页岩气勘探开发的现状与思考

页岩气勘探开发的现状与思考

随着我国经济的快速发展，石油和天然气的需求迅速增加。2011年,我国石油表观消费量达4.7×108t,比2010年增长4.5%,对外依存度达56.7%;天然气表观消费量达1290×108m3,同比增长20.6%,对外依存度达23.8%;2011年,国内石油、天然气产量仅分别增长0.3%和7.9%,远低于同期油气消费量的增速,供需矛盾不断加大。近10年来,国外非常规油气产量快速增长,尤其是美国的页岩气产量成倍增长,从2005年的196×108m3增长到2011年的1760×108m3,这对于美国天然气产量超越俄罗斯发挥了关键作用,在世界范围内引发了一场“页岩气革命”。中国海相地层面积大、页岩气资源潜力巨大,成功开发我国的页岩气资源,对于缓解国内能源供需矛盾、保障国家能源安全将会发挥重要作用。1加大加大反应开发力度,提高产品研发效益全球范围内,常规油气资源非常丰富,但非常规油气资源更加丰富,据美国地质调查局(USGS)和美国能源部能源信息署(EIA)2009年估计,全球非常规石油(重油、天然气沥青和页岩油等)可采资源量约为4495×108t,与常规石油资源基本相当;全球非常规天然气(煤层气、致密砂岩气、页岩气和天然气水合物等)可采资源量为4000×1012m3,是常规天然气资源量的8倍左右。目前非常规油气的开发利用技术日趋成熟,已成为常规石油天然气最现实的接替资源。美国页岩气、致密气、煤层气、致密油,加拿大油砂油、煤层气,巴西和墨西哥湾深海油气、委内瑞拉重油等的规模开发,使西半球非常规油气产量快速增长。2011年,全球非常规天然气产量迅速上升到4000×108m3/a,非常规天然气已经成为一支不容忽视的能源新力量。美国是全球非常规天然气开发利用的领军国家,其非常规天然气的勘探开发历经百年,规模开发探索了30年,近10年获得了迅速发展(图1),2011年非常规天然气产量达3628×108m3,占其天然气总产量的55.7%。世界石油版图以往一直是以中东为中心,然而一张新的世界石油版图正在逐步显现,即将形成两个供油中心:以中东地区为主的东半球“常规油气中心”和以美洲地区为核心的西半球“非常规油气中心”。西半球“非常规油气中心”将在未来世界能源结构和地缘政治中扮演重要的角色。但它的出现总体带有偶然性,5年前,全球还没有人预测到它的出现。它的形成既不是计划的结果,也不是美国“能源独立”政策的成果,而是持续深入的基础研究和技术创新的硕果。非常规油气已成为国内外油气行业研究和关注的热点,中国石油评选的“2011年国际石油十大科技进展”中,其中有4项内容与非常规油气勘探开发直接相关:(1)储层物性纳米级实验分析技术投入应用,改变了传统的储层孔喉结构表征方法,建立了非常规储层性质有效评价体系,大大拓展了全球油气勘探领域;(2)致密油开发关键技术突破实现工业化生产应用,使美国致密油开发取得突破,将引领和带动全球致密油勘探开发进程;(3)综合地球物理方案提高非常规油气勘探开发效益;(4)水平井钻井技术创新推动页岩气大规模开发。2岩浆岩气资源的质量和典型特征2.1全球页岩气资源量全球页岩层广泛发育,页岩气资源量巨大。凡是有天然气生成的盆地,理论上讲都应该存在页岩气,特别是海相、湖相、海陆过渡相及煤系地层。世界能源委员会(WoldEnergyCouncil,2010)估计全球页岩气资源量约为400.7×1012m3。美国能源信息署对美国等33个国家的14个油气区、48个含页岩气盆地和70个页岩层的页岩气资源进行评估后得出,页岩气技术可采资源量为187.6×1012m3(不包括俄罗斯、中亚、中东、东南亚和中非等地区),其中美国为24.4×1012m3。2.2岩气资源量评价中国页岩气资源丰富。2012年3月,国土资源部公布全国页岩气资源评估报告,评价工作历时3年,范围涵盖了全国41个盆地和地区、87个评价单元、57个含气页岩层段,经初步评价,中国陆域页岩气地质资源潜力为134.42×1012m3,可采资源潜力为25.08×1012m3(不含青藏区),页岩气资源量是常规天然气资源量的2.4倍。美国能源信息署对中国最有前景的四川盆地(扬子地台)和塔里木盆地进行详细评估后,得出中国页岩气技术可采资源量为36.1×1012m3,排名世界第一(约占全球页岩气总可采资源量的20%)。