北美页岩气勘探开发现状及对我国的启发

北美页岩气勘探开发现状及对我国的启发内容前言1北美页岩气勘探开发历史与现状2北美页岩气资源潜力3页岩气藏的形成条件4页岩气的评价5北美页岩气勘探开发对我国的启示世界上页岩气勘探开发时间最长、程度最高、研究工作开展最多的国家为美国，其次为加拿大，其它许多国家页岩气的勘探开发和研究普遍还处于刚起步阶段。因此，了解北美地区特别是美国页岩气的勘探开发和研究现状对于我国页岩气勘探开发与研究工作具有重要借鉴意义。前言美国是世界上最早从事页岩气勘探开发的国家。尽管页岩气引起广泛关注只不过是最近几年的时间，但其早在19世纪晚期已在美国阿帕拉契亚山区开始生产〔NEB，2021〕。1821年在纽约州Fredonia附近富泥盆纪有机质的Dunkirk页岩完钻的页岩气井，是美国第一口商业生产的页岩气井〔Curtis，2002〕。这比Drake上校在宾夕法尼亚州所钻的著名的油井早了将近40年。1926年，阿帕拉契亚盆地泥盆纪页岩气已投入商业性开发，并且成为当时最大的气田。1北美页岩气勘探开发历史与现状1.1美国1.1美国1北美页岩气勘探开发历史与现状1.1美国1北美页岩气勘探开发历史与现状USshalegasplaysSource:ScottStevensandVelloKuuskraaImpactontheUSgasbalancegoingforwardSource:USDOEEIA:AnnualEnergyOutlook2021EarlyRelease7,5%24,3%7,8%32,8%13,5%5,9%8,2%1,6%6,3%8,4%54,1%8,8%12,6%8,3%TexasRailroadCommission,20212021年产量395×108m3

1.1美国1北美页岩气勘探开发历史与现状根据高级资源国际(AdvancedResourcesInternational,Inc.)的预测，随着Haynesville和Marcellus页岩气开发的快速开展，美国页岩气产量预计到2021年将到达2066×108m3〔Kuuskraa，2021〕。由于页岩气产量的快速增长，在过去的10多年中，美国非常规天然气的产量增加了65%，由1998年1528×108m3增至2007年的2519×108m3，非常规天然气产量已占到美国天然气总产量的46%〔NavigantConsulting，2021〕。1.2加拿大1北美页岩气勘探开发历史与现状按照加拿大非常规天然气协会〔CSUG〕主席MichaelDawson在2021年9月一次报告的观点，加拿大的页岩气区带中只有Montney到达了他所称的商业开发阶段，HornRiver盆地那么局部处于先导生产试验阶段、局部还处于先导钻探阶段；魁北克低地、新布伦斯威克省以及新斯克舍省的页岩那么还处于他所称的早期评价阶段〔Anonymous，2021〕。而美国处于商业开发阶段的页岩气区带有Marcellus、Barnett、Haynesville、Fayetteville和Woodford页岩。