美国页岩气勘探开发的启示

美国页岩气勘探开发的启示闫立作者简介：闫立，男，1984年5月出生，2006年毕业于大庆石油学院石油工程系，学士学位，现就职于采油工程研究院信息中心，通信地址：让胡路区西宾路九号，：163453，邮箱：yanli0514@petrochina〔1.大庆油田有限责任公司采油工程研究院黑龙江大庆062552〕摘要：近年来，随着社会对清洁能源需求不断扩大，天然气价格不断上涨，人们对页岩气的地质认识不断提高，水平井与压裂技术水平不断进步，页岩气勘探开发正由美国向全球扩展。页岩气在非常规天然气中异军突起，已成为全球油气资源勘探开发的新亮点，并逐步向一场全方位的变革演进。由此引发的石油上游业的一场革命，必将重塑世界油气资源勘探开发新格局。加快页岩气资源勘探开发，已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。关键词：页岩气，非常规天然气，水平井与压裂技术1世界页岩气资源潜力和勘探开发的根本趋势世界上的页岩气资源研究和勘探开发最早始于美国。1821年，第一口页岩气井钻于美国东部步入规模生产，20世纪70年代页岩气勘探开发区扩展到美国中、西部，20世纪90年代，在政策、价格和开发技术进步等因素的推动下，页岩气成为重要的勘探开发领域和目标。据预测，美国页岩气资源量超过28万亿立方米，目前美国和加拿大是页岩气规模开发的两个主要国家，2021年美国页岩气产量接近1000亿立方米，超过我国常规天然气的年产量。页岩气快速勘探开发使美国天然气储量增加了40%，预计2021年页岩气产量将占全美天然气产量的15%以上。目前，除美国和加拿大外，澳大利亚、德国、法国、瑞典、波兰等国家也开始了页岩气的研究和勘探开发。页岩气在非常规天然气中异军突起，已成为全球油气资源勘探开发的新亮点，并逐步向一场全方位的变革演进。由此引发的石油上游业的一场革命，必将重塑世界油气资源勘探开发新格局。加快页岩气资源勘探开发，已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。目前，全球对页岩气的开发并不普遍，仅美国和加拿大在这方面做了大量工作。其中，美国已进入页岩气开发的快速开展阶段，在页岩气勘探开发方面，美国早己进入商业性运营阶段。2021年第二届亚太非常规天然气〔煤层气〕国际会议上的相关数据显示目前全球非常规天然气产量超过1800亿方。亚太地区为全球非常规天然气储量最多的地区之一。2021年剑桥能源周〔CERAWEEK〕会议上的数据显示1998年－2007年，美国非常规天然气产量占天然气总产量的比重已经从28%上升到46%。2021年页岩气产量占非常规天然气总产量的40%，美国已进入天然气富裕的新时代，页岩气可以足够满足美国所有新的天然气需求至少100年，页岩气产生了美国的沙特阿拉伯。页岩气是指赋存于泥页岩中，以吸附及游离状态存在的非常规天然气。据预测，世界页岩气资源量为456万亿立方米，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区，与常规天然气相当，页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。世界页岩气资源前景地区页岩气(1012m3煤层气(1012m3致密砂岩气(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西欧14.44.410.028.850中欧＋西欧1.13.32.26.716前苏联17.7112.025.5155.211中东＋北非72.10.023.395.476撒哈拉以南非洲7.81.122.231.025中亚＋中国99.834.410.0144.269太平洋地区(经合组织)65.513.320.098.766其它亚太地区8.90.015.524.436南亚/1.15.56.7/世界456.0256.1209.6921.450据USGS对沃斯堡盆地Barnett页岩气预测，1996年技术可采储量为850亿方，2004年跃升至7419亿方，2021年剧增到2.66万亿方。2美国页岩气资源前景目前美国已生产的页岩气资源为2406.945亿立方米，证实储量的页岩气资源为2973.29亿立方米，经济可采资源为1.5~3.23万亿立方米，待发现的资源为3.7124万亿立方米，远景资源量为16.9902万亿立方米3美国页岩气产量根据统计2007年的美国页岩气探明可采储量为20214.75亿方，年产已超过430亿方，约占美国天然气年产量的8%，下列图为美国2000~2007年天然气总产量与页岩气产量比照图。