ok中国地质大学(北京)张金川—页岩气历史、现状与未来

1、页岩气历史、现状与未来页岩气历史、现状与未来History，Current Situationand Future of Shale Gas中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）China University of Geosciences, Beijing张金川张金川Zhang Jinchuan页岩气国际学术研讨会页岩气国际学术研讨会内容提要内容提要OutlookOutlooku页岩气页岩气uWhat is shale gasWhat is shale gasu页岩气特点页岩气特点uCharacteristics of shale gasCharacteristics of shale g

2、asu美国页岩气发展美国页岩气发展uShale gas history in USAShale gas history in USAu页岩气的未来页岩气的未来uShale gas in the futureShale gas in the future天然气吸附状态游离状态溶解状态深盆气深盆气常规气常规气油溶气水溶气水溶气页岩气煤层气煤层气水合物水合物页岩气：主体上以吸附和游离状态赋存于泥、页岩地层中的天然气聚集页岩气：主体上以吸附和游离状态赋存于泥、页岩地层中的天然气聚集( (张金川等，张金川等，2003)2003)。Shale gas, is the adsorbed and free g

3、as remained in source rocks as shale or mudstone, even in pelitic siltstone or siltpelite.Steve Drake,2007Steve Drake,20070.050.0050.10.250.51.02.0砾巨砂粗砂中砂细砂细粉砂粘土粗粉砂颗粒直径（mm）湖北（志留统龙马溪组）湖北（志留统龙马溪组）Longmaxi Shale in Hubei Province, Lower Silurian重庆彭水（下志留统龙马溪组）重庆彭水（下志留统龙马溪组）Longmaxi Shale in Chongqing, L

4、ower Silurian云南（下寒武统）云南（下寒武统）Black Shale in Yunnan Province, Lower Cambrian江西（下寒武统）江西（下寒武统）Black Shale in Jiangxi Province, Lower Cambrian页岩气的聚集至少存在两种机理页岩气的聚集至少存在两种机理(A)(A)游离相态的天然气聚集游离相态的天然气聚集，其中天然气的分布，其中天然气的分布受控于页岩中孔隙空间的发育，受控于其中受控于页岩中孔隙空间的发育，受控于其中裂缝的分布。裂缝的分布。(B)(B)吸附作用机理吸附作用机理，页岩气的赋存聚集机理在吸，页岩气的赋存聚集

5、机理在吸附作用特征上与煤层气具有相似之处，即受附作用特征上与煤层气具有相似之处，即受控于页岩颗粒表面物质的吸附作用。控于页岩颗粒表面物质的吸附作用。 ShaleTight sandsGas-bearing fractureConventional reservoirNatural gasBasementReplacement migration in conventional reservoirPiston-typed migration in tight sand reservoirComplex transition migration in shalebitumen 从成因角度，从成因角

6、度，页岩气可以理页岩气可以理解为泥页岩地解为泥页岩地层中未被及时层中未被及时排出的残留气。排出的残留气。页岩页岩Shale致密砂岩致密砂岩Tight sands含 气 裂 缝 带含 气 裂 缝 带Gas-bearing fracture常规砂岩常规砂岩Conventional sandstone天然气天然气Natural gas （after Martin）黑色页岩自燃现象：1n黑色页岩由于硫、磷化物的自燃而燃烧钻井过程中的疑似气显钻井过程中的疑似气显 具有普遍发现意义的岩芯逸气具有普遍发现意义的岩芯逸气Gas escaping from shale cores页岩气研究意义页岩气研究意义Re

7、search Significances for Shale Gas（1 1）普遍意义：滞留是主体）普遍意义：滞留是主体 Universality: remaining is the main body（2 2）复合机理：游离）复合机理：游离+ +吸附吸附 Mechanism: composing by freedom and absorption（3 3）经济价值：成本并不昂贵）经济价值：成本并不昂贵 Economic: costing is not expensive（4 4）应用前景：突破口和热点）应用前景：突破口和热点 Prospects: breakthrough and hot t

