北美裂缝性页岩气勘探开发的启示.doc

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1、392 石 ! 油 ! 勘 ! 探 ! 与 ! 开 ! 发 2007 年 8 月 ! ! ! ! ! ! ! ! PET RO L EU M EX PL OR AT ION A N D DEV EL O PM EN T ! ! ! ! ! ! ! V ol. 34! N o. 4! 文章编号 : 1000 0747( 2007) 04 0392 09 北美裂缝性页岩气勘探开发的启示 李新景 , 胡素云 , 程克明 ( 中国石油 勘探开发研究院 ) 基金项目 : 中国石油科 技攻关项目 非常规油气资源勘探开发及替代能源研 究 ( 06 01C 02) 摘要 : 北美实践证明 , 非常规油气资源

2、页岩气是现实的接替能源 , 勘探风险在于能否 从低渗透 的页岩储集 层中获取 经 济可采储量 , 勘探目 标是有机质和硅质含量 高 、 裂缝发 育的 脆性优 质烃 源岩 。 页 岩气 生产机 制复 杂 , 涉及吸 附气 与游 离 气 、 天然裂缝与诱导裂缝系统 之间的相互关系 。 在地质 、 地化 、 测井和 地震综 合评价 基础上 , 通过 水力压 裂等增 产措施 提 高储集层 渗透能力是页岩气开采的关键 。 中国广泛分布海相和湖相细粒碎屑 岩 , 有 效烃源岩多 富含炭质 、 灰质或 硅质 , 已 陆续发现裂缝性油气藏 , 有条件寻找丰富的页岩气资源 , 特 别是液 态烃在 高成熟或 过成

3、熟 阶段裂 解产生 的甲烷 气滞留 在 烃源岩内形成的连续分布式非常规页岩气资源 。 图 3 表 5 参 34 关键词 : 页岩气 ; 吸附气 ; 裂缝 ; 压裂 ; 烃源岩储集层 中图分类号 : T E122 ! ! ! 文献标识码 : A Suggestions f rom the development of fractured shale gas in North Ameri ca LI Xin jing , H U Su y un, CH EN G K e ming ( Resear ch I ns titute of Petr oleum Ex p lor ation & D ev

4、elop ment , Petr oChina, Beij ing 100083, China) Abstract: T he histo ry o f explorat ion and pro duction in N or th Amer ica sho ws that shale gas is a realistic alt ernative energ y. A s an unco nv entional resource, its critical r isk is whether the low per meabilit y shale pr oduces gas eco no m

5、ically. So ur ce ro cks could be go od r eser voirs for g as if they had rich or ganic material and abundant silica w hich makes the shale mor e britt le. T he co mplex pr oductio n mechanism invo lv es the relat ionships betw een absorbed and fr ee g ases and betw een natural and induced f ractures

6、. T o enhance the permeability by ar tificial hydraulic fractur ing is a key step fo r shale reservo ir s on the basis o f the ev aluatio n o f geo log y, g eo chemistr y, w ire line and seismic data. M any fractured reservo ir s in China hav e been disco vered in extensive fine clastic sour ce r oc

7、ks f rom mar ine and lacust rine env ir onments, with car bo naceous/ calcar eous mudstone or siliceous sha le. T he undiscov ered r eso ur ces within effective shale r eser vo irs wo uld be sig nificant, especially the resour ces due to the secondar y ther mogenic cracking o f oil to gas at hig h m

8、atur ity. Key words: shale gas; absor bed gas; natur al fr actur e; hydraulic f racturing ; source reser voir 国许多地区巨厚的、生烃条件良好的泥岩层段应当具 裂缝性页岩气 ( fractured shale gas) 指富含有机质 备形成裂缝性油气藏的条件 。松辽盆地古龙 凹陷、 的细粒碎屑岩中储集的甲烷 , 或游离于基质 孔隙和天 辽河坳陷、济阳坳陷沾化凹陷、临 清坳陷东濮凹陷、柴 然裂缝中 , 或吸附于有机质和黏土矿物表面 , 在一定地 达木盆地茫崖坳陷西部凹陷等相继发现和开采的裂

