開采頁岩氣需要什麼設施設備

❷ 頁岩氣開發現狀及開采技術分析

史進¹ 吳曉東¹ 孟尚志² 莫日和² 趙軍²

作者簡介:史進,1983年生,男,漢族,山東淄博人,中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院博士生,主要從事煤層氣、頁岩氣開發方面的研究工作。E-mail:[email protected],電話:18901289094。

(1.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室 北京 1022492.中聯煤層氣有限責任公司 北京 100011)

摘要:頁岩氣是一種儲量巨大的非常規天然氣,但是頁岩氣藏儲層結構復雜,多為低孔、低滲型,開發技術要求很高。本文簡述了國內外頁岩氣開發現狀,分析了頁岩氣成藏機理以及開發特點,重點介紹了國外主要採用的頁岩氣開采技術,包括頁岩氣的儲層評價技術、水平井鑽井技術、完井技術以及壓裂技術這幾個方面,其中水平井鑽井以及壓裂技術是最為重要的。最後本文指出了中國頁岩氣開發急需解決的幾個方面的問題。

關鍵詞:頁岩氣 開采技術 儲層評價 水平井增產 完井技術 壓裂技術

Analysis on Current Development Situation and Exploitation Technology of Shale Gas

SHI Jin WU Xiaodong MENG Shang MO Rihe ZHAO Jun

(1.Petroleum engineering institute, China University of Petroleum, Beijing 102249,2.China United Coalbed Methane Co., Ltd., Beijing 10001 1, China)

Abstract: The shale gas is a kind of non-conventional with giant amount of reserves,but the shale reservoir has complex structure with low porosity and low Permeability , so it needs advanced technology.This article sum- marizes current situation of shale gas development both in and abroad,analyses the gas generation and development characteristic of shale gas,mainly introces gas exploration and development of technology,including reservoir e- valuation technology, horizontal well stimulation techniques, completion technology as well as fracturing tech- niques.At last, the paper points out the urged problem needed to be sloved for china's shale gas development.

Keywords: Shale gas;development technology; Reservoir evaluation; Horizontal well stimulation; comple- tion technology; fracturing techniques.

1 前言

地球上各種油氣資源在地層分布的位置各不相同(圖1),隨著全球能源的需求量增大,頁岩氣作為一種非常規能源越來越受到人們的重視。頁岩氣是指主體位於暗色泥頁岩或高碳泥頁岩中,以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集^[1]。世界頁岩氣資源很豐富,但尚未得到廣泛勘探開發,根本原因是緻密頁岩的滲透率一般很低。但近幾年來,頁岩氣的開采已經成為全球資源開發的一個熱點。由於頁岩氣的賦存、運移以及開采機理與普通天然氣有很大的不同,所以在勘探開發技術方面與普通天然氣也有很大的差別。

圖1 各種油氣資源分布示意圖

2 國內外頁岩氣勘探開發現狀

2.1 國外頁岩氣開發情況

國外的頁岩氣開發以美國為主,美國是目前世界上唯一商業化開發頁岩氣的國家。美國第一口頁岩氣井可追溯1821年,鑽遇層位為泥盆系Dunkirk頁岩^[2],井深僅8.2m。19世紀80年代,美國東部地區的泥盆系頁岩因臨近天然氣市場,在當時已經有相當大的產能規模。但此後產業一直不甚活躍。直到20世紀70年代末,因為國際市場的高油價和非常規油氣概念的興起,頁岩氣研究受到高度重視,當時主要是針對FortWorth盆地Barnett頁岩的深入研究。2000年以來,頁岩氣勘探開發技術不斷提高,並得到了廣泛應用。同時加密的井網部署,使頁岩氣的採收率提高了20%,年生產量迅速攀升。2004年美國頁岩氣年產量為200×10⁸m³,約占天然氣總產量的4%;2007年美國頁岩氣生產井近42000口,頁岩氣年產量450×10⁸m³,約佔美國年天然氣總產量的9%。參與頁岩氣開發的石油企業從2005年的23家發展到2007年的64家。美國相關專家預測,2010年美國頁岩氣產量將占天然氣總產量的13%。圖2是美國頁岩氣資源分布圖。

美國的頁岩氣能夠得到快速發展,技術上主要得益於以下四個方面:(1)減阻水壓裂技術:攜帶非常少的添加劑,這樣降低了成本,減少對地層的傷害,但攜砂能力下降。(2)水平井替代了直井,長度從750m增加到了1600m。(3)10至20段,甚至更多的分段壓裂大大提高了採收率。(4)同步壓裂時地層應力變化的實時監測。當然,這也離不開國家政策的支持,20世紀70年代末,美國政府在《能源意外獲利法》中規定給予非常規能源開發稅收補貼政策,而得克薩斯州自20世紀90年代初以來,對頁岩氣的開發不收生產稅。

除了美國,加拿大是繼美國之後較早規模開發頁岩氣的國家,其頁岩氣勘探研究項目主要集中在加拿大西部沉積盆地,橫穿薩克斯其萬省的近四分之二、亞伯達的全部和大不列顛哥倫比亞省的東北角的巨大的條帶。另外,Willislon盆地也是潛在的氣源盆地,上白平系、侏羅系、二疊系和泥盆系的頁岩被確定為潛在氣源層位。可以預測,在不久的將來加拿大西部盆地很可能發現數量可觀的潛在頁岩氣資源。