8、opic内容提要内容提要OutlookOutlooku页岩气页岩气uWhat is shale gasWhat is shale gasu页岩气特点页岩气特点uCharacteristics of shale gasCharacteristics of shale gasu美国页岩气发展美国页岩气发展uShale gas history in USAShale gas history in USAu页岩气的未来页岩气的未来uShale gas in the futureShale gas in the future两种类型页岩气两种类型页岩气Classification of shale ga

9、s页岩气基本特点页岩气基本特点()岩性：多为富含有机质的暗色、黑色页岩、高碳页岩性：多为富含有机质的暗色、黑色页岩、高碳页岩及含沥青质页岩，总体上表现为暗色页岩类与浅色岩及含沥青质页岩，总体上表现为暗色页岩类与浅色粉砂岩类的薄互层。粉砂岩类的薄互层。()岩石组成：一般为岩石组成：一般为30-50%的粘土矿物、的粘土矿物、15-25%的的粉砂质（石英颗粒）和粉砂质（石英颗粒）和2-25%的有机质。的有机质。()成因：可主要来源于生物作用或热成熟作用。成因：可主要来源于生物作用或热成熟作用。()有机地球化学指标：有机地球化学指标：TOC一般不小于一般不小于2%，Ro大于大于0.4%()页岩本身既是

10、气源岩又是储气层。页岩本身既是气源岩又是储气层。（）孔隙度一般小于（）孔隙度一般小于10%，而含气的有效孔隙度一，而含气的有效孔隙度一般只有般只有1-5%。渗透率则随裂缝的发育程度不同而有。渗透率则随裂缝的发育程度不同而有较大变化。较大变化。（）页岩中具有广泛的饱含气性，天然气的赋存状（）页岩中具有广泛的饱含气性，天然气的赋存状态多变，以吸附态或游离态为主，吸附状态天然气的态多变，以吸附态或游离态为主，吸附状态天然气的含量变化于含量变化于20-90%之间，一般为之间，一般为50%左右，溶解态左右，溶解态仅有少量存在。仅有少量存在。（）页岩气成藏具有隐蔽性特点，可以不需要常规（）页岩气成藏具有隐

11、蔽性特点，可以不需要常规圈闭存在，但当裂缝在其中发育时，有助于游离相天圈闭存在，但当裂缝在其中发育时，有助于游离相天然气的富集和自然产能的提高。然气的富集和自然产能的提高。（）当页岩中发育的裂隙达到一定数量和规模时，（）当页岩中发育的裂隙达到一定数量和规模时，构成天然气勘探的有利目标甜点。构成天然气勘探的有利目标甜点。 福特沃斯福特沃斯BarnettBarnett（MontgomeryMontgomery，20052005）美国含气页岩主要特征美国含气页岩主要特征 （据Curtis,2002英制单位换算） 伊利诺斯0.10.11 110H/10mToc/%Ro/%g/Qg/m3/t阿巴拉契亚0

12、.10.11 110H/10mToc/%Ro/%g/Qg/m3/t密执安0.10.11 110H/10mToc/%Ro/%g/Qg/m3/t福特沃斯0.10.11 110H/10mToc/%Ro/%g/Qg/m3/t圣胡安0.10.11 110H/10mToc/%Ro/%g/Qg/m3/t g：含气孔隙度：含气孔隙度/；Qg：平均吸附含气量：平均吸附含气量/m3/t；Ro：最大平均镜质体反射：最大平均镜质体反射率率/%；H：页岩最小平均净厚度：页岩最小平均净厚度/10m；Toc：有机碳最大平均含量：有机碳最大平均含量/%500500kmkmSan Juan:San Juan: Lewis Le

13、wisIllinois:Illinois:New AlbanyNew AlbanyAppalachian:Appalachian:OhioOhioMichigan:Michigan:AntrimAntrimFort Worth:Fort Worth:BarnettBarnett产气页岩特点产气页岩特点TOC：一般一般2%，最好在，最好在2.5 3.0%以上以上Ro：一般一般0.5%（型型）或）或1.2% （型型） ，美国主要页，美国主要页岩气层为岩气层为0.4-3.5%厚度：厚度：一般一般 10m页岩特点：页岩特点：脆性矿物含量高、微裂缝发育，其中石英、长脆性矿物含量高、微裂缝发育，其中石英、