9、缝 质条件下聚集成藏并达到经济开采价值。裂缝性页岩 性泥岩油气藏 , 无疑为之提供 了佐证。如松辽盆地南 气可以是生物成因、热裂解成因或混合成因 , 属于非常 部新北油田裂缝性泥岩油藏几口井已开采 10 余年 , 累 规天然气范畴。这类气藏在北美诸多海相沉积盆地的 计产油 3 万多吨 ; 胜利油田大 93 井 2380 2400m 深度 上泥 盆 统 页 岩 ( 如 A ppalachian 盆 地 O hio 组 页 岩、 泥岩段试油后 日产油 12t , 且不含水 ; 罗 42 井 2828 Michig an 盆 地 A ntr im 组 页 岩、 Illino is 盆 地 N ew

10、2861m 深度沙三段裂缝性泥岩试油后日产油 110t, 日 A lbany 组页岩和 A rkoma 与 A nadarko 盆地 Woodfo rd 产气 8946m 。另外 , 中国在地震储集层预测、大型 组页岩 ) 、密西西比系页岩 ( 如 Fo rt Wort h 盆地 Barnet t 压裂应用于低渗透气藏储集层改造、裂缝性油藏压裂 组页岩和 A rkom a 盆地 Fayet t eville/ Caney 组页岩 ) 以 井产能评价以及微地震监测技术等方面积累了较为丰 及白垩系页岩 ( 如 San Juan 盆地 L ewis 组页岩 ) 中广泛 富的经验 。倘若能够建立符合中

11、国裂缝性泥页岩 发育 , 已成为重要的现实资源。 油气藏特点的勘探开发配套技术和理论 , 找到丰富的 国内研究者先后归纳了裂缝性泥页岩油气藏的地 经济可采储量指日可待。 质特征、成藏机理、识别手段和钻井、完井技术 , 指出中 0 引言 1 4 3 5, 6 7 10 ! 2007 年 8 月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 李新景 等 : 北美裂缝性页岩气勘探开发的启示 10 3 393 近些年北美页岩气的科研、勘探开发非常活跃 , 未 累计产量达到 8. 4 10 m ( 3tcf) 。 运移出烃源岩的天然气潜力 ( 如 Permian 盆地 Barnet t 1989

12、1999 年 , 美 国页岩气生产总体保持较高速 10 3 组页岩、 Palo D uro 盆地 密西 西比 系与 泥 盆系 页岩、 度增 长 , 年 产 量 翻 了 近 两 番 , 达 到 1. 06 10 m A lbert a 和 Saskatchew an 地 区 Colorado 组 Whit e ( 380bcf ) 。如 20 世纪 80 年代投入运营的 M ichigan 盆 Speckled 页岩等 ) 不断得到确认。本文探讨 北美页岩 气某些基本特征 , 并对中国页岩气资源进行初步分析 , 供参考与借鉴。 1 页岩气是有发展前景的现实资源 美国页岩气开 采最早可 追溯到 1

13、821 年 , 20 世 纪 20 年代开始现代化工业生产 , 70 年代中期步入规模化 发展阶段 , 年产约 1. 96 10 m ( 70bcf) , 至 80 年代末 地泥盆系 A nt rim 组页岩 , 至 90 年代已成为最具活力 的页岩气产区。 2001 年美国能源信息管理局所列其境 内 12 大气田中 , 8 个属于非 常规气田 , F ort Wor th 盆 地 N ew ark East ( Barnet t 组 页 岩 ) 和 Michig an 盆 地 A nt rim 组页岩气田榜上有名 ( 见表 1) 。目前美国有页 岩气井 40 000 余口 , 年产 量已跃

