圖5-18全球頁巖氣勘探開發形勢示意圖
壹、頁巖氣勘探開發現狀
1.北美頁巖氣勘探開發現狀
北美是世界上發現頁巖氣最早的地區。1821年，1頁巖氣井在美國東部泥盆系頁巖中鉆探，拉開了世界天然氣工業發展的序幕。1914發現第壹個頁巖氣田——大砂氣田。1981年，被譽為巴奈特頁巖氣之父的喬治·米切爾對巴奈特頁巖C . w . slay 1號井進行了大規模壓裂並取得成功，實現了頁巖氣開發的真正突破。與世界石油發現相比，頁巖氣的發現早了近40年。截至2009年底，北美仍是全球頁巖氣勘探開發最成功的地區。約50個盆地的古生代和中生代地層中發現含氣頁巖，近10個盆地產出頁巖氣，開發井5萬多口，井深2500-4500m；2009年產量為1000×108m3，占北美天然氣總產量的12%，使北美進入了天然氣繁榮的新時代。
(1)頁巖氣早期勘探開發階段(1821 ~ 1975)
1821年，在美國東部阿巴拉契亞盆地的泥盆系敦刻爾克頁巖中打了壹口井，井深僅21m，在泥盆系Perrysbury組敦刻爾克頁巖中獲得天然氣，井深8.23m，這口井成為北美平臺上的第壹口頁巖氣井，也是世界上第壹口商業頁巖氣井(Curtis，2002)。這口井生產的天然氣滿足了弗雷多尼亞的照明和部分生活，37年供應給1858。隨著美國對天然氣需求的增加，針對頁巖氣的勘探開發壹度升溫，在泥盆系黑色頁巖上進行了大量的淺層鉆探。1863年，在美國東部伊利諾伊盆地的泥盆系和密西西比頁巖中發現低產氣流。1870至1900勘探開發範圍覆蓋美國東部各州或地區，如紐約、賓夕法尼亞、俄亥俄、肯塔基、弗吉尼亞等。1914年，在阿巴拉契亞盆地鉆遇泥盆系俄亥俄頁巖時獲得日產氣2.83×104m3的高產氣流，發現了世界上第壹個頁巖氣田BigSandy氣田。1926大沙質氣田的含氣範圍從阿巴拉契亞盆地的東部向西擴展，這在當時已為世人所知。目前，大砂質氣田已鉆井約1萬口，2008年最高單井平均日產氣2831.2m3，產氣量為15.2×108 m3，是美國第20大氣田(EIA，2009，引自美國能源部等)。BigSandy氣田是頁巖氣早期勘探開發的重要成果。
(2)頁巖氣地質理論和勘探開發技術關鍵階段(1975 ~ 1989)
20世紀中葉以前，美國頁巖氣的勘探開發主要集中在東部地區的阿巴拉契亞、密歇根和伊利諾伊盆地，以泥盆系和密西西比黑色頁巖為目的層。除了阿巴拉契亞盆地的俄亥俄頁巖大砂質氣田和密歇根盆地的安特裏姆頁巖氣，其他大量井沒有商業氣流或只有低產氣流，未能進行大規模商業開發。鑒於上述困難，並為應對已經發生的石油危機，從20世紀70年代末開始，美國能源部等政府機構和相關企業投入大量資金，啟動了面向美國東部的頁巖氣地質理論和勘探開發技術研究項目(ESGP)，開展了從地質、地球化學到氣藏工程的壹系列理論研究和技術研究 其中確認了以阿巴拉契亞盆地泥盆系和密西西比系為代表的東部地區黑色頁巖的產氣能力和巨大的資源潛力，使頁巖氣資源正式化。
在同壹時期(20世紀80年代-90年代初)，GTI專註於美國頁巖氣的資源潛力和強化采油技術。65438-0980年，美國政府頒布實施了《能源意外利潤法案》第29條的稅收補貼政策，對美國頁巖氣的發展起到了重要的推動作用。在此期間，阿巴拉契亞、密歇根等盆地實現了頁巖氣的大規模開發和產量的穩步增長(圖5-19)。尤其值得註意的是——頁巖氣革命之父喬治·P·米切爾(George P.Mitchell)憑借18年的頁巖氣開采技術研究和勘探開發實踐，鉆探出MEC1C。美國中南部沃斯堡盆地密西西比頁巖W.Slay井1981年，氮氣泡沫壓裂。巴奈特頁巖氣工業化開采成功實現，紐瓦克東部頁巖氣田(1982)被發現，迅速將頁巖氣產區從美國東部推向中南部地區。MEC1C的累積產氣量。W.Slay從1981到1993為600×104 m3；1995再次進行大規模凝膠二次壓裂，兩年半采氣82×104 m3；1998再次關井，進行第三次加砂壓裂。近10年累計產氣量2850×104m3，日產氣量仍在0.9×104m3左右。目前，紐瓦克東部頁巖氣田是美國最大的氣田，已探明天然氣可采儲量為7400×108m3，2008年天然氣產量為460.2×108m3。從1979到1990，美國頁巖氣產量增長了2.5倍。
