頁巖氣資源潛力分析

巖質氣是典型的非普通天然氣，產于極低的孔內，主要是富有機巖。頁巖氣的形成與富集為自生自儲、以游離氣和吸附氣為主、原位飽和富集于以頁巖為主的儲集巖系的微—納米級孔隙-裂縫與礦物顆粒表面。頁巖氣常被稱為“人造氣藏”,開采必須通過大型人工儲層造縫(網)才能形成工業(yè)生產能力,初期產量一般較高、早期遞減較快,后期低產穩(wěn)產且生產時間長(一般30~50年)。頁巖氣是國外最早認識的天然氣,自1821年在美國阿帕拉契亞盆地成功鉆探第1口頁巖氣井以來,頁巖氣的發(fā)展已近200年歷史。但20世紀90年代前,當時只重視了致密(巖石)氣與煤層氣,頁巖氣在天然氣大家族中的地位微不足道,21世紀以來,隨著頁巖氣地質與開發(fā)理論的創(chuàng)新和勘探開發(fā)關鍵技術的進步,尤其是水平井鉆完井與分段壓裂技術的進步及規(guī)模推廣應用,頁巖氣邁進了大發(fā)展階段。2005年以來,中國借鑒北美經驗,開始了中國頁巖氣地質條件評價與勘探開發(fā)先導性試驗。迄今,不僅在地質認識上取得進展,在勘探開發(fā)實踐上也取得突破,成為全球除北美以外地區(qū)率先發(fā)現(xiàn)頁巖氣的國家。筆者在全球頁巖氣發(fā)展現(xiàn)狀與中國頁巖氣勘探開發(fā)實踐現(xiàn)狀把握基礎上,初步探討了中國頁巖氣形成與富集條件,對中國頁巖氣勘探開發(fā)前景做了預測,以期對推動中國頁巖氣的發(fā)展有所幫助。1巖氣資源與頁巖氣勘探開發(fā)在全球,北美地區(qū)的頁巖氣資源勘探開發(fā)最為成功,2000年北美地區(qū)的頁巖氣年產量突破了100×108m3,至2010年該地區(qū)的頁巖氣年產量達到1500×108m,10年間增長了10倍以上。美國能源信息署預測統(tǒng)計(圖1),2010年北美地區(qū)在約50個富有機質頁巖區(qū)帶中證實存在頁巖氣資源,在其中9個主要頁巖區(qū)帶進行頁巖氣生產,頁巖氣年產量1500×108m3,占北美天然氣總產量的20%左右。北美頁巖氣的快速發(fā)展,改變了北美天然氣供應格局,影響到了全球能源供給格局的變化,頁巖氣在全球迅速成為重要的天然氣勘探開發(fā)新目前。目前,全球掀起了轟轟烈烈的綠色“頁巖氣革命”(圖2),各國政府和油氣/能源公司幾乎都將頁巖氣提到了重要日程,北美以外地區(qū)已有20余個國家在進行頁巖氣資源的前期評價和勘探開發(fā)先導試驗,中國、英國、印度、新西蘭等國已紛紛宣稱在本國發(fā)現(xiàn)了頁巖氣。中國為全球除北美以外地區(qū)率先發(fā)現(xiàn)頁巖氣的國家。至2010年,中國已在富有機質頁巖地質特征、頁巖氣形成與富集地質條件、頁巖氣遠景區(qū)帶優(yōu)選等基礎地質理論與認識上取得重要了進展;在四川盆地南部古生界、四川盆地北部中生代、鄂爾多斯盆地三疊系等多個地區(qū)和多個時代的海相、陸相富有機質頁巖中取得重要頁巖氣突破和發(fā)現(xiàn)。2中國巖氣勘探的開發(fā)進口2.1頁巖氣勘探開發(fā)的意義與北美的頁巖氣勘探開發(fā)成就相比,中國的頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚,而與全球其他地區(qū)相比,中國的頁巖氣勘探開發(fā)則處于領先地位,為全球除北美以外地區(qū)率先進入頁巖氣勘探評價突破和工業(yè)化開發(fā)先導性試驗的國家。實際上,從歷史發(fā)展分析,中國的油氣勘探開發(fā)對頁巖氣并不陌生,過去的常規(guī)油氣勘探開發(fā)中頁巖氣的發(fā)現(xiàn)已屢見不鮮。