2.2 中國頁岩氣開發現狀

2009年以前,我國的頁岩氣開發以勘探為主,2009年12月,才正式啟動頁岩氣鑽井開發項目^[3]。我國主要盆地和地區的頁岩氣資源量約為(15~30)×10¹²m³,中值23.5×10¹²m³,與美國的28.3×10¹²m³大致相當。預計到2020年,我國的頁岩氣年生產能力有望提高到150億~300億m³。頁岩氣在中國的分布在剖面上可分為古生界和中-新生界兩大重點層系。在平面上可劃分為南方、西北、華北-東北及青藏等4個頁岩氣大區。其中,南方及西北地區的頁岩氣(也包括鄂爾多斯盆地及其周緣)成藏條件最好。

我國南方地區是我國最大的海相沉積岩分布區^[4],分布穩定,埋藏深度淺,有機質豐度高。四川盆地、鄂東渝西及下揚子地區是平面上分布的有利區。在中國北方地區,中新生代發育眾多陸相湖盆,泥頁岩地層廣泛發育,頁岩氣更可能發生在主力產油氣層位的底部或下部。鄂爾多斯盆地的中-古生界、松遼盆地的中生界、渤海灣盆地埋藏較淺的古近系等也屬於有利區。

3 頁岩氣開發特點分析

3.1 頁岩氣成藏機理

頁岩氣成藏機理兼具煤層吸附氣和常規圈閉氣藏特徵,但又與這兩者有顯著的區別(表1),顯示出復雜的多機理遞變特點。頁岩氣成藏過程中,賦存方式和成藏類型的改變,使含氣豐度和富集程度逐漸增加。完整的頁岩氣成藏與演化可分為3個主要過程,吸附聚集、膨脹造隙富集以及活塞式推進或置換式運移的機理序列。成藏條件和成藏機理變化,岩性特徵變化和裂縫發育狀況均可對頁岩氣藏中天然氣的賦存特徵和分布規律有控製作用。

圖2 美國的頁岩氣資源分布

表1 頁岩氣與其他天然氣資源對比分析

3.2 頁岩氣開發特點

頁岩氣儲層顯示低孔、低滲透率的物性特徵,氣流的阻力比常規天然氣大。因此,頁岩氣採收率比常規天然氣低^[5]。常規天然氣採收率可以達到80%甚至90%以上,而頁岩氣僅為5%~40%。但頁岩氣開發雖然產能低,但具有開采壽命長和生產周期長的優點,頁岩氣井能夠長期以穩定的速率產氣,一般開采壽命為30~50年,美國地質調查局(USGS)2008年最新數據顯示,Fort Worth盆地Barnett頁岩氣田開采壽命可以達到80年。

頁岩氣中氣體主要分為吸附態和游離態,和煤層氣相似,但頁岩氣中的吸附氣的比例較低,有的只有30%左右^[6],裂縫中的水很少,主要為游離態的壓縮氣,頁岩氣的生產可以分為兩個過程,第一個過程是壓力降到臨界解吸壓力以前,產出的只有游離態的氣體,它的生成基本與低滲透天然氣無異,這個過程也是頁岩氣地層壓力降低的過程,第二個過程是壓力降到臨界解吸壓力以後,這時基質中的氣體開始解吸出來,與裂縫中的氣體一起被采出,所以產氣量會達到一個峰值,如圖3所示,但是由於吸附氣占的比例並不大,所以產氣量又很快下降,最終的殘余氣飽和度中只有很小一部分是吸附氣,因為和煤層氣不同的是,采氣降壓不可能使儲層的壓力降得很低。

圖3 不同類型天然氣藏的生產曲線示意圖

4 主要頁岩氣勘探開發技術

頁岩氣的勘探開發技術與普通的氣井的不同之處主要體現在頁岩氣儲層評價技術、水平井鑽井技術、完井技術以及壓裂技術這幾個方面,其中水平井鑽井以及壓裂技術最為重要。

4.1 儲層評價技術

頁岩氣儲層評價的兩種主要手段是測井和取心。應用測井數據,包括ECS(Elemental Capture Spectros)來識別儲層特徵^[7]。單獨的GR不能很好地識別出粘土,乾酪根的特徵是具有高GR值和低Pe值。成像測井可以識別出裂縫和斷層,並能對頁岩進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應力方向,進而為氣井增產提供數據。岩心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥岩的組分、流體及儲層的敏感性,並分析測試TOC和吸附等溫曲線,以此得到頁岩含氣量。

4.2 水平井鑽井技術

頁岩氣儲層的滲透率低,氣流阻力比傳統的天然氣大得多,並且大多存在於頁岩的裂縫中,為了盡可能地利用天然裂縫的導流能力,使頁岩氣盡可能多的流入井筒,因此開采可使用水平鑽井技術,並且水平井形式包括單支、多分支和羽狀。一般來說,水平段越長,最終採收率就越高。

水平井的成本比較高,但其經濟效益也比較高,頁岩氣可以從相同的儲層但面積大於單直井的區域流出以美國Marcellus頁岩氣為例,水平井的驅替體積大約是直井驅替體積的5.79倍還多。在採用水平井增產技術過程中,水平井位與井眼方位一般選在有機質富集,熱數度比較高、裂縫發育程度好的區域及方位。

