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頁巖“出氣”了——頁巖氣

編著:包書景 高堋 自然資源部中國地質調查局油氣調查中心    

頁巖氣掀起了21世紀能源革命的序幕,在當今世界,它對能源產業和結構優化、工業排放和環境保護、經濟發展和能源保障、地緣政治和國防安全都有著重要的影響。

那么,頁巖氣到底是什么呢?它又藏在哪里呢?

與儲集在疏松多孔砂巖中的常規油氣不同,頁巖氣是主要以吸附、游離方式儲存在致密堅硬的富含有機質頁巖中的天然氣,被稱為從石縫里擠出的“藍金”。其成分與我們生活中用的天然氣一樣,主要是甲燒,含量高達90%以上。作為一種新型綠色環保的清潔化石能源,可用于居民燃氣、城市供熱、發電、汽車燃料及化工原料,等等。

 

頁巖氣的藏身之處具體來說就是在黑色的富有機質頁巖中。這種黑色頁巖是海洋、湖泊和沼澤環境下泥沙長期沉積形成的細粒巖石,主要呈頁狀或薄片狀。

 

它含有豐富的古老動植物遺骸等有機物,在缺氧的還原環境下埋藏保存,并隨著溫度和壓力的增高,生成豐富的石油和天然氣,因此,富含有機質的頁巖被稱為油氣母巖(源巖)。

 

油氣母巖不斷生成的天然氣,一部分滯留在黑色頁巖中(自生自儲),即為頁巖氣,具有分布連續、資源量大、資源豐度低及孔隙度低、滲透率低等特點;一部分從頁巖中運移聚集在疏松多孔的巖石中,被稱為常規天然氣,具有資源豐度高、孔隙度高、滲透率高等特點。我們可以把頁巖氣和常規天然氣分別理解為麥田里被遺漏下的麥子和被批量收割并儲存在糧倉里的麥子,當然,被遺漏下的麥子或許真的是因為總量少、質量不佳而被農夫選擇性地放棄在麥田里,可頁巖氣則是實打實地被技術限制而未能提早面世的遺珠。

 

黑色頁巖致密堅硬,人們用肉眼無法看到孔隙,但在電子顯微鏡下可以發現豐富的納米孔隙,雖然孔徑僅有5~200納米,但對于直徑0.36納米的甲炕分子來說已經是所豪宅。頁巖氣就是以游離的方式儲存在這些孤立的、互不連通的納米孔隙中。而由于黑色頁巖缺乏導流和滲透能力,頁巖氣便很難脫離原始的儲集環境。

 

 

那么該如何獲取頁巖氣呢?

“像從細雞尾酒吸管中吸出濃奶昔或像在枕頭里吸氣一樣困難”,有人曾對開采頁巖氣打出這樣的比方。

正是由于頁巖氣單位面積資源量較低的特點,與常規天然氣有很大不同,采用傳統直井開采方式,一般無自然產能。必須對頁巖儲層進行壓裂,形成大規模的裂縫網絡,才能把原先孤立的孔隙聯通起來,實現有效開采。可是,對地下數千米的頁巖進行壓裂,并不是一件容易的事。

 

所幸,這個開采難題在21世紀初被解決了。采用水平鉆井技術和水力分段壓裂技術合力便可將頁巖氣從頁巖的納米孔隙里“解放”出來。第一步是水平鉆井,鉆頭就像貪吃蛇一樣深入地下做水平運動,走到哪里吃到哪里,控制面積是直井的數十倍,將優質頁巖氣的豪宅全部打通在一起;第二步是采用水力分段壓裂技術,將水平井分為數十段,向地下深部頁巖地層中分別注人水和砂,使頁巖“頂”不住壓力而破裂產生裂縫,并用砂子支撐,防止裂縫閉合,通過水進氣出的方式將頁巖氣從納米孔隙中擠壓出來,順裂縫滲流到井筒。

 

兩步走的方法提高了頁巖的滲透率,單井產量大幅提高可達直井產量的10~15倍,開采成本明顯降低。

頁巖氣的資源量到底有多少呢?

全世界頁巖氣資源儲量豐富,開發利用進展迅速。根據美國能源信息署(2015)評價,全球頁巖氣技術可采資源量為220.69萬億立方米(以下簡稱“方”),其中,中國、阿根廷、阿爾及利亞和美國分別占到世界總量的14.31%10.29%9.07%和7.99%。目前,世界上實現頁巖氣商業性開發的國家共有4個,分別是美國、加拿大、中國和阿根廷。根據2017年全球頁巖氣開采信息統計,以上四國的頁巖氣產量分別為4746億方、570億方、91億方和15億方,總計5422億方。此外,波蘭、英國、烏克蘭、澳大利亞、新西蘭、沙特、印度、南非及巴西等10多個國家也在進行頁巖氣勘探與評價工作。

 

美國是全球頁巖氣開發利用最早、產量最大的國家。2000年以來,隨著連續型油氣藏理論認識的深入,以及水平井鉆完井和分段體積壓裂技術的廣泛應用,在美國掀起了一場“頁巖氣革命”,呈現出油氣(頁巖氣與頁巖油)并舉、產量大幅增長的局面。2000年美國頁巖氣產量約100億方,占美國天然氣總產量的2.0%2006年美國頁巖氣產量311億方,占美國天然氣總產量的5.9%2017年美國頁巖氣產量達到4746億方,占美國天然氣總產量的63%