14、升至 1. 68 10 1. 96 10 m ( 600 700bcf ) , N ew ar k East 页岩气田 已位居第三大天然气产区 。 表 1 ! 美国天然气田产量排名 ( 据 Kuus kraa, 2006) 7 3 排名 气田名称 盆地 / 州 天然气类型 2002年 产量 ( 10 m / d) 2003 年 2004 年 1 3 4 5 7 9 10 11 San Juan 产区 New ark E as t W yodak/ Big George Jonah Wattenberg/ DJ 盆地 Carthage Antrim S. Piceance 产区 San Juan

15、 , NM/ CO Fort Worth, T X Pow der River, W Y GGRB, WY Den ver, CO East Texas, TX M ichigan, MI Picean ce, CO 煤层甲烷、致密砂岩气 页岩气 煤层甲烷 致密砂岩气 致密砂岩气 致密砂岩气 页岩气 致密砂岩气、煤层甲烷 10. 9 1. 7 2. 5 1. 7 1. 4 1. 4 1. 4 0. 8 11. 5 2. 2 2. 2 2. 0 1. 4 1. 4 1. 1 1. 1 11. 2 3. 1 2. 5 2. 0 1. 4 1. 4 1. 4 1. 7 ! ! 与煤层甲烷和致密砂岩气

16、相比 , 美国页 岩气开发 术创新、科研成果的有效应用和国家税收政策扶持成 起步晚 , 年产量较低。但进入 20 世纪 90 年代 , 特别是 21 世纪以来 , 相关勘探开发技术得到广泛应用 , 年产量 和经济、技术可采储量迅速攀升 ( 见图 1) 。 2002 年、 2004 年页岩气产量分别占天然气总产量的 3% 和 4% ; For t Wort h 盆地中部 Bar net t 组页岩气技术可采储量 由 3. 9 10 m ( 1. 4t cf ) ( U SGS, 1990) 、 8. 4 10 m ( 3t cf ) ( U SG S, 1996) 、 7. 3 10 m ( 2

17、6tcf ) ( U SGS, 2004) 提 高 到 1. 1 10 m ( 39t cf ) ( A dvanced Resources, 2005) , 预测 2010 年美国页岩气产量占天然 气总产量 13% 。这样一种节节攀升的发展形势 , 除天然气市场价格等因素影响外 , 主要归功于国家、行 业主管部门及协会的长期支持。 1976 年美国能源开发 署 ( D OE) 启动东部页岩气项目 ( EGSP ) , 全面开展目的 层地质、地球化学条件的 定性和定量描述、经济评价、 增产工艺和钻井、完井工程设计等技术的研发 , 资助工 作一直持续到 1992 年 ; 20 世纪 80 年代直

18、至 90 年代早 期 , 天然气技术协会 ( G T I) ( 原天然气研究协会 G RI) 组 织力量对泥盆系和密西西比系页岩天然气潜力、取心 技术、套管井设计和提高采收率等关键问题 进行深入 探讨 , 逐步构建了以岩心实验为基础、以测井定量解释 为手段、以地震预测为方向、以储集层改造为重点和以 经济评价为主导的勘探开 发体系。由此可见 , 正是技 就了美国页岩气资源的勘探开发。 图 1 ! 美国非常规天然气年产量 ( 据 Caldw ell, 2006) ! ! 继美国之后 , 加拿大也开始页岩气的区域勘查、摸 底和试验。如选择西部沉积盆地 ( Br it ish Columbia 东 部

19、和 A lbert a 地区 ) 上白垩统 Wilrich 组及其同时代地 层、侏 罗 系 N ordegg/ Fernie 组、三 叠 系 Do ig / Do ig P ho sphat e/ Mo nt ney 组、 Ex shaw / Bakken 组和泥 盆系 Iret on/ Duvernay 组开展页岩气勘探潜力评价 , 预测该 区页岩气资源量约 2. 4 10 m ( 860t cf) 。加拿大 非常规 天 然气 协 会 ( CSU G ) 认为 西 部 ( 包 括 Brit ish Columbia 北部 Bow ser 盆地 ) Co lorado 页岩段、侏罗系 9 3

