頁巖氣資源潛力分析

巖氣是指以熱成熟作用或連續(xù)生物作用為主的生物作用，以及由它們相互作用產(chǎn)生的天然氣集中在泉巖中。頁巖氣以游離相存在于天然裂縫與粒間孔隙中,吸附在干酪根或粘土顆粒表面,溶解于干酪根和瀝青里。美國對頁巖氣的勘探開發(fā)走在世界的前列,是目前頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)取得成功的唯一國家。加拿大緊隨其后,近年來也開展了頁巖氣的勘探及實驗研究。我國頁巖分布廣泛,具有很大的開發(fā)潛力。一、密西根地區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀全球頁巖氣資源量為456.24×1012m3,主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)。美國的頁巖氣資源量達(dá)(14.2~19.8)×1012m3(Brown,2006),目前已對密西根、印第安納等多個盆地進(jìn)行商業(yè)性開采,頁巖氣產(chǎn)量已超過200×108m3,占全美天然氣產(chǎn)量的3%。其中頁巖氣勘探開發(fā)的重點在Appalachian、Michigan、Illinois、SanJuan和FortWorth等盆地。加拿大緊隨美國之后也積極開展了頁巖氣方面的勘探及開發(fā)試驗。1.devanin的不整合面在該盆地中,頁巖主要分布在中晚Devonian地層中,黑色富有機質(zhì)頁巖和灰色含石英及粘土礦物頁巖互層,位于上奧陶系到中Devonian的不整合面之上。厚度為0m(CincinnatiArch)到1097m(WestVirginia),在肯塔基產(chǎn)氣區(qū)頁巖厚度為60~480m,埋深為0~1200m。1892年,在東肯塔基州弗洛伊德郡Beaver河邊所鉆的一口井中發(fā)現(xiàn)了頁巖氣,目前在科塔基頁巖氣井已超過6000口,年產(chǎn)量為(14~20)×108m3。2.巖相壓縮4條”政策促進(jìn)頁巖氣開發(fā)上世紀(jì)40年代在盆地北部鉆了8口頁巖氣井,其中有5口目前仍在產(chǎn)氣。上世紀(jì)70~80年代,鉆井和增產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步使頁巖氣的開發(fā)真正具有了商業(yè)價值,同時美國“第29條”減稅政策也促進(jìn)了頁巖氣的開發(fā)。頁巖氣開發(fā)井主要分布于該盆地北部比較淺的地區(qū),到2003年鉆井已超過7700口,累計產(chǎn)氣量超過500×108m3。目的層為Lachine/Norwood,埋深50~500m。目的層天然裂縫十分發(fā)育,裂縫是由于更新世冰期冰劈作用而產(chǎn)生的。Antrim頁巖氣主要是以吸附的方式儲集于頁巖中的有機質(zhì),成分以CH4為主,含有少量的CO2。頁巖的含氣量為3.5m3/t,含氣豐度為1.2×104m3/km2。頁巖裂縫中充滿水,形成了水力封閉。3.單井成本分析NewAlbany頁巖氣的勘探在1996年達(dá)到高峰,共鉆90口井,但是大量的勘探失敗導(dǎo)致目前鉆井有所減少。單井成本在10萬~15萬美元之間,主要取決于排水設(shè)備和壓裂設(shè)備的類型、數(shù)量和尺寸。雖然Illinois盆地頁巖氣的開采還沒有實現(xiàn)商業(yè)化,但投資者認(rèn)為更高的氣價和技術(shù)的進(jìn)步,最終將會使該盆地取得商業(yè)上的成功。4.案例一:美國b自Lewis頁巖層并不是一個單獨的頁巖氣田,而是一個常規(guī)氣藏和頁巖氣藏疊置的氣藏。Lewis頁巖氣井大約產(chǎn)氣(2.8~5.7)×104m3/d,賦存淺,年遞減率為6%。