页岩气开采技术与开发现状分析

页岩气开采技术与开发现状分析

作者：董昱蓉，陈钢，王莉萍

来源：《科技创新与生产力》 2012年第8期

董旻蓉，陈 钢，王莉萍

（山西高碳能源低碳化利用研究设计院，山西 太原 030006）

摘 要：页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。本文主要介绍页岩气开采技术、全球页岩气资源储量分布、国内页岩气资源潜力与勘探开发现状。

关键词：页岩气；开采技术；压裂技术

中图分类号：TE37 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2012.08.096

1 页岩气简介

页岩气是指同时以吸附和游离方式存在于页岩（或泥岩）及其间所夹砂质、粉砂质岩地层中的天然气。它是非常规天然气的一种类型，主要是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中的天然气聚集，气体或游离于基质孔隙和裂缝中，或吸附于有机质和黏土矿物表面，在一定地质条件下聚集成藏并达到经济开采价值。页岩气一般分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中，几乎存在于所有盆地中，只是埋藏深度（200～3 000 m及以上）、含气饱和度等差别较大。与常规天然气相比，页岩气储层具有低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，采收率比常规天然气低，仅为 5%～60%。尽管页岩气开发投资较大，技术要求较高，单井产能也较低，但具有开采寿命长的特点，气田生产周期一般超过30年[1]。

2 页岩气开采技术

页岩气藏地层压力复杂多变、天然裂缝发育、基岩渗透率极低、最终采收率低于常规气藏，这些不同于常规油气藏的特点决定其开采技术与常规气藏开采技术有所区别。一般页岩气藏中的钻井工程是围绕裂缝系统展开，开采技术主要包括钻井技术、固井完井技术、压裂增产技术和裂缝监测技术。

2.1 页岩气钻井技术

自从美国1821年完钻世界上第一口页岩气井以来，页岩气钻井从起初的垂直井发展到后来的水平井，然后在水平井的基础上演化出单支水平井、多分支水平井、PAD水平井等。页岩内必须具备足够的通道才可以使天然气流入井筒，产至地面。在页岩中，气源岩中裂缝引起的渗透性在一定程度上可以补偿基质的低渗透率。因此，将页岩气作为开采目标应事先考虑系统渗透率，即页岩基质和天然裂缝的综合渗透率。为了更好地利用储层中的天然裂缝，并且使井筒穿越更多储层，越来越多的开采技术都采用水平钻井技术。

2.2 页岩气固井完井技术

固井是将套管下入到井内预定深度，再在套管和井壁之间注入水泥浆封固。其作用是封固地表疏松地层，封堵易踏、易漏等复杂地层，封隔油、气、水层，安放井口装置等。页岩气固井水泥浆主要有泡沫水泥、酸溶性水泥、泡沫酸溶性水泥以及火山灰＋H级水泥4种类型[2]。页岩气井的完井方式主要包括套管固井后射孔完井、尾管固井后射孔完井、裸眼射孔完井、组合式桥塞完井、机械式组合完井等。页岩气井的完井多采用定向射孔完井技术，此技术多用于直井和水平井。

2.3 页岩气压裂增产技术

含气页岩中的天然裂缝虽然有一定作用，但通常无法提供经济开采所需的渗透通道。多数含气页岩都需要实施压裂，压裂使更多的页岩范围暴露于井筒的压降条件下。一般压裂增产技术有氮气泡沫压裂、凝胶压裂、多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂、重复压裂等，其中，多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂是目前页岩气压裂常用的技术[3]。

页岩气井周围紧密排列的裂缝能够加快天然气开采速度。通常在中等深度（一般在1

524~3 048 m之间）的高压页岩中泵入低黏度水基减阻流体和支撑剂进行增产处理。而在深度较浅或油气藏压力较低的页岩中，则泵入氮泡沫压裂液。高压条件下泵入的液体在页岩中产生裂缝，这些裂缝可以从井筒向外在页岩中延伸上千英尺（1英尺= 0.304 8 m）。

2.4 裂缝监测技术

裂缝监测技术主要包括地面倾斜监测、井下倾斜监测和微地震监测。微地震监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中的一项重要新技术[4]，是利用监测井与测试井之间发生信号转换，将地震信号处理为可识别信号对井进行实时监控，接收由于压裂导致地下岩石断裂所产生的微地震信号，经过资料处理得到裂缝的空间位置。它能实时提供压裂施工产生裂隙的高度、长度和方位, 利用这些信息可以优化压裂设计，从而提高采收率。

3 全球页岩气资源与开发概况

3.1 全球页岩气资源分布

全球页岩气资源量约456万亿m3，相当于常规天然气的1.4倍，主要分布于北美、中亚、中东、拉美、北非和中国等地区和国家。图1给出了全球页岩气资源分布位置[1]。

2011年4月，美国能源信息署EIA发布了美国以外32个国家的页岩气资源评价，结果显示全球页岩气技术可采资源总量为187.6万亿m3，这次评价没有包括俄罗斯以及中亚、中东、东南亚和中非等地区，因为这些国家和地区或有非常丰富的常规资源，或缺乏基础的评价资料。

据美国数据统计，全球页岩气技术可采资源量超过5.66万亿m3的国家共有9个。其中，中国

拥有技术可采资源量36.08万亿m3，美国拥有 24.39万亿m3，加拿大拥有10.98万亿m3。此外还有阿根廷、墨西哥、澳大利亚等国家。目前，全球对页岩气的勘探开发并不普遍，取得页岩气开采成功的主要是美国和加拿大。

