页岩气勘探潜力
图5-18全球页岩气勘探开发形势示意图
一、页岩气勘探开发现状
1.北美页岩气勘探开发现状
北美是世界上发现页岩气最早的地区。1821年，1页岩气井在美国东部泥盆系页岩中钻探，拉开了世界天然气工业发展的序幕。1914发现第一个页岩气田——大砂气田。1981年，被誉为巴奈特页岩气之父的乔治·米切尔对巴奈特页岩C . w . slay 1号井进行了大规模压裂并取得成功，实现了页岩气开发的真正突破。与世界石油发现相比，页岩气的发现早了近40年。截至2009年底，北美仍是全球页岩气勘探开发最成功的地区。约50个盆地的古生代和中生代地层中发现含气页岩，近10个盆地产出页岩气，开发井5万多口，井深2500-4500m；2009年产量为1000×108m3，占北美天然气总产量的12%，使北美进入了天然气繁荣的新时代。
(1)页岩气早期勘探开发阶段(1821 ~ 1975)
1821年，在美国东部阿巴拉契亚盆地的泥盆系敦刻尔克页岩中打了一口井，井深仅21m，在泥盆系Perrysbury组敦刻尔克页岩中获得天然气，井深8.23m，这口井成为北美平台上的第一口页岩气井，也是世界上第一口商业页岩气井(Curtis，2002)。这口井生产的天然气满足了弗雷多尼亚的照明和部分生活，37年供应给1858。随着美国对天然气需求的增加，针对页岩气的勘探开发一度升温，在泥盆系黑色页岩上进行了大量的浅层钻探。1863年，在美国东部伊利诺伊盆地的泥盆系和密西西比页岩中发现低产气流。1870至1900勘探开发范围覆盖美国东部各州或地区，如纽约、宾夕法尼亚、俄亥俄、肯塔基、弗吉尼亚等。1914年，在阿巴拉契亚盆地钻遇泥盆系俄亥俄页岩时获得日产气2.83×104m3的高产气流，发现了世界上第一个页岩气田BigSandy气田。1926大沙质气田的含气范围从阿巴拉契亚盆地的东部向西扩展，这在当时已为世人所知。目前，大砂质气田已钻井约1万口，2008年最高单井平均日产气2831.2m3，产气量为15.2×108 m3，是美国第20大气田(EIA，2009，引自美国能源部等)。BigSandy气田是页岩气早期勘探开发的重要成果。
(2)页岩气地质理论和勘探开发技术关键阶段(1975 ~ 1989)
20世纪中叶以前，美国页岩气的勘探开发主要集中在东部地区的阿巴拉契亚、密歇根和伊利诺伊盆地，以泥盆系和密西西比黑色页岩为目的层。除了阿巴拉契亚盆地的俄亥俄页岩大砂质气田和密歇根盆地的安特里姆页岩气，其他大量井没有商业气流或只有低产气流，未能进行大规模商业开发。鉴于上述困难，并为应对已经发生的石油危机，从20世纪70年代末开始，美国能源部等政府机构和相关企业投入大量资金，启动了面向美国东部的页岩气地质理论和勘探开发技术研究项目(ESGP)，开展了从地质、地球化学到气藏工程的一系列理论研究和技术研究 其中确认了以阿巴拉契亚盆地泥盆系和密西西比系为代表的东部地区黑色页岩的产气能力和巨大的资源潜力，使页岩气资源正式化。
在同一时期(20世纪80年代-90年代初)，GTI专注于美国页岩气的资源潜力和强化采油技术。65438-0980年，美国政府颁布实施了《能源意外利润法案》第29条的税收补贴政策，对美国页岩气的发展起到了重要的推动作用。在此期间，阿巴拉契亚、密歇根等盆地实现了页岩气的大规模开发和产量的稳步增长(图5-19)。尤其值得注意的是——页岩气革命之父乔治·P·米切尔(George P.Mitchell)凭借18年的页岩气开采技术研究和勘探开发实践，钻探出MEC1C。美国中南部沃斯堡盆地密西西比页岩W.Slay井1981年，氮气泡沫压裂。巴奈特页岩气工业化开采成功实现，纽瓦克东部页岩气田(1982)被发现，迅速将页岩气产区从美国东部推向中南部地区。MEC1C的累积产气量。W.Slay从1981到1993为600×104 m3；1995再次进行大规模凝胶二次压裂，两年半采气82×104 m3；1998再次关井，进行第三次加砂压裂。近10年累计产气量2850×104m3，日产气量仍在0.9×104m3左右。目前，纽瓦克东部页岩气田是美国最大的气田，已探明天然气可采储量为7400×108m3，2008年天然气产量为460.2×108m3。从1979到1990，美国页岩气产量增长了2.5倍。
