頁巖氣勘探開發技術研究

李建芳　劉云文

摘 要：頁巖氣是指產自低孔、低滲、富有機質頁巖中的以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣。頁巖氣是一種大面積連續區域的非常規天然氣藏，與常規的氣藏相比，頁巖氣具有特殊的地質特征，因此，要想對其進行高效的開發就必須使用先進的開發技術。我國頁巖氣開發潛力巨大，但頁巖氣勘探開發相對落后，目前還處于起步階段。文章介紹了頁巖氣資源開發現狀、頁巖氣成藏機理、吸附與解吸機理、先進的頁巖氣勘探開發技術，針對國內頁巖氣勘探開發現狀，指出建議重點研究的方向。

關鍵詞：頁巖氣；成藏機理；勘探開發

1 國內外頁巖氣開發現狀

全球頁巖氣資源量約為456.24×1012m3，主要分布在北美、中國和中亞、拉美、中東、北非和前蘇聯。2000年以來，頁巖氣的勘探開發技術不斷提高，并得以廣泛應用，其中尤以美國最為突出。美國擁有豐富的頁巖氣資源和世界領先的勘探設備及技術，在頁巖氣勘探開發領域取得了豐碩的成果，已進入頁巖氣開發的快速發展階段；加拿大約有15.6～24.4×1012m3頁巖氣儲量，其頁巖氣開發雖然還處于起步階段，但是目前頁巖氣已成為加拿大重要的替代能源，已實現了頁巖氣的商業開發；中國是繼美國和加拿大之后正式開始頁巖氣資源勘探開發的國家，我國頁巖氣資源豐富，約為30.7×1012m3，我國頁巖氣的勘探開發技術尚未成熟，對頁巖氣藏的研究還很欠缺，仍處于起步階段；目前歐洲等國也開始逐步展開頁巖氣的勘探及開發，如英國、德國、法國、波蘭、奧地利和瑞典等。

2 頁巖氣藏特征及其成藏機理

2.1 頁巖氣藏特征

與常規氣藏相比，頁巖氣藏有其自身的特征：（1）大面積連續區域成藏，沒有明顯的圈閉；（2）低孔、低滲的超致密儲層，孔隙度<4～6%左右（常規8～30%），滲透率一般<0.001～2×10-3？滋m2（常規50～2000）；（3）較易保存、不易被破壞；（4）獨特的地質特征：“自生、自儲、自蓋”；頁巖氣成藏具有隱蔽性；具有普遍含氣性，但含氣量較低；成藏條件與儲量豐度關系復雜；具有異常高壓特征；產量低、生產周期長等。

2.2 成藏機理

頁巖氣以吸附態或游離態為主，成藏過程中頁巖氣無運移或極短距離的運移，頁巖氣本身形成了從典型吸附狀態到常規游離狀態之間的過渡特征，頁巖氣藏具有煤層氣、根緣氣、常規天然氣成藏的多重成藏機理，其成藏過程可以細分為三個階段，頁巖氣成藏過程如圖1所示。

（1）第一階段：天然氣的生成與吸附。此階段具有與煤層氣大致相同的富集成藏機理，在天然氣生成初期，主要是生物作用生成的天然氣滿足儲層中有機質和粘土礦物顆粒表面的吸附作用，當吸附氣量與溶解的逸散氣量達到飽和時，多余的天然氣就以游離或溶解的形式運移逸散。這一階段生成的頁巖氣主要以吸附態分布在頁巖內部，氣量有限。

（2）第二階段：天然氣的擠壓造隙及排出。由于天然氣的生成主要來自于熱化學能的轉化，高密度的有機母質轉化為低密度的天然氣，在相抵密閉的頁巖系統中，導致體積的增大和壓力的升高，因此形成了高于地層壓力的排氣壓力，進而導致沿巖石的薄弱面產生微裂縫。在此階段，天然氣主體上由生氣膨脹力的促動成藏，且不受浮力作用，反映了活塞式的成藏過程，與根緣氣具有相同的形成機理，天然氣就近或原地分布，構成了擠壓造隙式的成藏特征。此階段天然氣高度聚集，頁巖氣藏含氣量豐度較高。

（3）第三階段：成藏階段。隨著天然氣不斷地生成、運移、聚集，微裂隙網絡組合成較大的裂縫網絡，成為天然氣運移及賦存的場所，由于裂縫空間的增大，運移的方式也由活塞式變為置換式，從而導致常規圈閉氣藏的大范圍出現。