(3)頁巖氣大發展階段(1990 ~ 2000年)
從1990到2000年的10年間，頁巖氣成為美國最活躍的天然氣開發目標。隨著鉆完井技術的進步、大型水力壓裂技術的突破和輸氣管道的大規模建設，借鑒Antrim公司成功的頁巖氣開發經驗，在俄亥俄州、新奧爾巴尼、巴奈特和沃思堡盆地的劉易斯等地實現了大規模的頁巖氣開采，美國的頁巖氣產量大幅增加。到2000年，已有2.8萬口頁巖氣井，年頁巖氣產量超過100×65438+。
圖5-19美國頁巖氣年產量變化
(4)頁巖氣快速發展階段(2000-2006年)
隨著水平井鉆完井、大規模水力壓裂和重復壓裂的推廣應用，以及沃思堡盆地巴尼特頁巖氣的大規模開發，美國頁巖氣開發進入快速發展階段。2001年，沃思堡盆地巴尼特頁巖氣區鉆井數超過1000口，年產氣達到38.2×108m3。2004年，西南能源公司在阿科馬盆地發現費耶特維爾頁巖氣區，沃思堡盆地巴尼特頁巖氣年產量超過100× 108m3(。從2000年到2006年的5年間，美國頁巖氣產量再次翻番，年產量超過200×108m3。
(5)頁巖氣高速發展階段(2007年至今)
近年來，隨著頁巖氣地質認識的創新，水平井鉆完井、大型水力壓裂、分級壓裂和多井同步壓裂的不斷突破，以及“工廠式”批量生產作業模式的規模化推廣應用，北美頁巖氣進入高速發展階段，超越致密砂巖氣和煤層氣。目前，在美國東部、中南部和西南部以及加拿大西部的50多個盆地的46套頁巖中已探明頁巖氣，幾乎覆蓋了北美所有海相烴源巖(圖5-20)。頁巖氣年產量超過50×108m3的頁巖包括Woodford(52×108m3)、Montney(62×108m3)、Haynesville (93× 108m3)和Fayettville (145)。頁巖氣開發深度從早期的180 ~ 2000 m加深到2500 ~ 4500 m，單個盆地達到6000m生產井數幾年增加3500 ~ 4500口(增加10% ~ 15%)，2009年達到50000口以上，特別是水平井數量增加很大，占當年井數的75%以上。水力壓裂等技術的突破使儲層改造成本降低了65%，最終采收率提高了20%。在過去的10年裏，美國的頁巖氣產量增長了近10倍，近年來每年都翻壹番。加拿大自2000年在西加拿大盆地群進行頁巖氣研究和勘探開發先導試驗以來，2007年在頁巖氣生產方面取得了突破。2009年北美頁巖氣上述產量達到65，438+0，000× 65，438+008m3(其中美國為930×108m3，加拿大為70×108m3)，大量中小公司產量未計入(ARI，2065，438+00)，頁巖氣產量已經占到。
圖5-20北美主要含氣頁巖分布圖
圖5-21北美主要頁巖產氣量統計
2.中國頁巖氣勘探開發現狀
頁巖氣在中國並不新鮮(王蘭生等，2009)。自1667年在四川盆地瓊1井首次發現天然氣以來，特別是20世紀60年代以來，在松遼、渤海灣、四川、鄂爾多斯、柴達木等幾乎所有含油氣盆地都不斷發現頁巖氣或頁巖裂縫氣藏。在四川盆地威遠構造1966鉆井的威5井，在2795 ~ 2798米從寒武系千株寺組頁巖中獲得日產氣2.46×104m3，成為中國早期發現的典型頁巖氣生產井。自2000年以來，中國政府和相關企業高度重視頁巖氣的勘探開發，密切關註北美頁巖氣的發展趨勢。近年來，頁巖氣的勘探開發被提上了重要日程。
(1)頁巖氣基礎地質研究
2008年6月+2008年10月，在廣泛開展上揚子區古生代海相頁巖地層露頭地質調查和老井資料審查的基礎上，中國石油勘探開發研究院鉆探了中國第壹口頁巖氣地質井——長信1井，獲得了大量的頁巖氣地質信息，對川南盆地和上揚子區的頁巖氣遠景做出了明確的判斷。