4.3 完井技術

頁岩氣井的完井方式主要包括組合式橋塞完井、水力噴射射孔完井和機械式組合完井。組合式橋塞完井是在套管井中,用組合式橋塞分隔各段^[8],分別進行射孔或壓裂,這是頁岩氣水平井最常用的完井方法,但因需要在施工中射孔、坐封橋塞、鑽橋塞,也是最耗時的一種方法。水力噴射射孔完井適用於直井或水平套管井。該工藝利用伯努利原理,從工具噴嘴噴射出的高速流體可射穿套管和岩石,達到射孔的目的。通過拖動管柱可進行多層作業,免去下封隔器或橋塞,縮短完井時間。

4.4 壓裂技術

據統計,完井後只有5%的井具有工業氣流,55%的井初始無阻流量沒有工業價值,40%的井初期裸眼測試無天然氣流,這是因為頁岩氣埋深大,滲透率過低。所以壓裂對於頁岩氣來說是最為重要的。而且因為頁岩氣多採用水平井開采,因此頁岩氣壓裂技術,主要包括水平井分段壓裂技術、重復壓裂技術、同步壓裂技術以及裂縫綜合檢測技術(圖4)。

4.4.1 水平井分段壓裂技術

在水平井段採用分段壓裂,能有效產生裂縫網路,盡可能提高最終採收率,同時節約成本。最初水平井的壓裂階段一般採用單段或2段,目前已增至7段甚至更多。如美國新田公司位於阿科馬盆地Woodford頁岩氣聚集帶的Tipton-H223^[9]井經過7段水力壓裂措施改造後,增產效果顯著,頁岩氣產量高達14.16×10⁴m³/d。水平井水力多段壓裂技術的廣泛運用,使原本低產或無氣流的頁岩氣井獲得工業價值成為可能,極大地延伸了頁岩氣在橫向與縱向的開采范圍,是目前美國頁岩氣快速發展最關鍵的技術。

4.4.2 重復壓裂

當頁岩氣井初始壓裂因時間關系失效或質量下降,導致氣體產量大幅下降時,重復壓裂能重建儲層到井眼的線性流,恢復或增加生產產能,可使估計最終採收率提高8%~10%,可采儲量增加30%,是一種低成本增產方法,壓裂後產量接近能夠甚至超過初次壓裂時期,這是因為重復壓裂可以發生再取向(圖5),在原有裂縫的基礎上,還會壓開一些新的裂縫。美國天然氣研究所(GRI)研究證實^[10],重復壓裂能夠以0.1美元/mcf(1mcf=28317m³)的成本增加儲量,遠低於收購天然氣儲量0.54美元/mcf或發現和開發天然氣儲量0.75美元/mcf的平均成本。

圖4 Barnett頁岩壓裂模式示意圖

圖5 重復壓裂再取向

4.4.3 同步壓裂

同步壓裂技術最早在Barnet頁岩氣井實施,作業者在相隔152~305m范圍內鑽兩口平行的水平井同時進行壓裂。由於頁岩儲層滲透性差,氣體分子能夠移動的距離短,需要通過壓裂獲得近距離的高滲透率路徑而進入井眼中。同步壓裂採用的是使壓力液及支撐劑在高壓下從一口井向另一口井運移距離最短的方法,來增加水力壓裂裂縫網路的密度及表面積。目前已發展成三口井,甚至四口井同時壓裂,採用該技術的頁岩氣井短期內增產非常明顯。

4.4.4 裂縫綜合監測技術

頁岩氣井壓裂後,地下裂縫極其復雜,需要有效的方法來確定壓裂作業效果,獲取壓裂誘導裂縫導流能力、幾何形態、復雜性及其方位等諸多信息,改善頁岩氣藏壓裂增產作業效果以及氣井產能,並提高天然氣採收率。

利用地面、井下測斜儀與微地震監測技術結合的裂縫綜合診斷技術,可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表徵所產生裂縫網路,評價壓裂作業效果,實現頁岩氣藏管理的最佳化^[11]。該技術有以下優點:(1)測量快速,方便現場應用;(2)實時確定微地震事件的位置;(3)確定裂縫的高度、長度、傾角及方位;(4)具有噪音過濾能力。

作為目前美國最活躍的頁岩氣遠景區,沃斯堡盆地Barnett頁岩的開發充分說明了直接及時的微地震描述技術的重要性。2005年,美國Chesapeake^[12]能源公司於將微地震技術運用於一口垂直監測井上,准確地確定了Newark East氣田一口水平井進行的4段清水壓裂的裂縫高度、長度、方位角及其復雜性,改善了對壓裂效果的評價。

