頁巖氣井可穩(wěn)產(chǎn)30年。數(shù)值模擬第31頁裂縫單元滲透率提升5倍，（10,10,10）mD基質(zhì)單元滲透率提升10倍，（0.001,0.001,0.001）mD裂縫在頁巖氣開采中起著關(guān)鍵作用，影響著早期生產(chǎn)速率以及穩(wěn)產(chǎn)期整體產(chǎn)出速率，由此可見儲層壓裂改造主要性。數(shù)值模擬（2）裂縫滲透率 VS 基質(zhì)滲透率第32頁準(zhǔn)化 產(chǎn)孔隙度 (%) 標(biāo) 水 量標(biāo)準(zhǔn)化濃度0 2 4 6 80 1.5 3.

17、0 4.50 20 40孔隙度 (%)產(chǎn)速率 (標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化濃度 水生 準(zhǔn)桶0 1.5 3.0 4.5/天)0 2 4 60 5 10 8實測值 值EnKF3 5 7 1009Time 塊編號(Days)3 5 50 100 9塊編號Stage11Stage 411*10-3(Stage 6)實測生產(chǎn)速率 裂縫孔隙最縫 水生產(chǎn) 度 孔隙01050 10050Time (Days)01 050 1007Time (Days)Time (Days)實實測值示蹤劑含量氣生產(chǎn)速率水初始集合度初始集合3集合預(yù)測0 50100 150Time(days)EnKF開始預(yù)測示蹤劑含量(Stage 6)裂終集合 速

18、率最終集合*10-3 集合預(yù)測值集合預(yù)測實測值氣田實例: 美國Appalachian盆地第33頁環(huán)境問題 (1) 水用量：起源（咸水，回收） 單井：1至幾萬噸水 廢水問題: 壓裂返排廢水(10-70%注入量) 生產(chǎn)廢水(數(shù)千噸; 生命周期:30-40年) 化學(xué)藥劑：污染（排放，治理） 水體污染: 人為排放; 作業(yè)不妥 地表水 地下水第34頁環(huán)境問題 (2) 壓穿地層：優(yōu)化（效果，保護(hù)） 誘發(fā)地震：防止（設(shè)計） 土地覆蓋: 與農(nóng)業(yè), 工業(yè)和居民用地競爭 空氣質(zhì)量: 甲烷, VOCs, H2S第35頁美國頁巖氣成功開發(fā)啟迪 連續(xù)技術(shù)創(chuàng)新帶來能源革命性改變 中小能源企業(yè)為頁巖氣生產(chǎn)主體 多個專業(yè)技術(shù)分別掌握和完善各個關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù) 水力壓裂；水平井；微震監(jiān)測；水處理 美國頁巖氣巨大成功（頁巖氣革命?。┦且粋€無心之作 一個種子撒落在肥沃土壤里！ 針對非常規(guī)油氣開采，美國含有完善政策法規(guī)、相應(yīng)激勵辦法和嚴(yán)格環(huán)境保護(hù)監(jiān)管第36頁中國頁巖氣開發(fā)前景 中國潛在資源