页岩气综述

页岩气是一种非常规天然气，它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率极低的泥页岩之中，开采难度更大，因此被业界归为非常规油气资源。但是随着技术的突破，页岩气开发逐渐进入我们的视野，并以其巨大的资源储量引得各国油气公司纷纷将眼光投向这块未来能源新领域[1]。

在中国开发页岩气资源的前景十分广阔，近年来,我国的油气勘探专家、学者也积极开展了泥页岩气的探索,初步研究表明,我国泥页岩气资源十分丰富,估算资源量为23.5×1012～100×1012,中国的泥页岩气资源主要分布在松辽盆地白垩系、渤海湾盆地及江汉盆地的古近系和新近系、四川盆地中生界、扬子准地台、华南褶皱带和南秦岭褶皱带等,其勘探潜力巨大。泥页岩气的勘探开发将成为未来我国天然气能源新的增长点[2]。

尽管如此我国的页岩气资源的开发却也只是处在勘探阶段，开发技术十分不成熟，为了为我国的页岩气的开发提出建议，做出指导，对开发页岩气所需要的各方面技术进行调研与分析是不可或缺的工作。美国作为开发页岩气的先驱也指出技术进步是推动美国页岩气快速发展的关键[3]。

1988年到2007年Barnett页岩气产量与技术的关系如下[4]：

图1 产量与技术关系

由图中我们可以看出每一次技术的进步都带来了页岩气产量的飞速增长，特别是在重复压裂以及水平井分段压裂技术的引入之后产量的增长更为显著。因此我们进行页岩气调研，不仅可以对我国页岩气开发中的增产作业做出指导，也可以为日后的工程研究提供一些基本的理论知识，推动我国页岩气压裂增产技术的进步。

对于页岩气储层的评价与常规储层应该有所不同，常规储层首先想到的都是储量，孔、渗、饱等储层物性参数，而对于页岩气我们应该首先考虑的则是，该处的页岩是否有能够适应压裂的一些特性。因为不能通过压裂增产的页岩是没有开采价值的。从这个考虑出发，我们跟据美国开发的经验初步拟定了如下的一些特性评价标准：

天然裂缝存在并可以在压后维持一定的导流能力对于页岩气的生产是十分

关键的，所以我们才把天然裂缝放在了储层特性评价的首位。页岩中的天然裂缝形成于不同的时期并且在漫长的地质演化过程中，都会发生不同程度的闭合和矿化。脆性较强的页岩裂缝发育程度会很高。但是由于其储层的脆性，裂缝的发育不一定会受到原地应力的控制，因此非均质程度很高。在压裂施工的时候我们应该优先考虑监测裂缝的位置并优化它们的延伸。这种裂缝复杂程度的增加在压裂施工中会表现为，压裂液的滤失增加。而滤失的增加将会限制裂缝的继续延伸，我们在施工中可以通过迅速增加排量来解决这个问题。排量的迅速增加会有助于让水力裂缝优先延伸，在水力裂缝延伸过后，可以放缓排量增加的速度，让水力裂缝与天然裂缝沟通，形成缝网。但是这种方法也具有一定的风险，因为在排量迅速增加的时候有可能会导致层位的突破，裂缝可能会延伸到不具有产气能力的层位，这对于页岩气的开发是十分不利的。

在讨论页岩气基本定义的时候已经提到过，天然裂缝的增加还会让自由气的百分含量上升。而生产阻力较小的自由气含量上升，会增加页岩气井的早期经济效益，这对于高投入的页岩气井来说可以一定程度上缩短回收成本的时间，对于页岩气井的开发也是有积极意义的。

吸附气也是页岩气生产的一个重要部分，在页岩气产能递减期的产量基本上都是由吸附气所供给的。吸附气的供给量和时间是由油藏压力所决定的，天然裂缝复杂程度的增加会帮助压力更有效的传输，天然气在干酪根和沥青质表面的解吸就会更快速的进行，其采收程度也应该会上升。