20、10 10 3 11, 12 13 10 3 10 3 11 3 12 3 11, 14 394 石油勘探与开发 % 油气勘探 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Vo l. 34 ! No . 4 ! 及古生界页 岩和东南 部的泥盆 系页岩具 有开发的 潜 力 。 Br it ish Co lum bia 能源矿产部 2004 年将页岩气 区域资源评价列入能源发展目录 , 泥盆系评 估工作已 完成 , 三叠系评估项目正在进行。截至 2006 年 , British Co lum bia 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 。 世界范围内页岩

21、 ( 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 。戴金星亦曾 指出 , 中国第二轮油气资源 评价中 38 10 m 天然气资源量及 10. 5 10 m 天然 气可采资源量偏小的原因之一 , 是该数值未 包含对深 盆气、致密砂岩气、泥页岩气、气水合物以及 水溶气等 非常规天然气资源的系统评价 , 这些领域内 仍有很大 的资源潜力 。 总之 , 裂缝性泥页岩储集层中的天然气 资源量巨 大 , 有相当的生产能力和经济价值 , 是现实的油气资源 和重要的接替领域。中国应当借鉴北美页岩气勘探开 发技术和实践经验 , 系统解剖成藏条件 , 通

22、过老井复查 和资料二次解释 , 定量分 析关键参数 , 建立评价标准 , 筛选钻探目标 , 推动烃源岩储集层 ( so urce reservo ir) 的 天然气勘探开发进程。 2 页岩 气资 源 投入 商业 开发 的前 提 是综 合评价 泥页岩类基质孔隙极不发 育 ( 浅层孔隙 度可大于 10% , 2300m 以下深度通常小于 10% ) , 多为微毛细管 孔隙 , 渗透率也远小于致密砂岩 , 属于渗透率极低的沉 积岩。但沉积环境、成岩作用、有机质演化、构造应力、 水动力条件和围岩特征等诸多因素的综合效应 , 能够 使有机质丰富的泥页岩形成一定规模、渗透 性较好的 封闭体系 , 即裂缝性

23、泥页岩油气藏。这是分 布广泛的 北美泥盆系页岩只在部分区域具有商业开发价值的主 要原因之一 , 也是油气公司将页岩气的经济、技术可采 储量置于首位的重要原因。北美勘探开发公司通常要 在确定天然气成因、页岩气 分布面积、有效厚度、可能 的生产机制以及基本控制影响经济开采的不利因素之 后 , 才可能有效动用页岩气储量。因此 , 与常规油气藏 钻井之后随即投产的模式不同 , 页岩气资源 投入商业 开发的前提是综合评价。 页岩气资源 评价 总体 面临 两个 核 心问 题 : # 作 为储集层 是否具 有足 够的 天然 气地 质储 量 ; 是否 具备足够的渗 流能 力与 条件 实现 经济 开采。 因此

24、, 储集层中赋存的 天然 气体 积、储集 层渗 透 率是 评价 页岩气藏的关键 参数 , 有机 质丰度、成熟 度、甲 烷吸 附能力、孔隙度、含气饱和度、储集层有效 厚度、矿 物 组成、裂缝发育 范围 与方 向及其 围岩 的 封闭 能力 都 是页岩气资源 量计 算和 经济 评价 涉及 的必 要内 容。 美国科罗 拉多 矿业 学院 石油 勘探 开 发中 心 Curt is J B 主 任 对 Barnet t 组 ( F ort Wort h 盆 地 ) 、 Ohio 组 ( A ppalachian 盆 地 ) 、 A ntrim 组 ( M ichig an 盆 地 ) 、 N ew A lb