 

根據原國土資源部油氣資源戰略研究中心于2012年測算統計,我國頁巖氣地質資源量134萬億方,技術可采資源量25萬億方,居世界第一位。其中,海相、陸相和海陸過渡相頁巖均蘊藏著豐富的頁巖氣資源,四川盆地及周緣是頁巖氣的有利勘查地區。

 

2009年以來,我國以頁巖氣綜合選區評價為基礎,在四川盆地及周緣實施頁巖氣勘探開發,并先后在四川威遠、長寧和重慶涪陵實現了四川盆地內志留系龍馬溪組頁巖氣勘探的重大突破,截至卻18年年底,累計探明頁巖氣地質儲10455億方,2018年頁巖氣產量達到109億方,成為北美地區以外第一個實現頁巖氣商業開發的國家。

 

 

我國頁巖氣調查的重大發現在哪里?

長江經濟帶發育多套富有機質頁巖,頁巖氣資源豐富。地質研究表明,長江經濟帶廣泛沉積了從震旦系到新近系10余套富含有機質頁巖,既有海洋環境沉積形成的海相頁巖,也有湖泊環境沉積形成的陸相頁巖,還有沼澤環境沉積形成的海陸過渡相頁巖,頁巖氣地質資源潛力84.96萬億方,技術可采資源潛力14.67萬億方,分別占全國總量的69.07%和67.17%。也就是說,我國頁巖氣資源的2/3分布在長江經濟帶。

 

此前,經過了半個多世紀的勘查,油氣和頁巖氣發現仍局限于構造穩定的四川盆地等地區。常規油氣勘探開發集中在長江上游的四川盆地、中游的江漢盆地和下游的蘇北盆地,頁巖氣僅僅在四川盆地涪陵、威遠和長寧等地區實現了勘探開發,且僅局限于志留系龍馬溪組一個層系。自2009年開始,我國多家機構與技術團隊在鄂西地區先后開展了頁巖氣資源調查勘查工作,實施頁巖氣鉆井20余口,也僅僅在志留系龍馬溪組取得了頁巖氣顯示。經過強烈構造運動的盆地外復雜地質構造區是否存在有效保存單元?長江中下游是否具備頁巖氣的勘探開發前景?我國頁巖氣產業的發展尚需跨過更高門檻。

面對我國南方復雜構造區頁巖氣發展的多重挑戰,中國地質調查局科研人員發揮區域地質調查優勢,開展了頁巖氣富集與保存地質條件的系統研究,分析造成富有機質頁巖熱演化程度過高、構造破碎和含氣量過低的原因,找出了影響頁巖氣形成和保存的主要控制因素:深水沉積的富有機質頁巖是基礎,適中的熱演化程度是條件,穩定的構造保存是關鍵,并創新性提出“強中找弱,高中找低”的選區評價思路,新建立了古老隆起具有“隔熱保整”作用的復雜地質構造區頁巖氣地質理論認識,以及古隆起控藏型富集保存模式。應用這一頁巖氣理論認識和富集保存模式,科研人員瞄準久攻未克的南方復雜地質構造區,組織實施頁巖氣調查科技攻堅戰,終于成功實施二維地震、地質調查井、頁巖氣參數井、水平井和壓裂試氣工程,實現了新區、新層系、新類型頁巖氣調查的重大突破。

 

 

為支撐長江經濟帶綠色可持續發展戰略,我國首次開展了鄂西地區“三位一體”的頁巖氣資源評價,遠景區地質資源量11.68萬億方、技術可采資源量1.37萬億方,有利區地質資源量3.27萬億方,目標區地質資源量8640億方,證實了鄂西地區具備建成百億方產能的資源基礎。創新形成古隆起控藏頁巖氣地質理論認識和成藏模式,解決了制約復雜構造區頁巖氣富集保存的歷史性難題,指導頁巖氣調查在鄂西黃陵古隆起、陜南漢南古隆起、雪峰古隆起取得發現和突破。同時創新形成的南方復雜構造區頁巖氣富集地質理論認識和古隆起控藏富集模式,以及復雜構造區選區選層評價技術、水平井優快鉆探技術和復雜儲層壓裂返排試氣工藝技術“三大技術體系”,對南方復雜構造區頁巖氣選區評價和勘查開發具有重要的指導引領作用。在長江上游的志留系(安頁1井)和長江中游的震旦系(鄂陽頁1井、鄂陽頁2HF井)、寒武系(鄂陽頁1HF井、鄂宜頁1HF井)和志留系(鄂宜頁2HF井)實現了頁巖氣調查的重大突破,在長江下游二疊系(港地1井)獲得了頁巖氣調查的重要發現。

 

 

開采利用頁巖氣有何意義?

首先,開發利用頁巖氣對于保障國家能源安全十分重要。美國通過大規模開發頁巖油氣掀起的頁巖氣革命不但實現了能源獨立,而且自給有余,由油氣進口國轉變為油氣出口國,我國的油氣對外依存度持續增長,開發利用頁巖氣可以有效緩解油氣供需矛盾。其次,頁巖氣的開采有助于優化能源消費結構。我國以煤為主的能源消費結構,對環境造成了較為嚴重的污染。頁巖氣是清潔能源,加大頁巖氣的開發利用力度,可以改善大氣環境,促進生態文明建設,同時促進制造業發展,提高我國的綜合國力。

 

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