年份20002001200220032004200520062007页岩气产量〔亿方〕112126149174186196283>430天然气产量〔亿方〕54325555536054085264511852415596.57页岩气产量/天然气产量〔%〕2.12.32.83.23.43.85.4>7.7从图上可以看出，页岩气产量占天然气产量的百分比是呈逐年上升的趋势的，近年来，美国页岩气藏开发主要集中于七大商业页岩气盆地，2000年美国页岩气生产井28000口，2007年页岩气生产井己超过40000口(41726口〕4美国几大盆地的页岩介绍1、密歇根盆地Antrim页岩密歇根盆地位于美国东北部，北美大陆中、上泥盆统广泛分布有机质页岩〔TOC含量0.3-24%〕，Antrim页岩是其中之一。盆内充填5182m沉积物，其中Antrim页岩和相关岩层厚274m，页岩纯厚21-36m。2、阿帕拉契亚盆地Ohio页岩该区古生代沉积岩是个巨大的楔形体，总体上是富含有机质页岩〔TOC含量0-4.7%〕、碎屑岩和碳酸盐岩构成的旋回沉积体。总岩层厚1524m，其中富含有机质页岩152m，纯厚度9-30m。3、伊利诺依盆地NewAlbany页岩NewAlbany页岩总厚30-122m，纯厚15-30m，埋深182-1494m，源岩有机碳含量1-25%，成熟度Ro值仅0.4-1.0%，其页岩气主要为生物成因气。该页岩气主要产自肯塔基西南部和印地安纳南部60多个油气田。这个盆地的页岩气产量一直较少，研究程度也较低。4、圣胡安盆地Lewis页岩是地史时期最年青的商业开发页岩气产区〔晚白垩世〕。Lewis页岩被认为是低海岸面近海远端沉积物。页岩TOC含量0.45-2.5%，目前产量较低，但正随时间而增长。5、沃思堡盆地Barnett页岩.1981年来，Mitchell能源开发公司开始在沃思堡盆地密西西比系Barnett页岩中生产商用天然气。盆地东部是主要产区，该区页岩埋深1981-2591m，页岩纯厚15-61m，TOC平均含量4.5%，页岩气属热解成因气。5沃思堡盆地Barnett页岩气藏特征及开发过程沃思堡盆地位于Texas州西南部，面积38100km2，其北部的Bend背斜区是一个成熟油区，自20世纪初以来就一直在进行油气勘探与生产，产层主要是奥陶－二叠系。富含有机质的密西西比Barnett页岩是Bend油区的主要烃源岩。1981年，Mitchell公司在Barnett页岩烃源岩中发现了NewarkEast天然气田，自2000年起，NewarkEast就成为得克萨斯最大的气田，目前该气田的年产气量排在美国第二位，1981-1997年间，Barnett页岩核心区生产井缺乏百口，开采缓慢，1997年由水力压裂取代凝胶压裂及1999年使用重复压裂后，页岩气开采加快步伐，2003年采用水平井完钻及2005年采用水平井分段压裂，2007年，Barnett页岩气开采速度惊人，年产量315亿m3，居五大页岩气盆地之首6开发技术页岩气于1821年在美国的阿帕拉契亚盆地被发现，是国外最早认识的天然气，至今已有近200年的历史。但是20世纪90年代前人们重点关注煤层气与致密砂岩气。尽管人们认识页岩油/气藏已有近200余年历史，页岩油/气资源也极其丰富，但大局部一直未开发。其原因主要有以下几个方面：1、页岩地层孔隙度和渗透率极低，通常被视为常规油气藏的烃源岩和盖层，对页岩气成藏机理、分布规律的认识以及综合评价手段，普遍存在局限性。2、勘探开发技术尚未到达页岩油/气层有效开采水平。3、低油气价格下，页岩气油/气藏的开采不具经济性。因此可以看出，先进的开发技术是主要因素，下面将着重介绍一下美国的页岩气开发技术页岩气藏在美国的成功开发依赖于水平井与清水压裂技术的应用1、水平井钻井技术Barnett页岩气产量在不到10年间快速开展的最根本因素是技术进步，特别是水平井及水力分段压裂技术的使用，2003－2007年Barnett页岩气藏水平井数累计达4960口，占该区生产总井数50%以上，2007年水平完钻井数即为2219口，占当年页岩气完钻井数94%；直井井数为149口，仅为当年完钻井数6%，FortworthFortworth盆地Barnett页岩气井数量〔据IHS〕1990-20071990-2007年沃斯堡盆地Barnett页岩气生产井数量变化图FayettevilleFayetteville页岩气井数量变化〔据IHS〕2、完井气藏改造增产技术据C.R.Vanorsdael〔1991〕对密歇根盆地Antrim6500口页岩气生产井统计，40%的井完钻后无气流可测；55%的井仅有无商业价值的气流；仅有5%的井由于自然裂缝发育而获有商业价值的初始气流，经压裂改造措施后，90%原未获气流的井和初始气流无商业价值的井都变成了商业价值气井，压裂增产技术对提高页岩气产量至关重要，在页岩的商业性开采中起着决定性作用。美国页岩气开采过程中主要采用泡沫压裂、重复压裂、水平井水力压裂以及多阶段压裂等增产措施。通常压裂深度为1500-3100m，页岩中使用减阻水〔低粘性水射流〕和支撑剂，浅层页岩和低地层压力页岩多使用氮泡沫压裂液〔1〕、泡沫压裂技术对于埋藏较浅，地层压力相对较低的页岩气藏进停增产改造时，一般用液氮或二氧化碳泡沫压裂作业。该措施实用于低压低渗、水敏性储层，其具用水量少、造缝率高、低滤失性、返排及携砂能力强、摩阻低以及对储层伤害小等特点〔2〕、重复压裂技术