25、any 组 ( Illinois 盆 地 ) 和 L ew is 组 ( San Juan 盆地 ) 5 套商业性页岩气层 的热成 熟度、甲 烷吸附 气 含量、储集层厚度、总有机碳含量 和单储系数等关 键 参数进行了归 纳和对比 , 结果显 示差异 较大 。 本 文综合分析认为 , 尽管每 个页岩气藏都有其特 殊性 , 但仍有一些共 同点。 2. 1 总有机碳含量 ( T OC) 与页岩气产率密切相关 K ent ucky 东部 A ppalachian 盆地页岩气主产区 Big Sandy 气田的主力气层是泥盆系 Ohio 组页岩 Huron 下 段烃源岩。图 2 显示 Huron 下段烃源

26、岩储集层的 T OC 值比上 下紧 邻 的页 岩高 , 甲烷 吸附 气含 量 也丰 富 得 多 , 说明 T OC 不仅是衡量烃源岩生烃潜力的重要参 数 , 有机质作为吸附气的核 心载体 , T OC 值的高低会导 致吸附气发生数量级变化。评价非常规页岩气资源 , 既 要考虑生烃潜力 , 也要重视不溶有机质与吸附气之间的 依存关系 , 合理确定 T OC 起算值和储集层有效厚度。若 不溶有机质丰度比较低 , 页岩吸附气含量大幅度减少 , 形 成具有经济开采价值的页岩气藏的概率就比较低。 地层 注 : 吸附气含量为标准条件下数值 图 2! Big Sandy 气田泥盆系页岩 T OC 与甲烷吸附

27、气含量 ( 据文献 21 , 有修改 ) ! ! 此外 , F ort Wort h 盆地 T . P. Sims # 2 井 Barnet t 组页岩、 A ppalachian 盆地 Chat t ano oga 组 页 岩 T OC ( y ) 与 页 岩气 产 率 ( x ) 之间 还 存 在 y = 27. 538x + 67. 886 和 y = 66. 59x + 60. 154 的线性关系 , 其他页岩 产层也多具有类似特征 。根据这些正相关模型 , 结 合 T OC 与页岩密度的负相关性 , 利用常规测井曲线便 可识别成熟的优质烃源岩 , 连续计算页岩段的含气量 , 为优选目

28、的层提供关键参数。 16 17 18 12 3 12 3 19 ! 2007 年 8 月 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 李新景 等 : 北美裂缝性页岩气勘探开发的启示 395 2. 2 吸 附气含量高 前面提到 , 页岩气主要由两部分构成 : 烃源岩不溶 有机质 ( 干酪根 ) 和岩石颗粒表面的吸附气 , 粒间孔隙 和天然裂隙中的游离气。页岩气井生产寿命通常比较 长 , 部分甚至高达 30a, 产量年递减率一般小于 5% ( 多 数为 2% 3% ) 。许多研究认为页岩气井稳产期较长 的原因与储集层吸附气含量密切相关 , 页岩 气后一阶 段生产的天然气主要来自基质中的吸附

29、气 , 吸附是页 岩储集层中的天然气得以保存的主要方式之一 , 吸附 气解吸是页岩气生产的重要机制。虽然 Curt is( 2002) 的 统计显示 , 各主要产层的吸附气和游离气 构成比例 非常 不 同 , 吸 附 气 含 量 范 围 较 宽 , 约 20% 85% , Barnet t 组页岩最低 ( 仅 20% ) , 其余均在 40% 以上 ; 不过 , 从随后的 Barnett 组页岩实验研究 和开采情 况 看 , 吸附 气 20% 的 评 估 值 偏 低。 F ort Wort h 盆 地 N ew ark East 油 气 田 T . P . Sims # 2 井 不 同 深 度