14、长石等矿物含量大于石等矿物含量大于30% 40%产气区：产气区：盆地中心区、斜坡区，即优质烃源岩发育区盆地中心区、斜坡区，即优质烃源岩发育区产液特点：产液特点：部分页岩产轻质油，生物成因页岩气可产水部分页岩产轻质油，生物成因页岩气可产水水平钻井技术页岩气开发页岩气开发核心技术水力压裂技术页岩气开发核心技术内容提要内容提要OutlookOutlooku页岩气页岩气uWhat is shale gasWhat is shale gasu页岩气特点页岩气特点uCharacteristics of shale gasCharacteristics of shale gasu美国页岩气发展美国页岩气发展

15、uShale gas history in USAShale gas history in USAu页岩气的未来页岩气的未来uShale gas in the futureShale gas in the future美国页岩气勘探开发历程美国页岩气勘探开发历程（1） 1821年，美国第一口工业性天然气钻井（年，美国第一口工业性天然气钻井（8m深深度时产出泥盆系页岩裂缝气）度时产出泥盆系页岩裂缝气） 该井实际上就是页岩气井（该井实际上就是页岩气井（ChautauquaChautauqua县浅埋的县浅埋的泥盆系泥盆系DunkirkDunkirk页岩），当时产气量少未引起重视，页岩），当时产气量少

16、未引起重视，但就此拉开了美国天然气工业发展的序幕。此后，美但就此拉开了美国天然气工业发展的序幕。此后，美国的页岩气陆续发现。国的页岩气陆续发现。产页岩气盆地产页岩气盆地其它含页岩气盆地其它含页岩气盆地产气区域产气区域阿巴拉契亚阿巴拉契亚盆地盆地伊利诺斯伊利诺斯盆地盆地密执安密执安盆地盆地圣胡安盆圣胡安盆地地福特沃斯盆地福特沃斯盆地 威利斯顿威利斯顿盆地盆地丹佛盆丹佛盆地地阿纳达科阿纳达科盆地盆地尤因塔尤因塔盆地盆地皮申斯皮申斯盆地盆地美国页岩气盆地分布图美国页岩气盆地分布图（据（据GTI,USAGTI,USA，20032003） 18211821年年HartHart在纽约的在纽约的Fredon

17、iaFredonia完成完成第一口商业性气井第一口商业性气井1859.8.271859.8.27（2）1926年，泥盆系页岩（东肯塔基和西弗吉尼亚年，泥盆系页岩（东肯塔基和西弗吉尼亚气田）形成了当时世界上最大的天然气田。气田）形成了当时世界上最大的天然气田。（3）1973年阿以战争期间的石油禁运和年阿以战争期间的石油禁运和1976-1977年年间的第一次石油危机促使美国能源部间的第一次石油危机促使美国能源部(DOE)投入大量投入大量资金用于页岩气研究，加快了天然气勘探研究的步伐。资金用于页岩气研究，加快了天然气勘探研究的步伐。（4 4）19761976年，美国能源部及其以后的能源研究和开年，美

18、国能源部及其以后的能源研究和开发署（发署（ERDAERDA）联合了国家地质调查所、州级地质调查）联合了国家地质调查所、州级地质调查所、大学以及工业团体，发起并实施了针对页岩气研所、大学以及工业团体，发起并实施了针对页岩气研究与开发（究与开发（R & DR & D）的东部页岩气工程。）的东部页岩气工程。 （5 5）从）从19801980年开始，天然气研究所（年开始，天然气研究所（GRIGRI）开始对东）开始对东部页岩气进行系统研究，部页岩气进行系统研究，导致新的发现不断产生并使导致新的发现不断产生并使页岩气产储量进一步提高。页岩气产储量进一步提高。随后的页岩气勘探和研究随后的页岩

19、气勘探和研究迅速向其它地区盆地扩展，页岩气研究全面展开。迅速向其它地区盆地扩展，页岩气研究全面展开。美国美国4848州页岩气盆地分布图州页岩气盆地分布图（据（据GTI,USAGTI,USA，2003 2003 ；Franz and Jochen, 2005, Pollastro 2005Franz and Jochen, 2005, Pollastro 2005等编绘等编绘 ）500km500kmSan Joaquin:San Joaquin: McClureMcClureUnita:Unita:Green RiverGreen RiverParadox:Paradox:Cane CreekC