3.2 北美页岩气开发应用现状

美国是世界上最早发现和生产页岩气的国家，已经实现了页岩气的大规模商业开采。美国页岩气研究和钻探始于19世纪30年代，但直到1981年，美国第一口页岩气井压裂成功，实现了页岩气开发的突破。目前，美国商业性开采的页岩气主要产自5个盆地的页岩层，分别是Fort Worth盆地的Barnett页岩、San Juan盆地的Lewis页岩、Michigan盆地的Antrim页岩、Appalachian盆地的Ohio页岩和Illinois盆地的New Albany页岩。

美国目前的页岩气开采技术主要有水平井＋多段压裂技术、清水压裂技术和同步压裂技术，这些先进技术的成功应用不断提高着页岩气井的产量，促进了美国页岩气开发的快速发展。美国页岩气产量从2006年的311亿m3，迅速提升到2011年的

1 800亿m3，占美国天然气总量的34％，这一数字到2015年预计将达到43%，到2035年将达到60%。目前北美开发成熟区亿立方米产能建设投资折合人民币2.5亿～3.0亿元，单井费用250万～ 350万美元[5]。

3.3 全球页岩气勘探开发现状

美国页岩气开发的突破，引发了世界对页岩气勘探开发的热潮。2009 年5月，欧洲启动了由行业资助、德国国家地质实验室协作的研究项目“Gas Shales in Europe（GASH）”；在南美洲，阿根廷和智利也正在评估其页岩气潜力；在亚洲，印度国有石油公司（ONGC）已开始评估印度页岩气可采量。

全球各大石油公司也纷纷开始采取行动[6]：埃克森美孚在德国展开钻探工程；美国戴文能源（DevonEnergy）和法国道达尔联手，在法国钻探页岩气；康菲石油公司将在波兰展开页岩气勘探工作；中国石油天然气集团公司和壳牌宣布将联手开发四川的页岩气资源；挪威国家石油公司、美国页岩气开发最为成功的切萨皮克能源公司（Chesapeake）和南非石化巨头萨索尔公司（Sasol）共同向南非政府有关部门申请对南非Karoo盆地页岩气资源的勘探权。

4 中国页岩气资源潜力及开发现状

4.1 我国页岩气资源潜力

中国页岩资源类型多、分布广、潜力大。截止到2012年3月，国土资源部发布了我国页岩气资源潜力调查结果，全国页岩气地质资源潜力为134.42 万亿m3（不含青藏区），可采资源潜力为25.08 万亿m3 （不含青藏区）[7]。我国页岩气埋深从浅于1 500 m到深于3 000 m，沉积区多以海相、海陆交互相和陆相分布为主，地表条件中丘陵地区占30%，低山地区占18.6%，中山地区占17.6%，平原地区占15.47%。按盆地划分，页岩气主要分布在四川、鄂尔多斯、中下扬子地区、华北、准噶尔、松辽、吐哈等盆地。

4.2 我国页岩气开发现状

受美国页岩气发展的启发，页岩气业务逐渐成为中国非常规天然气勘探开发的热点。2007年，国土资源部组织相关单位开展了页岩气资源的评价工作，并于2009年在重庆启动了页岩气勘查项目。2010年，中国首个专门从事页岩气开发的科研机构——国家能源页岩气研发（实验）中心在中国石油勘探开发研究院廊坊分院成立。

我国已经把页岩气作为一种独立矿种进行管理，并发布了《页岩气发展规划（2011—2015年）》。《规划》提出，到2015年，国内页岩气 产量将达65亿m3，到2020年力争实现600亿～

1 000亿m3[7]。截至目前，我国石油企业主要在四川盆地及周缘、鄂尔多斯、渤海湾盆地等5大区、41个盆地、87个评价单元，57个含气（油）页岩层段共实施页岩气（油）探井63口，其中，页岩气井58口（水平井15口），获页岩气流30口，页岩油水平井5口。

国内石油公司页岩气评价工作也正积极展

开[8]。中石油开展了南方海相页岩和鄂尔多斯盆地陆相页岩地质评价，目前已经优选出一批成藏有利区，并部署勘探工作。中石化、中海油和相关科研机构也开始对页岩气进行研究和部署。国外石油公司也积极参与中国页岩气勘探开发。壳牌、康菲分别与中石油签订联合评价协议和合作意向；中国石化与美国戴文能源公司达成协议共同开发页岩气资源；中海油也购买了切萨皮克能源公司在美国怀俄明州和科罗拉多州页岩气开发项目1/3的股权。

5 结论

虽然我国页岩气资源地质储量丰富，但页岩气勘查开发前期投入大、开发成本高、生产周期长、投资回收慢，而且我国页岩气开发处于起步阶段，关键技术与国外相差数十年，再加上页岩气储层地质条件复杂，页岩气赋存规律和含气页岩基本参数还有待深入研究，因此，页岩气的开发不能照搬国外经验，而应加大资源调查系统评价和关键技术的攻关和创新力度，在学习借鉴的基础上，尽早实现页岩气规模化开采。

参考文献：

[1] 潘继平.页岩气开发现状及发展前景——关于促进我国页

岩气资源开发的思考[J].国际石油经济,2009,17(11):101-106.

[2] 崔思华,班凡生,袁光杰.页岩气钻完井技术现状及难点分析[J].天然气工业,2011,31(4):71-75.

[3] 唐颖,唐玄,王广源,等.页岩气开发水力压裂技术综述[J].地质通报,2011,30(2-3):393-399.

[4] 梁兵,朱广生.油气田勘探开发中的微震监测方法[M].北京:石油工业出版社,2004:1-5.

[5] 中国石油勘探与生产公司.中国石油页岩气产业化示范区工作方案[R].北京:中国石油勘探与生产公司,2009.