30、 Barnett 组页岩甲烷等温 吸附曲 线表 明 , 当压 力低 于 某一数 值 时 , 吸 附 气 可 占 天 然气 总 产 量 的 40% 60% ; M av or( 2003) 也指出 , Barnet t 组页岩吸附气 含 量应当高于 GR I( 天然 气研 究协 会 ) 的 估算 值 , 约 占 原始 天 然 气 地 质 储 量 的 61% 。 所 以 , Barnett 组页岩 吸附 气 含量 取 40% 60% 比 较 合适 。由 此 可见 , 对于产量、可采 储量丰 富的 页岩 储集 层 , 吸 附 气 含量可能至少 占天然气 总产量 的 40% 左右 ( 见 表 2) ,

31、 构成比例可观 , 再次说明吸附气含量是预测页 岩 储集层产能的 关键参数之一。 国家 页岩 盆地 地层 表 2 ! 北美页岩气储集层参数对比 TOC R o 吸附气 石英 单井储量 7 3 天然气 Barnett 组 Fort W orth 密西西比系 ! ! ! ! ! ( % ) 1 12 ( % ) 0. 6 1. 6 ( % ) 40 60 ( % ) 35 50 ( 10 m ) 2. 8 7. 0 类型 热解气 美国 Ohio 组 Antrim 组 New Albany 组 Lew is 组 Appalachian Michigan Illin ois S an Juan 泥盆系

32、 泥盆系 泥盆系 白垩系 ( Ro 1. 1%条件下 , 平均 4. 5) ! ! ! ! ! 1 4. 5 ! ! ! ! ! 1 20 ! ! ! ! ! 1 25( 8) ! ! ! ! ! 1 2. 5 0. 4 1. 3 0. 4 0. 6 0. 4 1. 0 1. 6 1. 9 ( 50) 70 75 40 60 60 85 45 60 20 41 ( 50) 50 75 0. 4 1. 7 0. 6 3. 4 0. 42 1. 7 1. 7 5. 6 热解气 生物气 热解气 + 生物气 热解气 加拿大 White S peckled 组 W CSB 白垩系 ! ! ! ! ! 1

33、 11. 9( 1. 69) 未成熟 过成熟 50 70 ! ! 注 : 数据来源于 Curtis ( 2002) 、 U SGS、 CSU G、 GCS 等 ; 括号内数据为平均值 ; W CSB 指加拿大西部沉积盆地 2. 3 页岩气储集层石英含量高 天然裂缝 ; F ort Wort h 盆地 N ew ar k East 气田 Barnet t 页岩的矿物成分较复杂 , 除高岭石、蒙脱石、伊利 石等黏土矿物以外 , 还混杂 石英、长石、云母 等许多碎 屑矿物和自生矿物。页岩可分为黑色页岩、钙质页岩、 硅质页岩、炭质页岩、铁质页 岩、油页岩等类型。北美 裂缝性页岩 气的综合 评价中往 往

34、采用地 层元素分 析 ( ECS) 手段 , 通过谱分析图观测页岩的矿物含量。表 2 显示 页岩储 集层的 石英 含量多 超过 50% , 有些高 达 75% , 且多呈黏土粒级 , 常以纹层形式出现 , 而有机质、 石英含量都很高的页岩脆性较强 , 容易在外 力作用下 形成天然裂缝和诱导裂缝 , 有利于天然气渗流。该现 象一方面说明岩性、岩石矿物 成分是控制裂 缝发育程 度的主要内在因素 , 另一方面说明并不是所 有优质烃 源岩都能够形成具有经济开采价值的裂缝性油气藏 , 那些低泊松比、高弹性模量、富含有机质的脆性页岩才 是页岩气资源的首要勘探目标。 2. 4 天然裂缝系统发育程度直接影响页

35、岩气开采效益 世界页岩气资源 很丰富 , 但尚未得到广 泛勘探开 发 , 根本 原 因 是致 密 页 岩 的 渗透 率 一 般 很 低 ( 小 于 1mD) , 那些页岩气已经投入开发利用的地区往往天然 裂缝系统比较发育。例如 M ichigan 盆地北部 A nt rim 组页岩生产带主要发育北西向和北东向两组近垂直的 组页岩气产量高低与岩石内部微裂缝发育程度有关 ; Illinois 盆地 N ew A lbany 组页岩经济可采储量也与裂 缝系统相关。从生产角度来看 , 页岩气井的初产高 , 但 开始几年递减快 ( 第一年可能递减 60% 70% 左右 ) ; 单井产能也很悬殊 , 日产

