美國Eagle Ford頁巖氣開發對我國頁巖氣勘探開發的啟示

周守為，姜 偉，張春陽，范白濤

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

美國Eagle Ford頁巖氣開發對我國頁巖氣勘探開發的啟示

周守為，姜 偉，張春陽，范白濤

(中國海洋石油總公司，北京 100010)

據估計，我國的頁巖氣可采儲量高達20萬億～36萬億m3，雖然我國頁巖氣儲量評估處于初級階段，但仍然可以肯定我國是頁巖氣資源豐富的國家之一，如果都能開發，按當前的天然氣年產量計算，可以開發200多年。目前國內外多家企業聚焦中國，逐鹿頁巖氣，頁巖氣有望成為我國常規能源替代品，頁巖氣的勘探開發必將對我國乃至世界能源格局產生重大影響。但是由于頁巖氣儲層致密，滲透率低至納達西級，若不采取特殊的增產措施難以實現商業開發。美國是目前唯一實現頁巖氣商業開采的國家，技術和商業模式都相當成熟，中海石油斥資10多億美元收購了美國頁巖氣主產區Eagle Ford 33.3%的股份，該地區頁巖氣地質儲量高達6000億m3，開發前景廣闊。為提升我國頁巖氣總體水平，筆者率領技術專家深入考察了美國Eagle Ford頁巖氣項目，增進了對水平鉆井與分段壓裂等關鍵技術的了解，同時分析了相應扶持政策，對中國頁巖氣的勘探開發具有重要的參考價值。

Eagle Ford;頁巖氣;勘探開發;啟示

1 前言

據統計，2010年美國頁巖氣的總產量達到了1378億 m3［1］，占到該國天然氣總產量的 23%，得益于頁巖氣這一“生力軍”，美國的能源供應壓力得到了極大緩解。原本屬于天然氣進口國的美國，戲劇性地逆轉成為潛在的天然氣出口國。位于德州西南部的Eagle Ford是美國頁巖氣的主產區，多家公司勘探證實該區頁巖氣資源豐富，估計原始地質儲量達6000億m3，中海石油斥資10多億美金收購該區塊33.3%的股權(見圖1)，為我國頁巖氣的發展走出國門開創了先河。

圖1 Eagle Ford頁巖氣區塊圖Fig.1 Eagle Ford shale gas block

頁巖氣開發的意義不僅在于充當常規能源的代替品，更在于從根本上拓展了儲層概念，突破了資源禁區。隨之而來的水平井多級壓裂技術對解放儲藏，釋放產量效果極其顯著。中海油從10年前就將多支壓裂適度出砂技術應用于海上稠油油田的開發，其技術原理與水平井多級壓裂技術大同小異，將頁巖氣的水平井多級壓裂技術和海上油氣田常用的多支壓裂適度出砂技術相結合，既可大幅度提高海上三低油氣藏、稠油油藏的采收率［2，3］，也可為我國頁巖氣開發作一些技術儲備。

2 頁巖氣資源及分布概況

頁巖氣資源在全球分布廣泛，主要分布于北美、中亞、中國、中東、北非和非洲南部等國家和地區。根據2011年美國能源信息署(Energy Information Administrator，EIA)的最新預測，全球共有32個國家，48個盆地含有頁巖氣資源，初步評估資源分布形勢如圖2所示。全球的頁巖氣地質儲量總和約為623萬億m3，可采儲量約為163萬億m3，全世界各地區頁巖氣地質儲量和可采儲量統計數據見表1。

圖2 全球頁巖氣資源分布圖(據EIA 2011年統計)Fig.2 Worldwide shale gas resources distribution(according to 2011 statistics of EIA))

表1 全球頁巖氣地質儲量和可采儲量統計表(據EIA 2011年統計)Table 1 Worldwide shale gas geological reserves and recoverable reserves(according to 2011 statistics of EIA)