2009年6月5438+2月，國土資源部和中國地質大學在四川盆地東部鉆探了壹口地質調查井——俞曄1，在頁巖地層廣泛出露、高陡構造復雜的地區勘探了頁巖氣勘探前景。
2010年7月，中國石油勘探開發研究院和中國石油西南油氣田公司綜合應用伽馬能譜儀、元素俘獲儀、探地雷達、陸地激光三維全信息掃描儀等新技術，開展了中國南方古生代頁巖露頭地質調查和實測工作，在四川盆地長寧地區建立了中國第壹個海相頁巖地層數字化標準剖面——長寧雙河上奧陶統五峰組-下誌留統龍馬溪組頁巖地層剖面。
(2)國際合作和勘探開發
2006年，中國石油與美國新天石油公司舉行了首次頁巖氣國際討論會，2007年進壹步開展了威遠地區頁巖氣潛力和開發可行性聯合研究。2008年，國土資源部在國家戰略油氣資源調查評價專項中，確立了中國重點地區頁巖氣資源潛力及有利區優選項目。中國石油等國內石油公司開始與單雯、埃克森美孚、康菲石油公司和殼牌等公司進行廣泛交流和選區評估。
2009年，中國石油組織美國、挪威等國專家參加頁巖氣國際研討會，與殼牌在四川盆地富順-永川區塊啟動中國首個頁巖氣國際合作勘探開發項目，在四川盆地威遠-長寧、昭通率先開發中國頁巖氣工業化生產試驗區。
2009年6月5438+065438+10月美國總統奧巴馬訪華期間，與中國簽署了《頁巖氣領域合作諒解備忘錄》。2010中國石化與英國石油公司(BP)開始在貴州凱裏和蘇北黃橋聯合開采頁巖氣。中國石油與康菲石油公司和挪威國家石油公司合作，在四川盆地中南部開展頁巖氣前景評估和勘探開發。2010四川魏201井在寒武系和誌留系頁巖中獲得高產氣流，實現了我國頁巖氣的首次產業化突破。
國土資源部、石油企業和相關科研院所、學校開展了中國長江地區頁巖氣資源調查與選區評價示範區建設。目標是在未來10年對中國頁巖氣資源進行全面系統的調查和評價，到2020年在中國選擇20 ~ 30個有利勘探開發區，形成壹定的頁巖氣生產能力。
總之，借鑒北美頁巖氣勘探開發經驗和廣泛的國際交流與合作，中國在南方多個地區開展了古生代海相頁巖地層頁巖氣產業化勘探開發試驗區建設，正在開展揚子區、鄂爾多斯、塔裏木、渤海灣、松遼等盆地或地區的頁巖氣基礎研究和初步評價。利用地質類比，預測了中國頁巖氣資源潛力。我國頁巖氣勘探開發及相關研究起步較晚，目前仍處於起步階段。
3.其他地區頁巖氣勘探開發現狀
自2005年以來，頁巖氣勘探開發逐漸從北美擴展到全球。2007年，歐洲啟動了為期六年的歐洲頁巖氣項目(GASH ),該項目由行業資助，德國國家地質實驗室協助，旨在評估歐洲的頁巖氣資源並優化盆地。目前已在5個盆地發現富含有機質的頁巖，初步估算頁巖氣資源量為30×1012m3(ARI，2010)。埃克森美孚、單雯、道達爾、康菲石油公司和殼牌等至少40家企業正在歐洲尋找頁巖氣(Vello等人，2009年)。2009年至2010年，挪威國家石油公司(Statoil)、切薩皮克公司(Chesapeake)和沙索公司(Sasol)等公司聯合評估了南非的頁巖氣前景，並獲得了卡魯盆地的頁巖氣資源勘探權。澳大利亞比奇石油公司在大洋洲7個盆地發現了有機頁巖，早期評價潛力巨大。它計劃在庫珀盆地開發頁巖氣，並在新西蘭取得了單井工業突破。亞洲許多國家開展了頁巖氣資源調查和先導試驗，中國頁巖氣勘探開發成效顯著。
二、全球頁巖氣資源潛力
據預測(羅格納，1997)(李建中等人，2009；Rogner，1997)，全球頁巖氣資源量為456.2×1012m3(表5-11)，相當於煤層氣(256×1012m3)和致密氣。頁巖氣資源主要分布在北美、中亞和中國、中東和北非、拉美和前蘇聯。目前，除美國和加拿大外，中國、澳大利亞、德國、法國、瑞典、波蘭等國也在開展頁巖氣的研究、勘探和開發。
表5-11頁巖氣資源全球分布
