中國非常規(guī)天然氣資源基礎與開發(fā)技術(shù)

摘 要

煤層氣勘探在高階煤中取得突破；頁巖氣研究剛剛起步，四川盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地等具有良好的頁巖氣成藏和開發(fā)條件；在中國南海多處發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在的證據(jù)。
摘要：中國非常規(guī)天然氣資源豐富，合理有效地開發(fā)可為中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供能源保障。致密砂巖氣藏遠景資源量超過12×1012m3，已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)；煤層氣勘探在高階煤中取得突破；頁巖氣研究剛剛起步，四川盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地等具有良好的頁巖氣成藏和開發(fā)條件；在中國南海多處發(fā)現(xiàn)天然氣水合物存在的證據(jù)。但是，由于非常規(guī)天然氣地質(zhì)條件具有復雜性和特殊性，現(xiàn)有的部分勘探開發(fā)技術(shù)適用性差、不夠成熟，加之低滲透儲層單井產(chǎn)量低等因素，嚴重制約了非常規(guī)天然氣開發(fā)利用的步伐。因此應加強以下工作：研發(fā)不同類型致密砂巖氣藏的開發(fā)技術(shù)；優(yōu)選煤層氣有利目標區(qū)及擴大勘探開發(fā)規(guī)模；研發(fā)適合高階煤層氣田的高效勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)；調(diào)查頁巖氣資源分布并查明成藏主控因素；開展天然氣水合物資源評價。
關(guān)鍵詞：非常規(guī)天然氣；致密砂巖氣；煤層氣；頁巖氣；天然氣水合物；資源；成藏；開發(fā)技術(shù)
0 前言
    非常規(guī)天然氣是指在成藏機理、賦存狀態(tài)、分布規(guī)律或勘探開發(fā)方式等方面有別于常規(guī)天然氣的烴類(或非烴類)資源，主要指致密砂巖氣、煤層氣、頁巖氣、天然氣水合物等。摸清中國非常規(guī)天然氣資源潛力，拓寬勘探領(lǐng)域，對于增加天然氣資源后備儲量，提高天然氣產(chǎn)量，具有重要的戰(zhàn)略意義。
1 非常天然氣資源潛力分析
1.1 致密砂巖氣
    中國致密砂巖氣藏勘探領(lǐng)域廣闊，四川、鄂爾多斯、松遼、渤海灣、柴達木、塔里木及準噶爾等10余個盆地都具有形成致密砂巖氣藏的有利地質(zhì)條件。據(jù)預測，中國致密砂巖氣藏遠景資源量超過12×1012m3，占天然氣總資源量(56×1012m3)的1/5以上[1]。其中四川和鄂爾多斯盆地的致密砂巖氣較為豐富。
    四川盆地致密砂巖氣資源量較為豐富，勘探潛力大。根據(jù)最新評價結(jié)果，川西坳陷侏羅系與上三疊統(tǒng)天然氣資源量為1.8×1012～2.5×1012m3，而目前的探明儲量約為2200×108m3，僅占資源量的10%左右。在四川盆地已發(fā)現(xiàn)并開發(fā)中壩、平落壩、九龍山、合興場、新場、洛帶、新都、邛西、馬蓬等氣田，但仍有大量的資源有待發(fā)現(xiàn)[2]。川中地區(qū)遂南、南充、八角場氣田均在須家河組致密砂巖氣藏生產(chǎn)工業(yè)天然氣。
    鄂爾多斯盆地北部已發(fā)現(xiàn)蘇里格、榆林、長北、大牛地等致密砂巖氣田。蘇里格氣田是近年來發(fā)現(xiàn)的大氣田，探明天然氣地質(zhì)儲量6025×108m3，為目前中國最大的氣田，具有極其廣闊的開發(fā)潛力[3]。