1.2加拿大1北美页岩气勘探开发历史与现状AfterMichaelDawson:ShaleGasResourcePlaysinNorthAmerica-OpportunitiesandChallenges.NBFEnergyServiceConference.Sep.14,2021.1.2加拿大1北美页岩气勘探开发历史与现状2021年，加拿大页岩气产量到达72×108m3，它们产于HornRiver与Montney2个页岩气区带。据高级资源国际(AdvancedResourcesInternational,Inc.)预测，加拿大页岩气产量预计到2021年将超过625×108m3〔Kuuskraa，2021〕。1.2加拿大1北美页岩气勘探开发历史与现状据Rogner〔1997〕估计，世界页岩气原地资源量为456×1012m3。按照IEA?2021年世界能源展望?，Rogner〔1997〕估计的原地资源量中有约40%会成为可采量，即世界页岩气可采资源量为180×1012m3。按2021年世界天然气产量计算，仅全球页岩气资源就可以生产60年。2北美页岩气资源潜力2.1全球TheUSNationalPetroleumCouncilputsglobalunconventionalgasresourcesbyend2007at32560tcf(againstaglobalprovenreservesbaseof~6250tcf)CBM–9051tcf;shale–16112tcf;tightgas–7406tcf2北美页岩气资源潜力2.1全球然而，根据北美和欧洲的经验，Rogner〔1997〕对全球页岩气资源量的估计可能将会被证明是保守的〔AEI，2021〕。以北美〔美国和加拿大〕为例，Rogner(1997)估计北美页岩气原地资源量为109×1012m3。但TristoneCapital2021年对美国Barnett、DeepBossier、Haynesville、Fayetteville、Woodford和Marcellus与加拿大Montney、HornRiver〔Muskwa〕、UticaGothic等9个页岩气区带的评价认为，如果不考虑风险因素，仅这9个区带的可采资源潜力就到达21×1012m3〔Anonymous，2021〕。最近，高级资源国际(AdvancedResourcesInternational,Inc.，2021)对北美“7大〞页岩气盆地〔Barnett，Fayetteville，Woodford，Marcellus，Haynesville，Montney与HornRiver〕进行了盆地一级的资源评价，结果得到其原地页岩气资源量高达146×1012m3,其中可采资源量估计为20×1012m3。这一结果大大超出了Rogner〔1997〕对北美页岩气总资源量的估计。2北美页岩气资源潜力2.1全球2.2美国2北美页岩气资源潜力AfterMichaelDawson:ShaleGasResourcePlaysinNorthAmerica-OpportunitiesandChallenges.NBFEnergyServiceConference.Sep.14,2021.FromDOE,April2009ShalegasresourceplaysinUnitedStates2.2美国2北美页岩气资源潜力2.3加拿大加拿大的页岩气资源亦很丰富，页岩气资源主要分布于5个盆地：

