岩中“捉”气记

提起天然气，可谓家喻户晓，它在现代生产、生活中扮演着不可或缺的重要角色。天然气家族庞大，其中有一种特殊的类别，叫作页岩气。看到“页岩气”三个字，相信绝大多数人觉得既熟悉又陌生：之所以说熟悉，是因为经常在新闻报道中听到这个词；说陌生，是因为并不知道页岩气到底是什么，也不知道它来自何处，有哪些用途。

页岩气是如何被人类发现和利用的？与常规天然气相比，页岩气有哪些特点？它的开采难度为何那么大？开采页岩气的“武功秘籍”都有哪些？为什么说页岩气的开采是一项复杂和规模庞大的系统性工程？

下面，就让笔者为大家一一道来。

气在岩中藏

页岩气的开发利用历史最早可以追溯到19世纪，在此之前，这种嵌藏在岩石孔隙中的资源并没有引起太多重视。1821年，美国人威廉姆·A. 哈特（William A. Hart）在纽约弗里多尼亚首开先河，钻探出第一口针对页岩层的商业天然气井，井深约8.23米。这一开创性的行动在日后被业界广泛认为是页岩气为公众所知的起点。

时光流转至1914年，科研工作者在美国阿巴拉契亚盆地泥盆系俄亥俄（Ohio）页岩中发现了著名的大桑迪（Big Sandy）页岩气田，但受限于当时的地质理论和方法技术，人们并未充分意识到页岩气所蕴含的巨大能源价值，也并未将页岩气视为可供大规模开采的能源。

直到20世纪70年代，美国才开始对页岩气进行全面研究，并尝试进行实际开采。1976年，美国首次成功地从页岩层中提取出天然气，为页岩气的商业化开采奠定了基础。随后，在1981—1998年，米切尔能源公司在福特沃斯（Fort Worth）盆地进行了持续的实验和探索，终于研发出水力压裂技术和水平井技术。这些技术的应用使得巴内特（Barnett）页岩气田得以实现规模化开发，由此标志着页岩气的开采进入了全新的阶段。

在接下来的几十年里，随着勘探开发技术的不断革新和完善，页岩气的采集成本逐渐下降，产量不断增加，页岩气逐渐成为美国的重要能源来源。与此同时，其他国家也逐渐开始关注页岩气资源的开发与利用，我国也不例外。

开采何其难

作为一种近年来异军突起的非常规天然气资源，页岩气的大气田数量和产量规模越来越大，在我国能源结构调整中的作用愈发重要和明显。

页岩气属于非常规天然气。从名字直观来看，页岩气是来自页岩的天然气，通常赋存在有机质页岩的纳米级的细孔中，即主要以吸附和游离的方式赋存于有机质泥页岩中—主要有炭质页岩、硅质页岩、钙质页岩和粉砂质页岩等，且具有自生自储、大面积连续成藏、低孔、低渗等特点。

如果把常规天然气开采类比成医学领域的“静脉采血”，那么页岩气开采就如同更为精细的“毛细血管采血”。因此，相对于传统天然气，页岩气更难以开发。

页岩中的有机质孔隙

“武功秘籍”多

近年来，随着科技的不断革新和完善，技术、装备等持续不断的发展，涌现出一批高精尖技术装备，它们不仅大大降低了页岩气的勘探开发成本，而且快速提高了页岩气的采收率和产量，堪称页岩气勘探开发的利器。

一、地震勘探技术

在众多勘探开发技术中，一马当先的就是地震勘探技术。地震勘探是利用地震波在地壳中的传播特性来探测地下地质结构的一种方法。通过人工方式在地表激发地震波，并接收它们在地下反射回地面的信号，可以推断出地下不同地质界面的深度和形态。这种技术堪称描绘地下地质构造、确定含气页岩层位的“透视眼”。目前，页岩气勘探阶段使用的重要工具就是高精度三维地震勘探技术，它能够提供精确的地层结构和储层分布信息。

地震勘探的主要设备包括震源、检波器、记录系统等。其中，震源负责激发地震波，常见的震源有炸药震源、可控震源等；检波器负责接收地震波信号，并把地震波信号转化为电信号；记录系统则负责将这些电信号收集和记录下来，以供后续分析使用。

在地震勘探技术中，地震数据的处理至关重要。所谓地震数据处理，是通过滤波、叠加、反褶积等多种方法提高被记录下来的地震波信号的信噪比，增强有效信号，并压制干扰。经过处理后的地震数据可以生成地震剖面图和三维图像，这些图像直观地展示了地下的地质结构，通过解读分析这些图像，可以确定地下界面的相关信息。

数学领域中的空间有一维、二维、三维和多维之分，地震勘探的种类与之类似。一维勘探是指观测地下某个点的情况；二维勘探是指观测地下某条线的情况；三维勘探则是观测地下某块面积的特征。四维勘探是观测同一块面积在不同时间段的地下变化情况，即在同一地区的不同时间内重复进行三维地震勘探最终得到的勘探结果。根据地质任务目标的不同，我们可选择不同的勘探维度。