36、量可由几千立方米到数万立 方米不等 , 高产井并非集中分 布。这些状况说明裂缝 改善了泥页岩的渗流能力 , 裂缝既是储集空间 , 也是渗 流通道 , 是页岩气从基质孔隙流入井底的必要途径 ; 裂 缝性 泥页岩储集层各向异性很强 , 页岩气可采储量最 终取决于储集层内裂缝产状、密度、组合特征和张开程 度。因此 , 页岩气藏的勘探目标应首选那些拥有较高 渗透能力或可改造条件的泥页岩裂缝发育带 , 合理确 定有利的页岩气分布面积 , 不应当仅考虑是否属优质 烃源岩 , 因为优质烃源岩仅是页岩气储量评价的一个 方面 , 且统计结果尚未显示页岩气的地质储量与产能 之间存在着比较好的相关性。 总而言之 ,

37、 裂缝 性泥页岩储集层天然气构成模式 与常规天然气藏不同 , 相当部分页岩气以吸附状态存 在 , 吸附量受 储集层有 机质丰度、地层 压力等 因素控 制。气藏投入开发后 , 初期产量来自页岩的裂缝和基 质孔隙 , 随着 地层压力 降低 , 页岩中的 吸附气 逐渐解 20 12 , 23 396 石油勘探与开发 % 油气勘探 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Vo l. 34 ! No . 4 ! 吸 , 进入储集层基质中成为游离气 , 经天然和诱导裂缝 系统流入井底 , 即吸附气的解吸是页岩气开 采的重要 3. 1 页岩储集层钻井成本 北美主要页岩气储集层埋深约 76

38、 2591m, 大致 机制之一。预测具有裂缝与孔隙双重介质的泥页岩储 集层产能 , 若忽视吸附作用的效应 , 可能远远低估其资 源潜力 , 若忽视储集层岩石物理学特性及裂 缝系统的 发育条件 , 则可能高估页岩气开采价值。在 划分有效 页岩储集层时 , 须重视页岩 有机质丰度、地层压力、岩 性、物性及裂缝发育程度对产气能力的影响。在大套 泥页岩定量评估过程中 , 须采用测井多参数 判别与测 试资料相结合的方法建立研究区气层判别标准。利用 地震技术定量预测裂缝发育的有利 区域 , 仍 然是研究 人员探索和努力的方向。以岩心实验为基础 , 利用集 地质、钻井、测井和地震资料为一体的勘探开发油藏描

39、述工作平台 , 通过相关评价模型对厚层泥页 岩目的层 进行连续定量解释 , 计算资源量与可采储量 , 确定初始 产能与递减 率、生产 机制 , 是页岩气 综合研 究的主 要 内容。 3 钻采技术是动用页岩气储量的关键 页岩气藏属于资源型聚集带 ( resour ce play s) , 要 实现有效动用 , 地质储量并非主要障碍 , 问题在于有多 少经济和技术可采储量。为了获取比较高的收益率 , 除了 天然气市场价格因素以外 , 利用钻井、完井工程设 计技术和油气井增产工艺 , 通过优选目的层段、加快钻 井速度、提高单井产能、延长开采期限 , 达到 成本控制 的目的 , 是页岩气开采过程中的重

