关于中国页岩气勘探开发工作的思考

杜金虎 杨华 徐春春 梁世军 皮学军 王红岩

1.中国石油勘探与生产分公司 2.中国石油长庆油田公司 3.中国石油西南油气田公司4.中国石油吐哈油田公司 5.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

关于中国页岩气勘探开发工作的思考

杜金虎1杨华2徐春春3梁世军4皮学军1王红岩5

1.中国石油勘探与生产分公司 2.中国石油长庆油田公司 3.中国石油西南油气田公司4.中国石油吐哈油田公司 5.中国石油勘探开发研究院廊坊分院

随着全球经济发展对油气资源需求量的不断增长以及常规油气资源勘探开发难度的不断加大,页岩气等非常规油气资源在油气供给中的比例将日益增加。近年来北美地区页岩气快速发展,主要得益于其优越的地质地表条件,得益于水平井及水力压裂等核心工程技术的进步,得益于高效组织降低了成本,得益于政策的大力扶持。中国海相古生界页岩具有分布面积广、厚度大、有机质及脆性矿物含量高等有利成藏条件;同时,与北美页岩相比,中国南方海相页岩也存在沉积时代老、埋藏深、成熟度高、保存条件差、地表复杂等不利条件。鉴于此,中国在勘探开发页岩气过程中需要加强有利区块评价优选,提高工程技术水平、加大应用力度,努力降低勘探开发成本,并积极寻求国家政策的支持。

中国 页岩气 成藏机理 勘探思路 开发技术 有利条件 不利因素

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1]。在页岩气藏中,天然气赋存于细粒的粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及石灰岩、白云岩或不同颗粒大小的混合岩性中,是天然气生成之后在源岩层段内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式[2]。

近年来,随着社会对清洁能源需求的不断扩大、天然气价格的不断上涨、对页岩气成藏条件认识的不断深化、钻井工艺的不断进步,页岩气勘探开发正由北美向全球扩展。页岩气在非常规天然气中异军突起,成为全球非常规油气资源勘探开发的新亮点。加快页岩气资源勘探开发,已经成为世界页岩气资源大国的共同选择。

1 美国页岩气快速发展的有利条件

美国含页岩气盆地共有22个,可采资源量为16.9 ×1012m3,投入商业开发的主要有Fayetteville、Haynesville和Marcellus等盆地[3]。美国页岩气藏分布于海相古生代地层,大面积连续成藏;以吸附、溶解和游离3种状态赋存,主要为吸附气与游离气;来源于生物成因类型、热成因和混合成因等3种成因类型,以热成因为主。

美国页岩气勘探始于1981年,至2009年底,完钻页岩气井4.2×104口,2009年页岩气产量900×108m3,预计2015年可达到2 800×108m3。

1.1 美国页岩气成藏条件优越

1)地质背景好,页岩广泛分布、产状平缓、后期断层与褶皱不发育,埋藏深度适中。以Fort Worth盆地为例,其总体处于一个稳定的构造地质背景,Barnett页岩广泛稳定分布,具有开发潜力的面积为1.036× 104km2,核心区面积达到4 000 km2[4],埋深范围主要介于1 000～3 500 m之间。

2)页岩有机质丰度高,演化程度适中,TOC> 2%,干酪根类型为混合型,Ro>1.1%;核心区TOC介于2%～7%,Ro介于1.1%～1.7%。

3)页岩层内有机质微孔隙、原生孔隙以及无机矿物之间的粒间孔发育,总孔隙度一般介于4%～12%,构成了游离气储集空间,是页岩气井早期高产的基础。

4)具有良好的区域盖层。页岩气储层一般超压,区域盖层缺失将导致地层压力降低,可能造成页岩气解吸和散失。另外,盖层缺失容易使页岩气储层与水层沟通,在页岩气储层内产生地下水径流,对页岩气储气具有较强烈的溶蚀作用。

1.2 关键技术的突破推动页岩气快速发展

美国页岩气勘探开发历程证明,进行规模开发是页岩气工业化生产的关键[5]。由于页岩气单井产量低,为了提高效益,需要增加单井产量,为了获得较高的总产量需要增加生产井数,两项需求促进了相应工程技术的发展。

