頁巖氣開發(fā)關鍵問題

頁巖氣開發(fā)關鍵問題

隨著世界各國對巖漿巖資源的需求增加，各國的能源壓力日益高漲。非常規(guī)天然氣作為常規(guī)油氣的重要戰(zhàn)略接替能源,近年來已引起各國政府和科學界的廣泛關注。非常規(guī)與常規(guī)天然氣的定義不是按成因進行的分類,而主要是按天然氣的賦存狀態(tài)進行界定。常規(guī)天然氣是指賦存在常規(guī)的構造、地層等圈閉類型中的氣;其余賦存狀態(tài)的天然氣可通稱為非常規(guī)天然氣,包括:煤層氣(主要為煤層吸附儲存)、深層氣(位于當前勘探目的層以下,傳統(tǒng)生氣窗以下生烴)、致密砂巖氣、頁巖氣、水溶氣(天然氣溶解在水中)、天然氣水合物等。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣,其通常分布在盆地內(nèi)厚度較大的頁巖烴源巖地層中。與常規(guī)天然氣相比,頁巖氣開發(fā)具有資源潛力大、開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點,頁巖氣田開采壽命一般可達30—50年,甚至更長。美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局最新數(shù)據(jù)顯示,美國沃思堡盆地Barnett頁巖氣田開采壽命可達80—100年,預示了頁巖氣巨大的發(fā)展?jié)摿Α?頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀全球頁巖氣資源分布廣泛,儲量約為456.23×1012m3,相當于煤層氣和致密砂巖氣的總和,主要分布在北美、中亞和中國、中東和北非、拉丁美洲、蘇聯(lián)等地區(qū)(圖1)。目前取得開采成功的主要是美國和加拿大。2000年以來,由于相關勘探開發(fā)技術得到了廣泛應用,頁巖氣的年產(chǎn)量和經(jīng)濟、技術可采儲量迅速攀升。2000年,美國頁巖氣年產(chǎn)量為122×108m3(圖2),美國天然氣研究所與ARI公司的研究數(shù)據(jù)表明,2007年美國頁巖氣生產(chǎn)井近42000口,頁巖氣年產(chǎn)量為450×108m3,約占美國年天然氣總產(chǎn)量的8%。2009年美國頁巖氣產(chǎn)量接近1000億m3,超過我國常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量(2009年我國天然氣產(chǎn)量830億m3),基本彌補了美國天然氣的市場缺口,也擺脫了美國對外天然氣市場的依賴,從而直接影響了世界天然氣市場的價格,具有重要的政治和經(jīng)濟雙重意義。目前,除美國和加拿大外,澳大利亞、德國、法國、瑞典、波蘭等國家也開始了頁巖氣的研究和勘探開發(fā),頁巖氣勘探開發(fā)正由北美向全球擴展,2009年12月,石油巨頭埃克森美孚石油公司以310億美元巨資收購非傳統(tǒng)天然氣公司XTO能源公司,這是迄今為止最大金額的頁巖氣合同;法國道達爾石油公司2010年1月以8億美元的價格獲得切薩皮克石油公司位于得克薩斯州的Barnett頁巖氣項目的25%股權。頁巖氣已成為全球油氣資源勘探開發(fā)的新亮點,必將改變世界油氣資源勘探開發(fā)的格局。我國頁巖氣資源潛力大且地質(zhì)條件優(yōu)越,據(jù)估算,頁巖氣可采資源量約為26萬億m3,與美國大致相當。從現(xiàn)有資料分析,除分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地外,在我國廣泛分布的海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相煤系地層也都有分布。海相富含有機質(zhì)泥頁巖最主要發(fā)育于下古生界的下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)———上奧陶統(tǒng)頂部,以揚子克拉通地區(qū)最為典型。上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)普遍發(fā)育的黑色泥頁巖,有機碳含量高,最高達到12%,為我國頁巖氣勘探最有潛力的地區(qū)。