[科普文章]新型能源页岩气的“家”及如何取为“我”用?

发布时间:2020-04-22

“页岩气”作为非常规天然气的一种具有低碳、绿色、高效的特点,现已成为我国未来清洁能源发展的主要方向之一,其作为重要天然气资源日益受到重视,主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等,用途广泛。

中国页岩气资源丰富,经过10余年发展已初具产量规模,已成为北美之外最大的页岩气产区。如果也能够像美国一样成功实现页岩气革命,那么我国以煤为主的能源结构将会得到优化,能源供需矛盾将会得到缓解。2014年中国石化涪陵页岩气田提前进入了商业化开发,标志着我国成为全球第三个实现页岩气商业化开发的国家,在我国页岩气发展史上具有里程碑式的意义[1]

那么,页岩气的“家”是在哪呢?

从页岩气的名字可以看出,它来自于某一种岩石,但并非所有的岩石都是页岩气的“出生地”。和人们所在的城市、村庄、家庭分布一样,页岩气也有自己的小家,即页岩气藏的大小和产出位置有异。来自专家们给出的定义,“页岩气”为产自富有机质黑色页岩(图1)中连续聚集的天然气,主要储集空间为页岩储层内大量丰富的非常细微的孔隙[2](图2)。因此,页岩可以称为是页岩气的“家”。

图1 湖北宜昌一带黑色页岩层

 

 

 

图2 页岩有机质孔隙气体赋存模式图[2]

图2 页岩有机质孔隙气体赋存模式图[2]

图1 湖北宜昌一带黑色页岩层

 

页岩气和大家通常认识中的常规天然气“出生地”又有什么区别呢?

原来啊,常规天然气蕴藏在多孔隙岩层中,岩层可以是砂岩、碳酸岩以及裂缝性火成岩或变质岩,而泥页岩则是常规天然气的母岩,富含有机质的泥页岩中生成的天然气通过裂缝通道运移到以上多孔岩层中,就形成了常规天然气啦,而残留在页岩中,没参加运移的天然气,则在泥页岩中形成了页岩气,其主要成分是甲烷(CH4)。

 

那我们国家的页岩气资源又主要集中分布在哪呢?

页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。我们国家的页岩气资源分布具有不均衡性,主要分布在南方(四川、重庆、湖北、贵州等地一带)古生界海相地层,其是我们国家页岩气主力层系;而在我国华北地区(河北、山东等地)以及塔里木、准噶尔、松辽、鄂尔多斯、吐哈等九个盆地,最后形成了重庆涪陵、四川长宁和威远、陕西延长等四大主要页岩气产区[3],总体构成了“两界、九盆、四区”的分布特点(见图3)。

图3全国主要页岩气(含油气田盆地)分布图

 

最后,地下深处的页岩气资源又是怎样取为“我”用呢?

页岩气藏与常规油气藏之间存在着很大的区别,由于其复杂的生成环境、特殊的成藏机理、开采寿命和生产周期长以及渗透性差等特点,决定了页岩气的开采需要更多的技术和资金投入。开采要根据页岩气储集机理的不同采用差异性开发技术和工艺,这样才能够实现页岩气的经济高效开发[4]

我们国家在发展初期就曾因技术的制约,造成页岩气产业发展停滞不前。后来经过了长时间的不断研发,目前比较成熟的开发工艺有:微地震技术、水平井技术、地震储层预测技术、多段压裂技术、完井技术和固井技术等[5]。现在,我们国家在以大型国有企业,即中石油、中石化、中海油和延长石油等俗称三桶半油,为主导的各方共同努力下,通过技术引进、研究和应用攻关,已经初步形成了适合我国地质状况的页岩气开发技术体系,3500米以浅的关键勘探开采技术与装备方面已基本成熟,深层次的开采技术还处在不断完善的过程中[6]

现如今页岩气要想被人们利用,主要需要有水平钻井技术和水力压裂技术这两个核心技术才行[7]。页岩属于一种超低渗透率储层,所有储层必须经过压裂才能投产。而水平井压裂又是形成页岩气工业性气藏和提高产能的重要手段,页岩气水平井压裂过程中,射孔层段的选取对页岩层水平段的开发至关重要[8],是页岩气获得工业产能的重要手段(见图4)。

图4页岩气开采水平钻井模拟示例图

图4页岩气开采水平钻井模拟示例图

 

水平钻井技术:与垂直井相比,水平井成本虽然是直井的2-3倍,但是产气量却达到了直井的3-5倍,开采效果好,产气速率高,易取得经济效益,但施工难度大,技艺要求高。常用的水平井钻井技术有:欠平衡钻井、旋转导向钻井和控制压力钻井等。

水力压裂技术:水力压裂技术是广泛应用于油气井并达到增产目的的方法,是目前开发天然气的主要方式,此方法可以提高采收率和单井产量,降低开采成本。常用的水力压裂技术有:多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂和同步压裂等(见图5)。

图5页岩气开采水力压裂流程图

图5页岩气开采水力压裂流程图

正因为页岩气的藏身之处非常细小,在页岩中的渗透性非常差,所以我们必须采用复杂、昂贵、先进的压裂技术才能让页岩气从地下上升到地面(图6)。因此,开发页岩气的成本比开发常规天然气的成本要高,我们应当倍加珍惜。

图6贵州省贵都地1井页岩气气测显示

参考文献:

[1]邹才能, 赵群, 董大忠, et al.页岩气基本特征、主要挑战与未来前景[J]. 天然气地球科学, 2017, 28(12).1781-1796.

[2]焦方正. 非常规油气之非常规再认识[J]. 石油勘探与开发, 2019(5).803-810.

[3]魏静, 段红梅, 闫强,. 能源新政下的美国页岩气产业新动向及中美合作前景[J]. 中国矿业, 2018, 027(002):9-15.

[4]刘大锰, 李俊乾, 李紫楠. 我国页岩气富集成藏机理及其形成条件研究[J]. 煤炭科学技术, 2013, 41(9):66-70.

[5]贾爱林,位云生,金亦秋.中国海相页岩气开发评价关键技术进展[J] .石油勘探与开发,2016,43(6):66-70

[6]孙肖阳, 张宝生, 魏新强,. 非常规天然气勘探开发评价及影响综述[J]. 中国矿业, 2016, 25(3):1-10.

[7]赵文智, 贾爱林, 位云生, et al. 中国页岩气勘探开发进展及发展展望[J]. 中国石油勘探, 2020, 25(1):31-44.

[8]马永生,蔡勋育,赵培荣. 中国页岩气勘探开发理论认识与实践[J]. 石油勘探与开发, 2018, 45(4): 561-574.