1.2.1 水平井部署和钻井技术

在水平井的部署时,应考虑水平段在空间上的均匀分布,尽量使水平段避开断层,垂直于天然裂缝带延伸,因而需要优选水平段入靶位置、延伸方向。目前美国采用“餐叉式”丛式井组,每个井组一般5～10口水平井,水平段长1 000～1 500 m,两水平井之间井距150 m。水平井钻井工艺核心技术在于地质导向,目前规模应用最先进高效的旋转地质导向系统Power-Drive Archer,可较好地控制井眼轨迹,造斜能力达到17°/30 m,进尺5 000 m的水平井只需要280 h。

1.2.2 压裂改造技术

压裂改造包括压裂设计、压裂施工以及压后评价3个阶段。压裂设计过程中,优选射孔段、合适粒度和硬度的支撑剂,采取多段分簇、大规模的施工方式,对页岩进行体积改造,目前,单井压裂规模已达到“千方砂、万方液”。

应用微地震技术实时进行压裂效果检测,掌握压裂缝的延展方向、空间几何形态和改造效果,明确主力产层段。

1.3 规模效应及高效组织降低了施工成本

页岩气勘探开发采取批量作业的方式,一个地区一次部署井位超过100口,通过新技术的规模应用、生产组织的合理高效运作,使得页岩气开发成本逐年下降,尤其是2009年上半年,每米进尺完井与压裂改造费用由1 014美元降至709美元,为页岩气的快速发展打开了出路。

1.4 优惠政策为页岩气快速发展提供了良好的发展环境

美国政府1980年颁布的《能源意外获利法》第29条税款规定:1980—1992年间钻探的非常规天然气井生产出的可享受税收补贴政策(页岩气为3.5美分/ m3);同时得克萨斯州对页岩气开发免收生产税。这些措施为美国页岩气的发展创造了良好的环境。

2 中美页岩气成藏条件对比

我国海相古生界页岩分布面积广、厚度大,有机质含量与成熟度较高,具备页岩气成藏条件。南方地区元古界—古生界发育6套海相页岩地层,其中志留系龙马溪组和寒武系筇竹寺组页岩有机质含量高、厚度大,页岩气资源潜力大。目前中国页岩气勘探开发区域主要位于我国南方海相地区[6-8]。

我国南方地区具有与美国东部盆地相似的页岩气成藏地质条件和构造演化历史,均属于古生代海相沉积盆地;沉积环境为深水相沉积、浅—深水陆棚相;页岩的TOC>2%,为富有机质页岩,有机质类型为腐泥—混合型;页岩脆性矿物含量较高,石英、长石、方解石等脆性矿物总含量大于40%[9-14]。应该看到,中国和美国页岩气成藏条件也存在较大的差异性(表1),主要表现在以下几个方面:

1)中国南方海相页岩沉积时代比美国老,主要以早古生代寒武纪和志留纪为主。目前美国页岩气开发的5个主要盆地中,页岩的形成时代以晚古生代泥盆纪、密西西比纪和中生代白垩纪为主。

2)中国下古生界海相页岩Ro值一般介于1.1%～4.6%之间,目前已演化至高—过成熟阶段,页岩有机质演化程度偏高。美国主要页岩气储层Ro值一般介于0.4%～2.5%之间,正处于生气高峰期。

3)美国目前已开发的页岩气藏埋深范围主要在1 000～3 500 m之间;中国南方海相页岩埋深小于3 000 m的范围较小,部分页岩储层埋深可超过5 000 m,埋藏深度较大。

表1 中国南方下古生界海相页岩与美国页岩气成藏条件对比表

4)美国大陆总体为一个稳定地台,以海相沉积为主,页岩气藏构造条件较为简单,页岩气储层大面积连续分布,储集条件较好;中国陆地总体以陆相沉积为主,可供勘探面积较小,仅在古生界扬子地块、华北地区和塔里木盆地存在较为广泛的海相页岩沉积。

5)中国下古生界海相页岩后期改造比美国强烈,尤其是南方的扬子地块,盆地周缘页岩地层抬升出露,盆地内部页岩遭受断层切割,气体大量散失,保存条件不利。

6)地表条件差异大,美国Barnett页岩主要分布于美国地势较为平坦的地区;而中国目前认为页岩气成藏最有利的南方海相地区,多处于地形复杂的山区。

3 中国发展页岩气需要注意的几个问题

通过分析我国页岩气成藏条件和资源潜力,笔者认为我国具备发展页岩气的基本条件,但在具体工作中需要注意4个方面的问题:

1)要加强有利区块评价优选工作。我国页岩气勘探工作刚刚起步,需要借鉴美国页岩气选区评价经验,结合我国页岩气成藏地质特点,在有利目标优选过程中,充分考虑储层分布面积、埋藏深度、地势和水源等问题。井位部署过程中应避开构造变动强烈的褶皱区,重点考虑大型宽缓的构造斜坡区。重点层系主要考虑下古生界寒武系和志留系页岩。我国陆相盆地页岩分布广泛,在对海相盆地页岩气进行评价的同时兼顾陆相盆地页岩气地质研究工作。

2)在工程技术方面要提高技术水平、加大应用力度。具体来说,要加强测井解释和综合评价力度,加强多种学科的综合应用、多种信息的综合分析评价,测井资料的综合解释应用,不断提高研究水平;要加大水平井应用力度,提高部署水平、施工水平、钻井速度及综合效益;要规模应用水平井分段压裂技术,根据水平段内岩性、物性及应力的变化,分段设计相应的施工参数进行压裂,最终在水平井段形成多条相互独立的人工裂缝系统,改善近井地带渗流条件,提高单井产量;要尽快开展压裂监测工作,引进相关技术,实时研究裂缝扩展规律,及时采取有效措施控制裂缝的扩展形态,保证压裂质量,评价压裂效果,改进压裂措施以及优化后期部署方案。

3)要努力降低勘探开发成本。目前,我国页岩气相关作业成本过高,严重制约了页岩气产业的发展;必须通过规模部署、提速增效、精细组织等合理有效的手段,降低页岩气勘探开发成本,只有实现效益开发,页岩气生产才有出路。

4)要积极寻求国家政策的支持。借鉴美国的做法,积极争取页岩气在税收、财政补贴等方面的优惠政策,为推动页岩气的发展创造良好的外部环境,调动能源企业参与发展页岩气的积极性。

[1]张金川,金之钧,袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业,2004,24(7):15-18.

[2]张金川,薛会,张德明,等.页岩气及其成藏机理[J].现代地质,2003,17(4):466.

[3]李新景,胡素云,程克明.北美裂缝性页岩气勘探开发的启示[J].石油勘探与开发,2007,34(4):392-400.

[4]CURTIS J B.Fractured shale gas system[J].AAPGBulletin,2002,86(11):1921-1938.

[5]黄玉珍,黄金亮,葛春梅,等.技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键[J].天然气工业,2009,29(5):7-10.

[6]刘洪林,王红岩,刘人和,等.中国页岩气资源及其勘探潜力分析[J].地质学报,2010,84(9):1374-1378.

[7]王社教,王兰生,黄金亮,等.上扬子区志留系页岩气成藏条件[J].天然气工业,2009,29(5):45-50.

[8]程克明,王世谦,董大忠,等.上扬子区下寒武统筇竹寺组页岩气成藏条件[J].天然气工业,2009,29(5):40-44.

[9]张金川,聂海宽,徐波,等.四川盆地页岩气成藏地质条件[J].天然气工业,2008,28(2):151-156.

[10]王兰生,邹春艳,郑平,等.四川盆地下古生界存在页岩气的地球化学依据[J].天然气工业,2009,29(5):59-62.

[11]王世谦,陈更生,董大忠,等.四川盆地下古生界页岩气藏形成条件与勘探前景[J].天然气工业,2009,29(5):51-58.

[12]董大忠,程克明,王世谦,等.页岩气资源评价方法及其在四川盆地的应用[J].天然气工业,2009,29(5):33-39.

[13]李建忠,董大忠,陈更生,等.中国页岩气资源前景与战略地位[J].天然气工业,2009,29(5):11-16.

[14]潘仁芳,黄晓松.页岩气及国内勘探前景展望[J].中国石油勘探,2009,14(3):125.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.05.002

2011-04-19 编辑 赵 勤)

杜金虎等.关于中国页岩气勘探开发工作的思考.天然气工业,2011,31(5):6-8.

杜金虎,1959年生,教授级高级工程师;1983年毕业于原成都地质学院石油系,现任中国石油勘探与生产分公司副总经理,长期从事油气勘探工作,2002年享受国务院政府津贴,2009年获“李四光野外地质工作奖”,著有《二连盆地隐蔽油气藏勘探》、《中国东部裂谷盆地地层岩性油气藏》等专著。地址:(100007)北京市东直门北大街9号B座。电话:(010)59986287。E-mail: dujinhu@petrochina.com.cn