自20世紀60年代以來,不斷在松遼、渤海灣、四川、鄂爾多斯、柴達木等幾乎所有陸上含油氣盆地中都發(fā)現(xiàn)了頁巖氣或泥頁巖裂縫性油氣藏,典型代表有1966年在四川盆地威遠構造上鉆探的威5井,在古生界寒武系筇竹寺組海相頁巖中獲得了日產氣2.46×104m3。1994—1998年間中國還專門針對泥、頁巖裂縫性油氣藏做過大量工作,此后許多學者也在不同含油氣盆地探索過頁巖氣形成與富集的可能性。2000—2005年中國廣大石油地質學者再次關注北美在富有機質頁巖中勘探開發(fā)天然氣的新成就,從2005年起把視角投向中國本土,尋求中國頁巖氣形成與富集的地質條件,調查頁巖氣資源潛力,探索中國頁巖氣的發(fā)展前景。歸納起來,中國頁巖氣勘探開發(fā)歷史暫可劃分為泥頁巖裂縫性油氣藏勘探開發(fā)、頁巖氣地質條件研究與關鍵開發(fā)技術儲備、勘探評價突破與開發(fā)先導性試驗等過程,其里程碑事件總結于表1。2.2國內頁巖氣聯(lián)合勘探與評價中國的頁巖氣資源的勘探開發(fā)熱潮始于2005年。在前期對北美頁巖氣資源發(fā)展進程的跟蹤、研究基礎上,于2005年起,中國主要石油企業(yè)、石油與地質類高等院校、國土資源部與國家能源局等相關政府機構,從老資料復查、露頭地質調查等基礎著手,開展了中國頁巖氣形成與富集地質條件研究和頁巖氣資源潛力評價,在頁巖氣遠景區(qū)帶進行了地質淺井、地質評價參數(shù)井等的鉆探,取得了早期頁巖氣地質評價與頁巖氣資源潛力預測等關鍵參數(shù),優(yōu)選了一批有利頁巖氣區(qū)帶,鉆探了頁巖氣評價井和頁巖氣開發(fā)先導性試驗井,建立了四川威遠—長寧、云南昭通等多個國家級頁巖氣工業(yè)化開發(fā)先導性示范區(qū)(圖3)。2006年中國石油與美國新田石油公司進行了國內首次頁巖氣研討,依據(jù)四川盆地南部威遠、陽高寺等地區(qū)的常規(guī)天然氣勘探開發(fā)過程中,鉆遇寒武系筇竹寺組和志留系龍馬溪組時出現(xiàn)的豐富含氣顯示現(xiàn)象,提出中國具備海相頁巖氣形成與富集的基本地質條件。2007年即與新田石油合作,開展了威遠地區(qū)寒武系筇竹寺組頁巖氣資源潛力評價與開發(fā)可行性的聯(lián)合研究,該研究項目為中國與國外的第一個頁巖氣聯(lián)合研究項目。與此同時,對整個蜀南地區(qū)古生代海相頁巖地層開展了露頭地質調查與老資料(井)復查。為探索頁巖氣地質與資源前景評價方法,2008年中國石油勘探開發(fā)研究院在四川盆地南部長寧構造志留系龍馬溪組露頭區(qū)鉆探了中國第一口頁巖氣地質評價淺井即長芯1井,井深154.3m,取心151.6m。通過2007—2008年的前期地質研究與選區(qū)評價,初步認識到上揚子地區(qū)古生界發(fā)育多套海相富有機質頁巖,厚度大,有機碳含量高,具有較好的頁巖氣形成條件。2009年中國石油率先在四川盆地威遠—長寧、云南昭通等地區(qū)進行頁巖氣鉆探評價,與殼牌(Shell)公司在四川盆地富順—永川地區(qū)進行中國第一個頁巖氣國際合作勘探開發(fā)項目。同時,國土資源部在全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調查與評價專項中設立了“中國重點地區(qū)頁巖氣資源潛力評價和有利區(qū)帶優(yōu)選”項目,中國石化在貴州大方—凱里方深1井區(qū)開展了寒武系牛蹄塘組頁巖氣老井復查。2010年以來,中國頁巖氣勘探開發(fā)陸續(xù)取得單井突破,進入到了開發(fā)先導性試驗區(qū)建設階段。