3 頁巖氣吸附、解吸機理

3.1 吸附機理

微觀物理吸附的實質為分子間吸附力和吸附勢的作用，固體對氣體的吸附主要由范德華力和剩余化學鍵力產生。有機質和粘土礦物顆粒對頁巖氣的吸附作用屬于物理吸附，頁巖表面的分子與CH4分子間的作用力為范德華力。由于有機質和粘土礦物顆粒等與其內部分子受力上存在差異，所以就存在剩余的表面力場，從而導致CH4分子在這些顆粒表面上的濃度增大，也就形成了吸附現象。

3.2 解吸機理

頁巖氣的解吸過程是吸附的逆過程：外界溫度、壓力等條件的變化將導致氣體分子動能的變化，如果動能增加，氣體分子將克服引力場，脫離束縛成為游離相，導致解吸現象的發生。在開發頁巖氣藏的初期，頁巖氣的產量主要來自于頁巖中處于游離態的天然氣；隨著游離氣的不斷采出，儲層壓力逐漸降低，頁巖中的吸附氣逐漸被解吸并進入儲層微裂隙中成為游離氣。

4 頁巖氣勘探開發技術

4.1 頁巖氣開發特征

（1）自然產能低：由于頁巖氣具有產量低、生產周期長等獨特的地質特征，頁巖氣井初期裸眼測試時產量極低甚至無產能，沒有工業價值，必須通過壓裂改造等增產措施來提高產能。

（2）生產周期長：頁巖氣井經過壓裂改造后，儲層中形成很多裂縫，游離氣首先被排出，吸附氣逐漸被解吸并進入裂縫中成為游離氣，這樣的過程反復持續，導致穩產期后遞減速度極慢，生產周期較長。

（3）頁巖氣采收率差異大：由于頁巖儲層埋藏深度、地層壓力、有機質豐度對頁巖氣的吸附氣量的影響，導致不同深度、不同有機質豐度的頁巖在采收率上存在極大差異。

4.2 勘探技術

（1）儲層評價技術

測井和取芯是目前頁巖氣儲層評價的主要手段：成像測井可以有效識別出裂縫和斷層，并能對頁巖進行分層；聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應力方向，從而為氣井的增產提供數據；巖心分析可以有效測試儲層滲透率、泥巖組分、孔隙度、TOC及等溫吸附曲線、流體及儲層的敏感性等。

（2）氣測錄井和現場測試技術

游離態的頁巖氣在鉆進過程中逸散進入井筒，隨循環的鉆井液一起返至地表，氣測錄井技術主要是通過分離鉆井液里的氣體測定巖心的吸附氣含量；現場測試技術包括頁巖層氣含量測定、解吸及吸附量測定等工作。氣測錄井和現場測試技術對評價頁巖儲層的資源量具有重要意義。

（3）三維地震技術

三維地震技術有助于鑒別異常的構造帶、頁巖非均質性和裂縫發育帶，利用速度分析預測儲層深度，預測潛在的壓裂液漏失層和含水層的滲透率，可依據反射特征的差異識別和預測誘導裂縫的傾向，以提高探井或開發井成功率。

（4）油氣微生物勘探技術

油氣微生物勘探技術是油氣藏中的輕烴在壓力的驅動下向地表擴散和運移，土壤中的專性微生物以輕烴作為能量來源，在油氣藏正上方極度發育。利用生物技術分離、培養、檢測微生物異常，結合地質和鉆井資料對油氣區進行預測、分級評價、主控因素分析等。由于油氣微生物勘探技術在實際應用中具有信息獨立、靈敏度高、成本低、穩定性好等特點，已在我國12個頁巖氣區塊進行過生產應用，效果很好。

4.3 鉆井完井技術及工藝

水平井是定向斜井的延伸和發展，水平井的最大井斜角保持在90°左右，并在目的層維持一定長度水平段的特殊鉆井。頁巖氣井主要包括直井、定向斜井和水平井。直井和斜井大多是用于試驗，了解頁巖氣藏的特性；水平井則主要用于生產，可以形成目的層更大的泄流面積，提高產量，如圖2所示。水平井技術已廣泛應用于頁巖氣藏的勘探開發，尤其是Barnett頁巖的勘探過程中，有90%以上的新井都是水平井。