以四川盆地為例,僅評價的寒武系和志留系兩套頁巖,頁巖氣資源量就相當于該盆地常規(guī)天然氣資源量的1.5—2.5倍。2巖漿巖氣開發(fā)的重點2.1頁巖氣成藏條件與有利區(qū)評價頁巖氣和傳統(tǒng)的油氣勘探在地質(zhì)控制條件上有著很大差別,常規(guī)油氣勘探地質(zhì)條件可概括為:“生、儲、蓋、運、圈、保”,而頁巖氣沒有“蓋”、“運”、“圈”、“?！钡膯栴},“生”就是“儲”,“蓋”也是“儲”。高產(chǎn)且經(jīng)濟效益好的頁巖氣大多為含油氣系統(tǒng)中主力烴源巖,尤以受上升洋流影響、傾油混合型干酪根為主的海進體系黑色頁巖為佳,且現(xiàn)今處于大量生氣階段或充注過程中,既保存了較高的殘余有機質(zhì)豐度,儲集大量吸附氣,又能新增一定孔隙度,容納足夠數(shù)量的游離氣,有助于提高基質(zhì)系統(tǒng)的滲透性,使生產(chǎn)井保持較高產(chǎn)氣速度,規(guī)模化開發(fā)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益達到最大化。我國頁巖氣勘探才剛剛起步,目前研究主要集中在頁巖氣成藏條件和有利區(qū)評價方面。受復雜地質(zhì)背景和多階段演化過程的影響,我國含油氣盆地類型多、盆地結(jié)構復雜,盆地的不同演化規(guī)律直接控制著富含有機質(zhì)泥頁巖的發(fā)育與分布。盡管頁巖氣成藏機理條件可與美國頁巖氣地質(zhì)條件進行比對,但我國頁巖氣的主要儲層與美國有很大區(qū)別,如四川盆地的頁巖氣層埋深比美國大:美國的頁巖氣層深度在800—2600m,四川盆地的頁巖氣層埋深在2000—3500m。因此需要建立適合于我國地質(zhì)條件且對我國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)具有指導意義的中國頁巖氣地質(zhì)理論體系。應重點研究我國頁巖發(fā)育的構造背景、成藏條件與機理(成藏主要受控于頁泥巖厚度、面積、總有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、礦物巖石成分、壓力和溫度等因素)、頁巖成烴能力(如有機質(zhì)類型及含量、成熟度等)、頁巖聚烴能力(如吸附能力及影響因素等)、含氣頁巖區(qū)域沉積環(huán)境、儲層特征、頁巖氣富集類型與模式,系統(tǒng)研究我國頁巖氣資源分布規(guī)律、資源潛力和評價方法參數(shù)體系等。2.2煤系頁巖氣起步階段作為可商業(yè)規(guī)?；_采的頁巖氣,戰(zhàn)略選區(qū)是頁巖氣勘探開發(fā)前的基礎性、前瞻性工作,除了地質(zhì)控制因素的考慮,還應特別重視頁巖氣開發(fā)可行性。我國頁巖氣起步階段應首先要考慮海相厚層頁巖中那些總有機碳含量大于1.0%、Ro介于1.0%—2.5%之間、埋深介于200—3000m之間、厚度大于30m的富含有機質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū);其次考慮海陸交互相富含有機質(zhì)泥頁巖與致密砂巖和煤層在層位上的緊密共生區(qū);但同時要研發(fā)不同類型天然氣資源多層合采技術;對于湖相富含有機質(zhì)泥頁巖,重點考慮硅質(zhì)成分高、巖石強度大、有利于井眼穩(wěn)定的層系。2.3美國頁巖氣的開發(fā)技術頁巖氣開發(fā)相對常規(guī)天然氣來說,因頁巖氣藏的儲層一般呈低孔、低滲透率的物性特征,通?？紫抖茸罡邇H為4%—5%,滲透率小于1×10-3μm,氣流的阻力比常規(guī)天然氣大,需實施儲層液壓破碎才能開采。目前頁巖氣的開采技術主要有水平井+多段壓裂技術、清水壓裂技術和近期出現(xiàn)的最新壓裂技術———同步壓裂技術,創(chuàng)新的水平井鉆井和完井技術是保證生產(chǎn)成功的關鍵。采用水力壓裂和水平井技術、微地震裂縫成像技術,能直接監(jiān)測水力裂縫網(wǎng)絡的擴展動態(tài),可極大地提高頁巖儲層中頁巖氣的開采量。正是這些先進技術的加速研發(fā)和成功應用,促進了美國頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展。