2.3岩浆岩的典型特征2.3.1“地-气”运移页地层内而大岩储-运移页域烃源岩排烃后烃类气体(主要是甲烷)基本无运移或页岩层内短距离运移,属于“自生自储”,而常规天然气要经过二次运移,从生气层运移到储气层(圈闭)中聚集成藏(图2)。2.3.2页岩气储层孔径特性分析页岩内孔隙类型多样,大小以微—纳米级为主。北美地区页岩气储层纳米级孔径范围为5~160nm,主体为80~100nm;我国寒武系—志留系页岩气储层纳米级孔隙直径范围为5~300nm,主体为80~200nm。2.3.3工业气流来源及采空气量预测据北美页岩气开发实践,所有页岩气井初期裸眼测试无自然产能或初始无阻流量没有工业价值,都要实施储层压裂改造才可获得工业气流。单井初期日产量直井一般为2800~8000m3、水平井一般为15000~33000m3。但是,页岩气井开采寿命长,一般为30~50a,美国联邦地质调查局最新数据(2008年)显示Barnett页岩气田的开采寿命最长可达100a。2.3.4天然气天然气边缘资源页岩气一般具有“低丰度、低渗透率、低产量”的特点,与常规天然气相比,属于典型的“边缘资源”(表1)。因此,开发页岩气须采用不同于常规天然气的理念、思路与技术。3中国岩气勘探和开发的现状和问题3.1岩气资源和开发工作目前,页岩气勘探开发在我国学术界、政府和企业界已形成了基本共识:学术界跟踪国外页岩气勘探开发进展与技术,研究我国页岩气地质特点和相关理论实验技术;政府将页岩气设成独立矿种,发布了页岩气发展规划,正在陆续出台扶持政策;企业界纷纷参与页岩气探矿权招标,引进国外先进技术,开展钻探试验探索和组织技术攻关。截至2012年3月底,石油企业共完成页岩储层二维地震94441.02km,三维地震541.86km2。根据国家能源局2012年6月公布的数据,中国各相关企业已在页岩气开发实验区钻井62口,其中24口井已获工业气流。2011年我国政府和企业在页岩气领域共投资14亿元。国土资源部从2009年到2011年底,先后在重庆、浙江、贵州等省(市)钻探了渝页1井等9口井,进行页岩气资源战略调查,其中4口井获页岩气发现,2口井获页岩气显示,2口井获页岩气流。中国石油天然气股份有限公司(以下简称中国石油)已在四川的长宁、威远、富顺、永川,云南昭通等开展页岩气勘探开发。其中我国第一口页岩气水平井———威201-H1井于位于四川盆地南部,2011年2月完钻,井深2835.6m,水平段长1079m;分11段压裂,加石英砂584.6m3,入地总液量23654m3,井下微地震监测显示,初步达到了规模体积压裂的效果,目前日产气量13×104m3。中石油与壳牌合作区块的水平井阳201井,测试平均日产气量为45.0×104m3,井口套压48.3MPa,表现出良好的高产潜力(图3)。中国石油化工股份有限公司(以下简称中国石化)已在重庆建南、涪陵,四川元坝,江苏黄桥,贵州凯里,湖北利川,河南泌阳等开展页岩气勘探开发工作。四川元坝地区的元坝21井在陆相页岩层自流井组大安寨段常规射孔测试,获日产50.7×104m3的高产气流。延长石油集团在陕西延安等地已开展页岩气勘探开发工作,截止到2012年6月,已完成页岩气钻井16口,成功压裂7口。其中位于甘泉县下寺湾地区的柳评177井压裂试气并成功点火,成为我国陆相页岩气第一口产气井。其他非油气行业企业也已介入页岩气勘查、开发工作。中国华电集团已与湖南省、江西省签署合作协议进行页岩气的勘查开发。中国神华集团成立了地质勘探分公司开展页岩气相关工作,制定了页岩气发展规划,正在争取页岩气开发区块。3.2页岩气产业发展现状目前我国页岩气勘探开发存在的主要问题概括为“两高四多两少”,分述于下。1)热情高:想抢占页岩气开发制高点的企业公司多,油气企业、电力企业、煤炭企业、有色金属企业、地方企业、民营企业、国外企业、投资公司等纷纷涉足页岩气开发,而且热情高涨,认为页岩气是一个“大蛋糕”,不切一块,会吃大亏。2)调子高:网络、电视、报纸等舆论媒体纷纷将页岩气开发利用描述成“页岩气革命”“页岩气将改变中国能源布局”“将取代传统能源”“中国页岩气资源量世界第一”“中国将进入页岩气成长的黄金期”等。