4.4 頁巖氣井壓裂技術

頁巖氣儲層厚度薄，孔隙度小，滲透率低，大部分頁巖氣井必須通過儲層改造才能獲得理想的產能，而壓裂技術也是目前對頁巖氣井進行儲層改造的最有效方式。美國是最早也是最成功的開發頁巖氣的國家，他們在頁巖氣井的改造增產過程中使用最廣泛的就是水平井多級分段壓裂技術，其他的技術還包括清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂、同步壓裂、氮氣泡沫壓裂、大型水力壓裂等。由于大型水力壓裂對底層傷害大、成本高等原因現已很少應用。

4.4.1 壓裂技術工藝及適用性

頁巖氣儲層的壓裂改造工藝、加砂規模等都與常規壓裂改造不同。不同區塊的頁巖儲層特性各不相同，并不是所有的頁巖都適合滑溜水、大排量壓裂施工。脆性地層容易形成網絡裂縫，而塑性地層容易形成雙翼裂縫，因此不同的頁巖氣儲層所采用的工藝技術和液體體系是不一樣的。

（1）多級分段壓裂技術：利用堵球或限流技術分隔儲層不同層位進行分段壓裂，其原理與直井應用的投球壓差式封隔器相同，能夠針對儲層特點分段壓裂，目標準確，能有效產生裂縫網絡，壓裂效果明顯，同時節約成本，如圖3所示。多級分段壓裂技術適用于產層較多，水平井段較長的生產井。

（2）清水壓裂技術：又叫減阻水壓裂，是用清水添加適當的減阻劑、穩定劑、表面活性劑或線性凝膠作為壓裂液，可在不減產的前提下可節約30%的成本。請水壓裂適用于天然裂縫系統較發育、巖性楊氏模量高的地層。

（3）水力噴射壓裂：是用高壓和高速液體攜帶砂體進行射孔，打開地層與井筒之間的通道后，提高流體排量，從而在地層中打開裂縫的水力壓裂技術，如圖4所示。水力噴射壓裂技術不使用密封元件而維持較低的井筒壓力，能迅速地壓開多條裂縫，成功地解決了裸眼完井水力壓裂的難題。水力噴射壓裂在國內應用時間短，技術有待進步，且成本較高，裸眼井壁坍塌嚴重，一般套管完井井內使用。

（4）重復壓裂技術：當頁巖氣井初始壓裂處理無效或現有支撐劑因時間關系損壞或質量下降，導致產氣量大幅下降而采用壓裂工藝對氣井恢復或增加產能。采收率可提高8%～10%，可采儲量增加60%。重復壓裂適用于天然裂隙發育、層狀和非均質地層，初始壓裂效果不理想的井等。

（5）同步壓裂技術：同時對配對井進行壓裂，即同時對兩口（或兩口以上）井進行壓裂，如圖5所示。同步壓裂目前在國內還是一個新概念，在國內的技術可行性還有待進一步實踐。

（6）氮氣泡沫壓裂技術：泡沫壓裂施工最早開始于1968年1月，從20世紀70年代開始，美國和加拿大就廣泛運用泡沫壓裂技術。氮氣泡沫壓裂技術適用于水敏性地層和埋深較淺的井。

4.4.2 壓裂液體系

壓裂液是對儲層進行壓裂改造時使用的工作液，它的的主要作用是將地面設備形成的高壓傳遞至地層中，使地層破裂形成裂縫并沿裂縫輸送支撐劑。頁巖氣井常用的壓裂液有降阻水壓裂液、線性膠壓裂液、交聯壓裂液和泡沫壓裂液等，而降阻水和復合壓裂液是目前最主要的壓裂液體系。

（1）降阻水壓裂液體系：針對頁巖氣儲層改造發展起來的一種新的壓裂液體系，通過使用少量的稠化降阻劑來降低摩阻，其主要特點為：低摩阻性，降阻率≥60%；低傷害性，傷害率<10%；低粘度，2～30mPa·s；返排液表面張力較低，具有可回收再循環利用的基礎；低成本，比常規凍膠壓裂降低成本40～60%。降阻水壓裂液適用于無水敏、儲層天然裂縫較發育、脆性較高的地層。