目前我國已在地震儲集層預測、大型壓裂應用于低滲透氣藏儲集層改造、裂縫性油藏壓裂井產(chǎn)能評價以及微地震監(jiān)測技術等方面積累了豐富的經(jīng)驗。但目前的技術儲備尚難以解決我國的頁巖氣勘探開發(fā)問題。要遵循我國頁巖氣資源的地質(zhì)條件、成藏特點等客觀規(guī)律,加大地質(zhì)理論與配套關鍵技術的研究力度,應充分利用技術上的“后發(fā)優(yōu)勢”,引進吸收和提高創(chuàng)新地球物理、地球化學、鉆探完井和壓裂等技術方法、頁巖氣儲層評價技術、射孔優(yōu)化技術、水平井技術和壓裂技術,提高頁巖氣勘探開發(fā)技術水平。2.4在壓裂液中加入有機物頁巖氣本身是一種潔凈能源,燃燒產(chǎn)生的二氧化碳僅為煤的50%,但由于目前開發(fā)主要采用的壓裂法,每次液壓破碎需要200萬—400萬噸水,而且在注入的壓裂液中會加入化學物質(zhì),這些化學物質(zhì)可能會對地下水產(chǎn)生污染。類似于現(xiàn)在國家大力推廣的太陽能發(fā)電,太陽能本身是一種低碳環(huán)保的新型能源,但其使用的多晶硅則是一種高耗能高污染的材料。2010年4月20日英國石油公司(BP)在墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺爆炸所造成的生態(tài)災難至今仍未控制。油氣開采環(huán)節(jié)的環(huán)境災難是油氣行業(yè)不可回避的一個嚴重問題,需要高度重視對頁巖氣開采中潛在污染的評估。2.5成立國家油氣資源管理研究機構,加強研究美國頁巖氣發(fā)展速度之快,離不開國家政策上的支持和先進的開發(fā)技術,而這是我國目前所不具備的。20世紀70年代末,美國政府在《能源意外獲利法》中規(guī)定了非常規(guī)能源開發(fā)稅收補貼政策,得克薩斯州自20世紀90年代初以來,則更進一步明確了對頁巖氣的開發(fā)不收生產(chǎn)稅;另外,美國還專門設立了非常規(guī)油氣資源研究基金。一系列有利的政策支持大大降低了頁巖氣開發(fā)成本,刺激了美國頁巖氣的迅猛發(fā)展。天然氣的價格因素也是限制頁巖氣發(fā)展的一個原因,我國天然氣價格較之國外市場明顯偏低,2009年金融危機時,美國天然氣價格為120—180美元/1000立方米,而我國華北地區(qū)為70多美元/1000立方米,這在一定程度上挫傷了國內(nèi)頁巖氣市場的積極性,不利于頁巖氣行業(yè)的發(fā)展。國家財政應加大對頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查的投入,鼓勵社會資金投入,對頁巖氣開采企業(yè)增值稅實行先征后退政策,企業(yè)所得稅實行優(yōu)惠等特殊的行業(yè)政策。2.6加快頁巖氣技術創(chuàng)新,豐富我國油氣資源開發(fā)力量2007年10月,中國石油天然氣集團公司與美國新田石油公司簽署了“威遠地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究”協(xié)議,研究內(nèi)容是四川威遠地區(qū)頁巖氣資源勘探開發(fā)前景綜合評價,這是我國頁巖氣開發(fā)對外合作簽署的第一個協(xié)議。2009年11月,美國總統(tǒng)奧巴馬同意通過投資中國的頁巖天然氣開發(fā),承諾與中國共享這一領域的技術。我國應抓住契機,進一步加強與國外有實力公司的合作開發(fā),引進先進理念與開發(fā)技術,通過引進和消化頁巖氣開發(fā)技術,探索和創(chuàng)新適合我國頁巖氣開發(fā)的核心技術。在“大型油氣田與煤層氣開發(fā)”國家重大專項的“十二五”規(guī)劃草案中,頁巖氣的開發(fā)已列入了戰(zhàn)略攻關內(nèi)容;國土資源部表示,中國計劃到2020年將頁巖氣年生產(chǎn)能力提高到(150—300)×108m3,我國致力于到2020年能夠發(fā)現(xiàn)20—30個大型勘探開發(fā)區(qū)塊,獲得1×1012m3的頁巖氣可采儲量。相信隨著國家對頁巖氣的日益重視和科技力量的投入,頁巖氣將改變我國油氣資源戰(zhàn)略調(diào)查和勘探開發(fā)格局