(3)页岩气大发展阶段(1990 ~ 2000年)
从1990到2000年的10年间，页岩气成为美国最活跃的天然气开发目标。随着钻完井技术的进步、大型水力压裂技术的突破和输气管道的大规模建设，借鉴Antrim公司成功的页岩气开发经验，在俄亥俄州、新奥尔巴尼、巴奈特和沃思堡盆地的刘易斯等地实现了大规模的页岩气开采，美国的页岩气产量大幅增加。到2000年，已有2.8万口页岩气井，年页岩气产量超过100×65438+。
图5-19美国页岩气年产量变化
(4)页岩气快速发展阶段(2000-2006年)
随着水平井钻完井、大规模水力压裂和重复压裂的推广应用，以及沃思堡盆地巴尼特页岩气的大规模开发，美国页岩气开发进入快速发展阶段。2001年，沃思堡盆地巴尼特页岩气区钻井数超过1000口，年产气达到38.2×108m3。2004年，西南能源公司在阿科马盆地发现费耶特维尔页岩气区，沃思堡盆地巴尼特页岩气年产量超过100× 108m3(。从2000年到2006年的5年间，美国页岩气产量再次翻番，年产量超过200×108m3。
(5)页岩气高速发展阶段(2007年至今)
近年来，随着页岩气地质认识的创新，水平井钻完井、大型水力压裂、分级压裂和多井同步压裂的不断突破，以及“工厂式”批量生产作业模式的规模化推广应用，北美页岩气进入高速发展阶段，超越致密砂岩气和煤层气。目前，在美国东部、中南部和西南部以及加拿大西部的50多个盆地的46套页岩中已探明页岩气，几乎覆盖了北美所有海相烃源岩(图5-20)。页岩气年产量超过50×108m3的页岩包括Woodford(52×108m3)、Montney(62×108m3)、Haynesville (93× 108m3)和Fayettville (145)。页岩气开发深度从早期的180 ~ 2000 m加深到2500 ~ 4500 m，单个盆地达到6000m生产井数几年增加3500 ~ 4500口(增加10% ~ 15%)，2009年达到50000口以上，特别是水平井数量增加很大，占当年井数的75%以上。水力压裂等技术的突破使储层改造成本降低了65%，最终采收率提高了20%。在过去的10年里，美国的页岩气产量增长了近10倍，近年来每年都翻一番。加拿大自2000年在西加拿大盆地群进行页岩气研究和勘探开发先导试验以来，2007年在页岩气生产方面取得了突破。2009年北美页岩气上述产量达到65，438+0，000× 65，438+008m3(其中美国为930×108m3，加拿大为70×108m3)，大量中小公司产量未计入(ARI，2065，438+00)，页岩气产量已经占到。
图5-20北美主要含气页岩分布图
图5-21北美主要页岩产气量统计
2.中国页岩气勘探开发现状
页岩气在中国并不新鲜(王兰生等，2009)。自1667年在四川盆地琼1井首次发现天然气以来，特别是20世纪60年代以来，在松辽、渤海湾、四川、鄂尔多斯、柴达木等几乎所有含油气盆地都不断发现页岩气或页岩裂缝气藏。在四川盆地威远构造1966钻井的威5井，在2795 ~ 2798米从寒武系千株寺组页岩中获得日产气2.46×104m3，成为中国早期发现的典型页岩气生产井。自2000年以来，中国政府和相关企业高度重视页岩气的勘探开发，密切关注北美页岩气的发展趋势。近年来，页岩气的勘探开发被提上了重要日程。
(1)页岩气基础地质研究
2008年6月+2008年10月，在广泛开展上扬子区古生代海相页岩地层露头地质调查和老井资料审查的基础上，中国石油勘探开发研究院钻探了中国第一口页岩气地质井——长信1井，获得了大量的页岩气地质信息，对川南盆地和上扬子区的页岩气远景做出了明确的判断。