初步統(tǒng)計,迄今中國已在四川、鄂爾多斯、渤海灣、沁水、泌陽等盆地,重慶黔江、云南昭通、貴州大方、湖北建南、湖南漣源、貴州銅仁等地區(qū),鉆探頁巖氣井(直井與水平井,直井為主)50余口,水力壓裂試氣井近20口,獲工業(yè)頁巖氣(油)流井10口,多口井初期產量超過了1×104m3/d(圖4),實現(xiàn)了中國海相(古生界)頁巖氣的突破,海陸過渡相煤系(二疊系)頁巖氣與陸相(中生界)頁巖氣/油的發(fā)現(xiàn)。3中國巖氣勘探和開發(fā)前景3.1富有機質頁巖與北美相比,中國頁巖氣形成與富集條件具明顯特殊性,中國沉積盆地發(fā)育3類富有機質頁巖[1,2,3,11,12,13,14],包括海相富有機質頁巖、海陸過渡相與湖沼相煤系富有機質頁巖和湖相富有機質頁巖。不同時代、不同地區(qū)發(fā)育不同類型富有機質頁巖組合,頁巖成氣潛力差異明顯。3.1.1海相巖石特征中國海相富有機質頁巖分布廣泛,主要發(fā)育在中國南方地區(qū)、華北地區(qū)及西部塔里木盆地的上震旦統(tǒng)、下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)等(表2)。海相富有機質泥頁巖分布面積大、橫向變化穩(wěn)定,厚度一般在100~500m。海相富有機質頁巖有機質豐富,平均含量1.0%~5.12%,其中高TOC含量(TOC含量大于2%)的富含有機質頁巖段發(fā)育,厚度一般為20~180m。海相富有機質頁巖有機質類型以腐泥型—混合型為主,屬傾成油型母質,熱演化程度處在裂解成氣階段(1.0%<Ro<5.2%),頁巖氣以原油熱裂解氣為主。海相高演化頁巖基質孔隙、有機質微—納米級孔隙發(fā)育,構成了頁巖氣良好的儲集空間。海相頁巖脆性礦物豐富,黏土礦物單一。海相頁巖成氣藏條件優(yōu)越,勘探開發(fā)前景好。中國南方地區(qū)是海相頁巖氣較有利地區(qū),尤以上揚子地區(qū)為好,如四川盆地筇竹寺組富有機質頁巖分布面積18.5×104km2,厚200~600m,有效頁巖厚度110~163m,TOC含量0.82%~4.68%,平均2.3%,頁巖含氣量0.13~5.02m3/t,石英、長石和碳酸鹽巖等脆性礦物為49%~58%;五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖分布面積13.7×104km2,厚300~500m,有效頁巖厚度40~125m,TOC含量0.5%~7.12%,平均2.1%,頁巖含氣量0.29~6.5m3/t,石英、長石和碳酸鹽巖等脆性礦物含量為33.0%~51.2%。2010年鉆探的W201、N201兩口頁巖氣評價井(直井),經大型水力壓裂,在筇竹寺組頁巖和五峰組—龍馬溪組頁巖中均獲得了初始頁巖氣產量過1.0×104m3/d的高產頁巖氣流,實現(xiàn)了中國頁巖氣首次突破。3.1.2有機質泥頁巖海陸過渡相—煤系富有機質頁巖可劃分為海陸過渡相、湖沼相煤系富有機質泥頁巖。海陸過渡相富有機質泥頁巖主要分布在中國東部的石炭系—二疊系、南方的二疊系;湖沼相煤系富有機質泥頁巖包括四川盆地及周緣的上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)、中國西部地區(qū)的侏羅系,具有分布面積大、有機質類型復雜、熱演化程度適中等特點(表3)。研究發(fā)現(xiàn),中國海陸過渡相—煤系富有機質泥頁巖除上揚子及滇黔桂地區(qū)單層厚度較大外,其余多數(shù)地區(qū)的海陸過渡相—煤系富有機質泥頁巖單層厚度都不大,不利于頁巖氣單層獨立開發(fā)。但海陸過渡相—煤系富有機質泥頁巖總有機碳含量較高、演化程度一般在過成熟早期以下,有利于成氣且泥頁巖層多與煤、致密砂巖互層,易形成頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣等多種類型天然氣藏疊置。