综上所述，天然裂缝的增加对于页岩气的开发是有相当有帮助的，美国的一些工程师也指出，裂缝发育程度较低的地区，其开发价值也是比较低的。由于我国的页岩气开发才刚刚起步，开发裂缝发育程度低的地区难度太大，我们初期的目标应该定在那些天然裂缝发育程度比较高的页岩上面；在积累了一定的开发、压裂经验之后，再动用那些开发难度比较大的储量。

页岩气的地质储量应该是自由气、吸附气和溶解气的总和。其计算的准确程度是取决于有效孔隙度、气层厚度、面积和含气饱和度的预测精度的。就我们现在所掌握的资料而言，页岩的地质储量一般来说都比较大。但是其储量丰度较低，单井的控制储量应该是页岩气是否具有开发价值的一个决定性的指标。

在进行了对常规油气藏的开发之后，我们都知道在油气藏规模不是太小的情况下，一口井是无法完全采集整个油田的油气的。这是由于一口井都有它所控制的一个泄油范围，在范围以外的油气是无法通过这口井产出的。而这个范围内油气的总量就被称为该井的控制储量。油气为了能够进入到流动通道，会在基质中产生迁移，而能够有效迁移的最大距离应该是受到基质孔隙度与渗透率所控制的。页岩气储层的基质不同于常规储层，其渗透率一般都nD在这个级别。这也就决定了，其中气体能发生迁移的最大距离很短，这其实也就是页岩气开发的难点所

在。为了攻克这个难点我们才使用水力压裂制造人工裂缝，最大程度的沟通气藏，获得更高的控制储量。

据黄籍中高级工程师多年研究天然气地质演化的经验[5]，他通过（镜质体反射率）将我国四川盆地的天然气成熟度做了如下划分（表1）：

表1 镜质体发射率与成熟度的关系

黄籍中高级工程师还对四川地区不同成熟度的气藏进行了调查，总结出在R om<2.00%的时候，储层中可能会有凝析油或者轻质油的存在。

在页岩气中也有成熟度的概念，美国页岩气工程师通过大量页岩气开发的地质资料得出，如果大于1.4%基本上就表明它完全成熟了，此时的气藏为干气气藏，但是有一些特殊的页岩需要镜质体反射率>2.20%才能得到干气气藏。

成熟度对于页岩气是否有开采价值的影响是巨大的，若R om的值过低则会导致页岩中有液态烃类的残留，改变相渗曲线使总的流动下降，加大开采的难度。若R om的值过高，会让气态烃高熟而分解，对生气产生不良影响。所以我们应该要求目标页岩的成熟度在一个给定的范围之内。就个人观点而言，成熟度的指标不应该照搬美国的标准，因为没有两块页岩层是相同的，我国的页岩也应该有自己的特性。对于尝试性的开发而言我觉得黄籍中高级工程师建立的标准更具有实际意识，并且也在美国标准之上较为保险，应该优先考虑使用。至于R om的上限，我认为对于页岩来说是难以达到的，因为中国页岩层的埋深一般不超过3500m 要想达到过熟的阶段还是比较不容易的。

成熟度对页岩储层还有一个重要的影响就是成岩作用，在成熟度较高的地区，碳酸盐岩也许会溶蚀或者会发生一些能够形成孔隙的地质反应，而在干酪根和周围形成很多的空隙，这对于增大储量和导流能力都是有好处的。

原地应力对于压裂增产的成功性具有重大的影响，其影响主要体现在控制裂缝启动和裂缝复杂性两个方面。为了确保能够生成水平井的横向裂缝或者判断是否能够形成缝网，也必须要有原地应力的信息。邻井的压裂作业可能会对原地应力有一些影响，但是这通常都是有利的（将在以后的连续压裂、同步压裂中进行