1.2 煤層氣
    中國煤層氣資源豐富，繼俄羅斯和加拿大之后居世界第三位。據(jù)最新一輪全國油氣資源評價結(jié)果顯示，中國45個聚煤盆地埋深2000m以淺的煤層含氣面積41.5×104km2，地質(zhì)資源量為36.8×1012m3，其中資源量大于1×1012m3的盆地包括伊犁、吐哈、鄂爾多斯、準噶爾、海拉爾、二連、沁水等盆地，以及滇黔桂地區(qū)，資源量共計為30.9×1012m3，占其總資源量的84%。埋深1000m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為14.3×1012m3，可采資源量為6.3×1012m3；1000～1500m的煤層氣地質(zhì)資源量為10.6×1012m3，可采資源量為4.6×1012m3；1500～2000m的煤層氣地質(zhì)資源量為11.9×1012m3。3種深度范圍的煤層氣資源量各占近三分之一，其中1000m以淺的煤層氣資源最有利于開發(fā)。
    中國煤層氣藏有其獨特的復雜性和特殊性[4]，具體表現(xiàn)在如下結(jié)果方面：①煤層氣資源含氣飽和度低，儲層壓力低。含氣量大于4m3/t的聚氣區(qū)里，含氣飽和度在20%～91%之間，平均為45%。東北聚氣區(qū)含氣飽和度最高，其次是華南聚氣區(qū)、華北聚氣區(qū)，西北聚氣區(qū)最低。煤層氣煤儲層以欠壓為主，儲層壓力系數(shù)普遍小于1，最低為0.3。②受多期構(gòu)造活動影響，煤層破碎，構(gòu)造煤發(fā)育。中國煤田地質(zhì)構(gòu)造復雜，部分含煤盆地后期改造較強，構(gòu)造形態(tài)多樣，煤層破碎，開發(fā)難度大。構(gòu)造煤資源占五分之一左右，煤層力學強度低，鉆井難度大。③低煤階煤層氣資源量大，勘探理論技術(shù)不成熟。中國低煤階煤層氣資源量占總資源量的36%，但研究工作較少，目前尚未發(fā)現(xiàn)可供大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的煤層氣田。
    目前主要在沁水盆地、阜新盆地和鄂爾多斯盆地南部的韓城地區(qū)初步實現(xiàn)了煤層氣的商業(yè)性生產(chǎn)、銷售和利用。
1.3 頁巖氣
    中國頁巖氣的研究剛剛起步，尚未開展全國范圍內(nèi)的資源評價。國內(nèi)外不同機構(gòu)對中國頁巖氣資源量進行了預測，但差別較大(見表1)。
表1 中國頁巖氣資源量預測表
范圍
資源量(1012m3)
機構(gòu)
年份
中國
100
Rogner
1997
中亞和中國
99.9
Kawata和Fujita
2001
中國(主要地區(qū))
15～30
科羅拉多礦業(yè)大學(John B.Curtis)
2002
中國
35
中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院
2008
在中國南方地區(qū)，從震旦紀到中三疊世，頁巖層發(fā)育了廣泛的海相沉積，分布面積達200×104km2。下寒武統(tǒng)、上奧陶-下志留統(tǒng)以及二疊系等地層分布廣泛、厚度大，有機質(zhì)豐富、成熟度高，是南方地區(qū)區(qū)域上的頁巖氣發(fā)育最有利層位，四川盆地、鄂東渝西及下?lián)P子地區(qū)是平面上分布的有利區(qū)[5]。在四川盆地下寒武和下志留統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示。鄂爾多斯、塔里木、吐哈等其他地區(qū)的頁巖也具有形成頁巖氣的基礎與條件。