5 中國頁岩氣開發亟需解決的問題

5.1 地質控制條件評價

我國頁岩氣勘探才剛剛起步,盡管頁岩氣成藏機理條件可與美國頁岩氣地質條件進行比對,但我國頁岩氣的主要儲層與美國有很大區別,如四川盆地的頁岩氣層埋深比美國大,美國的頁岩氣層深度在800~2600m,四川盆地的頁岩氣層埋深在2000~3500m。因此需要建立適合於我國地質條件且對我國頁岩氣資源戰略調查和勘探開發具有指導意義的中國頁岩氣地質理論體系。應重點研究我國頁岩發育的構造背景、成藏條件與機理(成藏主要受控於頁泥岩厚度、面積、總有機碳含量、有機質成熟度、礦物岩石成分、壓力和溫度等因素)、頁岩成烴能力(如有機質類型及含量、成熟度等)、頁岩聚烴能力(如吸附能力及影響因素等)、含氣頁岩區域沉積環境、儲層特徵、頁岩氣富集類型與模式,系統研究我國頁岩氣資源分布規律、資源潛力和評價方法參數體系等。

5.2 戰略選區

作為可商業規模化開採的頁岩氣,戰略選區是頁岩氣勘探開發前的基礎性、前瞻性工作,除了地質控制因素的考慮,還應特別重視頁岩氣開發可行性。我國頁岩氣起步階段應首先要考慮海相厚層頁岩中那些總有機碳含量大於1.0%、Ro介於1.0%~2.5%之間、埋深介於200~3000m之間、厚度大於30m的富含有機質頁岩發育區;其次考慮海陸交互相富含有機質泥頁岩與緻密砂岩和煤層在層位上的緊密共生區;但同時要研發不同類型天然氣資源多層合採技術;對於湖相富含有機質泥頁岩,重點考慮硅質成分高、岩石強度大、有利於井眼穩定的層系。

5.3 技術適應性試驗

美國頁岩氣成功開發的關鍵原因之一在於水平井技術、多段壓裂技術、水力壓裂技術、微地震技術、地震儲層預測技術、有效的完井技術等一系列技術的成功應用。但這些手段在中國是否會取得比較好的效果,還值得進一步的現場試驗才能得出結果。中國頁岩氣的開發急需要研究出一套適合中國地質條件以及頁岩氣特點的開發技術,使分布廣泛的頁岩氣資源量逐步轉化為經濟和技術可采儲量。

5.4 環保因素的考慮

對Barnett頁岩開采地區的研究表明,鑽井和壓裂需要大量的水資源,2000年在Bar-nett頁岩中開采頁岩氣需86.3×10⁴m³的地表水和地下水,2007年這一用量增長了10倍多,約60%~80%的水會返回地面,其中含有大量的化學物質或放射性元素,會造成水污染,因此頁岩氣開發過程中對於環境的保護也是需要重視的問題。

6 結論

(1)美國頁岩氣的高速發展表明,除了天然氣價格上漲、天然氣需求增加以及國家政策扶持等因素外,主要得益於以下開發技術的進步與推廣運用:水平井鑽井與分段壓裂技術的綜合運用,使頁岩開發領域在縱向和橫向上延伸,單井產量上了新台階;重復壓裂與同步壓裂通過調整壓裂方位,能夠改善儲層滲流能力,延長頁岩氣井高產時期;裂縫監測技術能夠觀測實際裂縫幾何形狀,有助於掌握頁岩氣藏的衰竭動態變化情況,實現氣藏管理的最佳化。

(2)目前中國的頁岩氣開發急需要解決以下幾個方面的問題:地質控制條件評價、戰略選區、技術適應性試驗、環保因素的考慮,從而推動中國頁岩氣產業的快速發展。

參考文獻

[1] 張金川, 薛會, 張德明等.2003. 頁岩氣及其成藏機理.現代地質, 17 (4): 466

[2] Carlson E S.Characterization of Devonian Shale Gas Reservoirs Using Coordinated Single Well Analytical Models: pro- ceedings of the SPE Eastern Regional Meeting,Charleston,West Virginia,[C] .1994 Copyright 1994,Society of Petroleum En- gineers, Inc., 1994

[3] 陳波, 蘭正凱.2009.上揚子地區下寒武統頁岩氣資源潛力, 中國石油勘探, 3: 1～15

[4] 張金川, 金之鈞, 袁明生.2004. 頁岩氣成藏機理和分布.天然氣工業, 24 (7): 15～18

[5] Shaw J C,Reynolds M M,Burke L H.2006.Shale Gas Proction Potential and Technical Challenges in Western Cana- da: proceedings of the Canadian International Petroleum Conference,Calgary,Alberta,[C]

[6] Javadpour F, Fisher D, Unsworth M.2007.Nanoscale Gas Flow in Shale Gas Sediments [J], 46 (10)

[7] Bustin A M M,Bustin R M,Cui X.2008.Importance of Fabric on the Proction of Gas Shales: proceedings of the SPE Unconventional Reservoirs Conference, Keystone, Colorado, USA,[C] .Society of Petroleum Engineers

[8] Cipolla C L, Warpinski N R, Mayerhofer M J et al.2008.The Relationship Between Fracture Complexity, Reservoir Properties, and Fracture Treatment Design: proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colo- rado, USA,[C].Society of Petroleum Engineers

[9] 錢伯章, 朱建芳.2010. 頁岩氣開發的現狀與前景.天然氣技術, 4 (2): 11～13

[10] Lewis A M, Hughes RG.2008.Proction Data Analysis of Shale Gas Reservoirs: proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colorado, USA,[C] .Society of Petroleum Engineers

