页岩气开发的原理与工艺-斯仑贝谢
探析我国页岩气开发的市场化脉络
探析我国页岩气开发的市场化脉络2014年12月15日，重庆黔江濯页2井。
雾气虽然笼罩着阿蓬江，却挡不住川庆钻探50657钻井队员工的作业热情。
“90%的工作量已经完成，就等甲方重庆能投公司验收了。
”队长陈和平说。
濯页2井只是火热的川渝页岩气市场一口普通的井。
如今，这里已有十几个页岩气项目正在按部就班地进行地质调查、勘探、打预探井。
显然，中国页岩气开发热潮并未因国际油价跌跌不休而却步不前，反而在川渝大地逆市而上。
政策搭建体系化我国的能源决策机构，采取的是以政策营造市场化的良性生态环境。
据不完全统计，2008年至今，中央各相关部委共出台20多项政策推进页岩气开发，内容涵盖补贴、税收等多个方面。
首先，将页岩气拉出来设为独立矿种。
2011年10月，国务院《找矿突破战略行动纲要（2011-2020年）》，将页岩气列为重要矿产；同年12月，批准页岩气为独立矿种。
此举，用国土资源部油气资源战略研究中心副总工程师岳来群的话说是“管理意义远大于技术意义”。
这意味着更多的投资者可以与之牵手、参与开发。
其次，放开投资限制。
2011年12月底，国家发改委、国家商务部联合下发《外商投资产业指导目录（2011年修订）》，页岩气的勘探和开发（限于合资、合作）被列入鼓励类。
2012年10月26日，国土资源部出台《关于加强页岩气资源勘查开采和监督管理有关工作的通知》，明确页岩气勘查开采实行“开放市场”的原则，各类投资主体均可参与页岩气勘查开采。
再次，实施实惠补贴政策。
2012年11月，国家财政部、国家能源局出台页岩气开发相关利用补贴政策，2012年至2015年每立方米补贴0.4元。
2013年10月，国家能源局发布《页岩气产业政策》，将页岩气纳入国家战略性新兴产业；按页岩气开发利用量，对页岩气生产企业直接进行补贴；对页岩气开采企业减免矿产资源补偿费、矿权使用费，研究出台资源税、增值税、所得税等税收激励政策。
投资开发多元化在我国，新矿种的放开让企业纷至沓来。
非常规油气田(页岩气)的酸化压裂及采工艺.
非常规油气田(页岩气开发压裂的相关工艺与要一、页岩气的基本简介关于页岩气的定义,Curtis 认为页岩气可以是储存在天然裂隙和颗粒间孔隙中的游离气,也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气或者是干酪根和沥青质中的溶解气。
中国地质大学张金川教授给出的定义是: 主体位于暗色泥页岩或者高碳泥页岩中,以吸附和游离状态为主要存在方式的地层中的天然气聚集。
页岩气以多相态存在于致密页岩中以游离、吸附和溶解状态存在于暗色泥页岩中的天然气,其赋存形式具有多样性,但以游离态和吸附态为主,溶解态仅少量存在,游离气主要存在于粒间空隙和天然裂隙中,吸附气则存在于基质表面。
对于页岩储层评价:页岩的埋深和厚度、孔隙度和渗透率、裂缝是页岩气储集的衡量条件,页岩气藏富集程度的关键因素主要包括页岩厚度、有机质含量和页岩储层空间三大因素。
1、美国页岩气的勘探开发现状。
20世纪30年代,美国密歇根州的Antrim页岩气藏进入中等程度开发阶段。
到80年代已钻井9000口,美国开发最积极的页岩气富集带位于Texas的FortWorth盆地的Barnett页岩气藏它的成功开发。
得到了工业界的广泛关注,1986年首次在Barnett页岩气藏采用大规模的水力压裂。
1992年在Barnett页岩气藏完成第一口水平井通过不断提高的水力压裂技术和工艺,加速了Barnett页岩气藏的开发。
在此后的20年里Barn ett页岩气藏的开发生产模式在北美工业界得到了推广。
在过去的10年间Barne tt页岩气的采收率从2%增加到50%在美国48个州。
除阿拉斯加和夏威夷,广泛分布高有机质页岩,资源量在1483×10121859×1012m3加之煤层气和低渗透气藏的开发,将对美国能源形势起到重要的贡献。
2、开发瓶颈中国页岩气开发还处于探索阶段,仅松辽、伊通盆地有几口井开始试气,初产在1000立方米左右,四川盆地和鄂尔多斯盆地也已经着手准备成立先导试验区。
页岩气开采技术
页岩气开采技术1 综述页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气，是一种非常重要的天然气资源，主要成分是甲烷。
页岩气的形成和富集有其自身的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。
如图1.1所示。
页岩气一般存储在页岩局部宏观孔隙体系中、页岩微孔或者吸附在页岩的矿物质和有机质中。
页岩孔隙度低而且渗透率极低，可以把页岩理解为不透水的混凝土，这也是页岩气与其他常规天然气矿藏的关键区别。
可想而知，页岩气的开采过程极为艰难。
根据美国能源情报署（EIA）2010年公布的数据，全球常规天然气探明储量有187.3×1012m3，然而页岩气总量却高达456×1012m3，是常规天然气储量的2.2倍。
与常规天然气相比，页岩气具有开采潜力大，开采寿命长和生产周期长等优点，至少可供人类消费360年。