從全球來看，除了撒哈拉以南非洲，歐洲的頁巖氣資源可能更少。到目前為止，只有北美進行了商業勘探開發，有可靠的儲量結論。盡管如此，根據經驗，Rogner(1997)對全球頁巖氣資源的估計是保守的(AEI，2009)。以北美為例。2008年，Tristone Capital評估了九個頁巖氣區，包括加拿大的Barnett、Deep Bossier、Haynesville、Fayetteville、Woodford、Marcellus、Montney、HornRiver(Muskwa)和UticaGothic。如果不考慮風險因素，這9個區域的可采資源量達到265，438+0× 65，438+0，065，438+0.2m3 (anonymous，2008，引自Vello等人，2009)。最近，高級資源國際公司(2009)評估了北美七個頁巖氣盆地的資源，包括巴尼特、費耶特維爾、伍德福德、馬塞勒斯、海恩斯維爾、蒙特尼和霍恩河。其原始頁巖氣資源量約為146×1012m3，可采資源量為20×1012m3。其中，美國巴奈特、費耶特維爾、伍德福德、馬塞勒斯、海恩斯維爾等5個頁巖氣盆地的原始頁巖氣資源量達到107×1012m3，可采資源量為13×1012m3。
根據加拿大非常規天然氣協會(CSUG)的資源評價結果，加拿大原始頁巖氣資源量大於42.5×1012m3(Dawson，2008，2009，引自Chalmsar等人，2008)，超過加拿大常規天然氣資源量12× 65438。其中BC省頁巖氣資源量最大，達到28×1012m3以上。Kuuskraa(2009)估計Montney和Horn河流域的原始頁巖氣資源量為39×1012m3，可采資源量為7×1012m3。
第三，中國頁巖氣資源潛力
1.富有機質頁巖的分布特征
中國海相富有機質頁巖分布廣、厚度大，主要發育於古生界陡山沱組(Z2)、千竹寺組(1)、大城寺組(O1)、五峰組-龍馬溪組(O3-S1)和羅浮組(D2)。最發育的頁巖分布於下寒武統和上奧陶統頂部至下誌留統底部，尤其是揚子克拉通。
(1)下寒武統海相頁巖
中上揚子區發育良好，有機質類型為腐泥混合型。從沈積環境看，下寒武統海相頁巖在川東-鄂西、川南、湘黔三個深水陸架區最發育，平均厚度100m，TOC值平均約為8%。四川盆地下寒武統海相頁巖在全盆地均有發育，主要為矽質頁巖、碳質頁巖、粉砂質頁巖和黑色頁巖，平均厚度1.39m，平均TOC值1.0% ~ 5.5%。盆地南部的頁巖埋藏淺於4000米..
(2)上奧陶統—下誌留統海相頁巖
廣泛分布於四川東南部、四川東北部、湖北西部、重慶東部、長江中下遊等地。主要類型為黑色頁巖、碳質頁巖、黑色筆石頁巖和鈣質頁巖，平均厚度為1.20m，TOC值平均約為4%。幹酪根是腐泥質的。四川盆地上奧陶統-下誌留統海相頁巖在川南和川東發育良好。據四川盆地長寧雙河上奧陶統五峰組至下誌留統龍馬溪組海相頁巖統計，川南上奧陶統五峰組至下誌留統龍馬溪組黑色頁巖厚度大於308米，有機質類型為腐泥型，TOC平均值為2.94%，最高值為8.75%。
(3)海相和湖相煤系的碳質頁巖。
這類巖石廣泛分布於華北、華南和塔裏木盆地(表5-13)。北部主要發育在天山-孟醒海槽。鄂爾多斯盆地山西組-太原組-本溪組頁巖厚40 ~ 120 m，單層厚度不大，多與煤層、致密砂巖甚至薄灰巖相間。準噶爾盆地石炭系滴水泉組碳質頁巖最大厚度為249米，二疊系蘆草溝組黑色頁巖累計厚度超過200米..中國南方二疊系龍潭組(P2)碳質頁巖厚20～200米，最大厚度670米，分布面積約30×104～50×104 km2。其中，滇黔桂地區上二疊統龍潭組頁巖厚度為20 ~ 60m，四川盆地上二疊統頁巖厚度為10 ~ 125m，川中、川西南為80 ~ 110m，川西北、川北、川東北較薄，大多小於20m。中新生代湖相煤系碳質頁巖主要發育在坳陷和斷陷湖盆中，如鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地的侏羅系、四川盆地的上三疊統和吐哈盆地的侏羅系，厚度50-400 m，最大厚度1000m..