[11] Mayerhofer M J,Lolon E,Warpinski N R et al.2008.What is Stimulated Rock Volume: proceedings of the SPE Shale Gas Proction Conference, Fort Worth, Texas, USA,[C] .Society of Petroleum Engineers

[12] Arthur J D, Bohm B K, Cornue D.2009.Environmental Considerations of Modern Shale Gas Development: proceed- ings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, Louisiana,[C] .Society of Petroleum Engineers

❸ 頁岩氣開發關鍵技術

一、地質綜合評價技術

頁岩氣地質評價的目的是優選有利富集區。除常規的地質調查、地球物理勘探、參數井鑽探和分析測試等手段外，核心是獲取頁岩的埋深、厚度、岩石結構、礦物成分、岩石物性、有機地球化學、地球物理、鑽井、壓裂改造等關鍵參數，編制基礎圖件，根據區域地質特點，確定各項地質評價標准，綜合判別評價優選富集區(Michael Burnaman， et al.，2009)。

圖5-15 美國產氣頁岩礦物組成直方圖

二、儲層評價技術

儲層評價是定性和定量描述頁岩儲層的空間展布特徵，模擬頁岩內氣體的賦存及產出狀態。評價流程包括5個主要步驟(蔣裕強等，2009):①對關鍵井開展岩心物性、地化基本參數、岩石礦物組成等分析;②開展現場岩心解吸氣測試，計算等溫吸附曲線，獲取理論上頁岩的吸附能力，確定含氣飽和程度，計算吸附氣含量;③利用岩心數據刻度測井曲線，通過岩心-測井對比，建立解釋模型，獲取含氣飽和度、含水飽和度、含油飽和度、孔隙度、有機質豐度、岩石類型等參數;④結合沉積相、岩石組合特徵以及測井解釋成果確定含氣頁岩邊界;⑤利用三維地震資料和各種參數，如原始地質儲量、礦物組成、流體飽和度、吸附氣和游離氣相對比例、埋藏深度、溫度和壓力等，開展經濟評價，優選勘探目標，確定「甜點」分布規模。

三、實驗分析技術

地球化學分析:岩心和岩屑樣品TOC含量;岩心及岩屑Rock-Eval熱解分析:S₁、S₂、HI、T_max測定;岩心及岩屑鏡質體反射率R_o測定;氣體樣品的組分、碳同位素分析。

含氣量測試:將所取頁岩岩樣密閉保存於金屬解析罐內，利用水浴加熱至儲層溫度，對岩心進行頁岩總含氣量測試(John， et al.，1977;Matthias Block，2006)。

等溫吸附測試:等溫吸附試驗測試是模擬頁岩吸附氣體的能力。首先，將頁岩岩樣壓碎、加熱，排除已吸附的天然氣，求取Langmuir參數;隨後，將碎樣置於密封容器內，在不同的溫壓條件下，測取頁岩吸附甲烷的量，將結果與Langmuir方程擬合，建立頁岩實際PVT關系下的等溫吸附曲線(Ingemar Wadso， et al.，2001)。等溫吸附曲線主要作用是:評價頁岩吸附能力;評價游離氣含量;確定臨界解析壓力。

微觀孔隙評價:對頁岩薄片進行氬離子拋光後，觀察納米級孔隙結構，確定孔隙度(Sebastian Storck， et al.，1998)。

滲透率測試:頁岩的滲透率極低，常規方法無法進行測試，一般採用脈沖降壓法和GRI法，測試速度快(Christopher， et al.，2009)，測試的最小滲透率可達10^-9×10^-3μm²。

四、測井評價技術

與普通頁岩相比，含氣頁岩有機質富集，含氣量高，粘土及有機質的存在降低了地層體積密度。因此，含氣頁岩的測井曲線響應具有高伽馬、高電阻、高聲波時差、高中子孔隙度、低密度、低光電效應「四高兩低」的特徵(圖5-16)。

頁岩氣測井評價中常用的測井系列包括伽馬測井、電阻率測井、自然伽馬能譜測井、密度測井、聲波測井及中子測井、地球化學測井以及成像測井等(表5-9)。依靠測井技術和建立的測井評價標准，可以獲取有效頁岩厚度、含氣層厚度、有機質豐度和成熟度、基質孔隙度和滲透率、裂縫、含氣量、頁岩氣層開采潛力等重要參數。

表5-9 頁岩氣評價常用測井系列

圖5-16 含氣頁岩測井響應特徵

五、資源評價技術

頁岩氣資源評價既要考慮地質因素的不確定性，也要考慮技術、經濟上的不確定性。根據勘探開發階段的不同，可分別採用成因法、類比法和統計法評價。目前常採用的方法有類比法、FORSPAN法、單井(動態)儲量估演算法、容積法等。

FORSPAN模型適合於對已開發單元的原始剩餘資源潛力的預測(董大忠等，2009)。該方法以連續型氣藏的每一個含油氣單元為評價對象，以概率的形式對每個目標單元未開發的原始資源量進行預測。涉及的基本評價參數包括評價目標特徵(分布范圍)、評價單元特徵(單元大小、已開發和未開發單元數量、成功率等)、地質地球化學參數、熱成熟度和勘探開發歷史數據等。