从我国来看，中国页岩气探明储量为36×1012m3，居世界首位，在当今世界以化石能源为主要消费能源的背景下，大力发展页岩气开采技术，对我国减少原油和天然气进口，巩固我国国防安全有很重要的意义。
我国页岩气主要分布在四川盆地、长江中下游、华北盆地、鄂尔多斯盆地、塔里木盆地以及准噶尔盆地，如图1.2所示。
图1.1页岩气藏地质条件图1.2中国页岩气资源分布页岩气开采是一种广分布、低丰度、易发现、难开采、自生自储连续型非常规低效气藏，气开采过程需要首先从地面钻探到页岩层，再通过开凿水平井穿越页岩层内部，并在水平井内分段进行大型水力加砂压裂，获得大量人工裂缝，还需要在同一地点，钻若干相同的水平井，对地下页岩层进行比较彻底的改造，造成大面积网状裂缝，最后获得规模产量的天然气。
因此，水平井技术和水力压裂技术的页岩气成功开采的关键。
2 页岩气水平井技术1821年，世界上第一口商业性页岩气井在美国诞生，在井深21米处，从8米厚的页岩裂缝中产出了天然气。
美国也是页岩气研究开采最先进的国家，也是技术最成熟的国家。
微地震检测：页岩气开发明星技术
但 由于所需仪器价格 昂贵且精度不
高 、监测结果不明显而未能 引起人 们 的足够重视 和推广 。近 １年来 ， ０ 地球物理学的进展 ，特别是数字化
地 震 监 测 技 术 的应 用 ， 为小 范 围 内
开采坑道的破 坏，只有那些能够引 起矿区附近的地区都受到破坏的地 震事件才叫做冲击地压或煤爆、岩 爆 。对地下开采诱发 的地震活动性
术特 点、技术关键、应用方法 、技
术 实用性及其发展方 向，必将对我 国页岩油气藏勘探开发起到重 要的 推进作用。
地震监测研 究。一些技术服务公司
在该领域取得重大进展，在优化开发
微 地震检 测技术及 应用 方法
作为２ １年世 界十大石油科学 ００ 技术进展之一 的微地震检测技 术， 最早于２ 世纪８ 年代提出，９ 年代 Ｏ Ｏ Ｏ
息最 丰富的监测手段 。随着对 微地 震震源机制 、反演及可视化的深入 研 究，微地震技术将不断扩大应用 范围，发展前景将更加广阔。
类 ：第一类是矿井 地震检测系统 ， 用于监测矿震 ，特 点是监测大震级
破裂事件，定位精度５０ ０米左右，主
微地震检测技术 的基本应用方
法是：通过在井 中或地面布置检波
随着我国页岩油气开发技术的不 断突破 ，未来５ Ｏ ～１年必将形成一定 的油气开发规模 。微地震压裂检测 技术作为一项重要的非常规油气藏
勘 探 新 技 术 ，全 面 了解 和 掌握 其 技
用包括储层压裂监测 、油藏动态监 测等，可缩短和 降低储层监测的周
期与 费用 。
数 ，最后通过这些参数对 生产活动
压裂检测技术 ，首次在油气勘探领 域实现商业化应用 。微地震检测技
术在油气藏勘探开发方面的主要应
页岩气形成及富集机理
目前,世界上对页岩气的研究并不普遍,只有美国和加拿大对此做过大量工作,特别是美国,页岩气是美国勘探开发最早和最成功的天然气类型之一，对国内的5大页岩气盆地进行了十分系统的研究工作,在页岩气勘探开采方面取得了很大的突破,积累了丰富的经验。
目前已成为美国成功勘探开发的3大类非常规天然气之一,目前已发现5个商业化生产的页岩气盆地,可采储量大约为(8778～21521)×108m3。
2006年,美国大约有39500口页岩气生产井,产量占全美天然气产量的8%[1]。
我国对页岩气的研究与勘探开发还处于探索阶段。
20世纪60—90年代,在页岩油藏有所发现的基础上,部分学者对页岩气藏做过一定的探讨。
近2年,国内学者相继发表了一些关于页岩气方面的著作,将为我国的油气勘探打开新的局面。
页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气,在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式。
从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果,由于储集条件特殊,天然气在其中以多种相态存在。
页岩气是目前经济技术条件下,天然气工业化勘探的重要领域和目标[5]。
页岩气存在形式主要以吸附气与游离气为主,形成机制可划分为生物成因、热成因及二者混合成因。
页岩气的地质储量丰富,影响其成藏的因素主要有总有机碳、有机质类型和成熟度、孔隙度、地层压力及裂缝发育程度等,同时还要兼顾各参数之间的联系。
一、页岩气形成机理页岩气与深盆气、煤层气一样都属于“持续式”聚集的非常规天然气。
所谓页岩气( Shale Gas) 系指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙,使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因和/ 或热解成因天然气。
页岩气系统具有典型的自生自储特性。
页岩气的形成与开发
页岩气的形成与开发随着全球能源需求的不断增长，页岩气作为一种清洁、高效的能源资源，正日益受到人们的。
本文将探讨页岩气的形成与开发相关问题，以期为页岩气钻探和开发工作提供一些启示和建议。