    在華北-東北地區(qū)，頁巖氣更可能發(fā)生在主力產(chǎn)油氣層位的底部或下部，區(qū)域上的古生界、鄂爾多斯盆地的中-古生界、松遼盆地的中生界、渤海灣盆地埋藏較淺的古近系等，泥頁巖累計厚度介于50～2000m，平均有機碳含量為1.0%～2.0%，局部平均值可超過4.0%，有機質(zhì)成熟度變化較大[6]。
    在西北部地區(qū)，頁巖氣分布更多地受現(xiàn)今盆地特點的約束，區(qū)域上分布的中生界(侏羅系及三疊系等)和盆地邊緣埋深較淺的古生界泥頁巖相對有利，有機碳含量平均值普遍較高，成熟度變化范圍較大。盡管青藏地區(qū)的地表環(huán)境較差，但中-古生界泥頁巖地層厚度大，有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)熱演化程度適中，也是頁巖氣發(fā)育的前景地區(qū)[7]。
1.4 天然氣水合物
    中國地質(zhì)調(diào)查局等單位對中國管轄海域歷年來做過大量的地震勘查資料分析，在沖繩海槽的邊坡、南海的北部陸坡、西沙海槽和西沙群島南坡等處發(fā)現(xiàn)了海底天然氣水合物存在的似海底地震反射層(BSR)標志。
    中國南海北部有可能存在天然氣水合物，預測資源量為650×108t油當量。中國地質(zhì)調(diào)查局等單位通過對南海北部陸坡、西沙海槽、東沙、神狐暗沙和瓊東南等海域進行了水合物調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多處似海底反射(BSR)和振幅空白帶；存在大量的地球化學異常，主要是頂空氣的烴類異常，孔隙水中Cl-和SO42-濃度與同位素異常；發(fā)現(xiàn)多處冷泉溢氣口、碳酸鹽結(jié)殼和雙殼類。以上證據(jù)表明，在調(diào)查區(qū)淺層沉積物中存在天然氣水合物[8～9]。
    東海是西太平洋溝-弧-盆體系中的一個弧后盆地，主要包括東海陸架、沖繩海槽等單元。從水深、海底溫度、熱流值、沉積厚度、沉積速率、有機碳含量等區(qū)域地質(zhì)條件來看，沖繩海槽特別是其西南斜坡具有良好的天然氣水合物形成條件。據(jù)報道，利用原來的地球物理資料進行分析和處理在沖繩海槽發(fā)現(xiàn)與天然氣水合物有關(guān)的BSR標志[10]。
    此外，青藏高原和東北凍土區(qū)也具備較好的天然氣水合物形成條件和找礦前景，其中羌塘盆地是最有前景的找礦遠景區(qū)。羌塘盆地是青藏高原年平均地溫最低、地溫梯度最低、凍土層相對較厚的地區(qū)，具有合適的溫壓條件和充足的氣源條件形成天然氣水合物。在羌塘盆地發(fā)現(xiàn)了明顯的高烴異常，這很有可能與天然氣水合物有關(guān)[11]。
2 非常規(guī)天然氣資源開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀
2.1 形成了致密砂巖氣規(guī)模性開發(fā)技術(shù)系列
    針對中國致密砂巖氣藏的低孔低滲、高毛細管壓力、地層壓力異常、高損害潛力的特性，在氣藏描述、鉆井完井儲層保護、增產(chǎn)改造等方面形成了相關(guān)的開發(fā)技術(shù)。
    在氣藏描述方面，針對不同氣藏的主控地質(zhì)因素，建立并完善了針對性極強的2D/3D地震壓力預測技術(shù)、3D相干數(shù)據(jù)體技術(shù)、2D/3D道積分反演技術(shù)、多井約束地震地層反演技術(shù)等。實現(xiàn)了含氣砂體的追蹤、氣藏形態(tài)的描述和富集帶的成功預測[12]。
    在鉆、完井儲層保護方面，通過使用優(yōu)良的低損害泥漿體系、非規(guī)則屏蔽暫堵劑及合適的井漏預防技術(shù)，形成了屏蔽暫堵鉆、完井儲層保護技術(shù)。
