頁巖氣開發現狀與前景

付 琛 張建營 周世明

（山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島266000）

1 頁巖氣賦存條件分析

頁巖在地層組成上,多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。在頁巖中,天然氣的賦存狀態多種多樣。除極少量的溶解狀態天然氣以外,大部分均以吸附狀態賦存于巖石顆粒和有機質表面,或以游離狀態賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀天然氣的賦存與有機質含量密切有關,它與游離狀天然氣含量之間呈彼此消長關系,其中吸附狀態天然氣的含量變化于20%~85%之間。因此從賦存狀態觀察,頁巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85%以上)和常規圈閉氣(吸附氣含量通常忽略為零)之間。頁巖氣成藏體現出了非常復雜的多機理遞變特點,除天然氣在孔隙水、干酪根有機質以及液態烴類中的溶解作用機理以外,天然氣從生烴初期時的吸附聚集到大量生烴時期的活塞式運聚,再到生烴高峰時期的置換式運聚,體現出了頁巖氣自身所構成的完整性天然氣成藏機理序列。

2 頁巖氣的生成

第一階段是天然氣在頁巖中的生成、吸附與溶解逃離,具有與煤層氣成藏大致相同的機理過程。在天然氣的最初生成階段,主要由生物作用所產生的天然氣首先滿足有機質和巖石顆粒表面吸附的需要,當吸附氣量與溶解的逃逸氣量達到飽和時,富裕的天然氣則以游離相或溶解相進行運移逃散,條件適宜時可為水溶氣藏的形成提供豐富氣源。此時所形成的頁巖氣藏分布限于頁巖內部且以吸附狀態為主要賦存方式,總體含氣量有限。在熱裂解氣大量生成過程中,由于天然氣的生成作用主要來自于熱化學能的轉化,它將較高密度的有機母質轉換成較低密度的天然氣。在相對密閉的系統中,物質密度的變小導致了體積的膨脹和壓力的提高,天然氣的大量生成作用使原有的地層壓力得到不斷提高,從而產生原始的高異常地層壓力,即/高壓鍋原理。由于壓力的升高作用,頁巖內部沿應力集中面、巖性接觸過渡面或脆性薄弱面產生裂縫,天然氣聚集其中則易于形成以游離相為主的工業性頁巖氣藏,此時頁巖氣藏的形成在主體上表現為由生氣膨脹力所促動的成藏過程,天然氣原地或就近分布,構成了擠壓造隙式的運聚成藏特征。

在通常情況下,與頁巖間互出現的儲層主要為粉-細砂巖類,具有低孔低滲特點,它限定了天然氣的運移方式為活塞式排水特點,這種氣水排驅方式從頁巖開始,從而在頁巖邊緣以活塞式推進方式產生根緣氣聚集。此時的天然氣聚集已經超越了頁巖本身,表現為無邊、底水和浮力作用發生的地層含氣特點。因此從整套頁巖層系考察,不論是頁巖地層本身還是薄互層分布的砂巖儲層,均表現為普遍的飽含氣性。若地層中的砂巖含量逐漸增多并逐步轉變為以致密砂巖為主,則頁巖氣藏逐漸改變為根緣氣藏。如果生氣量繼續增加,則天然氣分布范圍進一步擴大,直到遇常規儲層或輸導通道后,天然氣受浮力作用而進行置換式運移,從而導致常規圈閉氣藏的大范圍出現。