一、页岩气的概念与重要性页岩气是指赋存在页岩层中的天然气，其主要成分是甲烷。
与常规天然气相比，页岩气的开采更为复杂，但具有更高的能源密度和更低的碳排放。
随着全球常规天然气储量的逐渐减少，页岩气作为一种非常规能源资源，正变得越来越重要。
二、页岩气的形成页岩气的形成主要发生在沉积盆地中，由生物作用和热力作用共同作用形成。
生物作用指的是生物遗体在沉积盆地中分解产生甲烷的过程，而热力作用则是指地层中的有机质在高温高压条件下分解产生甲烷的过程。
这些甲烷分子在页岩层中不断聚集，形成了大量的页岩气。
三、页岩气的开发1、页岩气井的类型根据开采方式和地质条件的不同，页岩气井可分为水平井、垂直井和复合井三种类型。
水平井是指在目标层沿水平方向钻进的井，具有产量高、占地面积小等优点；垂直井则是在目标层垂直方向钻进的井，适用于地质条件较复杂的情况；复合井则是将水平井和垂直井结合起来，以提高开采效率。
2、钻探工艺页岩气钻探的主要工艺包括：钻井、固井、完井、压裂和酸化等。
其中，钻井是基础，完井和压裂则是关键环节。
在钻井过程中，需要使用特殊的钻头和钻具，以确保钻进稳定和快速；在完井和压裂过程中，则需采用高精度的设备和工艺，以实现页岩层的分离和裂缝的扩展。
3、开发流程页岩气开发的基本流程包括：资源评估、钻前准备、钻井、测井、完井、试气、生产和废弃管理等环节。
这些环节环环相扣，任何一个环节的失误都可能影响到整个开发项目的成败。
4、面临的问题尽管页岩气开发具有巨大的潜力，但也面临着诸多问题。
首先，页岩气开发需要大量的水资源，而水资源在某些地区可能难以获得；其次，页岩气开发过程中的压裂和酸化等工艺可能会对地下水造成污染；此外，页岩气开发还会产生大量的废气和废水，对环境造成一定的影响。
斯伦贝谢---页岩气开发
该类干酪根含氢量高，含氧量低，易于
0
0.1
0.2
0.3
ᄟ0༐Բ୲
> 干酪根的演化。修正后的 Van Krevelen 图显示埋藏过程中热 量增加后干酪根发生的变化。干酪根受热转化成烃类的一般趋 势可以表示为先产生非烃类气体，然后演化成油、湿气和干 气。在此演化过程中，干酪根先在释放二氧化碳和水的过程析 出氧，接着开始在演化成烃类时析出更多的氢。
学分解的微量元素，以及其所受到的 热力程度和受热时间的长短等。
有机物，即动物和植物的遗骸，经 热力转化后可以形成油或气。动植物 遗骸需经过一定程度的保存才能发生 这一转化过程。保存程度将对最终形 成的碳氢化合物类型产生影响。
大多数动植物遗骸不是被其它动 物消耗，就是被细菌侵蚀或腐烂，因而
保存动植物遗骸通常需要在能抑制多数 生物或化学净化作用的缺氧环境下快速 埋藏。水循环受到限制、生物需氧量超 出供应量（出现在每公升水中含氧量低 于0.5毫升的水域）的湖泊或海洋环境符 合快速埋藏的条件[4]。但即使在这些环 境下，厌氧性的微生物也能以埋藏后的 有机物为食物，在此过程中产生生物甲 烷。
3. 基岩渗透率是指流体通过岩石的能力，主要 是指流过组成岩石的矿物颗粒之间间隙的能 力，但不包括流体在岩石裂缝中的流动。
过去 150 年所钻的数百万口油气井 在达到其目标深度之前，都钻透了大量 页岩层段。既然页岩层段的暴露如此普 遍，是否每口干井实际上都是潜在的页 岩气井呢？当然不是，页岩气只有在某 些特定条件下才可以被开采出来。
页岩是一种渗透率极其低的沉积 岩，通常被认为是油气运移的天然遮 挡。在含气油页岩中，气产自其本身， 页岩既是气源岩，又是储层。天然气可 以储存在页岩岩石颗粒之间的孔隙空间 或裂缝中，也可以吸附在页岩中有机物 的表面上。对常规气藏而言，天然气从 气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩地层中， 并聚集在构造或地层圈闭内，其下通常 是气水界面。因此，与常规气藏相比， 将含气页岩看作非常规气藏也就理所当 然了。
页岩气开采技术
据预测，到2030年，中国页岩气产量将达到150亿立方米，占国内天然气产 量的15%左右。随着国际合作和经验技术交流的加强，中国页岩气开采技术也将 逐步走向世界前列。
总之，世界页岩气资源和开采现状表明，页岩气已经成为全球清洁能源领域 的重要角色。中国作为页岩气资源大国，其发展前景在政策支持、市场需求和技 术进步的共同推动下十分看好。随着国内外合作和研发的深入进行，中国页岩气 产业将迎来更为广阔的发展空间，为推动全球清洁能源革命和应对气候变化作出 积极贡献。
总结
国内页岩气开采技术的不断进步和发展，为我国能源结构的优化和清洁能源 的发展提供了有力支持。本次演示介绍了国内页岩气开采技术的现状、技术创新 和未来展望。通过水平井技术和水力压裂技术的不断优化和创新，我国页岩气开 采成本降低、效率提高，
为实现清洁能源的规模化发展奠定了基础。随着技术的进一步突破和市场需 求的增加，国内页岩气开采的前景十分广阔。未来，需要继续加强技术研发和创 新，推动页岩气开采技术的进步，为我国的能源事业作出更大的贡献。
2、水平井技术