頁巖氣井中水或凝析油很少,且每口井持續(xù)提供可再生的氣體為(0.14~0.57)×108m3。雖然這種混合開采方法使得該盆地的頁巖氣成本極低——增加的價格僅1.02美分/m3,但這也使得投資者很難定量計算產(chǎn)量的增加速率以及儲量和相應(yīng)的價值。BurlingtonResources是SanJuan盆地頁巖氣最大的投資者。自1990年以來,該公司在SanJuan盆地累計鉆生產(chǎn)井約600口,目的層為Lewis頁巖。5.頁巖氣儲層概況Barnett頁巖面積超過(1.55~1.81)×104km2,分布于德克薩斯州18個縣。中、晚密西西比系頁巖主要為頁巖氣儲層,頁巖厚度為92~152m,埋深為1982~2592m,并普遍超壓。目前,頁巖氣產(chǎn)量超過0.57×108m3/d,估計總產(chǎn)量超過8490×108m3。100多家公司成功鉆井4000口。DevonEnergy是最大的承租公司,礦權(quán)面積達(dá)2225km2,共鉆頁巖氣開發(fā)井2040口,產(chǎn)量達(dá)1627×108m3/d。6.巖相系統(tǒng)地層及儲層俄克拉荷馬州東南部的Woodford頁巖氣儲層位于晚泥盆—早密西西比系地層之中。Woodford頁巖厚度為40~73m,埋深為2000~4000m。頁巖氣開發(fā)最活躍的公司為新田勘探公司,其鉆井中心位于Pittsburg,已鉆直井166口、水平井37口。目前頁巖氣產(chǎn)量為707.5×104m3/d。Arkoma盆地頁巖氣儲層為Fayetteville頁巖,厚度為14~70m,埋深為500~1500m,含氣量為(16.4~18.4)×108m3/section(指一個評價單元)。主要的開發(fā)公司為西南能源公司,目前產(chǎn)量為424×104m3/d。二、頁巖氣藏儲層厚度頁巖本身既是烴源巖又是儲層,頁巖氣主要以吸附和自由氣的形式存在于頁巖之中。由于頁巖的致密性,具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣藏儲層厚度都比較大。一般說來天然裂縫較發(fā)育的頁巖區(qū)才是頁巖氣開發(fā)的有利目標(biāo)區(qū)。1.巖巖石組成頁巖多為瀝青質(zhì)或富含有機質(zhì),氣源主要來自于熱成熟作用或生物作用。頁巖巖石組成一般為30%~50%的粘土礦物、15%~25%的粉砂質(zhì)(石英顆粒)和1%~20%的有機質(zhì),多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。TOC一般介于0~25%之間,鏡質(zhì)體反射率介于0.4%~2%之間。2.含氣的有效孔隙度目前可采的工業(yè)性頁巖氣藏埋深最淺為182m。頁巖總孔隙度一般小于10%,而含氣的有效孔隙度一般只有1%~5%,滲透率則隨裂縫發(fā)育程度的不同而有較大變化。頁巖具有廣泛的飽含氣性,天然氣的賦存狀態(tài)多變,吸附態(tài)天然氣的含量變化于20%~85%之間。3.有利油氣巖的分布頁巖氣成藏具有隱蔽性,成藏機理上具有遞變過渡的特點,一般原生頁巖氣藏具有高異常壓力。頁巖氣藏不以常規(guī)圈閉的形式存在,但頁巖中裂縫發(fā)育有助于游離相天然氣的富集和自然產(chǎn)能的提高。當(dāng)頁巖發(fā)育的裂隙達(dá)到一定數(shù)量和規(guī)模時,就成為勘探的有利目標(biāo)。盆地內(nèi)構(gòu)造較深部位是頁巖氣成藏的有利區(qū),頁巖氣成藏和分布的最大范圍與有效氣源巖的面積相當(dāng)。當(dāng)發(fā)生構(gòu)造升降運動時,其異常壓力相應(yīng)升高或降低,因此頁巖氣藏的地層壓力多變。三、儲層滲透率特征頁巖氣儲層與常規(guī)氣儲層的差異很大。頁巖以小粒徑物質(zhì)為主,一般以粘土(粒徑<5μm)和泥質(zhì)(粒徑為5~63μm)為其最主要組分,砂(>63μm)所占的組分相對較少。