20、ane CreekSan Juan:San Juan: Lewis & Mancos Lewis & MancosDenver-Julesburg:Denver-Julesburg:NiobraraNiobraraPowder River:Powder River: Gammon GammonWilliston:Williston:BakkenBakkenIllinois:Illinois:New AlbanyNew AlbanyAppalachian:Appalachian:Devonian / OhioDevonian / OhioMichigan:Michigan:Ant

21、rimAntrimFort Worth:Fort Worth:BarnettBarnettPermian:Permian:Barnett & WoodfordBarnett & WoodfordAnadarko:Anadarko:Woodford & CaneyWoodford & CaneyGreater Green River:Greater Green River: Lewis, Mowry & NiobraraLewis, Mowry & NiobraraBig HornBig Horn：Wind RiverWind River：Sant

22、a Maria:Santa Maria: Monterey MontereyMarfa:Marfa:Barnett & WoodfordBarnett & WoodfordBlack Warrior:Black Warrior:Floyd & ConasaugaFloyd & Conasauga RatonRaton：Palo DuraPalo DuraPiceance :Piceance :Green RiverGreen RiverArk-La-Tex:Ark-La-Tex:BossierBossierKerrKerr：Val VerdVal Verd：Pa

23、lo DuraPalo Dura：Crazy MountainsCrazy Mountains： 盆地名称盆地名称: :页岩名称页岩名称已开发页已开发页岩气盆地岩气盆地图例图例Williston:Williston:BakkenBakken具页岩气具页岩气潜力盆地潜力盆地页岩气盆地页岩气盆地发育有利带发育有利带Forest City:Forest City:Excello/MulkyExcello/Mulky加加美美国国拿拿大大Arkoma:Arkoma:Fayetteville /Fayetteville /Caney & woodfordCaney & woodford美国

24、典型页岩气盆地：页岩气开发重点盆地美国典型页岩气盆地：页岩气开发重点盆地6个，包括个，包括Barnett、Marcellus、Fayetteville、Haynesville、Antrim、Woodford、Lewis、 New Albany 八套页岩。八套页岩。 美国的页岩气主要发现于中美国的页岩气主要发现于中-古生界（古生界（D-K）地层中，勘探开发主要）地层中，勘探开发主要集中在东北部和中西部地区。集中在东北部和中西部地区。BarnettBarnett页岩气藏钻井数量页岩气藏钻井数量（截止到（截止到20062006年年9 9月）月）（转引自（转引自David F. MartineaDav

25、id F. Martinea，20072007，TotalTotal篇）篇） Barnett Barnett 页岩钻井页岩钻井J.Lafield，2007Newark East油田油田Mitchell Energy 2 Boyd Townsite老井典型的生产历史老井典型的生产历史开始以低速度和平缓下降生产，后期由于采用了新的水基增产措施，产量急剧上开始以低速度和平缓下降生产，后期由于采用了新的水基增产措施，产量急剧上升。估计这口井最终的产量为升。估计这口井最终的产量为0.85 bcf。（转引自。（转引自Scott L. Montgomery，2005） 年产量年产量占美国天然气年产量百分比占

26、美国天然气年产量百分比5050100100150150200200250250年年4.54.54.04.03.53.53.03.02.52.52.02.01.51.51.01.00.50.50.00.0亿方亿方%8080 8181 8282 8383 8484 8585 8686 8787 8888 8989 9090 9191 9292 9393 9494 9595 9696 9797 9898 9999 0000 0101 0202 0303 0404 05050 0常规储层气常规储层气66%66%致密气致密气24%24%煤层气煤层气6%6% 页岩气页岩气4%4%已发现天然气可采已发现天然

27、气可采储量储量500k500km mSan Juan:San Juan: Lewis & Lewis & MancosMancosWilliston:Williston:BakkenBakkenIllinois:Illinois:New New AlbanyAlbanyAppalachian:Appalachian:Devonian / Devonian / OhioOhioMichigaMichigan:n:AntrimAntrimFort Fort Worth:Worth:BarnettBarnettBlack WarriorBlack WarriorArkoma:Arko