二、水平钻井技术

水平钻井技术堪称页岩气开采的两大核心“利器”之一。

钻井通常都是垂直于地面向下打的。“水平井”则是沿水平方向或接近水平的方向钻出的。水平钻井技术可以使井筒横向穿越富含页岩气的岩层，大大增加了井筒与岩层的接触面积，不仅有效提高了采收率，而且克服了页岩气储层中日产量低、生产周期短等诸多问题。目前，水平井已逐渐成为页岩气开发中最受推崇的方法，特别是在美国的页岩气开发钻井中得到广泛采用。

不仅如此，水平井也是页岩生产井中最理想的完井方式。这是因为页岩层具有产层薄、孔隙度小、渗透率低等特点，水平井在开发这类储层时展现出了独特的优势。与直井相比，水平井具有更高的单井产量和更长的生产周期，比较相关数据可知，从水平井中获得的页岩气最终采收率大约是直井的三倍。

应用水平钻井技术时，选择合理的井位至关重要，应优先考虑那些天然裂缝系统发育、有机质富集、泊松比（反映材料横向变形的弹性常数， 也被称为横向变形系数 ）低和杨氏模量（描述固体材料抵抗形变能力的物理量，用于表征材料刚度，是 材料力学中的一个重要概念）高的地区，因为这样的地质条件有利于实现单井的高产量和长期的稳定生产。

三、分段压裂及实时监测技术

分段压裂技术是页岩气开发的另一项核心技术，一般在钻井完成后，通过向地底深处的岩层注入高压压裂液，打开细小的岩石裂缝，把页岩气储层连接起来，使页岩气能够沿着裂缝自由地流到钻井口。

水是压裂液的主要成分，通常占到总体积的80%～90%。水的主要作用是作为溶剂和传质介质，将其他组分溶解并输送到岩石层中。此外，压裂液中还包括能增加其黏度和密度的悬浮剂、改变压裂液性质和性能的化学添加剂、溶解岩石矿物质的酸化剂、打破压裂液胶体结构的破胶剂、调节压裂液酸碱性的pH调节剂、用于防止压裂液中细菌和微生物生长繁殖的防菌剂，以及缓蚀剂、漂浮剂、阻垢剂等。

在进行水力压裂作业时，准确把握裂缝的走向和评估压裂效果至关重要。因此，需要密切监测诱导裂缝的方位和几何形态。页岩气井水力压裂监测过程通常由专业的模拟软件执行。这种软件可以预生成裂缝的三维图像，并为工程师们提供优化后的压裂方案。在压裂作业实施过程中，相关软件还可以根据采集到的数据对压裂效果进行实时监控和评价，以便修正不合理的压裂措施，让规划压裂过程更为经济高效，进而提升增产效果。

目前，人们主要通过微地震监测来实现对水力压裂过程中诱导裂缝的精确监控。其基本原理是，在水力压裂过程中，裂缝周围的天然缝隙、层理面等薄弱层面可能因稳定性受损而发生剪切滑动。这种现象类似于沿断层发生的微地震或微天然地震。它们释放出具有极高频率的弹性波，安装在邻井中的精密传感器可以探测到这些弹性波信号，并通过数据处理技术提取出震源的相关信息。由于对微地震的持续跟踪，裂缝监测结果得以不断更新，从而构建出动态的裂缝延伸图像，即微地震裂缝图。通过此图，人们不仅可以直观地观察到裂缝的方位和长度，还可以直接获取裂缝顶部和底部的深度、裂缝两翼的长度和裂缝的扩展方位等数据，为优化压裂作业提供重要依据。

四、压裂液技术

压裂液技术是一项在油气开采中得到广泛应用的关键技术，页岩气、煤层气、油田开采等领域都会使用压裂液技术。

所谓压裂，是利用高压水将石油天然气储层中的裂缝扩大，以增加储层的渗透性，提高开采效率。

在压裂过程中使用的压裂液是由多种化学物质、水和材料组成的混合物，其组成和性质对于压裂效果和环境具有极为重要的影响。压裂液的主要成分包括水、黏度剂和断裂剂等。其中，水作为压裂媒介，传递压力，造成岩层破裂，为裂缝扩大提供动力。黏度剂的主要作用是增加压裂液的黏度，从而扩大压裂液与岩石的接触面积，减小压裂液的流动速度，使岩层裂缝扩大得更加充分。断裂剂则用于增加岩石的脆性，使岩石更容易破裂，裂缝得以扩大，提高储层的渗透性。

在页岩气和煤层气中，压裂液被用于改善孔隙空间，增加气体产量。在油田增产中，压裂液可用于清洁油井和破坏储层中的油气结构，从而提高油井产量和能源利用率。

页岩开发的关键技术之一是研究和开发高效的压裂液配方、环保型添加剂和水资源管理技术。

五、环境保护技术

除了以上四项技术，页岩气开发还会涉及环保技术。这是因为，在页岩气开发过程中，可能造成压裂液窜层、页岩气渗漏、岩石脆裂、压裂液渗漏、甲烷和硫化氢等气体渗漏，从而产生地下污染、地表污染和空气污染等环境问题。

这些环境问题涉及的水资源使用、废水处理和岩石固体废弃物处理等。所以，开发废水回收、固体废弃物管理和二氧化碳捕集等环保技术，对于减少页岩气开发对环境的影响具有重要作用。

（本文受“南方页岩气重点调查区地球物理综合调查项目”编号DD 20243070支持。作者单位：中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）

【责任编辑】赵 菲