我國各地質時期的頁巖氣分布廣泛，資源量十分豐富，開發潛力巨大。據美國能源信息署2011年4月發布的數據，我國14個盆地中的25個頁巖構造含有頁巖氣資源，地質儲量達100多萬億m3，可采儲量達20萬億～36萬億m3，如果都能開發，按當前的天然氣年產量計算，可以開發200多年。

根據沉積環境劃分，可將我國的富有機質頁巖分為:海相頁巖、海陸交互相頁巖以及陸相頁巖三大類，圖3為三大類頁巖沉積相的分布圖［4］。分布圖總體呈現出南北不同的鮮明特征:南方以海相泥頁巖為主，北方以湖相泥頁巖為主;南方以古生界為主，北方以中新生界為主。如南方地區的震旦統陡山沱組頁巖、下寒武統筇竹寺組頁巖;北方地區的松遼盆地下白堊統青山口組泥巖、鄂爾多斯盆地上三疊統延長組張家灘頁巖等，可見我國的頁巖氣主要分布在以往未被重視的地區中，具有極高的開發潛力。

3 美國頁巖氣評價標準分析

頁巖氣藏是典型的自生自儲型氣藏，對頁巖氣進行儲層評價除了需要常規物性參數以外，還應考慮有機質豐度、巖石脆性度等特殊參數。通過對美國Eagle Ford頁巖氣項目的考察，了解美國Eagle Ford頁巖氣儲層評價標準表(見表2)，此標準在一定程度上代表了美國頁巖氣的評價標準。判斷頁巖油氣藏是否具有經濟性在滿足以上標準的基礎上，對于分布面積廣、埋藏深度適中、圍巖條件有利于分段壓裂的氣藏應優先開發。利用此標準，也對四川盆地古生界龍馬溪組頁巖儲層進行對比評價，認為龍馬溪組該層段的海相黑色頁巖具有勘探開發價值。對于美國標準，我國可以參考，但我國頁巖氣儲層特性、評價的經濟指標和美國都不一樣，因此應建 立自己的評價標準。

圖3 中國三大類頁巖沉積相分布圖(據鄒才能2010年統計)Fig.3 Three types of shale sedimentary facies distribution in China(according to 2010 statistics of Mr.Zou Caineng)

表2 美國頁巖氣儲層評價標準表Table 2 Shale gas reservoir evaluation standard in America

4 美國頁巖氣開發技術要點

頁巖氣的開發需要先鉆直井到達目的層上方，再鉆水平井在目的層內部延伸，盡量多的鉆遇高碳頁巖，最后實施分段壓裂獲得縱橫交織的人工裂縫，才能獲得一定規模的頁巖氣，因此頁巖氣的開發主要依賴水平井和分段壓裂兩項關鍵技術。美國頁巖氣大獲成功主要得益于這兩項技術的突破，根據Eagle Ford項目的成功經驗，水平井鉆井與分段壓裂技術的要點有以下幾方面。

4.1 頁巖儲層水平井鉆井技術

常規的水平井鉆井技術我國已完全掌握并成功實踐，而頁巖地層由于具有層理性與易水化的特點，鉆水平井又存在其特殊性。美國Eagle Ford項目在造斜方式上主要采取短半徑大曲率水平井方式，在表層段定向造斜5°后鉆斜直井，鉆至目的層前采用(8°～12°)/30 m的大曲率造斜著陸，造斜段長度在240～360 m左右，既減少了鉆井進尺，又降低了資源浪費，頁巖氣的大曲率造斜與常規曲率造斜對比見圖4。

4.2 鉆井液完井液技術

Eagle Ford區塊鉆井過程中在表層段選用水基鉆井液以節約成本，水平段使用油基鉆井液抑制頁巖水化。我國四川盆地威遠構造所鉆威201－H1井的實際情況反映:層理性頁巖垮塌嚴重，水敏性頁巖水化后易垮塌，返出的鋁土質泥巖嚴重垮塌掉塊與層狀頁巖掉塊如圖5所示。根據我國頁巖氣地質特點，采用巖石力學與泥漿化學耦合的手段維持井壁穩定是實現頁巖氣優快鉆井的關鍵。