2009年6月5438+2月，国土资源部和中国地质大学在四川盆地东部钻探了一口地质调查井——俞晔1，在页岩地层广泛出露、高陡构造复杂的地区勘探了页岩气勘探前景。
2010年7月，中国石油勘探开发研究院和中国石油西南油气田公司综合应用伽马能谱仪、元素俘获仪、探地雷达、陆地激光三维全信息扫描仪等新技术，开展了中国南方古生代页岩露头地质调查和实测工作，在四川盆地长宁地区建立了中国第一个海相页岩地层数字化标准剖面——长宁双河上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩地层剖面。
(2)国际合作和勘探开发
2006年，中国石油与美国新天石油公司举行了首次页岩气国际讨论会，2007年进一步开展了威远地区页岩气潜力和开发可行性联合研究。2008年，国土资源部在国家战略油气资源调查评价专项中，确立了中国重点地区页岩气资源潜力及有利区优选项目。中国石油等国内石油公司开始与单雯、埃克森美孚、康菲石油公司和壳牌等公司进行广泛交流和选区评估。
2009年，中国石油组织美国、挪威等国专家参加页岩气国际研讨会，与壳牌在四川盆地富顺-永川区块启动中国首个页岩气国际合作勘探开发项目，在四川盆地威远-长宁、昭通率先开发中国页岩气工业化生产试验区。
2009年6月5438+065438+10月美国总统奥巴马访华期间，与中国签署了《页岩气领域合作谅解备忘录》。2010中国石化与英国石油公司(BP)开始在贵州凯里和苏北黄桥联合开采页岩气。中国石油与康菲石油公司和挪威国家石油公司合作，在四川盆地中南部开展页岩气前景评估和勘探开发。2010四川魏201井在寒武系和志留系页岩中获得高产气流，实现了我国页岩气的首次产业化突破。
国土资源部、石油企业和相关科研院所、学校开展了中国长江地区页岩气资源调查与选区评价示范区建设。目标是在未来10年对中国页岩气资源进行全面系统的调查和评价，到2020年在中国选择20 ~ 30个有利勘探开发区，形成一定的页岩气生产能力。
总之，借鉴北美页岩气勘探开发经验和广泛的国际交流与合作，中国在南方多个地区开展了古生代海相页岩地层页岩气产业化勘探开发试验区建设，正在开展扬子区、鄂尔多斯、塔里木、渤海湾、松辽等盆地或地区的页岩气基础研究和初步评价。利用地质类比，预测了中国页岩气资源潜力。我国页岩气勘探开发及相关研究起步较晚，目前仍处于起步阶段。
3.其他地区页岩气勘探开发现状
自2005年以来，页岩气勘探开发逐渐从北美扩展到全球。2007年，欧洲启动了为期六年的欧洲页岩气项目(GASH ),该项目由行业资助，德国国家地质实验室协助，旨在评估欧洲的页岩气资源并优化盆地。目前已在5个盆地发现富含有机质的页岩，初步估算页岩气资源量为30×1012m3(ARI，2010)。埃克森美孚、单雯、道达尔、康菲石油公司和壳牌等至少40家企业正在欧洲寻找页岩气(Vello等人，2009年)。2009年至2010年，挪威国家石油公司(Statoil)、切萨皮克公司(Chesapeake)和沙索公司(Sasol)等公司联合评估了南非的页岩气前景，并获得了卡鲁盆地的页岩气资源勘探权。澳大利亚比奇石油公司在大洋洲7个盆地发现了有机页岩，早期评价潜力巨大。它计划在库珀盆地开发页岩气，并在新西兰取得了单井工业突破。亚洲许多国家开展了页岩气资源调查和先导试验，中国页岩气勘探开发成效显著。
二、全球页岩气资源潜力
据预测(罗格纳，1997)(李建中等人，2009；Rogner，1997)，全球页岩气资源量为456.2×1012m3(表5-11)，相当于煤层气(256×1012m3)和致密气。页岩气资源主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉美和前苏联。目前，除美国和加拿大外，中国、澳大利亚、德国、法国、瑞典、波兰等国也在开展页岩气的研究、勘探和开发。
表5-11页岩气资源全球分布