28、ma:Fayetteville Fayetteville / /Caney & Caney & woodfordwoodford（Navigant Consulting, Inc. 2008） 在过去的在过去的10多年中，美国非常规天然气的产量增加了多年中，美国非常规天然气的产量增加了65%，由，由1998年年1528108m3增至增至2007年的年的2519108m3，非常规天然气产，非常规天然气产量已占到美国天然气总产量的量已占到美国天然气总产量的46%。美国页岩气产量及增长趋势美国页岩气产量及增长趋势 主体在主体在19981998年之前，我国研究者通常使用年之前，我国研究

29、者通常使用“泥泥页岩油气藏页岩油气藏”、“泥岩裂缝油气藏泥岩裂缝油气藏”以及以及“裂缝性裂缝性油气藏油气藏”等术语对该类气藏进行描述和研究，并在等术语对该类气藏进行描述和研究，并在主体上将该类油气藏理解为主体上将该类油气藏理解为“聚集于泥页岩裂缝中聚集于泥页岩裂缝中的游离相油气的游离相油气”，认为油气的存在主要受裂缝控制，认为油气的存在主要受裂缝控制而很少考虑其中的吸附作用。而很少考虑其中的吸附作用。 自自6060年代以来，我国陆续开始在不同盆地中发年代以来，我国陆续开始在不同盆地中发现了工业性泥岩裂缝油气藏，在许多盆地中发现了工业性泥岩裂缝油气藏，在许多盆地中发现并开发了泥岩裂缝油气藏。现并

30、开发了泥岩裂缝油气藏。进入进入9090年代以来，我国不少学者都对泥页岩裂年代以来，我国不少学者都对泥页岩裂缝性（油）气藏进行了成藏规律总结。缝性（油）气藏进行了成藏规律总结。泥岩裂缝油气藏主要圈闭类型（泥岩裂缝油气藏主要圈闭类型（张金功等，张金功等，20022002）传统泥页岩裂缝油气与典型页岩气比较传统泥页岩裂缝油气与典型页岩气比较 现现 今今18211821：第一口商业性天：第一口商业性天然气井（页岩裂缝）然气井（页岩裂缝） 美国美国中国中国19601960：陆续开始发现泥：陆续开始发现泥页岩裂缝油气页岩裂缝油气 19951995、19961996：裂隙气：裂隙气19941994：页岩气译

31、文：页岩气译文20002000：页岩气机理研究：页岩气机理研究2008:2008:页岩气取芯井页岩气取芯井1980198019701970196019602000200020102010199019902009:2009:页岩气试验井页岩气试验井现今现今: :页岩气合作开发页岩气合作开发20052005、2007:2007:基金委立项基金委立项2005:2005:页岩气占总气页岩气占总气4.5%4.5%2009:2009:页岩气钻井页岩气钻井4 4万口万口1985:1985:页岩气产量陡增页岩气产量陡增1975:1975:裂隙气工业化生产裂隙气工业化生产1980:1980:页岩气应用研究页岩气

32、应用研究2002:2002:取消页岩气优惠取消页岩气优惠19261926：页岩裂缝气成为：页岩裂缝气成为世界最大气田世界最大气田1976:1976:东部页岩气工程东部页岩气工程 - -页岩气理论研究页岩气理论研究1998:1998:页岩气占总气页岩气占总气1.6%1.6%2009:2009:页岩气占页岩气占13-15%13-15%1980:1980:实施优惠信贷政策实施优惠信贷政策中美页岩气勘探与研究主要事件表中美页岩气勘探与研究主要事件表内容提要内容提要OutlookOutlooku页岩气页岩气uWhat is shale gasWhat is shale gasu页岩气特点页岩气特点uCharacteristics of shale gasCharacteristics of shale gasu美国页岩气发展美国页岩气发展uShale gas history in USAShale gas history in USAu页岩气的未来页岩气的未来uShale gas in the futureShale gas in the future页岩气富集基本条件页岩气富集基本条件（1 1）页岩的规模性发育）页岩的规模性发育（2