頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵問題

頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵問題

隨著世界各國(guó)對(duì)巖漿巖資源的需求增加，各國(guó)的能源壓力日益高漲。非常規(guī)天然氣作為常規(guī)油氣的重要戰(zhàn)略接替能源,近年來已引起各國(guó)政府和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。非常規(guī)與常規(guī)天然氣的定義不是按成因進(jìn)行的分類,而主要是按天然氣的賦存狀態(tài)進(jìn)行界定。常規(guī)天然氣是指賦存在常規(guī)的構(gòu)造、地層等圈閉類型中的氣;其余賦存狀態(tài)的天然氣可通稱為非常規(guī)天然氣,包括:煤層氣(主要為煤層吸附儲(chǔ)存)、深層氣(位于當(dāng)前勘探目的層以下,傳統(tǒng)生氣窗以下生烴)、致密砂巖氣、頁巖氣、水溶氣(天然氣溶解在水中)、天然氣水合物等。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,其通常分布在盆地內(nèi)厚度較大的頁巖烴源巖地層中。與常規(guī)天然氣相比,頁巖氣開發(fā)具有資源潛力大、開采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),頁巖氣田開采壽命一般可達(dá)30—50年,甚至更長(zhǎng)。美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局最新數(shù)據(jù)顯示,美國(guó)沃思堡盆地Barnett頁巖氣田開采壽命可達(dá)80—100年,預(yù)示了頁巖氣巨大的發(fā)展?jié)摿Α?頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀全球頁巖氣資源分布廣泛,儲(chǔ)量約為456.23×1012m3,相當(dāng)于煤層氣和致密砂巖氣的總和,主要分布在北美、中亞和中國(guó)、中東和北非、拉丁美洲、蘇聯(lián)等地區(qū)(圖1)。目前取得開采成功的主要是美國(guó)和加拿大。2000年以來,由于相關(guān)勘探開發(fā)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,頁巖氣的年產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可采儲(chǔ)量迅速攀升。2000年,美國(guó)頁巖氣年產(chǎn)量為122×108m3(圖2),美國(guó)天然氣研究所與ARI公司的研究數(shù)據(jù)表明,2007年美國(guó)頁巖氣生產(chǎn)井近42000口,頁巖氣年產(chǎn)量為450×108m3,約占美國(guó)年天然氣總產(chǎn)量的8%。2009年美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量接近1000億m3,超過我國(guó)常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量(2009年我國(guó)天然氣產(chǎn)量830億m3),基本彌補(bǔ)了美國(guó)天然氣的市場(chǎng)缺口,也擺脫了美國(guó)對(duì)外天然氣市場(chǎng)的依賴,從而直接影響了世界天然氣市場(chǎng)的價(jià)格,具有重要的政治和經(jīng)濟(jì)雙重意義。目前,除美國(guó)和加拿大外,澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、波蘭等國(guó)家也開始了頁巖氣的研究和勘探開發(fā),頁巖氣勘探開發(fā)正由北美向全球擴(kuò)展,2009年12月,石油巨頭?？松梨谑凸疽?10億美元巨資收購非傳統(tǒng)天然氣公司XTO能源公司,這是迄今為止最大金額的頁巖氣合同;法國(guó)道達(dá)爾石油公司2010年1月以8億美元的價(jià)格獲得切薩皮克石油公司位于得克薩斯州的Barnett頁巖氣項(xiàng)目的25%股權(quán)。頁巖氣已成為全球油氣資源勘探開發(fā)的新亮點(diǎn),必將改變世界油氣資源勘探開發(fā)的格局。我國(guó)頁巖氣資源潛力大且地質(zhì)條件優(yōu)越,據(jù)估算,頁巖氣可采資源量約為26萬億m3,與美國(guó)大致相當(dāng)。從現(xiàn)有資料分析,除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地外,在我國(guó)廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也都有分布。海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖最主要發(fā)育于下古生界的下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)———上奧陶統(tǒng)頂部,以揚(yáng)子克拉通地區(qū)最為典型。上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)普遍發(fā)育的黑色泥頁巖,有機(jī)碳含量高,最高達(dá)到12%,為我國(guó)頁巖氣勘探最有潛力的地區(qū)。以四川盆地為例,僅評(píng)價(jià)的寒武系和志留系兩套頁巖,頁巖氣資源量就相當(dāng)于該盆地常規(guī)天然氣資源量的1.5—2.5倍。