容積法是常用的評價方法。容積法估算的是頁岩孔隙、裂縫空間內的游離氣、有機體和粘土顆粒表面吸附氣的體積總和。

資源豐度類比法常用於勘探開發程度較低的地區。首先確定評價區頁岩展布面積、有效頁岩厚度;其次根據吸附氣含量、地化特徵、儲層特徵等關鍵因素，結合頁岩構造、沉積演化等地質條件分析，與已知含氣頁岩類比，按地質條件相似程度，計算評價區儲量豐度(資源豐度或單儲系數)。

六、核心區評價技術

富有機質頁岩具有普遍含氣性，實現頁岩氣商業性勘探開發的關鍵是尋找頁岩氣富集區，尤其是開發核心區的地質評價與選擇。根據北美的勘探開發經驗，頁岩氣富集高產區的地質評價標准為:

(1)總有機碳含量＞2%(非殘余有機碳);

(2)石英等脆性礦物＞40%，粘土＜30%，頁岩脆度＞40%;

(3)暗色富有機質頁岩成熟度＞1.1%;

(4)充氣孔隙度＞2%，滲透率＞0.0001×10^-3μm²;

(5)有效暗色富有機頁岩厚度大於30～50m。

頁岩氣地質選區評價過程可劃分為:①區域沉積背景與老資料重新分析，落實黑色頁岩的發育與展布特徵，預測有利遠景區帶;②頁岩氣形成與富集特徵分析，開展了頁岩氣資源潛力預測，評價和優選頁岩氣有利勘探開發區塊;③頁岩氣勘探開發條件評價，包括地表條件、天然氣管網條件等，落實有利勘探開發目標;④確定頁岩氣核心區(資源高度富集區)、延展(擴展)區(資源中度富集區)和外圍區(資源低富集區);⑤頁岩氣勘探開發先導試驗區評價與優選，進一步提出勘探開發部署建議。

核心區為頁岩氣資源豐度最富集區，表5-10表明，Barnett頁岩氣核心區產量＞2×10⁴m³/d，比擴展區產量高出60%，是外圍區的3倍。

表5-10 Barnett頁岩氣核心區地質特徵簡表

七、水平井鑽井技術

2002年以後，水平井的大量應用推動了美國頁岩氣的快速發展。目前幾乎所有的頁岩氣都採用水平井開發，鑽井方向均垂直於最大水平主應力方向。水平井鑽井過程中，常採用欠平衡、空氣鑽井、控制壓力鑽井和旋轉導向鑽井等關鍵技術。在同一井場利用滑移井架鑽多口水平井。與直井相比，水平井的技術優勢在於:①成本為直井的1.5～2.5倍，但初始開采速度、控制儲量和最終可采儲量是直井的3～4倍;②水平井與頁岩層中裂縫(主要為垂直裂縫)相交機會大，明顯改善儲層流體的流動狀況和增加泄流面積;③減少地面設施，開采延伸范圍大，受地面不利條件干擾少。

八、頁岩儲層壓裂技術

Barnett頁岩開發歷史實踐證實，該頁岩開發之初鑽井「無滲透率」，後來認識到「孔隙度」是儲氣機制，可以通過儲層體積改造進行人造滲透率，改變了頁岩氣的開發規則。頁岩儲層壓裂改造技術大幅提高了頁岩氣產量，對頁岩氣商業性開采起著決定性作用。頁岩氣儲層壓裂改造技術主要有泡沫壓裂、水力壓裂(包括重復壓裂、多級連續油管壓裂、滑套完井、水力噴射壓裂、N₂與CO₂及液化油氣等無水壓裂)。

20世紀70年代，美國頁岩氣開發採用裸眼完井、硝化甘油爆炸增產技術;80年代使用高能氣體壓裂以及氮氣泡沫壓裂技術，使頁岩氣產量提高了3～4倍，但成本很高。90年代後，隨著凝膠壓裂及水力壓裂等新技術的應用，頁岩氣產量及儲量劇增。目前，最為常用的技術是水平井多級壓裂技術、多井同步壓裂技術(圖5-17)。利用含有減阻劑、粘土穩定劑和必要的表面活性劑的水力壓裂液，支撐劑較凝膠壓裂減少90%，可以節約成本50%～60%，完井成本下降65%，並能提高採收率20% ，已成為美國頁岩氣生產中最主要的增產措施。

圖5-17 頁岩氣水平井壓裂現場與模式圖

頁岩氣井生產的一個重要特徵是可以進行多次重復壓裂。一般初次壓裂後，隨著時間的推移與壓力釋放，原來由支撐劑保持的敞開裂縫逐漸閉合，產量大幅下降。通過重復壓裂可以恢復產量，二次壓裂後產量可以接近甚至超過初次壓裂時的產量。初次完井後估算的採收率一般為10%左右，重復壓裂後採收率可提高8%～10%，可采儲量增加60%。

九、微地震監測技術

微地震監測技術是監測儲層壓裂改造效果的重要技術。監控壓裂實施過程中的裂縫展布，實時進行壓裂控制，改善壓裂效果。在儲層壓裂改造過程中，在鄰區或鄰井中放入檢波器，採集裂縫產生時形成的地震波信號，經過處理解釋，了解裂縫產生的方向、延伸的長度等，以達到監測壓裂效果的目的。

