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1、北美页岩气勘探开发现状 及对我国的启发,内 容,前言 1 北美页岩气勘探开发历史与现状 2 北美页岩气资源潜力 3 页岩气藏的形成条件 4 页岩气的评价 5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,世界上页岩气勘探开发时间最长、程度最高、研究工作开展最多的国家为美国，其次为加拿大，其它许多国家页岩气的勘探开发和研究普遍还处于刚起步阶段。因此，了解北美地区特别是美国页岩气的勘探开发和研究现状对于我国页岩气勘探开发与研究工作具有重要借鉴意义。,前言,美国是世界上最早从事页岩气勘探开发的国家。尽管页岩气引起广泛关注只不过是最近几年的时间，但其早在19世纪晚期已在美国阿帕拉契亚山区开始生产（NEB，2009）
2、。1821年在纽约州Fredonia附近富泥盆纪有机质的Dunkirk页岩完钻的页岩气井，是美国第一口商业生产的页岩气井（Curtis，2002）。这比Drake上校在宾夕法尼亚州所钻的著名的油井早了将近40年。1926年，阿帕拉契亚盆地泥盆纪页岩气已投入商业性开发，并且成为当时最大的气田。,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,1.1 美 国,然而，美国页岩气广泛的商业性开采直到1980年实施了非常规燃料免税政策以后，特别是1981年Mitchell能源公司在得克萨斯州北部Fort Worth 盆地Barnett页岩钻探了第一口页岩气井后，再一次引起了人们对页岩气的兴趣。但由于技术等原因，198
3、9年美国仅产页岩气42108m3。 1998年，美国的页岩气产量达到 85108m3，占美国天然气产量的1.6%；页岩气储量1104108m3，占全国天然气探明总储量的2.3%。 1999年，美国页岩气产量达到108108m3（Shirley，2001）。,1.1 美 国,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,2000年以来，由于高气价、页岩储层描述技术以及钻井和完井技术的进步，页岩气成了有经济价值的勘探开采对象（Cardott，2008）。 2006年，美国页岩气井增至40000余口，页岩气产量达到311108m3，占全国天然气总产量的5.9%。 2007年，美国页岩气产量达到335108m3，
4、其中Barnett/Newark East气田和Antrim气田的产量分列美国第2和第13位。 2008年，美国页岩气产量达到572 108m3, 比上年增长了71%（EIA，2009b），页岩气产量占到美国干气总产量的10%（EIA，2009c）。其中70%的页岩气产量来自德克萨斯州的Barnett页岩。 2009年，美国页岩气勘探开发更是取得了惊人的发展速度，页岩气生产井数 增至98590口，产量超过878108m3。其中，仅Barnett页岩的产量就达到了560108m3。页岩气快速勘探开发使得美国天然气储量增加了40%。预计2010年页岩气产量将占全美天然气产量的15%以上。 根据高级
5、资源国际(Advanced Resources International,Inc.)的预测，随着Haynesville 和 Marcellus 页岩气开发的快速发展，美国页岩气产量预计到2020年将达到 2066108m3 （Kuuskraa，2009）。,1.1 美 国,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,US shale gas plays,Source: Scott Stevens and Vello Kuuskraa: “Seven plays dominate North America Activity”, in Oil & Gas Journal, 28.09.09,Impact
6、 on the US gas balance going forward,Source: US DOE EIA: Annual Energy Outlook 2010 Early Release,Texas Railroad Commission, 2009,2008年产量395108m3,1.1 美 国,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,根据高级资源国际(Advanced Resources International,Inc.)的预测，随着Haynesville 和 Marcellus 页岩气开发的快速发展，美国页岩气产量预计到2020年将达到 2066108m3 （Kuuskraa，20
7、09）。 由于页岩气产量的快速增长，在过去的10多年中，美国非常规天然气的产量增加了65%，由1998年1528108m3增至2007年的2519108m3，非常规天然气产量已占到美国天然气总产量的46%（Navigant Consulting，2008）。,加拿大是继美国之后世界上第二个对页岩气进行勘探开发的国家，其自页岩的天然气生产也已有数十年的历史，早期的页岩气生产来自阿尔伯达省东南部和萨斯喀彻温省西南部的Second White Speckled Shale（NEB，2009）。但位于不列颠哥伦比亚省（BC省）东北部的第一个商业性页岩气藏直到2007年才开始投入开发。 此后，对页岩气勘