水平井技术已成为页岩气开采的重要手段。水平井能够增大储层暴露面积， 提高产能，并有助于降低生产成本。其原理是在垂直主井眼的基础上，侧钻出一 条或多条水平井眼，以实现对更大储层的开发。水平井技术的优势在于提高产能、 降低成本以及减少环境影响。然而，该技术的实施需要先进的设备和钻井技术， 同时对地质和工程要求较高。
3、水力压裂技术
水力压裂技术是页岩气开采过程中的一项关键技术。其原理是通过向储层注 入高压泵入的流体（通常是水和砂），使储层产生裂缝，进而释放出被困的天然 气。水力压裂技术的主要优点是提高产能、降低钻井成本和减少开发时间。然而， 该技术也存在一定的局限性，如对储层造成潜在损害、需要大量水资源以及可能 引起地质灾害等。
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影响产量的因素：作业体积
Gallons per foot gross VS 12 month GAS CUM
500000
400000
300000
200000
100000
0 1800 2000 2200 2400 2600 2800
gal/ft gross
From Barnett Shale Data
碳酸盐
Energy Information Administration, Office of Oil and Gas, Reserves and Production Division, November 2006
石英
粘土
4
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特点：水平最大主应力和最 小主应力差别小，容易形成 复杂网络裂缝系统
有机质含量 (%)
R0 孔隙度 (%) 气体空隙度 (%)
4.5
0.9-1.3 4.5 2.5
水空隙度 (%)
吸附气 (%) 气体含量 (方/吨) 地层压力 (Mpa)
1.9
50 8.5-9.9 20.7-27.6
水饱和度 (%)
渗透率 (md) 杨氏模量 (psi) 泊松比 体密度 （克/厘米3）
Barnett
Marcellus Haynesville
12
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Barnett页岩的复杂裂缝系统
1500
1000
500
2001 Barnett Shale Vertical (SPE 90051) Observation Well Multi-directional networks Interaction with natural fracs One mile long
7,000 to 8,000
Haynesville
10,000 to 13,500
Marcellus
6,500 to 7,500
Woodford
7,000 to 13,000
Bakken
7,450 to 11,010
Eagleford
8,500 to 14,000
3,000 to 5,000
4,000 to 7,600
1.5 to 2.5 FR-water Linear gel Crosslink 20/40 Sand 40/70 Sand 30/50 Sand
Fluid type
FR-water Linear gel 100-mesh 40/70 Sand
FR-water Linear gel 100-mesh 40/70 Sand 40/70 CRC
0
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产量统计
% of wells VS 12 month gas Barnett 2000 wells
30-40
2.5-3 E-05 6-10 E06 0.12-0.25 2.5
趋势
Barnett Shale Completion Roadmap
35000 4500
4000 30000 3500 25000 3000 20000
每段砂量
sks/stage
bbl/stage
2500
15000
2000
-3000
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
6
-4000 -4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
Easting (ft)
y = 0.5569x + 356.11 R2 = 0.5486
10
岩石的矿物成分
• 矿物组成影响理学性能 • 石英矿物多，更脆
SPE 115258
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11
Fracture Treatment Design based on Brittleness
Barnett
Marcellus
Haynesville
每段液量
bbl/stage sks/stage
Barnett Shale Completion Roadmap
1500 10000 1000
80 90 700
5000 500
70
排量
600