3 國外頁巖氣開發情況

1821年,美國鉆探了第一口商業性頁巖氣井,井深8.23米二戰后,天然氣成為重要能源,極大地推動了美國包括頁巖氣在內的天然氣開采到20世紀70年代后期,美國頁巖氣開發已步入規?；a業發展階段,年產頁巖氣20億立方米左右。近10年,隨著經濟發展和技術進步美國頁巖氣開發進入了快速發展階段,頁巖氣產量不斷增長,提高了美國國內天然氣供給能力,緩解了進口壓力,增強了美國的能源安全。據統計,2000年全美頁巖氣產量近200億立方米,頁巖氣井2.8萬口,開發企業10余家;到2008年,頁巖氣產量增至507億立方米,占全美天然氣總產量的9%左右,年均增長12.5%,頁巖氣井超過4萬口,開發企業達到64家據預測,美國頁巖氣產量將繼續保持較快增長,2010年產量將達到830億立方米,超過煤層氣產量;2015年達到2800億立方米,約占當時全美天然氣產量的40%。目前,美國頁巖氣開發主要集中在五大頁巖氣區,其中,位于美國得克薩斯州的沃思堡盆地的巴納特(Barnett)頁巖氣區,截至2008年底完鉆頁巖氣生產井271口,獲得頁巖氣可采儲量2.7萬億立方米,同年生產頁巖氣366億立方米,其核心產區NewarkEast氣田頁巖氣產量超過110億立方米,成為美國境內12個大氣田之一。

4 我國頁巖氣的現狀與展望

1966年在四川盆地威遠構造鉆探的威5井，在2795~2798m井深寒武系笨竹寺組頁巖中獲口產氣2.46 X 104m3，成為中國早期發現的典型的頁巖產氣井。2000年以來，中國政府及相關企業就已高度重視頁巖氣的勘探開發，密切注視北美頁巖氣的發展動態。近年來，更是將頁巖氣的勘探開發提到重要口程。2006年中國石油與美國新田石油公司進行了首次頁巖氣國際研討，2007年進一步開展了威遠地區頁巖氣潛力與開發可行性聯合研究;2008年國土資源部在全國油氣資源戰略選區調查與評價專項中確立了中國重點地區頁巖氣資源潛力和有利區帶優選項目。2009年中國石油與美國、挪威等國專家組織召開了頁巖氣國際研討會，與殼牌(Shell)公司在四川盆地富順一永川區塊啟動了中國第一個頁巖氣國際合作勘探開發項目，在四川盆地威遠一長寧、云南昭通等地區率先開展了中國頁巖氣工業生產先導試驗區建設。國土資源部與中國地質大學在四川盆地東部鉆探了地質調查井一一渝頁1井，探索了頁巖地層廣泛出露區和高陡構造復雜區的頁巖氣勘探前景。中國石油勘探開發研究院、中國石油西南油氣田公司綜合運用伽馬能譜儀、元素捕獲儀、探地雷達、陸地激光三維全信息掃描儀等新技術，開展了中國南方古生界頁巖露頭地質調查與實測，在四川盆地長寧地區建立了中國第一個海相頁巖地層數字化標準剖面一一長寧雙河上奧陶統五峰組一下志留統龍馬溪組頁巖地層剖面。國土資源部、石油企業和相關科研院校開展了中國揚子地區頁巖氣資源調查與選區評價示范區建設，使中國頁巖氣占天然氣消費量的50%到100%?？傊?，借鑒北美頁巖氣勘探開發經驗、廣泛的國際交流與合作，目前中國已在南方多個地區開展針對古生界海相頁巖地層的頁巖氣工業化勘探開發試驗區建設，正在進行揚子、鄂爾多斯、塔里木、渤海灣、松遼等盆地或地區的頁巖氣基礎研究和前期評價。但中國的頁巖氣勘探開發和相關研究起步較晚，目前總體仍處于起步階段。

近幾十年來，頁巖氣的開發走過了漫長曲折的道路。頁巖氣的研究和勘探開發最早始于美國，1821年美國東部第一口頁巖氣井開鉆，20世紀20年代開始步入規?；a，20世紀70年代頁巖氣勘探開發區擴展到美國中西部地區。到現在已經近40年了。我們可以預見到21世紀中期，在政策、價格和開發技術進步等因素的推動下，頁巖氣或將成為石油天然氣產業最重要的勘探開發目標和領域。

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