从全球来看，除了撒哈拉以南非洲，欧洲的页岩气资源可能更少。到目前为止，只有北美进行了商业勘探开发，有可靠的储量结论。尽管如此，根据经验，Rogner(1997)对全球页岩气资源的估计是保守的(AEI，2009)。以北美为例。2008年，Tristone Capital评估了九个页岩气区，包括加拿大的Barnett、Deep Bossier、Haynesville、Fayetteville、Woodford、Marcellus、Montney、HornRiver(Muskwa)和UticaGothic。如果不考虑风险因素，这9个区域的可采资源量达到265，438+0× 65，438+0，065，438+0.2m3 (anonymous，2008，引自Vello等人，2009)。最近，高级资源国际公司(2009)评估了北美七个页岩气盆地的资源，包括巴尼特、费耶特维尔、伍德福德、马塞勒斯、海恩斯维尔、蒙特尼和霍恩河。其原始页岩气资源量约为146×1012m3，可采资源量为20×1012m3。其中，美国巴奈特、费耶特维尔、伍德福德、马塞勒斯、海恩斯维尔等5个页岩气盆地的原始页岩气资源量达到107×1012m3，可采资源量为13×1012m3。
根据加拿大非常规天然气协会(CSUG)的资源评价结果，加拿大原始页岩气资源量大于42.5×1012m3(Dawson，2008，2009，引自Chalmsar等人，2008)，超过加拿大常规天然气资源量12× 65438。其中BC省页岩气资源量最大，达到28×1012m3以上。Kuuskraa(2009)估计Montney和Horn河流域的原始页岩气资源量为39×1012m3，可采资源量为7×1012m3。
第三，中国页岩气资源潜力
1.富有机质页岩的分布特征
中国海相富有机质页岩分布广、厚度大，主要发育于古生界陡山沱组(Z2)、千竹寺组(1)、大城寺组(O1)、五峰组-龙马溪组(O3-S1)和罗浮组(D2)。最发育的页岩分布于下寒武统和上奥陶统顶部至下志留统底部，尤其是扬子克拉通。
(1)下寒武统海相页岩
中上扬子区发育良好，有机质类型为腐泥混合型。从沉积环境看，下寒武统海相页岩在川东-鄂西、川南、湘黔三个深水陆架区最发育，平均厚度100m，TOC值平均约为8%。四川盆地下寒武统海相页岩在全盆地均有发育，主要为硅质页岩、碳质页岩、粉砂质页岩和黑色页岩，平均厚度1.39m，平均TOC值1.0% ~ 5.5%。盆地南部的页岩埋藏浅于4000米..
(2)上奥陶统—下志留统海相页岩
广泛分布于四川东南部、四川东北部、湖北西部、重庆东部、长江中下游等地。主要类型为黑色页岩、碳质页岩、黑色笔石页岩和钙质页岩，平均厚度为1.20m，TOC值平均约为4%。干酪根是腐泥质的。四川盆地上奥陶统-下志留统海相页岩在川南和川东发育良好。据四川盆地长宁双河上奥陶统五峰组至下志留统龙马溪组海相页岩统计，川南上奥陶统五峰组至下志留统龙马溪组黑色页岩厚度大于308米，有机质类型为腐泥型，TOC平均值为2.94%，最高值为8.75%。
(3)海相和湖相煤系的碳质页岩。
这类岩石广泛分布于华北、华南和塔里木盆地(表5-13)。北部主要发育在天山-孟醒海槽。鄂尔多斯盆地山西组-太原组-本溪组页岩厚40 ~ 120 m，单层厚度不大，多与煤层、致密砂岩甚至薄灰岩相间。准噶尔盆地石炭系滴水泉组碳质页岩最大厚度为249米，二叠系芦草沟组黑色页岩累计厚度超过200米..中国南方二叠系龙潭组(P2)碳质页岩厚20～200米，最大厚度670米，分布面积约30×104～50×104 km2。其中，滇黔桂地区上二叠统龙潭组页岩厚度为20 ~ 60m，四川盆地上二叠统页岩厚度为10 ~ 125m，川中、川西南为80 ~ 110m，川西北、川北、川东北较薄，大多小于20m。中新生代湖相煤系碳质页岩主要发育在坳陷和断陷湖盆中，如鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地的侏罗系、四川盆地的上三叠统和吐哈盆地的侏罗系，厚度50-400 m，最大厚度1000m..
