頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀、核心技術(shù)和關(guān)鍵問題

頁巖氣：新聞熱點(diǎn)?

頁巖氣成為各家媒體新聞焦點(diǎn)：

?

“頁巖氣革命席卷全球，中國何時(shí)開啟‘頁巖氣時(shí)代’？”

?

“中國投入頁巖氣革命”

?

“頁巖氣：未來能源的主力軍”

?“

頁巖氣：我國第172個(gè)獨(dú)立礦種

或可替代天然氣”?

“政策松綁欲打破三桶油壟斷

，民企將成頁巖氣盛宴座上賓”?“

民企破冰：首獲頁巖氣勘探‘門票’”?

頁巖氣？請叫它漲停催化劑！?

“頁巖氣熱背后的冷思考”頁巖氣（1）?

天然氣是一種清潔、高效的化石能源:?

燃燒同等熱值的天然氣，其二氧化碳排放只有煤的一半和石油的70%?

若采用冷熱電三聯(lián)供，經(jīng)過能源的梯級(jí)利用可以使能源利用效率從常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的40%左右提高到80%左右?

燃?xì)怆姀S啟動(dòng)迅速：天然氣發(fā)電成為間歇性可再生能源的極佳補(bǔ)充?

天然氣在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的比例僅為4%，遠(yuǎn)低于亞洲平均10%和全球平均24%的水平?

城市化：燃?xì)庑枨笱杆僭黾?

2020年，天然氣缺口達(dá)1000億方（相當(dāng)于2011年全國天然氣產(chǎn)量）?

天然氣對外依存度達(dá)24％；價(jià)格倒掛?

頁巖氣：一種非常規(guī)天然氣?

存在于致密泥頁巖中，較常規(guī)天然氣開采難度大頁巖氣（2）?

頁巖氣儲(chǔ)量:?

全球：456萬億方?

技術(shù)可采儲(chǔ)量：189萬億方?

美國：24.4萬億方?

中國：26萬億方全球非常規(guī)天然氣資源儲(chǔ)量表Billion

Cubic

Feet?

2011年，頁巖氣產(chǎn)量1800億方，占全國天然

氣總產(chǎn)量34%?

預(yù)計(jì)到2035年，頁巖氣產(chǎn)量比將提高至46%。2,0004,0003,0005,0001,000

0

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010BarnettWoodfordMarcellusFayettevilleHaynesvilleEagle

Ford?

美國有8000家油氣公司，85%的頁巖

氣由中小公司生產(chǎn)?

核心關(guān)鍵技術(shù)分別由各個(gè)中小專業(yè)技

術(shù)掌握

美國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀?

1821,第一口井，Devonian

Dunkrik

Shale，

Fredonia?

70年代之后-90年代，壓裂技術(shù)發(fā)展?

1990年起頁巖氣產(chǎn)量每五年翻一番?

2009年，頁巖氣產(chǎn)量1000億方，占全國天然

氣的14%，超過了我國常規(guī)天然氣總產(chǎn)量?

2010年，頁巖氣產(chǎn)量1379億方，占全國天然

氣總產(chǎn)量23%頁巖氣改變美國能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)格局?

美國和世界能源格局?

產(chǎn)量迅速上升：2009年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)1000億方，使美國成為第一大天然氣生產(chǎn)國?

動(dòng)搖了世界液化天然氣（LNG）市場格局，進(jìn)而改變世界能源格局?

價(jià)格快速下降：十年最低?

更多的燃?xì)怆姀S取代燃煤電廠?

美國產(chǎn)業(yè)格局?

便宜的天然氣價(jià)格為美國的制造業(yè)和化工業(yè)提供了更多的競爭力：能源價(jià)格、化工原材料?

美國外交格局?

頁巖油的開發(fā)使美國原油進(jìn)口壓力減少：2020年，北美有望成為世界第一油氣生產(chǎn)基地?