十、經濟評價技術

非常規天然氣資源的經濟性開發，佔主導地位的是儲量規模、天然氣價格、地面管網設施、關鍵開發技術等。美國已建立了頁岩氣經濟評價方法，其中較為重要的評價方法為隨機的、完整的商業價值鏈模型。在頁岩氣經濟評價中，鑽井與儲層改造成本所佔比重較大，但隨著技術改進，呈逐年下降趨勢。資料表明，美國Haynesville、Marcellus和Barnett頁岩氣開發成本構成中，儲層改造和鑽井費用所佔比例相當，占總成本的80%以上，且在不斷降低。

在頁岩氣層的井距方面，最優化方案仍未解決(Montgomery， et al.，2005)。最常用的設計是每個截面鑽探兩個762m支線，間距402m(0.32km²/井)，目前，0.32km²/井間距可提供15%～20%的可采儲量，0.16km²/井間距會增加10%～20%的可采儲量，但會降低每口井的增量儲量。正在實驗與測試井距為0.08km²/井的氣井，可將整體天然氣可采儲量提高至超過天然氣地質儲量的50%。

❹ 頁岩氣主要是什麼成分如何開采等

頁岩氣的主要成分：甲烷

頁岩氣的主要開采技術：水力壓裂技術。水力壓裂技術原理是通過大量摻入化學物質的水灌入頁岩層進行液壓碎裂以釋放天然氣，該種技術不僅浪費大量的水資源，還可能導致氣井附近出現地下水污染，面臨著較大的環保風險。

頁岩氣是指賦存於以富有機質頁岩為主的儲集岩系中的非常規天然氣，是連續生成的生物化學成因氣、熱成因氣或二者的混合，可以游離態存在於天然裂縫和孔隙中，以吸附態存在於乾酪根、黏土顆粒表面，還有極少量以溶解狀態儲存於乾酪根和瀝青質中，游離氣比例一般在20%～85%。

(4)開采頁岩氣需要什麼設施設備擴展閱讀：

頁岩氣分布

頁岩氣分布北美克拉通盆地、前陸盆地侏羅系、泥盆系，密西西比系富集多種成因、多種成熟度頁岩氣資源。中國許多盆地發育有多套煤系及暗色泥、頁岩地層，互層分布大套的緻密砂岩存在根緣氣、頁岩氣發育有利條件，不同規模的天然氣發現，尚未在大面積區域內實現天然氣勘探的進一步突破。

資料顯示，中國南方海相頁岩地層可能是頁岩氣的主要富集地區。除此之外，松遼、鄂爾多斯、吐哈、准噶爾等陸相沉積盆地的頁岩地層也有頁岩氣富集的基礎和條件。重慶綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽、秀山和巫溪等區縣是頁岩氣資源最有利的成礦區帶，因此被確定為首批實地勘查工作目標區。

❺ 頁岩氣如何開采

頁岩氣開采技術，主要包括水平井技術和多層壓裂技術、清水壓裂技術、重復壓裂技術及最新的同步壓裂技術。具體講起來不是一會兒功夫，目前只有老美和加拿大進行了商業開采，主要是技術難度大，國內還在邊干邊摸索。

❻ 傑瑞股份有什麼設備可開發頁岩氣

山東省高端裝備製造自主創新示範企業名單公布，煙台傑瑞石油服務集團股份有限公司（以下簡稱「傑瑞股份」）成為「頁岩氣裝備產業領域」的唯一中標企業。未來三年內，傑瑞股份將依託企業強大的油氣裝備製造技術及研發優勢，聯合中國石油大學（華東）等國內外頁岩氣開發研究方面處於領先地位的高校及團隊，創建國家級頁岩氣裝備研發平台。
「山東省高端裝備製造自主創新示範企業」項目由山東省經濟和信息化委員會、山東省財政廳聯合招標，共分為「高端液壓件產業領域」「汽車動力與傳動系統產業領域」 「高檔數控機床產業領域」和 「頁岩氣裝備產業領域」四個標段，其中每個標段評選一個示範企業。最終，傑瑞股份在競標企業當中脫穎而出，成功中標「頁岩氣裝備產業領域」山東省高端裝備製造自主創新示範企業。未來三年內，傑瑞股份將憑借油氣裝備製造方面強大的技術及研發優勢，聯合中國石油大學（華東）等國內外頁岩氣開發研究方面處於領先地位的高校及團隊，創建國家級頁岩氣裝備研發平台。
傑瑞針對國內頁岩氣開發，率先推出「小井場大作業」新概念壓裂解決方案，全套裝備已在國內油田成功投入使用。
頁岩氣是一種重要的非常規天然氣資源，它憑借豐富的可采儲量和長期穩定的生產周期，已成為全球非常規油氣開發的新亮點，也是當前我國的一大前沿熱點。目前國家已經明確將頁岩氣能源列為重點領域之首，把涉及頁岩氣開發的工程技術與裝備列入國家十二五期間優先發展的主題。
傑瑞股份以此項目為切入點，通過搭建國際先進的開發、設計、製造、測試軟硬體平台，引進一流的具有國際化視野的研發團隊，以頁岩氣開發關鍵裝備研發為核心，實現大功率、高負荷、高效率、高可靠性的高端大型成套頁岩氣裝備的國產化和系列化，突破頁岩氣開發過程中鑽井、壓裂及反排液處理作業中的技術瓶頸，取得一批技術先進、效益顯著、節能環保的標志性技術裝備成果。2011年，傑瑞股份首先向美國頁岩氣開發企業輸送了全套壓裂裝備，標志著我國能源設備企業已具備在國際市場上與跨國企業同台競技的實力。2012年，傑瑞股份又創新性地提出了適合中國頁岩氣開發的「小井場大作業」全套新概念壓裂解決方案，全套裝備已在國內油田成功投入使用。
這些成果有效推動了我國頁岩氣高端裝備領域的技術進步,打破了歐美國家對高端石油裝備技術的壟斷,對於保障國家能源安全，改善我國能源結構,緩解能源壓力，拉動區域相關產業發展,促進地方經濟增長,帶動我國石油裝備行業的持續發展,提升我國石油鑽采裝備產品參與國際競爭的能力都有著極其深遠的意義和影響。

