页岩油气勘探开发现状及关键技术

王翠丽，周文 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室 （成都理工大学），四川 成都 610059）

李红波 （中石油塔里木油田分公司开发事业部，新疆 库尔勒 814000）

页岩油气勘探开发现状及关键技术

王翠丽，周文 （油气藏地质及开发工程国家重点实验室 （成都理工大学），四川 成都 610059）

李红波 （中石油塔里木油田分公司开发事业部，新疆 库尔勒 814000）

综述了各国页岩气的勘探开发现状，探讨了页岩油气勘探开发过程中的关键技术，主要有以下几方面的认识：①综合多参数、多信息，建立不同相带的评价标准及有利区带预测方法是页岩气勘探开发的前提。②页岩气的渗流模型呈现多尺度的特点，开采过程涉及到解吸、扩散和渗流3个阶段，建立渗流方程时需考虑解吸吸附模型、扩散模型、压裂裂缝模型等影响因素。③多分支井、丛式井、羽状井等水平钻井技术，体积压裂技术等新技术是提高页岩气产能及收益的关键。④井中地震技术能实时提供施工过程中所产生的裂缝的方位、密度、尺寸、间距等参数，描述裂缝复杂程度，评价增产实施方案的有效性。

页岩油气藏；页岩油气勘探；目标区优选；微震监测；水平井技术；水力压裂技术

近年来对页岩的研究和试验结果颠覆了 “页岩是烃源岩或油气藏的盖层”的传统观点，提出了页岩自身能形成复杂的页岩油气藏的新观点［1］。页岩气在北美勘探开发取得巨大成功，掀起了全世界范围页岩气勘探开发的热潮。各国页岩气的调查和评估工作都在紧张有序的开展，关键技术的不成熟制约了该资源开采的可行性。

1 页岩油气勘探开发现状

经过近200年的勘探开发，美国的页岩气目前已步入高速发展阶段，其理论研究及相关技术相对成熟。据美国能源信息署 （EIA）预测，到2040年，页岩气产量将占到美国天然气总产量的50%［2］。北得克萨斯州的Barnett页岩有1.13×1012m3的可采储量，是美国第一块大规模商业化开采的页岩气田［3，4］。Marcellus页岩储量占美国页岩总储量的一半多，2010年6月进入大规模开发阶段［5］。

加拿大是另一个对页岩气进行规模开发的国家，大多数产区仍处于试验或发展阶段，页岩气关键技术的不成熟制约了该资源开采的可行性。加拿大的页岩气预测资源量为42.5×1012m3，主要分布于Montney页岩、Utica页岩和HortonBluff页岩中。页岩气有望成为加拿大重要的天然气资源之一，补充常规天然气的衰退［6］。

欧洲页岩气勘探开发目前仍处于摇篮期，2007年欧洲启动页岩气资源潜力评价与有利盆地优选项目。2009年，ARI（先进资源国际公司）估算欧洲页岩气资源量在30×1012m3（可采资源量约4×1012m3）以上［7］。国际石油公司将目光投向欧洲，在部分国家取得了页岩气探矿挖掘权，但在欧洲页岩气钻探试验没有取得积极成果，波兰、匈牙利、瑞典等一些国家的页岩气井均以失败告终，加之部分国家禁止采用水力压裂技术，使得欧洲页岩气勘探和开发的前景不容乐观。

中国页岩气的勘探开发及相关领域的研究尚处于探索阶段［8］，短期内尚无法达到商业化开采的程度。但中国拥有丰富的页岩气储量，据最新研究估算，中国页岩气可采资源量约为36×1012m3。在各大国际石油公司的技术支持下，我国勘探发现了陆相、海相、湖相等页岩区块［9，10］，并将水平井、滑溜多段水压裂技术应用在页岩油气钻探中，取得了巨大成功。

