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探秘页岩气

2020-6-16 8:05:56 来源:中国矿业报 作者:张守松

石油和天然气不是像有些人认为的,在地下形成油湖、甚至气海,实际上石油和天然气是存在于地层深处岩石的细小孔隙中,我们需要不断提高找油、找气、钻井和开采工艺才能生产出更多的石油和天然气。页岩气是天然气的一种,下面我们就解开页岩气的神秘面纱,让更多的读者简认识与了解页岩气。

页岩气是产自极低孔渗并存在于富有机质页岩地层中的非常规油气,属于自生自储、连续聚集的天然气藏,虽发现时间很早,直到21世纪随着水平钻井和水力分段压裂技术的进步才得以大规模开发。

泥页岩野外露头

黑色页岩又被形象地称为“磨刀石”,黑色页岩坚硬致密,用肉眼根本无法看到它的孔隙。但在电子显微镜下却能发现其星罗棋布的丰富空隙,孔径从5纳米~200纳米不等,里面有游离和吸附的直径0.36纳米的甲烷分子。页岩中这些装满甲烷的纳米空隙基本上是一座座互不联系的孤宅,页岩气既可以游离状态存在于岩石裂缝中,也可以封存在纳米级微型空隙里面,其中的页岩气很少相互走动和串门。由于页岩自身的封闭性,其储存的天然气很难脱离其自生自储的原始环境,这就是页岩气难于开发的原因。

如何将页岩气从其居住的小房子里请出来?这需要用到石油科技的进步技术——水平钻井技术和水力分段压裂技术的合力。第一步钻井:2002年以后,水平井的大量应用推动了美国页岩气的革命。目前,几乎所有的页岩气都采用水平井开发,钻井方向垂直于最大水平主应力的方向。水平井钻井过程中,常采用欠平衡、空气钻井、控制压力钻井和旋转导向钻井等关键技术。在同一井场利用滑移井架钻多口水平井。与直井相比,水平井的技术优势在于:成本是直井的1.5~2.5倍,但初始开采速度、控制储量和最终可采储量是直井的3~4倍;水平井与页岩中裂缝(主要是高角度裂缝)相交机会大,明显的改善储层流体的流动状况和增加泄流面积;减少地面设施,开采延伸范围大,受地面不利条件干扰少。 第二步压裂:水平井多级水力压裂技术、多井同步压裂技术。将水平井分为数十段,利用含有减阻剂、粘土稳定剂和表面活性剂的水力压裂,同时应用重复压裂、滑套完井等综合技术,可以节约成本50%~60%,完井成本下降65%,并能提高采收率20%。页岩气井的生产是一个需要进行多次重复压裂的过程。一般初次压裂后,随着时间的推移与压力的释放,原来由支撑剂保持的敞开裂缝逐渐闭合,产量大量释放。通过重复压裂可以恢复产量,二次压裂后产量可以接近甚至超过初次压裂的产量。重复压裂后采收率可以提高10%,可采储量增加60%。

通过此两项技术的运用,提高了页岩的渗透率,单井产量可为直井的10~15倍,同时页岩气的开发开采成本也大幅降低。

2019年,中国地质调查局组织实施了鄂西页岩气科技攻坚战,进行了“三位一体”的页岩气资源评价,远景区地质资源量是11.68万亿立方米,技术可采资源量1.37万亿立方米,有利区地质资源量3.27万亿立方米,目标区地质资源量8640亿立方米,具备建成百亿立方米产能的资源基础。不久的将来有望与重庆涪陵、四川长宁形成“三足鼎立”的局面。

页岩气钻井井场

真正具有商业开采价值的页岩气,必须具有优质的烃源岩。通过地质特征的评价,可以衡量一套页岩地层是否具有商业价值页岩气勘探开发的潜力。目前,进行页岩气经济开发的页岩或核心区通常是指TOC值大于2%、处在生气窗内,脆性矿物含量大于40%。有效厚度大于30米~50米时足以满足商业开发要求。根据北美和我国南方页岩气的统计分析及关键试验结果,页岩气需要具备如下主要地质和开发特点。

1. 源储一体,成藏、持续聚集

页岩气为典型的源储一体的自生自储含气系统,暗色富有机质页岩既是优质气源岩,又是天然气聚集和储存的场所。高产富集页岩气成熟度R0>1.4%,尤以 R0>2.0% 部分为页岩气生产的主体,反映出页岩气以热降解气与原油热裂解气等热成因气为主。

2. 无明显圈闭界限,富集仍需要良好封盖层

传统油气勘探中,核心目标是寻找油气圈闭。与之不同,页岩气的形成、聚集都在页岩中,源储一体,含气范围与有效气源岩基本相当,没有明显圈闭界限,无统一气水界线,不存在传统意义上的圈闭,含水少,大面积层状连续含气,较易保存。即使抬升、散失,也很难完全破坏。但要形成高产富集,仍需要良好的保存条件,区域盖层或封闭条件仍必不可少。

3. 储层致密,以纳米孔隙为主

页岩气储层以暗色的富有机质页岩为主,肉眼看虽然岩心上的孔隙,可是在电子显微镜下,可以看到很多纳米级孔隙,页岩孔隙分析结果显示,页岩普遍具有低孔隙度和超低渗透致密特点。只有在断裂和裂缝发育区域孔隙度和渗透率才比较高。

4. 吸附态和游离态两种主要赋存方式

页岩气赋存方式多样,主要有游离态、吸附态及溶解态等,以游离态、吸附态为主。游离态与常规天然气相似,吸附态与煤层气相似。一般温度小低于75℃时,甲烷以水合物吸附,温度高于75℃时,甲烷在水分子及空隙空间填充。影响页岩储层吸附气及游离气含量的因素很多,如有机质含量、地层压力、裂缝发育程度等。

5. 页岩气具有独特的开采机理,采收率变化大等特点

在开采机理上,页岩气与其他类型天然气既有相似性,也有明显差异,其显著特征是以非达西流为主,生产过程中基本不产水或产水很少。游离气与常规天然气相似,储层物性愈好,游离气含量愈高。在开采机理上,页岩气早期以产出游离气为主,类似于常规天然气的开发,其后的产出与煤层气类似,以吸附气的解吸、扩散为主。据美国主要页岩气产地盆地统计,页岩气藏的采收率变化范围为12%~35%。如埋藏浅、地层压力较低、有机质丰度较高,吸附气含量高的页岩气藏采收率可达到26%;而埋藏较深、地层压力较高、吸附气所占比例较低的页岩气藏,早期为7%~8%,随着水平井和压裂技术的进步,可达到13.5%的采收率,最终采收率可达到25%。

美国通过大规模地开发页岩油气掀起了“页岩气革命”,不但实现了能源独立,而且自给有余,由油气进口国转变为油气出口国。我国的油气对外依存度持续增长,开发利用页岩气可以有效地缓解油气供需矛盾,对保障国家能源安全十分重要。□

(作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

网站编辑:宫莉

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