重复压力能重建储层到井眼的线性流，恢复或增加产量，使最终采收率增加8－10%，可采储量增加60%，是一种低本钱增产方法

美国天然气研究所〔GRI〕研究证实：重复压裂能够以0.1美元/Mcf的本钱增加储量，远低于收购天然气储量0.54美元/Mcf或发现和开发天然气储量0.75美元/Mcf的平均本钱〔3〕、水力压裂技术由于页岩气产能较低，通常埋深较大，地层压力较高的页岩储层必需进行水力压裂改方能实现经济性开采。2003年，随着水平井成为页岩气开发的主要完钻井方式，水力压裂开始成为页岩气水平井主要增产措施。最初水平井水力压裂一般采用单段式或两段式，目前已增至7段或更多。水平井水力多段压裂极大地延伸了页岩气在横向及纵向的开采范围，是目前美国页岩气藏开发快速开展最关键技术①清水压裂技术：该项技术是用清水添加适当的减组剂作为压裂液来替代通常使用的凝胶压裂液。这项技术可以在不减产的前提下节约30％的本钱。清水压裂技术在低渗透油气藏储层改造中取得很好的效果。清水压裂是利用含有减阻剂、黏土稳定剂和必要的外表活性剂的水为压裂液，以这种压裂液作为前置液来提供支撑剂输送，清水压裂技术提高渗透率的原理在于：第一、天然的缝面不吻合和产生粗糙缝面，剪切应力使缝面偏移，同样在裂缝扩展时，水力裂缝将开启早已存在的天然裂缝，提高油气层的渗透率；第二、是常规的处理并不能彻底清洗，而水压裂是一种清洁压裂技术，这也将提高油气层的渗透率②多井同步压裂〔Simo-Fracturing〕技术：是近期使用的最新压裂技术。该技术的理论依据是：同时对配对井〔OFFSETWELLS〕进行压裂，在压裂过程中，压裂时产生的高应力所造成的两口井之间的相互影响，最大限度地减少压裂流体和支撑剂从一口井流向另外一口井，利用该技术尽可能地减少该侵入量。并行压裂可以增加水力压裂网络的密度，或增加压裂作业产生的外表积采用该技术的井要比未采用该技术的井或斜井产量更高。并行压裂最初需要采用两口互相接近且大致平行的水平井，然后立刻压裂每一口井。并行压裂，最初需要双重压裂，两口相近的水平井每口井压裂一次，但目前已开展到三次压裂，甚至正在应用四次压裂。3、裂缝综合监测技术推断压裂裂缝几何形态和产能的常规方法主要包括静压力分析裂缝模拟、试井以及生产动态分析等间接的井响应方法。利用地面、井下测斜仪与微地震鉴测技术结合的裂缝综合诊断技术，可直接测量因裂缝间距超过裂缝长度而造成的变形来表征所产生的裂缝网络，评价压裂效果，实现页岩气藏开采管理最正确化。

该技术优点：测量快速，方便现场使用;实时确定微地震位置;能确定裂缝高度、长度、倾角及方位;具噪音过滤能力据Schlumberger，20077.我国页岩气勘探开发现状我国与美国在页岩气地质条件上具有许多相似之处，页岩气富集地质条件优越，具有与美国大致相同的页岩气资源前景和开发潜力。目前我国页岩气资源调查与勘探开发还处于探索起步阶段，至今尚未对其潜力进行全面估算，页岩气资源有利目标区有待进一步落实，勘探开发还处于“空白〞状态。页岩气资源已引起油气界广泛而密切的关注，受到党中央、国务院的高度重视。更新理念、破解难题、创新模式，大力推进页岩气资源战略调查和勘探开发，已成为我国油气资源领域重要而迫切的战略任务。据专家估算，我国页岩气可采资源量约为26万亿立方米，与美国大致相当。从现有资料看，页岩气除分布在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等含油气盆地外，在我国广泛分布的海相页岩地层、海陆交互相页岩地层及陆相煤系地层也都有分布。我国页岩地层在各地质历史时期均发育很好，我国海相沉积广泛，分布面积多达300万平方公里，海陆交互相沉积200多万平方公里，陆上海相沉积面积约280万平方公里。页岩在南方、北方、西北和青藏等广阔地区均有分布，既有有机质含量高的古生界海相页岩、海陆交互相页岩，也有有机质丰富的中、新生界陆相页岩，在油气、煤炭勘探中，甚至固体矿产勘探时已在油气盆地及盆地外的沉积地层中发现多处页岩气显示。我国与美国在页岩气地质条件上具有许多相似之处，页岩气富集地质条件优越，具有与美国大致相同的页岩气资源前景和开发潜力。川南、川东、渝东南、黔北、鄂西等上扬子地区是我国页岩气主要远景区之一，以四川盆地为例，仅评价的寒武系和志留系两套页岩，页岩气资源量就相当于该盆地常规天然气资源量的1.5～2.5倍。我国页岩气资源勘探开发前景很好，具有加快勘探开发的资源根底。目前，我国页岩气资源调查与勘探开发还处于探索起步阶段。20世纪60～90年代，在常规油气勘探中，个别盆地在页岩中发现过泥