2 关键技术探讨

2.1 有利目标区优选技术

页岩气的评价标准及具体的地质选区评价方法是勘探开发的前提和基础。有利区的优选可为进一步勘探决策和深化研究提供重要的依据［11］。

基于北美页岩气勘探开发实践、统计分析及关键实验等结果，认为有利页岩气及核心区具有4方面主要地质特征和3方面主要开发特点，核心区有5个富集高产条件［10］。美国页岩储层基本以海相为主，我国富有机质页岩类型有海相、海陆过渡相和陆相3种类型。由于海相和陆相沉积类型的不同，其基本地质条件差异较大。中国古生界海相富有机质页岩分布范围广、连续厚度大、有机质丰度高，但演化程度高、构造变动多；中新生界陆相富有机质页岩横向变化大，以厚层泥岩或砂泥互层为主，有机质丰度中等，热成熟度低［10］。因此，借鉴国外成功勘探经验，结合本国地质条件的特点，建立不同相带的有利区优选标准是十分迫切的。

目前，对南方海、湖相页岩气，相关技术人员提出了一些有利区带的预测方法。聂海宽［12］、王鹏万［13］、徐士林［14］等分析页岩气藏主控因素，采用综合信息叠合的方法，对南方海相页岩和鄂尔多斯盆地湖相页岩有利区进行预测。杨振恒［15］等建立了海相地层页岩气勘探选区的模型，结合泥页岩矿物含量，泥页岩层热压力系统、地层沉降史、原地含气量预测核心有利区。李武广等［16］通过层次分析法确定多个与目标区优选体系相关参数的权重，采用模糊数学的方法对目标区进行综合评价，该方法实用性较强，适用于不同地区的页岩气有利区预测。袁志华等［17］提出利用油气微生物勘探技术，寻找页岩气富集区域，该项技术对于浅层天然气藏的勘探效果尤为理想。

海陆交互相、陆相和湖相有利区优选的研究成果很少，如何创新性地将海相预测方法应用到陆相非常关键。随着研究的逐渐深入，关键参数的不断丰富，优选页岩气有利区带的技术和方法会不断涌现。各种方法的综合运用，能更加准确地预测出有利区带的分布，为下一步页岩气勘探和实现工业化开发提供依据。

2.2 水平钻井技术

水平井具有增加泄流面积，连通多个裂缝系统，提高导流能力及单井产量等诸多优点，已经成为页岩气开发的关键技术之一。

从页岩气开发的角度来讲，水平井水平段在页岩层中的位置、延伸长度和延伸方向是决定水平井产能的关键因素［18］。水平井井位与井眼方位应选在有机质富集、热成熟度较高、裂缝发育程度好的区域及方位。实际生产中，最佳水平段长度的确定需要充分考虑具体地质实际、钻井成本和经济效益等。而水平井的延伸方向应尽可能地与最大主应力方向垂直，为以后进行的储层改造、形成复杂裂缝网络提供条件。为了更准确地进行水平井钻井，提高水平井产能，与之相关的技术得到了发展和应用。地质导向技术，旋转导向系统，三维地震解释技术，随钻测井、测量技术等的应用，使得水平井在建井过程中能以最佳的井身轨迹钻进；欠平衡钻井技术，能有效地保护储层，提高钻井速度，预测页岩封闭游离相天然气的能力，指导页岩油气藏勘探；有机和无机盐复合防膨技术，具有高矿化度、高钻井液回收率、强抑制性、低固相的特点，能最大限度地降低储层伤害，保持井壁稳定。以上与水平井钻井相关的配套技术的研究及应用，对提高页岩油气藏的开发效果起到了很好的保障作用。

鉴于我国页岩气储层埋藏深、地质条件特殊、地面环境复杂等特点，在国外成熟水平井钻井基础之上，开发适合我国水平井开发配套技术十分重要。特别是对复杂结构井的研究，分支井连接技术等都急需研究攻关。预开孔悬挂系统是目前国内外最为先进的分支连接方式，克拉玛依钻采中心自主研制的该项技术已经在新疆陆梁油田得到应用［19］。

2.3 体积压裂技术

国外微地震压裂裂缝监测研究成果［20～23］与生产井累计产量的对比分析验证了增产效果与改造体积呈正相关的观点，促使以提高最大接触面积、增加改造体积为目标的压裂技术新理念的形成。