3.1.3頁巖油、頁巖氣均或上地層分區(qū)中國中生代、新生代盆地多為陸相沉積,深湖和半深湖相形成的富有機質黑色泥頁巖是盆地的主力烴源巖。研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)階段多數(shù)泥頁巖正進入大量生油期,僅在埋深較大的凹陷中的部分烴源巖才演化至生氣階段,因此,湖相頁巖氣勘探開發(fā)領域,將會是頁巖油和頁巖氣并存的局面,縱向上具有“上油下氣”的展布特點,橫向上埋深大的凹陷區(qū)及近凹陷斜坡區(qū)是頁巖氣的主要富集區(qū)。渤海灣盆地沙河街組、松遼盆地青山口組、鄂爾多斯盆地延長組、四川盆地侏羅系等都具備湖相頁巖氣形成基本地質條件(表4)。3.2中國頁巖氣勘探開發(fā)的現(xiàn)狀與展望有關中國頁巖氣資源發(fā)展前景,國內不少機構/學者對此做出了較為樂觀的預測(表5)。預測顯示中國頁巖氣資源豐富,其中地質資源量為(30~166)×1012m3,技術可采資源量為(7~45)×1012m3。無論是從地質資源量還是技術可采資源量上看,中國頁巖氣資源都具備良好發(fā)展基礎。甚至已有機構/學者根據(jù)資源預測結果及目前進展,認為中國未來5年將實現(xiàn)頁巖氣規(guī)?；a,頁巖氣產量達到65×108m3,至2020年前后,突破頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術,頁巖氣產量有望達到(600~1000)×108m3。頁巖氣儲層比任何致密油氣儲層都還要致密,實現(xiàn)有效開發(fā)難度非常大。中國的頁巖氣勘探開發(fā)雖已在先導性試驗井中取得突破,但仍為起步階段。中國頁巖氣地質條件與開發(fā)條件都與北美不同(表6)。首先,從地質條件上看,中國的富有機質頁巖,尤其是古生界海相富有機質頁巖大多經歷了復雜的構造改造,在盆地周緣頁巖地層抬升出露、斷裂切割嚴重,保存條件是海相頁巖氣勘探開發(fā)面臨的嚴峻挑戰(zhàn);中國富有機質頁巖熱成熟度復雜,海相頁巖形成時間早,演化程度高,陸相頁巖形成時間晚,演化程度低,兩個端元的熱演化程度都將直接導致中國富有機質頁巖含氣量變化大、含氣量偏低。其次,從開發(fā)條件上看,中國富有機質頁巖在盆地內主體埋深較大,超過了3500m或更大,在南方海相頁巖發(fā)育區(qū),地表多以山地和丘陵等復雜地表區(qū)為主,且不是常規(guī)油氣生產的主產區(qū),地面設施與管網缺乏。由此可見,中國頁巖氣資源豐富,具有良好發(fā)展前景,但是,中國頁巖氣地質與開發(fā)條件復雜,決定了中國頁巖氣勘探開發(fā)不會一蹴而就,需要一定時間準備與探索。未來5~10年需要堅持深化地質認識與技術攻關,突出基礎地質研究、核心區(qū)評價和先導試驗區(qū)建設。海相富有機質頁巖氣重在深化基礎地質研究,落實經濟可采資源,優(yōu)選開發(fā)核心區(qū),強化關鍵技術攻關,推進先導試驗區(qū)建設,形成一定規(guī)模頁巖氣產量。海陸過渡相—煤系與湖相富有機質頁巖以地質條件評價為重點,以技術可采資源潛力落實為核心,鉆探一批先導試驗井,優(yōu)選有利頁巖氣區(qū)帶和層系,實現(xiàn)中國頁巖氣持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。4海相系海陸過渡相—結論(1)中國頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚,但在全球為北美以外地區(qū)率先進入頁巖氣勘探突破和工業(yè)化開發(fā)先導性試驗的國家。中國頁巖氣地質條件研究與關鍵開發(fā)技術儲備已有較好基礎,在古生界海相、