由于小粒徑的特點,頁巖氣儲層的滲透率極低,一般在0.0001~0.000001md之間,比致密砂巖儲層的滲透率(0.01~0.001md)低2~3個數(shù)量級。頁巖氣儲層滲透率極低的特點,決定了其開發(fā)必需采用適當(dāng)?shù)脑霎a(chǎn)技術(shù),才能實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。1.聲波測井識別儲層特征測井和取心是頁巖氣儲層評價的兩種主要手段。Schlumber公司應(yīng)用測井?dāng)?shù)據(jù),包括ECS(ElementalCaptureSpectroscopy)來識別儲層特征。單獨的GR不能很好地識別出粘土,干酪根的特征是具有高GR值和低Pe值。成像測井可以識別出裂縫和斷層,并能對頁巖進(jìn)行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應(yīng)力方向,進(jìn)而為氣井增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性,并分析測試TOC和吸附等溫曲線。2.提供了流體通道定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒,減少井筒附近裂縫的彎曲程度,進(jìn)而減少井筒附近的壓力損失,為壓裂時產(chǎn)生的流體提供通道。通過大量頁巖氣井的開發(fā)實踐,開發(fā)人員總結(jié)出定向射孔時應(yīng)遵循的原則,即在射孔過程中,主要射開低應(yīng)力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū),采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流體的阻力。在對水平井射孔時,射孔垂直向上或向下。3.低粘度低傷害頁巖井壓裂技術(shù)美國在頁巖氣商業(yè)開發(fā)早期,主要以壓力方式實現(xiàn)增產(chǎn)。目前,一些公司已開發(fā)出了一種輕質(zhì)壓裂支撐物,其比重較低,一般為1.25~1.75,比普通石英砂(比重為2.65)低得多。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明,這種支撐物易于輸送到裂縫網(wǎng)絡(luò)的末端,形成有效裂縫。另外,使用低粘度低傷害的壓裂液,可以增加頁巖井的初始和累計產(chǎn)量。在施工過程中,一般采用清水這種低成本壓裂液,這是因為水是一種低粘度流體,更容易產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。在選擇支撐物時,一般區(qū)域里的最大支撐物密度約為179.745kg/m3,在大多數(shù)區(qū)域不會超過0.2ppa(每年百分率)。在壓裂過程中應(yīng)注意以下幾點:避免采用高粘度膠體壓裂液,這樣可以產(chǎn)生兩條對稱的長裂縫;壓裂過程中的高初始壓力可導(dǎo)致對井筒附近的傷害;避免水泥/泥漿引入裂縫;適當(dāng)?shù)乃峄蓽p少傷害;微地震可以檢測出沒有被壓裂改造的區(qū)域。在Newark東頁巖氣田,壓裂后直井的產(chǎn)氣速度為(0.14~5.7)×104m3/d以上,預(yù)計這些井的最終采出量一般應(yīng)為(2831~7077)×104m3,但實際采出量卻達(dá)到了1.98×108m3。4.次壓裂試驗Barnett的大部分頁巖氣井都進(jìn)行了二次壓裂,二次壓裂后可接近或超過初次壓裂時的產(chǎn)量。采用直井對Barnett頁巖氣開發(fā)時,初期產(chǎn)量迅速遞減,之后逐漸穩(wěn)定。