3)规划多:国家规划2015年页岩气产量达到65×108m3,2020年达到600×108~1000×108m3。几乎所有涉足页岩气的企业都有自己的页岩气发展规划。4)研讨会多:有关统计全国平均每5天就有一次100人以上、与页岩气相关的大型研讨会。5)成立机构多:油气企业都建立了页岩气勘探开发研究机构,理工科大学设了或准备设立页岩气研究机构,许多省市成立了页岩气主管部门和勘探开发公司。6)出国考察多:着手开展页岩气业务的公司几乎都出国考察,而考察路线、内容等几乎雷同,都是入门级的。7)投资少:2011年全国累计钻探73口井,投资约11亿元人民币,投入的实物工作量太少。据国土资源部的数据,2011年,我国在页岩气领域投资仅14亿元,其中政府投资1亿元,油气公司投资13亿元,只占2011年全国油气投资的2.3%。按2020年页岩气产量目标测算,10年内所需投资为4000亿元~6000亿元。也就是平均年需投资400亿元~600亿元。8)政策支持少:到目前国家仅出台了页岩气补贴优惠政策。4美国页岩气勘探的技术难点页岩气作为赋存于泥页岩或页岩中的非常规天然气,开采难度大是显而易见的。目前,全球只有美国完全掌握了页岩气勘探开发相关技术,实现了页岩气资源的规模经济开发。基于下述2个原因,要实现我国页岩气大规模经济有效开发,必须在借鉴国外经验的基础上,走中国式的页岩气发展之路,走协同创新之路。1)美国与我国页岩气地质条件有一定差别,不可简单照搬美国技术。美国页岩本身硅质含量高,易压裂,而中国页岩泥土含量高,压裂之后容易塌陷。这就决定了我国页岩气开发不能照搬美国技术。2012年6月,由于在波兰东部的2口测试井未能发现有商业价值的页岩气储量,石油巨头埃克森美孚公司宣布暂停波兰境内的页岩气勘探工作,这是继英国3Legs资源公司和美国BNP石油公司之后,又一家石油巨头在波兰的页岩气开采中遭遇失利,这也说明了美国页岩气勘探开发技术具有一定的局限性。2)实现页岩气规模开发的关键主要有两方面:(1)核心技术,包括纳米孔喉储层系统连续型油气聚集地质理论、水平井多级水力压裂技术;(2)管理方法,主要是一系列低成本做法,包括平台式“工厂化”施工模式等。这些核心技术根本买不到,也很难学到,美国低成本做法不一定适合我国页岩气开发的国情。4.1中国岩气勘探和开发的一般方法4.1.1技术、从简、从省、实用的概念页岩气资源的本质特性是低品位资源、边际资源,即“贫矿”。开发这类资源,必须树立“低品位资源开发工程观”即“低成本”的基本理念,全过程坚持“从简、从省,适用新技术”“积少成多、斤两不拒”的理念。“从简”是指结合页岩气单井产气量低、开发投资大的实际,从简制订开发方案、简化地面工艺流程。“从省”是指勘探开发投入精打细算,努力节约每一元钱。“适用新技术”是指一切技术不一定要追求最新最好,而是要“适用”且“实用”,前者是技术要对路,后者指不追求“花架子”,经济划算即可。“积少成多、斤两不拒”是指由于页岩气井单井产量低、钻井数量多,产出的每一立方米气都要珍惜、利用,绝不浪费,一点一点地积累,时间长了,井数多了,就有可能形成可观的规模。4.1.2预测基层井,保证储层精细地层页岩气资源开发,须坚定不移地执行“以技术为先”的策略,改进、创新勘探开发技术,借鉴其他类似资源开发的成功经验,探索形成一条花费较少、时间较短、易出成果的可行途径。1)资源识别技术。识别资源是开发资源的前提,而识别的差距在于主要参数测定的差异,产生这种差距的原因是试验技术和设备的落后。因此,必须引进或研发先进的页岩气资源评价的方法和设备,有效识别页岩气资源,制定适合我国地质特点的页岩气评价标准。2)预测资源寿命周期。页岩气井的单井低产和产量递减特点决定了其与常规油气井的不同,所钻的页岩气井不一定都有效益。要保证页岩气开发井有效益,须采用寿命周期预测技术,预测其初始产量和稳产年限,进而筛选资源、优化技术和设备管材。3)贝叶斯信念网络评估。贝叶斯信念网络是一种以图形模型描述变量间相互关联的概率分布的数学工具,即基于概率推理的图形化网络,直观描述事物之间的因果关系。它是为解决不定性和不完整性问题而被提出来的,对于描述复杂的不确定性和关联性引起的问题具有很大的优势,在许多领域已获得了广泛的应用。