表5-12中国海相页岩分布
表5-13中国海陆交互相和煤系碳质页岩分布
总的来说，中国海相和中生界湖相碳质页岩除上扬子和滇黔桂地区外，大部分地区单层厚度不大，常与煤、致密砂岩甚至灰岩互层，平均单层厚度一般小于15m。单独开发这种薄层煤系页岩气将是一个巨大的挑战，联合开发页岩气、致密气、煤层气等多用途层是一种有效的新开发方式。
湖相页岩主要分布在陆相油气盆地，沉积范围最广(表5-14)。统计显示，目前我国80%以上的油气储量来自湖相烃源岩。松辽、鄂尔多斯等中新生代坳陷盆地和渤海湾新生代断陷盆地沉积了厚层湖相富有机质页岩。如松辽盆地嫩江组和青山口组发育良好。嫩江组在全盆地分布稳定，中央凹陷厚度超过250米。青山口组一段几乎全是中央坳陷的黑色页岩，厚度60-80 m，干酪根类型I-II，Ro值0.9%-1.8%。
表5-14中国湖相页岩分布
鄂尔多斯盆地延长组长7段主要为深湖相沉积。富有机质页岩平均厚度20 ~ 40m，分布面积超过4×104km2，平均有机碳含量高达14%，干酪根类型为ⅰ-ⅱ，Ro值为0.6% ~ 1.2%。最近，在该湖相页岩地层中发现了大量致密油。油层为致密粉砂岩夹层，厚度10 ~ 20m，孔隙度10.2%，渗透率0.21×10-3 μm 2。工业油气井近200口，平均产量8.6t/d，这一特征与北美威利斯-顿盆地巴肯页岩中发现的致密油非常相似。巴肯页岩是一种富含有机质的页岩，厚度小于15m，TOC值高达14% ~ 18%，Ro值为1.1% ~ 1.3%。主力油层孔隙度10% ~ 13%，渗透率小于1×10-3μm2，厚度5 ~ 15m，面积约75563km2。2008年，USGS估计页岩油地质资源量为241× 6538。
2.中国页岩气资源潜力。
许多学者或机构对我国页岩气资源潜力进行了预测，总体评价乐观(邹才等，2010a；李建中等人，2009年；刘成林等人，2004年；朱华等人，2009年)。
中国页岩气的勘探开发仍处于初级阶段，可用于预测页岩气资源潜力的信息非常有限。虽然中国不同地区富有机质页岩的发育规模和页岩质量有着广泛的相似性，但中国地质条件复杂，特别是构造演化、沉积环境和热演化过程，使得不同地区页岩气的形成和富集有所不同。中国古生代海相富有机质页岩分布范围广，连续厚度大，有机质含量高，但演化程度高，构造变化多。中、新生界湖相富有机质页岩横向变化大，主要由厚层泥岩或砂泥岩互层组成，有机质丰度中等，热成熟度低。
基于地质类比，预测了中国页岩气资源潜力。中国古生代海相富有机质页岩有利区为63×104～90×104 km2，中、新生代湖相富有机质页岩有利区为23×104～33×104 km2，有效厚度为20～300m。Ro值为0.8% ~ 4.5%。初步预测中国页岩气资源量为30×1012 ~ 100×1012 m3。中国页岩气技术和经济可采资源有待进一步研究。
中国页岩气与北美页岩气对比有三个特殊性:一是海相页岩热演化程度高(Ro值为2.5% ~ 5.0%)，构造活动强烈，需要寻找保存条件有利的区域，避开露头和断层破坏区；二是湖相页岩热演化程度低，分布非均质性强，有效开发需要有针对性的技术；三是地面为山地、丘陵等复杂地表，埋藏较深(1000 ~ 6000 m)，需要适应性技术降低成本。因此，我国页岩气的勘探开发应注意地表复杂、埋深和后期保存等特殊地质条件，如塔里木盆地海相页岩埋深大，南方部分地区存在保存和山地地表正在开发的问题等。因此，有必要加强有利区的优选和经济评价。