（2）復合壓裂液體系：由高粘度凍膠和低粘度降阻水組成，支撐劑則采用不同粒徑的陶粒，適用于粘土含量高、塑性較強的頁巖氣儲層。

4.5 超高導流能力壓裂技術

超高導流能力壓裂技術是利用高黏度的壓裂液及可溶性纖維將支撐劑緊緊包裹在一起，再采取多段注入低黏度隔離液以形成超高導流能力的通道。該技術是在頁巖氣網絡壓裂技術的基礎上演變而來的，與常規網絡壓裂技術相比有很大區別：首先，提供超高導流能力的不是支撐劑本身，而是各支撐劑堆間超高導流能力的通道；其次，由于支撐劑的作用不是直接提供導流能力，因此對支撐劑的質量無過高要求；最后，在泵注工藝上，由于隔離液黏度低，所以操作起來既安全又方便。因此，該技術具有很好的推廣應用前景。

該技術在北美地區進行過對比實驗，有5口井采用超高導流能力壓裂技術，而另外8口井采用常規壓裂技術，進行產能對比，對比結果是使用超高導流能力壓裂技術的5口井單井初產提高23%，預計采收率提高17%。因此，該技術具有很好的推廣應用前景。

4.6 超臨界CO2輔助開發頁巖氣技術

當溫度超過31.1℃，壓力超過7.38MPa，CO2氣體就會變成超臨界態。超臨界流體既不同于氣體也不同于液體，具有許多獨特的物理化學特性：超臨界CO2的密度接近液體，黏度接近氣體，擴散系數比液體大，具有良好的傳質、傳熱性能等。

利用超臨界CO2開采頁巖氣，具有獨特的優勢：

（1）利用超臨界CO2噴射鉆井，超臨界CO2破巖門限壓力低、破巖速度快，同時不會造成頁巖層黏土礦物膨脹，能大大縮短建井周期。

（2）超臨界CO2強化采氣，提高采收率.超臨界CO2流體既不含固相又不含水，對儲層無任何損害和污染，非常適合于黏土含量較高的頁巖氣藏開發。

（3）超臨界CO2流體黏度低、易流動、表面張力為零，容易進入儲層毛細孔隙中，加之CO2分子與頁巖的吸附能力強于CH4分子與頁巖的吸附能力，置換CH4分子，提高單井產量。

（4）利用超臨界CO2流體作為介質，可替代大量的水資源，同時CO2也可以得到有效地利用，降低溫室氣體排放量，清潔環保。

利用超臨界CO2開采頁巖氣技術在我國仍處于實驗研究和探索試驗階段，預計在未來的2～3年內，該技術將在我國頁巖氣勘探開發領域得到廣泛應用。

5 研究方向

近年來，國外對頁巖氣進行了很好的開發利用，成果豐碩，而我國頁巖氣勘探開發尚處于起步階段。基于國內頁巖氣勘探開發的現狀，建議從下面幾個方向進行重點研究：

（1）理論研究：結合我國頁巖氣儲層的地質特征，加強對地質理論研究，深入了解頁巖氣的成因和富集規律；加強對頁巖氣吸附解吸機理、滲流機理等的研究，準確地評價頁巖氣藏，為有效地開發頁巖氣藏提供理論依據。

（2）鉆井及壓裂技術：重點研究頁巖氣水平井施工、水平井壓裂、壓裂液等關鍵技術。鉆井技術方面深入研究羽狀井、多分支井技術；壓裂投產方式上亟待攻關，重點研究水平井主體體積壓裂技術，可鉆式橋塞分段壓裂技術等。

（3）儲層保護技術：鉆井過程中，頁巖儲層極易受到堵塞和水鎖等傷害。因此，鉆井和儲層改造過程中儲層保護極其重要。我們應充分認識頁巖儲層性質和傷害機理，優選鉆井液及壓裂液體系，避免對頁巖儲層造成傷害。

6 結論及認識

（1）頁巖氣在國外得到很好的開發利用，我國對頁巖氣的勘探開發總體上還處于起步階段，應該在結合我國頁巖儲層的實際，借鑒國外先進技術和成功經驗的基礎上，探索出一套適合我國頁巖氣藏的先進的開采技術。

（2）頁巖氣藏不同于常規天然氣藏，頁巖氣資源開發技術要求高、成本高、經濟性差等。我們應該加強對關鍵技術的研究和攻關，實現技術上的重大突破。

（3）技術上的突破是關鍵，政策上的扶持是導向。2013年10月30日國家能源局發布我國首個《頁巖氣產業政策》，其中明確將頁巖氣開發納入國家戰略性新興產業，國家將加大對頁巖氣勘探開發等的財政扶持力度。在國家政策大力支持頁巖氣開發的今天，更應該順應潮流，把握機遇，加快頁巖氣勘探開發的步伐。

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