将这一工具应用到页岩气资源勘探开发过程,可以有效评估遇到的各种问题,辅助做出最优化决策。4)层序地层学的作用。层序地层学主要据地震、钻井和露头资料对沉积盆地进行地层解释及有关沉积环境和岩相的解释。应用层序地层学的原理和方法,可以辨识泥页岩系统性变化的特性,可以探索和预测对于油气藏经济开发成功具有关键意义的储层特性。5)致力于低成本技术开发。从“鉴别机会、评价、商业应用”3个步骤开发专有技术,经过“研究、应用、培训”3个环节,使技术产生最大效益。6)定义“甜点”及可能的富集区。从泥页岩的孔隙度、渗透率、裂隙、层理、脆性矿物含量、薄夹层发育程度、储层压力系数的方面进行综合评价,预测可能的页岩气富集区及“甜点”。7)使页岩气井性能发挥到物理极限。采用先进的钻井设备和钻井工艺,提高钻井速度;利用随钻测量和测井技术,实时诊断和控制井眼,提高井眼管理水平;针对储层特点,量身定制完井方式;利用全尺寸设备模拟气井生产条件,实现对带颗粒搬运、颗粒堵塞等复杂流动的可视化和随机分析,优化生产参数。同时注重多井计划系统发挥协同效应和系统化设计的监督执行,最终达到钻井性能可靠、区域产量最优、实现低成本油气开发的目的。4.1.3苏里格气田技术持续优化到2011年,我国致密气年产量已达到270×108m3,占全国天然气总产量的26.3%。通过10多年的探索,鄂尔多斯盆地苏里格气田的开发技术不断升级,工程技术持续优化,单井产量稳步提高,开发成本逐年下降(图4),2011年苏里格气田产气量达到136×108m3,成为我国产气量最高的气田,形成了“苏里格模式”。苏里格气田致密气开发模式的核心是“低成本技术体系”和“低成本管理体系”,而且“可复制、可推广”,其原因是存在地质上的相似性。4.1.4关的基础研究页岩气开发的突破,是长期基础研究和技术攻关的结果,是纯数学和纯技术的结果。页岩气相关的基础研究包括:连续型油气聚集成藏理论、页岩储层中裂缝分布与定量预测方法、页岩储层关键评价参数准确测定方法、纳米级孔喉储层油气渗流理论等。关键技术包括:页岩评价与富集区优选技术、页岩参数测试分析技术、水平井钻完井技术、页岩储层多级压裂改造技术等。4.1.5勘探和开发黄岩的基本前提具有勘探开发价值的页岩储层须满足表2所示的基本条件。4.1.6开发二元论提出的背景“二元论”是从我国鄂尔多斯盆地非常规油气勘探开发实践中总结形成的成功做法,是指在页岩气开发建设和技术攻关中,技术创新与管理创新相互结合,集中配置人力、物力、投资、组织等要素,通过集成与集约,以较低的成本实现开发目标(图5)。“开发二元论”是针对非常规油气资源开发提出的。通过技术和管理的不断创新,形成了一套完整的开发工程二元体系,以实现提高单井产量和降低成本为目的,探索出了一条低品位、非常规油气规模有效开发的路子。以开发“二元论”为指导,实践取得的代表性成果有:(1)指导安塞特低渗透油田攻关,建成我国首个大型特低渗透油田;(2)指导苏里格致密气田开发,建成我国目前产气量最高的气田;(3)创建了著名的“安塞油田开发模式”和“苏里格气田开发模式”;(4)创新发展后,引导中国石油长庆油田油气产量快速增长。截至2012年底,该油田日产油气当量突破14.0×104t,已成为我国第一大油气田,2013年将提前2年建成“西部大庆”(年产油气当量超过5000×104t)。4.1.7常规技术入“老”非常规天然气资源开发,根据美国和鄂尔多斯盆地资源开发的经验:“先后退再前进”。“起步阶段,先把常规技术做精做细;具备一定规模后,在认识基本清楚的基础上,再组织高新技术攻关,提高产量,规模开发,集中施工,摊薄成本”。4.2关于加快中国岩气勘探和开发的建议页岩气勘探开发,就总体而言,我国还处于谋划和起步阶段。根据他国的成功经验和中国近年积累的实践经验,现提出如下建议。4.2.1美国成为世界上重要的天然气大国从2006年到2011年,美国页岩气年产量从311×108m3上升到近1800×108m3,年均增长45%,为美国成为世界第一天然气大国发挥了重要作用。我国页岩气资源量大,市场需求旺盛,实现页岩气规模有效开发利用,对于我国降低油气对外依存度、保障国家能源安全是一次战略机遇。4.2.2美国政策扶持页岩气开发页岩气(包括致密砂岩气、煤层气等其他非常规天然气)相