4.3 頁巖氣水平井分段壓裂技術

圖4 美國Eagle Ford頁巖氣區短半徑大曲率造斜方式與常規曲率造斜對比Fig.4 Comparison between large curve(short radius)of America Eagle Ford with conventional curve

圖5 四川盆地威201－H1井泥頁巖坍塌掉塊Fig.5 Collapse of shale in well 201－H1 in Sichuan Basin

該技術主要涉及兩個方面:分段壓裂工藝和壓裂液配方。美國所用的壓裂液大多為滑溜水(slipwater)［5］，依據 Eagle Ford 頁巖儲層特性，該項目中使用的壓裂液主要成分為酸液、滑溜水、膠液和膠聯攜砂液，每口井的用砂量都在上千噸，用水量在上萬立方米。分段壓裂工藝則主要是指套管射孔后，通過快速可鉆式橋塞封隔各段來實現分段壓裂，整個壓裂過程從水平段的趾端向根端逐級作業，一般壓裂級數為20～30級，每級又分5～8段，每段射6～10個孔，稱為一簇。通常壓裂級間距為80～100英尺(1英尺=0.3048 m)，便于下可鉆橋塞，簇間距為30～80英尺，以控制每一簇的距離。圖6為Eagle Ford快速可鉆式橋塞示意圖，圖7為Eagle Ford壓裂分級與簇示意圖。成本方面，每一級的壓裂成本約25萬美元，一口井單純壓裂成本就達到數百萬美元。

圖6 Eagle Ford快速可鉆式橋塞示意圖Fig.6 Eagle Ford fast drillable bridge plug sketch map

圖7 Eagle Ford壓裂分級與簇示意圖Fig.7 Eagle Ford fracture stages and cluster diagram

頁巖中的脆性礦物(石英及方解石等)含量決定了頁巖氣儲層被改造的難易程度，脆性礦物含量越高越易被改造。Eagle Ford頁巖部分符合表2所列的指標，這一特點使得Eagle Ford頁巖改造過程較為順利。除分段壓裂外，還有同步壓裂、重復壓裂、纖維壓裂轉向技術、微地震裂縫監測等技術［6］，都值得科研工程人員深入探究。這是根據美國Eagle Ford頁巖氣的特定地質條件設計的，我國應根據自身地質特點來確定具體的壓裂方案。

5 中國頁巖氣發展的思考

中國擁有不可多得的頁巖氣可采儲量，令許多國家羨慕不已，但是能開采出來的才是資源，儲量永遠是與技術成正比的。目前，我國頁巖氣事業尚處于探索階段，真正產業化仍有多重制約因素亟需突破。通過對美國Eagle Ford頁巖項目的考察，結合對美國政策的認真解讀，筆者認為我國頁巖氣發展應注意以下幾個方面:

1)頁巖氣“熱”需要“冷”思考。目前頁巖氣在我國異常火熱，各類投資主體都對頁巖氣抱有極大熱情，但是要清醒地認識到我國的頁巖氣資源跟美國相比還有很大的不同，情況更加復雜，任務更加艱巨。美國的頁巖氣資源埋深較淺，一般在1500～2500 m，而我國的頁巖氣埋深更深，一般在3500 m以上;美國頁巖氣多分布在水資源較豐富的平原地區，我國頁巖氣比較富集的區域一般分布在水資源比較缺乏的丘陵山區，人口密集且地表條件不利于施工。加之我國頁巖氣技術剛剛起步，配套的管理制度也不健全，單憑熱情一擁而上，遇到瓶頸又淺嘗輒止，勢必造成我國各種資源的浪費。所以，我國未來5～10年的首要任務是:資源儲量上開展大調查、大評價，技術裝備上開展大研發、大儲備，方法上開展大協作、大部署，為建立有中國特色的頁巖氣大開發做準備。