2巖漿巖氣開發(fā)的重點(diǎn)2.1頁巖氣成藏條件與有利區(qū)評(píng)價(jià)頁巖氣和傳統(tǒng)的油氣勘探在地質(zhì)控制條件上有著很大差別,常規(guī)油氣勘探地質(zhì)條件可概括為:“生、儲(chǔ)、蓋、運(yùn)、圈、?！?而頁巖氣沒有“蓋”、“運(yùn)”、“圈”、“保”的問題,“生”就是“儲(chǔ)”,“蓋”也是“儲(chǔ)”。高產(chǎn)且經(jīng)濟(jì)效益好的頁巖氣大多為含油氣系統(tǒng)中主力烴源巖,尤以受上升洋流影響、傾油混合型干酪根為主的海進(jìn)體系黑色頁巖為佳,且現(xiàn)今處于大量生氣階段或充注過程中,既保存了較高的殘余有機(jī)質(zhì)豐度,儲(chǔ)集大量吸附氣,又能新增一定孔隙度,容納足夠數(shù)量的游離氣,有助于提高基質(zhì)系統(tǒng)的滲透性,使生產(chǎn)井保持較高產(chǎn)氣速度,規(guī)?；_發(fā)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。我國(guó)頁巖氣勘探才剛剛起步,目前研究主要集中在頁巖氣成藏條件和有利區(qū)評(píng)價(jià)方面。受復(fù)雜地質(zhì)背景和多階段演化過程的影響,我國(guó)含油氣盆地類型多、盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜,盆地的不同演化規(guī)律直接控制著富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育與分布。盡管頁巖氣成藏機(jī)理?xiàng)l件可與美國(guó)頁巖氣地質(zhì)條件進(jìn)行比對(duì),但我國(guó)頁巖氣的主要儲(chǔ)層與美國(guó)有很大區(qū)別,如四川盆地的頁巖氣層埋深比美國(guó)大:美國(guó)的頁巖氣層深度在800—2600m,四川盆地的頁巖氣層埋深在2000—3500m。因此需要建立適合于我國(guó)地質(zhì)條件且對(duì)我國(guó)頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)具有指導(dǎo)意義的中國(guó)頁巖氣地質(zhì)理論體系。應(yīng)重點(diǎn)研究我國(guó)頁巖發(fā)育的構(gòu)造背景、成藏條件與機(jī)理(成藏主要受控于頁泥巖厚度、面積、總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、礦物巖石成分、壓力和溫度等因素)、頁巖成烴能力(如有機(jī)質(zhì)類型及含量、成熟度等)、頁巖聚烴能力(如吸附能力及影響因素等)、含氣頁巖區(qū)域沉積環(huán)境、儲(chǔ)層特征、頁巖氣富集類型與模式,系統(tǒng)研究我國(guó)頁巖氣資源分布規(guī)律、資源潛力和評(píng)價(jià)方法參數(shù)體系等。2.2煤系頁巖氣起步階段作為可商業(yè)規(guī)模化開采的頁巖氣,戰(zhàn)略選區(qū)是頁巖氣勘探開發(fā)前的基礎(chǔ)性、前瞻性工作,除了地質(zhì)控制因素的考慮,還應(yīng)特別重視頁巖氣開發(fā)可行性。我國(guó)頁巖氣起步階段應(yīng)首先要考慮海相厚層頁巖中那些總有機(jī)碳含量大于1.0%、Ro介于1.0%—2.5%之間、埋深介于200—3000m之間、厚度大于30m的富含有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū);其次考慮海陸交互相富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖與致密砂巖和煤層在層位上的緊密共生區(qū);但同時(shí)要研發(fā)不同類型天然氣資源多層合采技術(shù);對(duì)于湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖,重點(diǎn)考慮硅質(zhì)成分高、巖石強(qiáng)度大、有利于井眼穩(wěn)定的層系。2.3美國(guó)頁巖氣的開發(fā)技術(shù)頁巖氣開發(fā)相對(duì)常規(guī)天然氣來說,因頁巖氣藏的儲(chǔ)層一般呈低孔、低滲透率的物性特征,通?？紫抖茸罡邇H為4%—5%,滲透率小于1×10-3μm,氣流的阻力比常規(guī)天然氣大,需實(shí)施儲(chǔ)層液壓破碎才能開采。目前頁巖氣的開采技術(shù)主要有水平井+多段壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)和近期出現(xiàn)的最新壓裂技術(shù)———同步壓裂技術(shù),創(chuàng)新的水平井鉆井和完井技術(shù)是保證生產(chǎn)成功的關(guān)鍵。采用水力壓裂和水平井技術(shù)、微地震裂縫成像技術(shù),能直接監(jiān)測(cè)水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展動(dòng)態(tài),可極大地提高頁巖儲(chǔ)層中頁巖氣的開采量。正是這些先進(jìn)技術(shù)的加速研發(fā)和成功應(yīng)用,促進(jìn)了美國(guó)頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展。目前我國(guó)已在地震儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)、大型壓裂應(yīng)用于低滲透氣藏儲(chǔ)集層改造、裂縫性油藏壓裂井產(chǎn)能評(píng)價(jià)以及微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但目前的技術(shù)儲(chǔ)備尚難以解決我國(guó)的頁巖氣勘探開發(fā)問題。