讨论）。

在材料力学中一般用杨氏模量和泊松比来衡量材料的脆性。杨式模量（E）是材料抵抗变形的能力，杨氏模量越大材料抵抗变形的能力越强，反之则越弱。泊松比（ν）则是指材料受到轴向应力时，横向应变与轴向应变的比值[6]，其本质是反映了材料在与所受应力垂直的方向上的变形能力。我们可以把这个概念引用到页岩储层的分类中。对于杨氏模量较高、泊松比较低的储层，它在受到超过屈服极限的载荷之后，不容易发生轴向和横向的形变，而是更容易发生断裂，我们把这种页岩叫做脆性页岩。反之对于杨氏模量较低、泊松比较高的储层，它们在受到超过屈服极限的载荷之后，则会轻易的发生塑性变形，不容易形成断裂，我们称之为塑性页岩。

页岩是脆性还是塑性，对于压裂增产有巨大的影响。在漫长的地质演化过程中，页岩储层会受到各种构造应力，较脆的页岩受到较高的应力就会发生断裂形成天然裂缝或者裂隙。而塑性页岩受到较高的构造应力时会优先变形，因此生成裂缝的能力不强。水力压裂也是如此，所以对于水力压裂而言，脆性页岩具有更好的增产结果。脆性页岩除了能形成较复杂的天然裂缝网络和更易于压裂之外，还有一个优势就是较脆的页岩容易形成应力集中的薄弱面，这种薄弱面不会完全受到地应力的控制，因此在压裂过程中可能会让裂缝转向，得到更高的SRV（被增产的气藏体积，能被气井控制并产气的页岩体积）。

我们还发现由于脆性页岩的变形能力很差，因此在脆性页岩中打开的流动通道在压裂返排之后都比较稳定，需要的支撑也较少。在美国一些大规模欠支撑的脆性页岩都具有不低的导流能力。而塑性页岩则需要更深层更全面的支撑才能正常产气。

页岩的渗透率主要分为两个部分：裂缝渗透率和基质渗透率。但是在它们之中，谁对于页岩气的开发和生产更为重要，目前还没有明确的答案。

由于在页岩中裂缝和基质的渗透率差异很大。就算是闭合并矿化了的裂缝，其渗透率也比基质高了1到3个数量级。而且在页岩气的开放过程中，裂缝至始至终都是气体的主要流动通道。越低的基质渗透率，就需要越多的人工裂缝来沟通储层，以保证气井的生产。鉴于这些原因，一些油层物理学家认为裂缝渗透率对于页岩气的开发更为重要。还有一些研究人员持有不同的意见。他们认为基质渗透率与气井的产量递减和气藏的采收率是直接相关的，基质渗透率越高，产量递减越慢，气藏的最终采收率越高。这样看来似乎基质的渗透率也有重要的意义。

虽然在基质渗透率和裂缝渗透率孰轻孰重这个问题上没有明确的答案。但是有一点我们是可以肯定的，较高的裂缝渗透率和基质渗透率对于页岩气的开发都是有积极意义的。

在常规油气藏开发的过程中，储层的非均质性有利也有弊。非均质性越强的

储层，指进、舌进会越严重，水驱前缘不稳定。对于孔渗物性较好的储层来说，这会增加其开采难度和开发成本。但是非均性对于孔渗物性较差的储层来说未必是一件坏事。由于油气藏的孔隙度和渗透率已经很低了，开采经济效益本来就不高。如果这时由于非均质性而在低孔低渗的储层中形成了一些高渗带，那么这些区块就会为油气藏开发带来极好的经济效益，从这个方面来看储层的非均质性也不是毫无优点。

在页岩气开发中，非均质性为页岩带来的不仅仅是低渗带中的“甜点”，他对于页岩气的压裂也有一定的帮助。在大型压裂裂缝延伸的过程中，页岩的非均质性会一定程度上控制裂缝的延伸，让裂缝不完全受到地应力的控制，因此非均质性较强的页岩比较容易形成裂缝网络，便于生产。还有一些资料指出，页岩的非均性会改变某些地区的原地应力。