0 1999 2000 2001 2002 2003 Year 2004 2005 2006 2007 2008
影响产量的因素：有机质含量
SPE 130369
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TOC-FT = TOC * Thickness
9
脆性指数
vs 气体产量
Post Frac Production Log – day 45, well flowing 9MM
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18
影响产量的因素：支撑剂用量
SPE 133874
Production by foot, proppant per foot (Miller et al. 2008)
19
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SRV (10 ft3)
影响产量的因素：水平井长度
15
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水平井逐年增多
16
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影响产量的因素：水平井走向
17
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页岩气开发的原理与工艺
王强 哈里伯顿中国
提纲 北美页岩气发展概述 页岩气储层特点介绍 页岩开发工艺简述 压裂完井 环境保护
2
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北美页岩分布
3
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10-5 10-6 10-7
纳达西
10-8 10-9 10-10 10-11
渗透率（达西） (1 cP = 9.8692 x 10-9 cm2
5
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-- actually cm3 (atm2 – atm1) / cm sec )
页岩气在哪里？
0.57
2.5 FR-water Linear gel Crosslink 100-mesh 40/70 ISP 40/70 RCP 30/50 ISP
2.5 FR-water Linear gel Crosslink 100-mesh 40/70 Sand 30/50 Sand
1
2.0 to 2.5
Hybrid Crosslink 100-mesh 20/40 Sand 40/70 Sand 20/40 Ceramic
Proppant type
30/50 Sand
–
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–
21
–
–
案例：Barnett Shale
1970 – 5 口井 1981 – 1 口井 (CO2 压裂) 1984 – 11 口井 (交联液，3ppg 砂 ， N2) 1985 – 32 口井 (XL Gel) 1988 – 13 口井 (Denton 郡) 1991 - 第一口水平井 1993 – 42 口井 1995 – 85 口井 (将交联液减到20#，2口水平井) 1997 – 83 口井 (将交联液减到12.5#) 1999 – 211 口井 (包括上 Barnett) 2000 – 375 口井 (测试井密度) 2001 – 717 口井 (200 口二次压裂) 2002 - 941 口井 2003 – 754 口井 2004 - 150 口水平井 2005 - 超过 600口水平井 2006 – 1000口水平井 2007- 1500口水平井 2008 – 超过 5500 口水平井，开始在一个井场上打多口井 截止2009年，共有超过13000 口井 目前的课题：二次压裂，同步压裂M
span ft.
50
400
BPM Treatm
40
300
砂量在增加 液量在减少 排量先增加，进几年在减少 每段长度摇摆不定
25
30
每段长度
200
20 100 10
0 1999 2000 2001 2002 2003 year 2004 2005 2006 2007 2008
22
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Barnett 地质结构
上界
Upper Barnett
下界
23
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储层
Barnett
深度 (m) 层厚 (m) 地层温度（摄氏度） 1980-2590 60-91 93
• 孔隙中 • 有机质中
6
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