   在儲層改造方面，形成了“低前置液量、小排量、高砂比”為特色的淺層水力壓裂技術(shù)，解決了低溫壓裂液破膠的難題，建立了“大砂量、大排量、中砂比”為特色中深層水力壓裂技術(shù)和適應高破裂壓力儲層的復合壓裂與多層壓裂技術(shù)，解決了壓裂液返排的難題。
    雖然在開發(fā)技術(shù)上取得了成效，但在氣藏的動用程度和采出程度方面，致密砂巖氣藏遠遠低于中高滲透砂巖氣藏和碳酸鹽巖氣藏(見圖1)，處于規(guī)模開發(fā)的早期階段。
 
2.2 初步形成煤層氣開發(fā)技術(shù)系列
    通過對煤層氣開發(fā)技術(shù)的攻關(guān)，中國已經(jīng)形成了煤層氣地球物理勘探技術(shù)、煤層氣鉆完井技術(shù)、煤層氣增產(chǎn)工藝技術(shù)等。特別是高變質(zhì)無煙煤煤層氣的開采技術(shù)，通過多年的攻關(guān)取得了實質(zhì)性進展。
    在煤層氣地球物理勘探技術(shù)方面，在淮南煤田開展了三維三分量地震勘探，初步建立了煤層厚度、裂縫發(fā)育和煤層氣富集的預測方法，利用縱波方位AVO理論預測裂隙方位和裂隙密度。
    在煤層氣鉆井完井技術(shù)方面，針對中國高變質(zhì)低滲透無煙煤煤層氣的開采，提出羽狀水平井技術(shù)，設計了定向羽狀水平鉆井完井方案。
    在煤層氣增產(chǎn)工藝技術(shù)方面，通過對煤層氣水力壓裂井的統(tǒng)計分析，研究了煤巖裂縫展布規(guī)律，建立了煤層水力壓裂裂縫診斷測試方法。此外，還進行了單井注入、單井產(chǎn)出的注CO2采氣試驗，取得了良好成效[13]。
2.3 對頁巖氣開發(fā)技術(shù)開始進行研究
    中國尚未進行頁巖氣的工業(yè)性開發(fā)，但已經(jīng)開展了相關(guān)的研究。在勘探開發(fā)技術(shù)方面，已進行泥巖裂縫氣藏的開發(fā)，在泥頁巖裂縫油氣藏鉆井、完井技術(shù)，產(chǎn)層保護和低滲透氣藏改造等方面積累了大量的經(jīng)驗，掌握了分支水平井鉆井和壓裂增產(chǎn)技術(shù)。
2.4 天然氣水合物的基礎研究穩(wěn)步推進
    2007年5月，中國地質(zhì)調(diào)查局在南海北部神狐海域首次成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，標志著中國成為繼美國、日本、印度之后的第4個系統(tǒng)開展天然氣水合物資源調(diào)查并獲取實物樣品的國家。
    近年來，中國加大了天然氣水合物開采的研究力度，以中國科學院廣州能源研究所為代表的一些機構(gòu)建立了天然氣水合物開采模擬裝置。廣州能源研究所研制出天然氣水合物一維、二維開采實驗模擬系統(tǒng)，并合成天然氣水合物。中國石油大學(華東)設計了多孔介質(zhì)中天然氣水合物二維模擬實驗裝置，建立了水合物合成與開采實驗系統(tǒng)。此外，青島海洋地質(zhì)研究所等自建了天然氣水合物模擬實驗裝置。
    初步探索了以識別天然氣水合物為目的的地震數(shù)據(jù)“三高”處理技術(shù)，開展了天然氣水合物正演模擬研究，開展了天然氣水合物沉積層綜合識別方法研究，應用多波地震對南海、東海天然氣水合物勘探的可行性進行了研究[14～15]。
3 非常規(guī)天然氣資源勘探開發(fā)技術(shù)展望