体积压裂技术是一种利用天然裂缝的扩张和脆性岩石的剪切滑移，实现储层在长、宽、高三维方向的立体改造，形成主裂缝与多级次生裂缝共存的复杂裂缝网络系统的压裂技术的统称。该技术能极大提高储层的整体渗透率，缩短油气渗流距离，增大缝面与储层基质接触面积，达到提高页岩储层初始产量和最终采收率的目标。实施体积压裂需要目的层满足以下几个条件：①岩层中天然裂缝发育，且天然裂缝方位与最小主地应力方位一致；②脆性矿物含量较高，一般来说要大于35%；③地层敏感性不强，采用低黏度压裂液进行储层改造。多井同步体积压裂技术兼具体积压裂与同步压裂的优点，应用井间应力干扰，获得连通多井的复杂裂缝网络，提高多井初始产量及采收率，降低作业成本［24］。体积压裂在现场应用中的技术关键体现在分段多簇射孔技术、快速可钻式桥塞工具、滑溜多段水压裂技术等方面，其中滑溜多段水压裂技术在我国页岩气开采中的应用已取得初步成效。

由于体积压裂产生的裂缝系统极其复杂，压裂裂缝的起裂机理，油气在裂缝系统中的渗流特征，裂缝系统的监测技术、裂缝预测模型等理论技术需要加强攻关。

2.4 渗流机理研究

页岩油气以吸附、游离的状态存在于储层中。随着开采的进行，地层压力下降，使页岩基质表面的吸附气体发生解吸作用，形成游离态气体进入基质微孔隙中，在浓度差的作用下，由基质向裂缝扩散，最终由裂缝流向井底，涉及到解吸、扩散和渗流3个阶段，渗流模型呈现多尺度的特点。

页岩气的解吸吸附具有可逆性，可用Langmuir等温吸附模型、BET多分子层模型、吸附势理论模型、D-A模型、QSDFT模型等来表征，这些模型可用来计算吸附气量、孔径分布、分离压力等。微孔隙中气体流动遵循扩散定律，受孔隙形状、大小、连通性、气体性质及状态的影响，可用流体力学格子Boltzmann方法、耗散粒子动力学方法等从介观层次角度进行研究，但其渗流机理目前尚不明确。由于页岩油气储层与脆性煤层气储层具有相似性，前人已对煤层气扩散模式及渗流机理进行深入研究，将其研究成果创新性引入页岩气扩散过程中，对了解页岩气扩散机理及其渗流特征有很重要的指导意义。流体在裂缝中的流动是页岩油气真正意义上的渗流阶段，遵循达西定律。由于储层改造产生复杂裂缝系统，流体以最短的距离由基岩向各方向的裂缝渗流［25］（图1），大大降低所需驱动压力，渗流特征发生变化。

页岩油气的渗流机理研究需充分考虑各个阶段的影响因素，建立合理的渗流方程。段永刚等［26］尝试将储层的吸附解吸特性考虑到压缩系数中，得出与常规气藏形式一致的渗流方程；高树生等［27］在建立渗流方程时充分考虑了气体的滑脱效应对其影响；张士诚等［28］应用非常规裂缝模型、离散裂缝模型和双重介质模型表征压裂裂缝形态及渗流特点，建立压裂产能预测模型。

2.5 微震监测技术

目前对裂缝网络起裂和延伸机理的理论研究尚未成熟，关于剪切作用所产生的复杂分支缝也没有详细地描述和分析。如何运用现有技术直观定性地描述裂缝的形态、方位、密度，构建裂缝网络模型是目前急需解决的问题。

微地震监测技术作为一种用于油气田开发的新地震方法［29］，在监测压裂裂缝效果方面，比传统的测井方法更具优势。近年来，该技术在页岩气储层压裂改造中得到非常广泛的应用，已经成为页岩油气勘探开发的必要手段。

图1 体积改造网络裂缝渗流示意图 （据文献 ［25］）

在压裂施工过程中，可在破裂区周围空间内布置微震检测仪，收集裂缝起裂和错动产生的低频能量波，再对微地震数据进行正、反演处理，实现对压裂施工效果的准确评估，并实时提供施工过程中所产生的裂缝的方位、密度、尺寸 （长度、宽度和高度）、间距等参数，描述裂缝复杂程度，评价增产实施方案的有效性。