要遵循我國(guó)頁巖氣資源的地質(zhì)條件、成藏特點(diǎn)等客觀規(guī)律,加大地質(zhì)理論與配套關(guān)鍵技術(shù)的研究力度,應(yīng)充分利用技術(shù)上的“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”,引進(jìn)吸收和提高創(chuàng)新地球物理、地球化學(xué)、鉆探完井和壓裂等技術(shù)方法、頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)、射孔優(yōu)化技術(shù)、水平井技術(shù)和壓裂技術(shù),提高頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)水平。2.4在壓裂液中加入有機(jī)物頁巖氣本身是一種潔凈能源,燃燒產(chǎn)生的二氧化碳僅為煤的50%,但由于目前開發(fā)主要采用的壓裂法,每次液壓破碎需要200萬—400萬噸水,而且在注入的壓裂液中會(huì)加入化學(xué)物質(zhì),這些化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染。類似于現(xiàn)在國(guó)家大力推廣的太陽能發(fā)電,太陽能本身是一種低碳環(huán)保的新型能源,但其使用的多晶硅則是一種高耗能高污染的材料。2010年4月20日英國(guó)石油公司(BP)在墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺(tái)爆炸所造成的生態(tài)災(zāi)難至今仍未控制。油氣開采環(huán)節(jié)的環(huán)境災(zāi)難是油氣行業(yè)不可回避的一個(gè)嚴(yán)重問題,需要高度重視對(duì)頁巖氣開采中潛在污染的評(píng)估。2.5成立國(guó)家油氣資源管理研究機(jī)構(gòu),加強(qiáng)研究美國(guó)頁巖氣發(fā)展速度之快,離不開國(guó)家政策上的支持和先進(jìn)的開發(fā)技術(shù),而這是我國(guó)目前所不具備的。20世紀(jì)70年代末,美國(guó)政府在《能源意外獲利法》中規(guī)定了非常規(guī)能源開發(fā)稅收補(bǔ)貼政策,得克薩斯州自20世紀(jì)90年代初以來,則更進(jìn)一步明確了對(duì)頁巖氣的開發(fā)不收生產(chǎn)稅;另外,美國(guó)還專門設(shè)立了非常規(guī)油氣資源研究基金。一系列有利的政策支持大大降低了頁巖氣開發(fā)成本,刺激了美國(guó)頁巖氣的迅猛發(fā)展。天然氣的價(jià)格因素也是限制頁巖氣發(fā)展的一個(gè)原因,我國(guó)天然氣價(jià)格較之國(guó)外市場(chǎng)明顯偏低,2009年金融危機(jī)時(shí),美國(guó)天然氣價(jià)格為120—180美元/1000立方米,而我國(guó)華北地區(qū)為70多美元/1000立方米,這在一定程度上挫傷了國(guó)內(nèi)頁巖氣市場(chǎng)的積極性,不利于頁巖氣行業(yè)的發(fā)展。國(guó)家財(cái)政應(yīng)加大對(duì)頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查的投入,鼓勵(lì)社會(huì)資金投入,對(duì)頁巖氣開采企業(yè)增值稅實(shí)行先征后退政策,企業(yè)所得稅實(shí)行優(yōu)惠等特殊的行業(yè)政策。2.6加快頁巖氣技術(shù)創(chuàng)新,豐富我國(guó)油氣資源開發(fā)力量2007年10月,中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司與美國(guó)新田石油公司簽署了“威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究”協(xié)議,研究?jī)?nèi)容是四川威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣資源勘探開發(fā)前景綜合評(píng)價(jià),這是我國(guó)頁巖氣開發(fā)對(duì)外合作簽署的第一個(gè)協(xié)議。2009年11月,美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬同意通過投資中國(guó)的頁巖天然氣開發(fā),承諾與中國(guó)共享這一領(lǐng)域的技術(shù)。我國(guó)應(yīng)抓住契機(jī),進(jìn)一步加強(qiáng)與國(guó)外有實(shí)力公司的合作開發(fā),引進(jìn)先進(jìn)理念與開發(fā)技術(shù),通過引進(jìn)和消化頁巖氣開發(fā)技術(shù),探索和創(chuàng)新適合我國(guó)頁巖氣開發(fā)的核心技術(shù)。在“大型油氣田與煤層氣開發(fā)”國(guó)家重大專項(xiàng)的“十二五”規(guī)劃草案中,頁巖氣的開發(fā)已列入了戰(zhàn)略攻關(guān)內(nèi)容;國(guó)土資源部表示,中國(guó)計(jì)劃到2020年將頁巖氣年生產(chǎn)能力提高到(150—300)×108m3,我國(guó)致力于到2020年能夠發(fā)現(xiàn)20—30個(gè)大型勘探開發(fā)區(qū)塊,獲得1×1012m3的頁巖氣可采儲(chǔ)量。相信隨著國(guó)家對(duì)頁巖氣的日益重視和科技力量的投入,頁巖氣將改變我國(guó)油氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)格局