    由于非常規(guī)天然氣地質(zhì)條件具有復雜性和特殊性，現(xiàn)有的部分勘探開發(fā)技術(shù)適用性差、不成熟，加之低滲透儲層單井產(chǎn)量低等因素，在勘探開發(fā)過程中還存在很多需要攻關(guān)的理論技術(shù)難題，嚴重制約了中國非常規(guī)天然氣資源開發(fā)利用步伐。非常規(guī)天然氣成藏條件復雜，儲層致密，非均質(zhì)性強，不同類型資源各具特點。致密砂巖氣藏具有低孔低滲、高毛細管壓力、地層壓力異常、高損害潛力的特性；煤層氣儲層具有含氣非均質(zhì)性強、滲透率低、儲層壓力低、含氣飽和度低等特點。目前非常規(guī)天然氣的開發(fā)主要借鑒常規(guī)天然氣的經(jīng)驗，尚未形成獨特的技術(shù)。對于壓裂增產(chǎn)施工過程中裂縫形成的機理還不清楚，需要進一步研究。另外，還存在分支井鉆井失敗率高等難題。
    將非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)面臨的主要技術(shù)需求歸納為以下5個方面：
3.1 加強基礎研究，研發(fā)不同類型致密砂巖氣藏的開發(fā)技術(shù)
    針對致密砂巖氣藏工程地質(zhì)基礎研究薄弱、預防和解除增產(chǎn)改造中的損害缺乏有效的手段等問題，應繼續(xù)完善鉆完井儲集層保護配套技術(shù)，重視水平井及特殊工藝井技術(shù)的應用，大力提高增產(chǎn)改造技術(shù)的適應性，形成不同類型致密砂巖氣藏的配套技術(shù)系列。
3.2 優(yōu)選煤層氣有利目標區(qū)，擴大煤層氣勘探開發(fā)規(guī)模
    針對煤層氣勘探程度低，對成藏條件和分布規(guī)律研究不深入，高產(chǎn)富集區(qū)預測不準，有利目標區(qū)準備嚴重不足等特點，應利用基礎研究取得的區(qū)塊和目標評價方法對含煤盆地開展選區(qū)評價，為煤層氣勘探提供更多有利的勘探目標。
3.3 研發(fā)適合高階煤煤層氣田的高效勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)
    中國還不具備完善的煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)和裝備，需要引進和開發(fā)先進的生產(chǎn)工藝技術(shù)：多分支水平井設計及鉆井技術(shù)、煤層氣井壓裂裂縫檢測技術(shù)、煤層氣井高效排采技術(shù)、煤層氣物理模擬實驗技術(shù)等。
3.4 調(diào)查頁巖氣資源分布并查明成藏主控因素
    中國頁巖氣資源成藏機理特殊，成藏條件多樣，具有普遍發(fā)育、廣泛分布和資源量大等特點。石油鉆井所提供的烴源巖的大量數(shù)據(jù)，有利于降低頁巖氣的勘探成本。但是，中國頁巖氣資源尚無確定的數(shù)據(jù)，應調(diào)查資源分布，并查明成藏主控因素。
3.5 開展天然氣水合物資源評價
    雖然在中國南海北部斜坡、東海等區(qū)域發(fā)現(xiàn)氣體水合物可能存在的海底模擬反射BSR層，但對天然氣水合物的分布區(qū)域、地層深度、分布范圍大小和資源前景并不清楚，尚需開展天然氣水合物資源評價。
    可見在非常規(guī)天然氣資源勘探開發(fā)上，應該不斷尋找高產(chǎn)富集區(qū)、優(yōu)質(zhì)資源區(qū)，并進行先導性開發(fā)，總結(jié)規(guī)律，改進已有工藝技術(shù)，創(chuàng)新技術(shù)理論，解決重大技術(shù)難題。
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(本文作者：寧寧1 王紅巖1 雍洪2 劉洪林1 胡旭健3 趙群1 劉德勛1 1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；2.中國石油天然氣集團公司國際事業(yè)部；3.中國石油冀東油田公司)