40、要环节。 分布在 3 个范围 , 随埋深加大 , 钻井成本成倍增 长 ( 见 表 3) 。对于埋 藏深的 Barnet t 组页岩 , 研发新技 术或改进常规钻井方法以加快钻井速度 , 弥补深度导 致的成本增加 , 控制投入与产 出比格外重要。埋藏较 浅的 A ntrim 组页岩则相 对容易回收资本。 表 3 ! 美国页岩储集层深度与钻井成本对比 页岩气储集层 埋深 ( m) 钻井成本 ( $ 1000) New Albany 组和 An trim 组 76 610 125 250 Ohio 组和 Lew is 组 914 1524 250 300 Barnett 组和 Woodford 组

41、1829 2743 450 600 3. 2 页岩储集层的钻采技术 如前所述 , 裂缝的发育程度是页岩气运移聚 集、经 济开采的主要控制因素之一 , 但统计表明仅有少数天 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天 然裂 缝 , 提 高 井 筒 附 近 储 集 层 导 流 能 力。 F ort Wo rt h 盆地 Barnet t 组页岩埋藏较深 , 地层压力较高 , 其开发历程 ( 见表 4) 印证了钻采技术的不断更新 ( 如 N 2 压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂、水平井钻探技 术 ) 带来 的成果 , 致使

42、更 多的油气 勘探开发 公司参与 Barnet t 组页岩气聚集带开发。按照日产量高低排序 , 主要 有 Devon、 XT O、 ConocoPhillips、 EnCana、 EO G 、 Chesapeake 等能源公司 , 其中 D ev on 能源公司占据主 导地位。 表 4 ! Fo rt W or th 盆地 Barnett 组页岩气开发历程 8 3 年份 年产量 (10 m ) 开发井数量 ( 口 ) 重要事件及开发效果 1985 0. 3 12 1982 年第一口发现井完钻 , 采用 N 2 泡沫压裂改造储集层 1990 1995 1999 2000 0. 8 5. 6 11

43、. 2 21. 8 66 242 517 698 1986 年 Mitch ell 能源公司试验大型水力压裂技术 ( MH F) , 1990 年广泛实施 , 同时终止 N 辅助压裂的方式 1985 1989 年平均单井最终可采储量 ( EU R) 为 9. 8 10 m ( 0. 35bcf)6 3 1992 年 Mitch ell 能源公司在盆地核心区钻第一口水平井 1997 年试验携砂量少的水力压裂 ( LS F) , 随后推广 1998 年 Devon 能源公司在 Barnett 组页岩下伏地层 Viola 组尖灭点外侧钻探 2 口水平井 1985 1999 年平均单井最终可采储量 (

44、 EU R) 为 2. 4 10 m ( 0. 86bcf)7 3 2 2001 2002 2003 2004 2005 36. 7 56. 6 84 106. 4 138. 6 1171 1771 2340 3500 4200( 推算 ) Devon 能源公司 2000 年开始打加密井 , 并在盆地核心区和外围 Viola 组尖灭点外侧试钻垂直井和 水平井 , 清水压裂技术成熟 , 全面应用 1985 2002 年平均单井最终可采储量 ( EU R) 为 3. 4 10 m ( 1. 23bcf)7 3 Devon、 EOG、 Hallw ood 等能源公司在 Fort Worth 盆地核心

45、区和外围开始大量钻探水平井 , 其中 Devon 公司所辖核心区域 2005 年累计产量达到 2. 8 1010 m ( 1tcf) , 可采系数由 2002 年的 9%3 10% 上升为 2004 年的 10% 12% , 2006 年为 16% ! ! 注 : 资料主要参考美国 DOE/ EIA M063( 2005) 、 H art Energy 出版公司 Advances In Un conven tional Gas ( 2007) ! 20 世纪 80 年代初 Mit chell 能源公司 ( 2001 年被 多段压裂、重复压裂 ) 和压裂实时监测技术 ( 如微地震 Devon 能源公司收购 ) 采用泡沫压裂技术提 高垂直井 产能 , 产量增幅有限。自 20 世纪 90 年代后期以来 , 各 种先进的水平井钻完井技术、压裂技术 ( 如清水压裂、 测绘 ) 使 Barnet t 组页岩储集层改造成本降