燃?xì)獍l(fā)電減少溫室氣體和污染物排放：氣候談判給其它國家的壓力簡要?dú)v史回顧?

Mitchell

Energy

&

Development

Co.?在極低經(jīng)濟(jì)效益的情況下持續(xù)投入了17年?上世紀(jì)90年代末，在水力壓裂取代凍膠壓裂后，經(jīng)濟(jì)效益得到了提高?

2002年，Devon

Energy

收購了Mitchell?

Devon的經(jīng)驗(yàn)帶動(dòng)了大量中小企業(yè)投資開發(fā)頁巖氣?幾年后，Barnett成為美國最大的氣田?

Barnett成功經(jīng)驗(yàn)推動(dòng)美國頁巖氣的開發(fā)?

推廣到多個(gè)盆地?

頁巖氣的開發(fā)技術(shù)又推動(dòng)了美國頁巖油的開發(fā)?《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015）》

?

2015年完成資源潛力調(diào)查與評價(jià)

?

2015年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量65億方

?力爭2020年達(dá)到600~1000億方

中國頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀?中國開發(fā)進(jìn)展

?

2008年：揚(yáng)子地區(qū)為富集遠(yuǎn)景區(qū)

?

2009年

：“中國重點(diǎn)地區(qū)頁巖氣資源潛

力及有利區(qū)帶優(yōu)選”項(xiàng)目

?

2010年：川渝黔鄂頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查

先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)

?

完鉆頁巖氣井60余口，水力壓裂40余口，

工業(yè)氣流30口

頁巖氣開發(fā)瓶頸：?

地質(zhì)特點(diǎn)：埋深大、盆

地小、斷層多；陸相為

主；地勢險(xiǎn)峻?

資源風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、

投資風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?

2012年5月17日，國土資源部發(fā)布《頁巖氣探礦權(quán)投標(biāo)意向

調(diào)查公告》，公布2012年頁巖氣探礦權(quán)招標(biāo)投標(biāo)資格條件：?

內(nèi)資企業(yè)，注冊資金：人民幣3億元以上?

投標(biāo)人應(yīng)具有石油天然氣或氣體礦產(chǎn)勘查資質(zhì)，或已與具有勘查資質(zhì)的企事業(yè)單位建立合作關(guān)系

?

投標(biāo)人應(yīng)為獨(dú)立法人，不得以聯(lián)合體投標(biāo)?

促進(jìn)民營企業(yè)進(jìn)入頁巖氣勘探開發(fā)?

9月進(jìn)行了頁巖氣探礦權(quán)第二輪招標(biāo)，近百家投標(biāo)20個(gè)區(qū)塊?

但我國目前還不掌握頁巖氣勘探開發(fā)的核心技術(shù)國家放寬頁巖氣探礦門檻頁巖氣開發(fā)的核心關(guān)鍵技術(shù)

頁巖氣特性?成藏機(jī)理?與煤層氣對比

?基質(zhì)滲透率更低

?游離氣含量高?開采一般不需要排水降壓原地成藏、自生自儲(chǔ)頁巖氣評估?地質(zhì)儲(chǔ)量

?

總有機(jī)碳含量TOC>2%，成熟度

Ro>1.4

?

厚度>30m，含氣孔隙度>2%

?

氣體含量，含水飽和度<40%?埋深、溫度、壓力儲(chǔ)層評價(jià)勘探階段早期開發(fā)成熟開發(fā)下降維護(hù)頁巖氣總量天然裂縫礦物質(zhì)含量脆性地層壓力巖石強(qiáng)度滲透率

頁巖厚度

頁巖氣產(chǎn)量游離氣頁巖基礎(chǔ)物性測試

有機(jī)物含量頁巖氣開發(fā)流程頁巖氣開采?

頁巖氣中沒有“干井”!

問題的關(guān)鍵是怎樣開采天然氣？?

Barnett頁巖滲透率相當(dāng)?shù)?

開采天然氣需要人工增產(chǎn)手段，比如水力壓裂?