BC省东北部的HornRiver盆地;

三叠系Montney页岩;

阿尔伯达省与萨斯喀彻温省的Colorado群;

魁北克省的奥陶系Utica页岩;

新布伦斯威克省与新斯克舍省的HortonBluff页岩。2北美页岩气资源潜力但其资源量目前同样没有比较一致的估计。2.3加拿大根据加拿大非常规天然气协会〔CSUG〕最新资源评价结果，加拿大页岩气的原地资源量〔GIP〕估计＞42.5×1012m3〔＞1500Tcf〕〔Dawson，2021，2021)，远大于其常规天然气资源421Tcf。而且，页岩气资源也远远超过其煤层气原地资源量〔500Tcf〕以及致密砂岩气的原地资源量〔＞300Tcf〕。其中BC省页岩气资源量最大，达28×1012m3〔1000Tcf〕以上。2北美页岩气资源潜力AfterMichaelDawson:ShaleGasResourcePlaysinNorthAmerica-OpportunitiesandChallenges.NBFEnergyServiceConference.Sep.14,2021.2.3加拿大2北美页岩气资源潜力2.3加拿大最近，高级资源国际(AdvancedResourcesInternational,Inc.，2021)对加拿大2个盆地页岩气盆地〔Montney与HornRiver〕评价得出，两盆地页岩气的原地资源量为39×1012m3〔1380Tcf〕，可采资源量7×1012m3〔240Tcf〕〔Kuuskraa，2021〕。按照这一估计，加拿大的页岩气原地资源量估计将可能超过57×1012m3〔2000tcf〕。2北美页岩气资源潜力气源条件，特别是TOC含量、富有机质页岩厚度与有机质成熟度被认为是决定页岩气区带经济可行性的关键因素〔Rokoshetal，2021〕。①TOC与页岩厚度有机质含量是影响页岩气富集的一个根本性因素，它不仅决定着页岩的生气量，而且也直接影响着页岩的含气量，因为页岩中的有机质含量对气体具有重要的吸附作用，页岩气中有大量的气体就是以吸附形式存在于干酪根外表的。因此，高的TOC就意味着高的生气量和吸附量。典型的页岩气具有丰富的有机质含量，其TOC大多在1~20wt%之间。形成页岩气的有机碳〔TOC〕含量在1.5~＞20%〔Bustin，2005〕。Burnaman(2021)认为TOC至少应为2%。3页岩气藏的形成条件3.1气源条件页岩的厚度是页岩气形成和评价的另一个重要指标。Burnaman(2021)认为对于页岩气的形成而言，拥有高TOC的页岩的连续厚度至少为45m〔150ft〕。但这一数值并不是绝对的，厚度的下限标准还取决于其它TOC等指标，高TOC值页岩的厚度下限可以低于上述界限。如Haynesville页岩中一些井的页岩厚度就小于150ft，但由于拥有较高的TOC，因而产量很高。3.1气源条件3页岩气藏的形成条件②有机质类型形成页岩气的有机质类型I、II、III型均有(Burnaman，2021)，但以II型为主。由于I、II型有机质在油窗阶段以生油为主，气体生成较少，大量较大的油分子可以堵塞页岩的孔隙，减慢气体开采的流速，因此形成页岩气的页岩以成熟度较高为佳。据研究，由油窗到气窗的转变估计发生于1.15-1.4%Ro阶段〔Jarvieetal.，2005)。Burnaman(2021)亦认为I型有机质只有当Ro＞1.4%时才可能成为好的气源岩，而II型和III型干酪根那么需要较高的轻指数才能保证有足够数量的天然气生成。3.1气源条件3页岩气藏的形成条件③热成熟度与页岩气的成因类型根据美国和加拿大的勘探开发结果，形成页岩气的页岩的成熟度由0.4%～＜3.0%Ro不等。如Barnett页岩的成熟度就属于中等到较高范围，Ro为0.6%~1.1%〔Pollastroetal.,2003)。而Antrim和NewAlbany页岩所产的天然气便主要为生物成因甲烷(Curtis,2002)。再如加拿大而泥盆纪HornRiver盆地和三叠纪Montney页岩所产的天然气那么生成于较大的埋深处。而阿尔伯达和萨斯喀彻温省的SecondWhiteSpecks页岩所产的天然气为浅埋藏，其埋深之浅以至于目前页岩中仍然有细菌正在生成气体；魁北克省的Utica页岩那么既有深埋藏又有浅埋藏，因而存在着生物气和热解气共存的可能〔NationalEnergyBoard，2021〕。3.1气源条件3页岩气藏的形成条件Part132BarnettShaleAppalachianBasin:DevonianShales–HighmaturitythermogenicArkomaBasin:FayettevilleShaleWoodfordShalePenn.ShaleBarnettShaleWoodfordShaleSantaMariaBasin:Monterey/AntelopeShalesthermogenicoilsystemsWillistonBasin:BakkenShale–ThermogenicoilsystemWindRiverBasin:WaltmanShale–Migrated,ThermogenicGasSystemAnadarkoBasin:CombinationPlayEastTexasBasin:BossierShale/SandShaleResourcePlaysInNorthAmericaMichiganBasin:AntrimShalebiogenicshalegassystemIllinoisBasin:NewAlbanyShaleLowmaturitythermogenicshalegassystemExampleSystemsandThermalMaturitySanJuanBasinLewisShaleSystem3.1气源条件3页岩气藏的形成条件3.1气源条件3页岩气藏的形成条件〔1〕岩性形成页岩气的岩石除页岩外，还包括泥岩、粉砂岩、甚至很细的砂岩〔Bustin，2005〕。