表5-12中國海相頁巖分布
表5-13中國海陸交互相和煤系碳質頁巖分布
總的來說，中國海相和中生界湖相碳質頁巖除上揚子和滇黔桂地區外，大部分地區單層厚度不大，常與煤、致密砂巖甚至灰巖互層，平均單層厚度壹般小於15m。單獨開發這種薄層煤系頁巖氣將是壹個巨大的挑戰，聯合開發頁巖氣、致密氣、煤層氣等多用途層是壹種有效的新開發方式。
湖相頁巖主要分布在陸相油氣盆地，沈積範圍最廣(表5-14)。統計顯示，目前我國80%以上的油氣儲量來自湖相烴源巖。松遼、鄂爾多斯等中新生代坳陷盆地和渤海灣新生代斷陷盆地沈積了厚層湖相富有機質頁巖。如松遼盆地嫩江組和青山口組發育良好。嫩江組在全盆地分布穩定，中央凹陷厚度超過250米。青山口組壹段幾乎全是中央坳陷的黑色頁巖，厚度60-80 m，幹酪根類型I-II，Ro值0.9%-1.8%。
表5-14中國湖相頁巖分布
鄂爾多斯盆地延長組長7段主要為深湖相沈積。富有機質頁巖平均厚度20 ~ 40m，分布面積超過4×104km2，平均有機碳含量高達14%，幹酪根類型為ⅰ-ⅱ，Ro值為0.6% ~ 1.2%。最近，在該湖相頁巖地層中發現了大量致密油。油層為致密粉砂巖夾層，厚度10 ~ 20m，孔隙度10.2%，滲透率0.21×10-3 μm 2。工業油氣井近200口，平均產量8.6t/d，這壹特征與北美威利斯-頓盆地巴肯頁巖中發現的致密油非常相似。巴肯頁巖是壹種富含有機質的頁巖，厚度小於15m，TOC值高達14% ~ 18%，Ro值為1.1% ~ 1.3%。主力油層孔隙度10% ~ 13%，滲透率小於1×10-3μm2，厚度5 ~ 15m，面積約75563km2。2008年，USGS估計頁巖油地質資源量為241× 6538。
2.中國頁巖氣資源潛力。
許多學者或機構對我國頁巖氣資源潛力進行了預測，總體評價樂觀(鄒才等，2010a；李建中等人，2009年；劉成林等人，2004年；朱華等人，2009年)。
中國頁巖氣的勘探開發仍處於初級階段，可用於預測頁巖氣資源潛力的信息非常有限。雖然中國不同地區富有機質頁巖的發育規模和頁巖質量有著廣泛的相似性，但中國地質條件復雜，特別是構造演化、沈積環境和熱演化過程，使得不同地區頁巖氣的形成和富集有所不同。中國古生代海相富有機質頁巖分布範圍廣，連續厚度大，有機質含量高，但演化程度高，構造變化多。中、新生界湖相富有機質頁巖橫向變化大，主要由厚層泥巖或砂泥巖互層組成，有機質豐度中等，熱成熟度低。
基於地質類比，預測了中國頁巖氣資源潛力。中國古生代海相富有機質頁巖有利區為63×104～90×104 km2，中、新生代湖相富有機質頁巖有利區為23×104～33×104 km2，有效厚度為20～300m。Ro值為0.8% ~ 4.5%。初步預測中國頁巖氣資源量為30×1012 ~ 100×1012 m3。中國頁巖氣技術和經濟可采資源有待進壹步研究。
中國頁巖氣與北美頁巖氣對比有三個特殊性:壹是海相頁巖熱演化程度高(Ro值為2.5% ~ 5.0%)，構造活動強烈，需要尋找保存條件有利的區域，避開露頭和斷層破壞區；二是湖相頁巖熱演化程度低，分布非均質性強，有效開發需要有針對性的技術；三是地面為山地、丘陵等復雜地表，埋藏較深(1000 ~ 6000 m)，需要適應性技術降低成本。因此，我國頁巖氣的勘探開發應註意地表復雜、埋深和後期保存等特殊地質條件，如塔裏木盆地海相頁巖埋深大，南方部分地區存在保存和山地地表正在開發的問題等。因此，有必要加強有利區的優選和經濟評價。