凍膠壓裂:

成本太高?

輕砂水力壓裂:

有效?

15%-35%

采收率Source:

Devon

水平井?已經(jīng)證明,

在水平完井段進(jìn)行水力壓裂比在垂直完井段更高效:?

2－3倍成本?

15－20倍產(chǎn)量Source:

Devon

水平井?

水平井?dāng)U大接觸面積

關(guān)鍵問題：

井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆完

井，保證安全穩(wěn)定。?

水平井方向????沿最大水平應(yīng)力方向：縱向裂縫垂直最大水平應(yīng)力：橫向裂縫低滲氣藏，橫向裂縫增產(chǎn)顯著一般垂直最大水平應(yīng)力方向鉆井完井決策圖深度、厚度、TOC、石英含量、氣體含量等直井

V.S

水平井單層

V.S

多段對非常規(guī)氣藏的非常規(guī)考慮?

當(dāng)滲透率低到一定程度，滲透率具體是1

nD,

10

nD還是

100

nD已不再那么重要?

擴(kuò)散起作用?

問題在于巖層怎樣被壓裂:?

整齊的大裂縫？?

零碎的小裂縫？?

巖相對壓力的響應(yīng)決定壓裂的裂縫網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)

水力壓裂?

第一步：泵入“巖石酸”（一般是鹽酸HCl），

清理可能被鉆井泥漿和水泥封堵的近井地帶。?

第二步：壓入前置液，大量滑溜水被壓入地

層引起地層破裂形成裂縫。?

第三步：泵入含有支撐劑的壓裂液，首先泵

入大量含有低濃度細(xì)砂支撐劑的壓裂液，不斷

增加泵入支撐劑數(shù)量和大小。?

第四步：沖洗，清除設(shè)備和井壁附近的支撐

劑。?

微震監(jiān)測——在壓裂過程中，要持續(xù)監(jiān)測裂縫

生長，確保這些裂縫沒有偏移出頁巖儲(chǔ)層或者

延伸到鄰近水域。水力壓裂流程南北向

(ft)

0

-500-1000-1500-2000-2500-3000-1000-500050010001500200025003000東西向

(ft)觀測井

水力壓裂15001000

500水力壓裂巖石力學(xué)

特征壓裂設(shè)計(jì)應(yīng)力分布礦物組成鉆井設(shè)計(jì)裂縫網(wǎng)絡(luò)

SRV生產(chǎn)?

常規(guī)儲(chǔ)層：

高黏度壓裂液形成二維裂縫，并使用高濃度、大顆粒

的支撐劑填充?

頁巖儲(chǔ)層：

大量低黏度壓裂液和低濃度小顆粒支撐劑形成復(fù)雜的

三維裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加儲(chǔ)層改造總體積（SRV）巖石特征壓裂液壓裂流體體積支撐劑濃度脆性（Brittle）滑溜水高低層狀（Laminated）混合物中中塑性（Ductile）線性或交聯(lián)凝膠低高水力壓裂?

壓裂液壓裂液選擇?

欠壓實(shí)地層，需要輔以二氧化碳或泡沫壓裂?