❼ 終於知道中國頁岩氣是怎樣開采出來的，長見識

科普|中國頁岩氣為什麼不能像美國那樣大規模開采？

龐大頁岩氣儲量給所有公司畫了個大餅，頁岩氣概念成了股票市場炙手可熱的「炒貨」，美國的成功被各路專家掛在嘴邊，但假如我們冷靜下來想想，作為非傳統油氣資源之一的頁岩氣並非新玩意，但為什麼到目前為止，頁岩氣革命只有在美國得到成功？美國有什麼無法復制的得天獨厚優勢?又有什麼可以分享的經驗？難道真是「天佑美國」嗎？

據世界能源研究所(WRI)的一項最新研究表明，中國頁岩氣儲量高達30萬億立方米以上，居世界第一，幾乎是美國的兩倍。我國蘊藏著如此豐富的頁岩氣資源，但為什麼不能像美國那樣大規模開采呢？

中國天然氣管線分布圖

勘探開發處於起步階段，補貼力度不足

美國1825年發現頁岩氣，近20年取得技術突破，現已處於勘探開發晚期，基礎研究成果豐富，勘探開發已在全國開展。

我國的頁岩氣發展尚處於起步階段，大部分儲層的詳細可采儲量、地質數據還不明確，所以無法進行大規模開采。

自20世紀80年代起，美國政府實施了一系列鼓勵替代能源發展的稅收激勵或補貼政策，大大降低了天然氣開采稅，並且鼓勵天然氣企業積極開展水平井鑽探和多級地層水力壓裂工序等技術創新。在這一系列政策扶持措施的推動下，頁岩氣勘探開發取得了明顯成果。

我國從2012年開始補貼標准為0.4元/立方米，並且出台了已有礦產資源補償費、探礦權、采礦權使用費減免等一系列優惠政策，但相較與美國而言，支持力度還是明顯不夠。

礦權管理制度不明

美國的土地可以買賣和租借，擁有土地所有權即擁有了該塊土地的能源開采權，土地的容易獲得使得不同資本可以在短時間能完成大規模的勘探工作。

中國是「礦業權主義」，取得礦權後還得到地方政府辦理土地使用權。我國礦業秩序還不夠理想，礦權糾紛多，協調難，這也阻礙了頁岩氣的發展。

監管制度尚需完善

頁岩氣的開發會伴隨著水污染、大氣污染等，美國將頁岩氣的監管分屬聯邦和州政府兩級管理。各州負責州內的生產監管和環境監管，並制定了包括《資源保護和恢復法》、《清潔水法案》等頁岩氣開發環境監管法律。

現階段，我國針對頁岩氣開發環節的環境監管體系尚未建立起來，尤其是針對地下水資源和壓裂液污染防治，返排水的回收利用，以及地質災害防範等的監管機制缺失。同時，中國現有的油氣管理體制也不足以解決頁岩氣快速開發可能帶來的環境問題。

❽ 頁岩氣開采技術

現在可以做調查評價、勘查、開采等等，只是某些環節技術尚不過關。主要集中在水平鑽井的壓裂方面，包括技術和裝備都有很多需要進口美國的東西。但是由於地質條件不同，裝備可以進口，但是也不能完全照搬美國技術，需要吸收後創新。而且還有一個問題，由於美國開采條件比較好、管網發達、規模化生產，成本遠比國內低，中國最大問題是成本高。
在石油大學、中國地質大學等院校，都有頁岩氣相關知識學習了。

❾ 我國的頁岩氣主要分布在哪裡，開采它需要哪些技術

天然氣作為一種清潔能源，在環境問題日益凸顯的今天，在國家能源中的比重越來越高，已經成為了重要的組成部分。頁岩氣中蘊含豐富的天然氣，在天然氣中佔有很大份額，四川盆地探明涪陵、威遠、長寧、威榮等中東部地區、西北地區及青藏地區都蘊藏著大量的頁岩氣，而且我國已經在這里建立了頁岩氣開發基地，部分地區已經取得了突破性的進展，我們現在使用的天然氣一部分就來自於這些地區。

我國頁岩氣的開采技術起步比較晚，現在在開采難度比較大的頁岩氣基地效率不高。美國是最早意識到頁岩氣價值的國家，同時也掌握著很多的先進技術，水平井分段壓裂技術、重復壓裂技術、同步壓裂技術都有他們自己獨特的技術，也解決了很多開采過程中的問題。