微地震监测技术是通过间接手段认识和评价裂缝缝网最为常用的手段［30］。由于裂缝形态复杂，处理难度大，要构建与实际情况更为接近的裂缝网络模型，需要技术人员具有丰富的个人经验及对研究区地质数据的充分理解吸收，依据微地震监测数据点的分布和密度，应用地质建模软件和具有较强图形处理功能的压裂软件来划分复杂裂缝网络，形成离散裂缝网络模型 （图2）。

图2 微地震监测压裂裂缝的微地震事件图 （据Weatherford公司［29，30］）

3 结论

页岩气勘探开发过程中，关键技术成熟度直接决定了开发效果。当前，各国正在开展页岩气的调查和评估等初级阶段的研究工作，关键技术的研发及应用的不成熟制约了该资源开采的可行性。

页岩气的评价标准及地质选区评价方法是勘探开发的前提和基础，综合多参数、多信息，使海相、湖相和陆相有利区带预测更加准确；页岩气的渗流模型呈现多尺度的特点，开采过程涉及到解吸、扩散和渗流3个阶段，建立渗流方程时需考虑解吸吸附模型、扩散模型、压裂裂缝模型等影响因素。多分支井、丛式井、羽状井等水平井钻井技术，体积压裂技术等新技术是提高页岩气产能及收益的关键；微震监测技术能实时提供施工过程中所产生的裂缝的方位、密度、尺寸、间距等参数，描述裂缝复杂程度，评价增产实施方案的有效性。

［1］李世臻，乔德武，冯志刚，等 .世界页岩气勘探开发现状及对中国的启示 ［J］.地质通报，2010，29（6）：918～924.

［2］U S EIA.Annual energy outlook 2013early release overview［EB］.http：／／www.eia.gov／forecasts／aeo／er／index.cfm.

［3］Loucks R G，Ruppel S C.Mississippian Barnett Shale：lithofacies and depositional setting of a deep water shale gas succession in the Fort Worth Basin，Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：579～601.

［4］Abousleiman Y，Tran M，Hoang S，etal.Geomechanics field and laboratory characterization of Woodford Shale：the next gas play［J］.SPE110120，2007.

［5］Robert K.页岩气藏开发生产周期中常见的技术难题与挑战 ［A］.中美油气技术研讨会 ［C］.Texas，2010-09-14～16.

［6］NEB.Office national de I’energie，Energy Briefing Note.A primer for understanding Canadian shale gas，2009［EB］.http：／／www.neb-one.gc.ca／clf-nsi／rnrgynfmtn／nrgyrprt／ntrlgs／prmrndrstndngshlgs2009／prmrndrstndngshlgs2009-eng.html.

［7］Li S Z，Qiao D W，Feng Z G，etal.The status of worldwide shale gas exploration and its suggestion for China［J］.Geological Bulletin of China，2010，29（6）：918～924.

［8］蒋恕 .页岩气开发地质理论创新与钻完井技术进步 ［J］.石油钻探技术，2011，39（3）：17～23.

［9］董大忠，邹才能，杨桦，等 .中国页岩气勘探开发进展与发展前景 ［J］.石油学报，2012，33（增1）：107～115.

［10］邹才能，董大忠，王社教，等 .中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力 ［J］.石油勘探与开发，2010，37（6）：641～653.

［11］李延钧，刘欢，刘家霞，等.页岩气地质选区及资源潜力评价方法 ［J］.西南石油大学学报 （自然科学版），2011，33（2）：28～34.

［12］聂海宽，唐玄，边瑞康 .页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测 ［J］.石油学报，2009，30（4）：484～491.

［13］王鹏万，陈子炓，贺训云，等 .黔南坳陷下寒武统页岩气成藏条件与有利区带评价 ［J］.天然气地球科学，2011，22（3）：518～524.

［14］徐士林，包书景 .鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩气形成条件及有利发育区预测 ［J］.天然气地球科学，2009，20（3）：460～465.