2)走出去請進來，突破技術瓶頸。目前我國頁巖氣井的建井費用大約在4000萬～5000萬人民幣，有的甚至高達7000萬人民幣，而著名的美國Barnett頁巖氣，單口水平井成本大約在1700萬～2300萬人民幣。頁巖氣是講求低成本見效的產業，具有低產量、產量穩、壽命長的特點。只有突破關鍵技術瓶頸，以“井工廠”的模式批量作業，規模化開采，才能壓縮成本實現盈利。這些關鍵技術包括水平鉆井、分段壓裂、極低滲氣藏滲流規律等，要結合我國的地質特點，或走出國門或吸引外企，通過交流，消化吸收，鍛造出一套有中國特色的、工業化、商業化的技術體系和裝備體系。

3)壓裂技術移植用于三低油氣田。頁巖氣開發的關鍵技術──分段壓裂技術屬于典型的體積壓裂，應用于儲層能夠建立縱橫交錯的立體裂縫，達到溝通儲層與井眼的目的，對于釋放產能降低滲流阻力意義重大。我國的三低油氣田、稠油油藏與頁巖氣儲層一樣都具有難動用的特點，將體積壓裂技術的原理用于此類油氣田必將大大解放儲層，產生豐厚經濟效益。尤其是在當前階段，頁巖氣儲層評價技術尚不完善，先將分段壓裂技術試用于三低油氣藏特別是海上油氣藏，既有利于海上油氣田的開發，又能為我國頁巖氣開發提供技術儲備。

4)多種非常規氣藏合采同開。總有機碳豐度高的儲層常常同時發育多種非常規天然氣藏，如頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等，如果教條地將不同的氣藏區分對待，建立多套班子，不同的礦主，不同的管理者，以多套程序開采必定增加數倍的成本，使頁巖氣開發效益差。如果靈活處理，將同一區塊的不同天然氣藏一視同仁，不再人為的區分煤層氣與頁巖氣，統籌規劃，合采同開，必定能產生事半功倍的效果。

5)資源開發堅守環保陣地。美國目前對返排壓裂液的處理通常采用就地挖污水池，靠天然晾干后推平掩埋的辦法進行簡單處理。頁巖氣水力壓裂所用化學藥劑可能會對地下水產生污染，美國聯邦政府以及州政府在大力推進頁巖氣開發的同時，也采取了一系列環保措施，如《美國聯邦環境法》、《清潔水法案》、《資源保護和恢復法》等，這些舉措保證了美國頁巖氣的可持續發展。目前，美國環保部正在針對壓裂液成分進行立法，要求壓裂作業方披露壓裂液的化學成分，以便充分評估對地下水的影響。我國在全力發展技術的同時也應注意環境保護，堅決杜絕為攫取資源而破壞生態的行為，保證頁巖氣可持續發展。

6)政府大力扶持頁巖氣開發。美國政府大力支持頁巖氣發展，美國政府在《能源意外獲利法》中規定，對2003年之前生產和銷售的頁巖氣實施稅收減免政策;2004年《美國能源法案》還規定:十年內聯邦政府每年投資4500萬美元用于包括頁巖氣在內的非常規天然氣研究，并專門設立了非常規油氣資源研究基金，對能源行業實施五種稅收優惠政策;頁巖氣開發、天然氣管網及銷售完全獨立運行，頁巖氣按政府規定的價格優先進天然氣管網，管網運行商須無條件接受，政府按投資給管網運行商固定的利潤率;這些激勵政策促使美國頁巖氣產量扶搖直上。因此適合本國國情的鼓勵政策才是美國頁巖氣異軍突起的根本原因，建議我國相關部門盡快出臺頁巖氣優惠政策，扶持民族能源工業的發展。