3.2储层条件3页岩气藏的形成条件3页岩气藏的形成3.2储层条件3页岩气藏的形成3.2储层条件3页岩气藏的形成3.2储层条件Permeability(mD)0.0010.010.11.010.0ExtremelyTightVeryTightTightLowModerateHighConventionalTightTighterthanTightUSDOEStudyGraniteMontneyBarnettSidewalkCement0%porosityLimestoneGeneraloilfieldrocks0.0001GoodShale〔2〕物性页岩最突出的特点是孔隙度和渗透率极低，典型的气页岩的基质渗透率处于微达西~纳达西范围，因此气体在储层中的流动主要取决于页岩中天然裂缝的发育情况。3.2储层条件〔3〕矿物组成粘土矿物和碳酸盐含量低、粉砂质或硅质〔石英〕含量较高比较有利。Barnett页岩的关键似乎是页岩较大的脆性，这局部是因为其粉砂质含量较高〔Rokoshetal.，2021〕。〔4〕裂缝裂缝发育适中。3页岩气藏的形成条件3.2储层条件3页岩气藏的形成条件3.3温压条件3页岩气藏的形成条件页岩气的评价选区主要要考虑页岩厚度、深度、有机质丰度、成熟度、含气量等多个因素，其中一些因素目前尚没有明确的评价标准。加拿大阿尔伯达地质调查局Rokoshetal.〔2021〕认为，对于每一个页岩气区带而言，主要看以下4种特性：①有机质成熟度；②生成和储集在储层中的气体类型(即生物气还是热解气)；③TOC含量；④储层的渗透率。4页岩气的评价4页岩气的评价R.MarcBustinetal.，2021：ShaleGasOpportunitiesandChallenges.CharacteristicCoreProducingAreaRangeMinimumforDevelopmentImportanceTOC3to>10>4High%Silicaand/orcalcite>40%>25%Mod/HighMaturity,VitriniteReflection,%1.0to>2,>1.4fordrygas1.4HighShalethickness,ft100to>1000>>100ftHighGasinPlace,bcf/sqmile30to350>25HighMatrixPermeability,md10X-5to0.001md>0.00005mdHighMatrixPorosity(effective)<2TO>8%>4%HighDepthofpay400to170003000to12000?Mod/HighModulusofElasticity3MMto>9MMDependsonfracbarriersHighNat.FracPresenceYes,openduringproductionsameHighBoundariesforFracyesAbsencerequiresspecialfracsMod/HighGasContentscf/ton<30to>300>80HighGas%inpore>50%>30HighGas%adsorbed<50%<70ModerateTypicalprodrates,scf/d0.3to>5mmscf/d1.5to2MMHighestWatersaturation0.1to<0.35<0.25HighOilSaturationlow<0.1HighHorizontalwelllength,ft500to>4000ft>1500ftHighHorizdirectionreltofracdir.transverseBetween60and135oHighFractureneedsRubblizethezoneRubblizethezoneHighDewatering(fraccleanup)Time0.1to1months0.1to2monthsModerateDeclineRates50%1styr65%1styrMod/HighEst.UltimateRecovery,EUR>1to3bcf1to2bcfModerateWhatdowelookforinagasshale?(RimrockEnergy,2021)2.2美国5北美页岩气勘探开发对我国的启示5.1对页岩气资源的几点根本认识AfterMichaelDawson:ShaleGasResourcePlaysinNorthAmerica-OpportunitiesandChallenges.NBFEnergyServiceConference.Sep.14,2021.5北美页岩气勘探开发对我国的启示(4)页岩气藏的形成与常规气藏既有相似之处，又有明显区别，甚至可能比常规气藏的形成还要复杂。

5北美页岩气勘探开发对我国的启示5.1对页岩气资源的几点根本认识资源类型生储盖运圈保常规气++++++页岩气+++++/?--+/?〔1〕页岩气的形成和富集条件虽然比常规气藏相对简单，但可能比我们想象的复杂。如除有机质组成、有机碳含量、成熟度、矿物组成、储层物性、裂缝发育情况等因素外，区域构造演化史、温压场变迁史、生烃演化史、流体活动史等又是如何影响页岩气藏的形成与富集的？这些因素之间又是怎样相互相互影响和作用的？再如影响页岩气中游离气与吸附气含量的主要因素是什么？如何准确确定二者在一套页岩中的含量比例？这些问题目前还研究的不够甚至缺乏研究。5北美页岩气勘探开发对我国的启示5.2我国页岩气评价及勘探开发应注意的几个重要问题〔2〕我国页岩气形成的地质背景比北美地区复杂，特别是包括页岩气形成条件相对较好的四川盆地在内的我国中西部叠合盆地，大多经历了复杂的构造演化史、生烃史和成藏史，因此我国与北美地区在页岩气形成条件上既具相似之处，又具有明显的差异性，这就决定了北美地区页岩气的评价标准/经验应不完全适合我