二次壓裂能夠使Newark東老(直)井有效增產(chǎn),特別是對上世紀(jì)90年代末以前的井二次壓裂效果明顯。這項技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到比較新的井中,在一般情況下,二次壓裂后井的產(chǎn)氣速度能達(dá)到或超過原始產(chǎn)氣速度。這種方法已成功應(yīng)用到那些經(jīng)濟(jì)效益較差的井,這表明多次壓裂對某些井來說是有經(jīng)濟(jì)效益的。5.對水平井的影響水平井技術(shù)的應(yīng)用可以使無裂縫或少裂縫通道的頁巖氣藏得到有效的經(jīng)濟(jì)開發(fā)。水平井也需要壓裂,如果不壓裂則不能產(chǎn)氣。將測斜儀和微地震技術(shù)相結(jié)合,對Newark東油氣田的微裂縫進(jìn)行測量,其結(jié)果顯示壓裂后直井的排水區(qū)域又長又窄,平均約為915×152m(Fisher等,2002)。根據(jù)這個數(shù)據(jù),作業(yè)人員推測對水平井壓裂時,誘導(dǎo)裂縫垂直于鉆井方向,這樣能夠產(chǎn)生一個平行于儲層的排水區(qū)域,因此擴(kuò)大了總的排采面積。Newark東油氣田水平井的初始產(chǎn)氣速度一般比直井快2~3倍。根據(jù)巖石遮擋垂直裂縫發(fā)展的強度不同,采用不同的完井步驟。在具有這種遮擋層的部位,作業(yè)者一般不會對井筒生產(chǎn)段進(jìn)行固井,并且可能采用單步或多步進(jìn)行壓裂。當(dāng)遮擋層缺失或出現(xiàn)無法遮擋裂縫擴(kuò)展的某些問題時(例如遮擋層很薄或存在斷層),生產(chǎn)段就會固井,并且采用多步壓裂。在任何情況下均采用水力壓裂。每步壓裂液的體積為(284~751)×104L以上,主要取決于水平井分枝的長度,通常為150~1070m以上。Scott(2005)分析了在Barnett頁巖采用水平井技術(shù)的兩個原因:一是對水平井分枝進(jìn)行壓裂可使Newark油氣田的核心區(qū)域產(chǎn)量大幅度提高;二是與所觀測的結(jié)果相關(guān),在那些缺少遮擋或遮擋層很薄的區(qū)域,水平井壓裂比直井壓裂更能使裂縫保持在Barnett儲層的目的段中。四、常規(guī)天然氣量3gg我國頁巖氣資源豐富,資源量達(dá)到100×1012m3(Rogner,1997),約為常規(guī)天然氣量的兩倍。其中,我國四川、吐哈等盆地頁巖十分發(fā)育,并且具有頁巖氣成藏的基本條件,其勘探潛力巨大。1.頁巖氣成藏條件四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)的九老洞頁巖、燈影組頁巖和瀘州地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪頁巖,其有機質(zhì)豐富、厚度大,具備頁巖氣成藏的條件。其中威遠(yuǎn)地區(qū)、陽高寺和九奎山的158口井在復(fù)查中普遍見顯示。尤其是1966年完鉆的威5井,鉆遇九老洞頁巖段發(fā)現(xiàn)氣浸與井噴,后測試產(chǎn)氣量為2.46×104m3/d。專家認(rèn)為,上述兩個地層的頁巖氣資源潛力應(yīng)該在(6.8~8.4)×1012m3,相當(dāng)于四川盆地常規(guī)天然氣資源總量。2.有機碳含量測定m吐哈盆地吐魯番坳陷水西溝群地層廣泛發(fā)育暗色泥巖和炭質(zhì)泥頁巖,累積平均厚度在30m以上,有機碳含量一般為6%~30%。八道灣組暗色泥頁巖厚度一般大于100m,盆地中北部達(dá)到200m以上,西山窯組暗色泥頁巖的最大厚度大于600m,有機質(zhì)的成熟度目前大都處于0.4%~1.5%之間,非常有利于頁巖氣藏的形成和發(fā)育。五、