6 結語

通過對美國Eagle Ford頁巖氣項目的考察，筆者探究了中國頁巖氣今后的發展方向，并提出了一些建設性意見，其中涉及技術的問題屬于真命題，目前基本都有了解決方案，筆者堅信憑借我國科研技術人員的智慧必定可以實現。我國頁巖氣發展的亟待明確之處在于如何結合我國特色，建立一套從設計施工到后勤保障的高效管理體制。由于每個國家的具體國情不同，在發展戰略和管理體制上照搬國外的經驗往往是行不通的，只有實現管理體制的自主創新，建立適合自身發展的管理辦法，才能保證人盡其才，物盡其用。

總之，頁巖氣商業化開發需要政府鼓勵，管理創新，技術進步，只要形成合力就能產生巨大的推進作用。在頁巖氣正以強盛姿態席卷全球的國際背景下，國內從政府到民眾都持樂觀態度，并報以很高的期望，中國的頁巖氣發展之路前景一片利好，加大研究力度和勘探開發的投入刻不容緩。頁巖氣工業的崛起必將改善中國的能源布局，從根本上提升我國在世界能源格局中的戰略地位。

［1］方小美，陳明霜.頁巖氣開發將改變全球天然氣市場格局［J］.國際石油經濟，2011(6):40－43.

［2］周守為.海上稠油高效開發新模式研究及應用［J］.西南石油大學學報，2007，29(6):1－4.

［3］周守為.海上油田高效開發技術探索與實踐［J］.中國工程科學，2009，11(10):55－60.

［4］鄒才能，董大忠，王社教，等.中國頁巖氣形成機理、地質特征及資源潛力［J］.石油勘探與開發，2010，37(6):641－653.

［5］George E King.Thirty years of gas shale fracturing:what have we learned?［R］.SPE 133456，2011，9.

［6］Michae D Burnaman，Stephen Smith，Xia Wenwu.Shale gas well completions and maximizing gas recoveries［J］.China Petroleum Exploration，2009(3):65－86.

The enlightenment on shale gas exploration and development in China getting from Eagle Ford in America

Zhou Shouwei，Jiang Wei，Zhang Chunyang，Fan Baitao

(China National Offshore Oil Corp.，Beijing 100010，China)

According to relevant estimation，the recoverable reserve of shale gas in China is up to 20 to 30 trillion m3.Although shale gas reserves evaluation is still in the early stage，it quite sure that China is one of the countries who are rich in shale gas resources.If developed subject to current gas annual production，it can be developed for more than 200 years.At present，many companies home and aboard focus on shale gas and compete it in China，and it is expected that shale gas will be the substitution of conventional energy resource in China.Thus the exploration and development of shale gas will bring great effect not only on China but also on the world.However，due to the tightness of shale gas reservoir and its permeability is as low as 10－9Darcy scale，if especial stimulation treatments are not taken，it would be very difficult to achieve the goals of commercial development.For the moment，America is the only country in the world that is successful in commercial development of shale gas and its technology and commercial operating mode has been very mature too.CNOOC has invested more than 1 billion US dollar to buy 33.3%interest of Eagle Ford，where its reserves reach about 600 billion m3，and where its development prospect is valuable.In order to get a comprehensive acknowledgement on the development technology，the author，as a leader，accompanied by a professional team has had a tour observation to Eagle Ford in America and has got a further understanding on key technologies in horizontal drilling and multi-stages fracturing etc.Meanwhile the author also has analyzed the relevant supporting policy framed by USA government，which will be important and valuable for shale gas exploration and development in China.

Eagle Ford;shale gas;exploration and development;enlightenment

TE1;TE3

A

1009－1742(2012)06－0016－06

2012－04－07

周守為(1950—)，男，四川南充市人，中國工程院院士，教授級高級工程師，研究方向為海洋油氣田開發工程;E－mail:zhoushw@cnooc.com.cn