最近采用液化石油氣（LPG）壓裂效果顯著

壓裂液選擇

滑溜水壓裂液成分壓裂技術(shù)技術(shù)特點(diǎn)適用性泡沫壓裂地層傷害小、濾失低、攜砂能力強(qiáng)水敏性、埋深淺地層凝膠壓裂成本高、攜砂能力較強(qiáng)塑性高、天然裂縫不發(fā)育地層清水壓裂滑溜水壓裂液、成本低、攜砂能力有限脆性高、天然裂縫發(fā)育地層多級(jí)壓裂分段壓裂、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛水平段較長的水平井快速可鉆式橋塞封隔分段壓裂套管壓裂、多段分簇射孔，儲(chǔ)層傷害低美國頁巖氣開發(fā)主要技術(shù)多級(jí)滑套封隔分段壓裂通過井口落球系統(tǒng)操控滑套，降低施工時(shí)間和成本、風(fēng)險(xiǎn)較高技術(shù)要求高膨脹式封隔器分段壓裂遇油（水）膨脹式封隔器，滿足裸眼完井分隔壓裂的需要裸眼完井的生產(chǎn)井水力噴射壓裂定位準(zhǔn)確、無需機(jī)械封隔、節(jié)省時(shí)間裸眼完井的生產(chǎn)井同步壓裂相鄰井同時(shí)作業(yè)、增加裂縫復(fù)雜性井眼密度大、井位距離近重復(fù)壓裂重新開啟裂縫增產(chǎn)產(chǎn)能下降的井水力壓裂壓裂技術(shù)對比不同壓裂技術(shù)的基本原理是一樣的，只是實(shí)施過程、工具和材料有所差別頁巖氣生產(chǎn)速率生產(chǎn)機(jī)制主裂縫的儲(chǔ)量微裂縫中的儲(chǔ)量解吸&擴(kuò)散生產(chǎn)機(jī)制控制產(chǎn)量的關(guān)鍵因素1.

與井連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)2.

基質(zhì)中的氣含量

流動(dòng)機(jī)理?

雙重介質(zhì)模型?

多尺度流動(dòng)模型?

三孔雙滲模型雙重介質(zhì)三孔雙滲關(guān)鍵：刻畫吸附氣、游離氣在不同尺度下的運(yùn)移規(guī)律與井連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)有重要意義

多尺度流動(dòng)模型Fracture

MatrixFracture

MatrixCacas

et

al.,

2001

Shaul

et

al.,

2005Warren

&

Root,

1963

方法討論

裂縫儲(chǔ)層的數(shù)值模擬

局部網(wǎng)格細(xì)化

離散裂縫網(wǎng)絡(luò)

雙孔雙滲模型

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m黑油模型—雙孔單滲

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o黑油模型—雙孔雙滲

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o

m控制方程

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組分模型—雙孔單滲組分模型—雙孔雙滲

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o控制方程（1）生產(chǎn)速率產(chǎn)氣速率產(chǎn)水速率兩個(gè)階段：開采初期生產(chǎn)速率較高但下降很快，穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量較低但可以長期保持。初期：排氣降壓、產(chǎn)水量很少,產(chǎn)氣速率迅速下降，1000天左右進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期。穩(wěn)產(chǎn)期：氣水產(chǎn)量都趨于穩(wěn)定，長期穩(wěn)產(chǎn)。一般頁巖氣井可穩(wěn)產(chǎn)30年。數(shù)值模擬裂縫單元滲透率提高5倍，（10,10,10）mD基質(zhì)單元滲透率提高10倍，（0.001,0.001,0.001）mD裂縫在頁巖氣開采中起著關(guān)鍵作用，影響著初期生產(chǎn)速率以及穩(wěn)產(chǎn)期的整體產(chǎn)出速率，由此可見儲(chǔ)層壓裂改造的重要性。

數(shù)值模擬（2）裂縫滲透率

VS

基質(zhì)滲透率準(zhǔn)化

產(chǎn)孔隙度

(%)

標(biāo)

水

量標(biāo)準(zhǔn)化濃度0

2

4

6

80

1.5

3.0

4.50

20

40孔隙度

(%)產(chǎn)速率

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水生

準(zhǔn)桶0

1.5

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2

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5

10

8實(shí)測值

值EnKF3

5

7

1009Time

塊編號(hào)(Days)3

5

50

100

9塊編號(hào)Stage11Stage

411*10-3(Stage

6)實(shí)測生產(chǎn)速率

裂縫孔隙最縫

水生產(chǎn)

度

孔隙01050

100

50

Time

(Days)

01

050

100

7

Time

(Days)

Time

(Days)實(shí)實(shí)測值示蹤劑含量氣生