［15］杨振恒，腾格尔，李志明.页岩气勘探选区模型以中上扬子下寒武统海相地层页岩气勘探评价为例 ［J］.天然气地球科学，2011，22（1）：8～14.

［16］李武广，杨胜来 .页岩气开发目标区优选体系与评价方法 ［J］.天然气工业，2011，31（4）：59～62.

［17］袁志华，张玉清 .利用油气微生物勘探技术寻找页岩气有利目标区 ［J］.地质通报，2011，30（2～3）：406～410.

［18］郑军卫，孙德强，李小燕，等 .页岩气勘探开发技术进展 ［J］.天然气地球科学，2011，22（3）：511～517.

［19］王新，宋朝晖，李晓军 .新疆油田LuHW301Z双分支水平井钻井技术 ［J］.石油钻探技术，2009，37（5）：118～120.

［20］MAxwell S C，Wrvabcic T J，St Einsbergger N，etal.Microseismic imaging of hydraulic fracture complexity in the Barnett shale［J］.SPE77440，2002.

［21］Curtis J B.Fractured shale gas systems［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921～1938.

［22］Gareth R L，Bustin R M.Lower Cretaceous gas shales in northeastern British Columbia，Part I：Geological controls on methane sorption capacity［J］.Bulletin of Canadian Petroleum Geology，2008，56（1）：1～21.

［23］Warpinski N R，Mayerhofer M J，Vincent M C，etal.Stimulating unconventional reservoirs：maximizing network growth while optimizing fracture conductivity［J］.SPE114173－MS，2008.

［24］陈守雨，杜林麟，贾碧霞 .多井同步体积压裂技术研究 ［J］.石油钻采工艺，2011，33（6）：59～66.

［25］吴奇，胥云，刘玉章，等 .美国页岩气体积改造技术现状及对我国的启示 ［J］.石油钻采工艺，2011，33（2）：1～7.

［26］段永刚，魏明强，李建秋，等 .页岩气藏渗流机理及压裂井产能评价 ［J］.重庆大学学报 （自然科学版），2011，34（4）：62～67.

［27］高树生，于兴河，刘华勋 .滑脱效应对页岩气井产能影响的分析 ［J］.天然气工业，2012，32（4）：55～58.

［28］张士诚，崔勇 .页岩气压裂数值模拟分析 ［J］.天然气工业，2011，31（12）：81～84.

［29］罗蓉，李青 .页岩气测井评价及地震预测、监测技术探讨 ［J］.天然气工业，2011，31（4）：34～39.

［30］赵金洲，王松，李勇明 .页岩气藏压裂改造难点与技术关键 ［J］.天然气工业，2012，32（4）：46～49.

［编辑］ 黄鹂

Status and Key Technologies of Shale Oil and Gas Exploration and Development

WANG Cuili，ZHOU Wen，LI Hongbo （First Author' s Address：State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China）

The status of shale gas exploration and development of various countries was described，the key technologies of its exploration and development were discussed.The major understandings were obtained，which included that①integrated with multiple parameters and information，the premise was to establish the evaluation criteria for different facies belt evaluation and method for favorable facies belt prediction.②The percolation model of shale gas presented a fea-ture of multiple scales，it involved three stages of desorption，diffusion and seepage in production.When a percolation equation was established，it was needed to consider adsorption model，diffusion model，fracture model and other factors in desorption.③New technologies such as the horizontal well drillings of multilateral wells，cluster wells，plume wellsvolume fracturing technology were the key factors of improving productivity and revenue of shale gas.④Borehole seismic technology could provide real-time fracturing azimuth，density，size，spacing and other parameters generated during the operation，describe the complexity of fractures and evaluate the effectiveness of stimulation.It provides reference for exploration and development of using horizontal wells.

shale oil and gas reservoir；exploration of shale oil and gas；selection of target area；micro-seismic monitoring；horizontal well technology；hydraulic fracturing

TE132.2

A

1000-9752（2014）04-0051-05

2013-10-22

全国油气资源战略选区调查与评价国家专项 （第二批）（2009GYXQ15）。

王翠丽 （1985-），女，2009年大学毕业，博士生，现主要从事油气藏描述、非常规油气研究方面的工作。