8、探开发的兴趣大大增强，勘探开发的地区主要集中在BC省东北部的中泥盆统 Horn River盆地与三叠纪 Montney页岩。随着新技术的应用，许多公司对页岩气勘探开发的兴趣除阿尔伯达省和BC省外，还扩展到了萨斯喀彻温省、安大略省、魁北克省、新布伦斯威克省以及新斯克舍省。,1.2 加拿大,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,按照加拿大非常规天然气协会（CSUG）主席Michael Dawson在2009年9月一次报告的观点，加拿大的页岩气区带中只有Montney达到了他所称的商业开发阶段，Horn River盆地则部分处于先导生产试验阶段、部分还处于先导钻探阶段；魁北克低地、新布伦斯威克省以及新斯
9、克舍省的页岩则还处于他所称的早期评价阶段（Anonymous，2009）。 而美国处于商业开发阶段的页岩气区带有Marcellus、Barnett、 Haynesville、Fayetteville和Woodford页岩。,1.2 加拿大,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,After Michael Dawson: Shale Gas Resource Plays in North America-Opportunities and Challenges. NBF Energy Service Conference. Sep.14,2009.,1.2 加拿大,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,
10、2009年，加拿大页岩气产量达到72108m3 ，它们产于Horn River与 Montney 2个页岩气区带。 据高级资源国际(Advanced Resources International,Inc.)预测，加拿大页岩气产量预计到2020年将超过625108m3 （Kuuskraa，2009）。,1.2 加拿大,1 北美页岩气勘探开发历史与现状,据Rogner（1997）估计，世界页岩气原地资源量为4561012m3。按照IEA 2009年世界能源展望，Rogner（1997）估计的原地资源量中有约 40% 会成为可采量，即世界页岩气可采资源量为180 1012m3。按2008年世界天然
11、气产量计算，仅全球页岩气资源就可以生产60年。,2 北美页岩气资源潜力,2.1 全球,The US National Petroleum Council puts global unconventional gas resources by end 2007 at 32560 tcf (against a global proven reserves base of 6250 tcf) CBM 9051 tcf; shale 16112 tcf; tight gas 7406 tcf,2 北美页岩气资源潜力,2.1 全球,然而，根据北美和欧洲的经验，Rogner（1997）对全球页岩气资源量的
12、估计可能将会被证明是保守的（AEI，2009）。 以北美（美国和加拿大）为例，Rogner (1997) 估计北美页岩气原地资源量为109 1012m3 。但Tristone Capital 2008年对美国Barnett、Deep Bossier、Haynesville、Fayetteville、Woodford 和Marcellus与加拿大Montney、Horn River（Muskwa）、 Utica Gothic等9个页岩气区带的评价认为，如果不考虑风险因素，仅这9个区带的可采资源潜力就达到 21 1012m3 （Anonymous，2008）。 最近，高级资源国际(Advanced
13、 Resources International,Inc.，2009)对北美“7大”页岩气盆地（Barnett，Fayetteville ，Woodford，Marce llus，Haynesville，Montney与Horn River）进行了盆地一级的资源评价，结果得到其原地页岩气资源量高达 146 1012m3, 其中可采资源量估计为 20 1012m3 。这一结果大大超出了Rogner（1997）对北美页岩气总资源量的估计。,2 北美页岩气资源潜力,2.1 全球,美国的页岩气资源十分丰富，但对其规模的评价尚无定论。 据潜在天然气委员会（PGC）对美国天然气资源两年一度评价的最新结果，
14、截止2008年底，美国天然气潜在资源总量为52 1012m3 ，其中页岩气资源量为17.4 1012m3 （PGC，2008），占总潜在资源量的33%。 最近，高级资源国际（Advanced Resources International, Inc.，2009）对美国5个页岩气盆地（Barnett，Fayetteville ，Woodford，Marcellus，Haynesville）评价认为，其原地资源量达107 1012m3 ， 可采资源量13 1012m3 。其中Marcellus 页岩资源量达59 1012m3 (2,100 Tcf) ，可采资源量5.7 1012m3 (200 Tc
15、f) 。 可见，美国页岩气原地资源量OGIP在85 1012m3 （ 3000 tcf） 以上（Brathwaite，2009）。,2.2 美国,2 北美页岩气资源潜力,After Michael Dawson: Shale Gas Resource Plays in North America-Opportunities and Challenges. NBF Energy Service Conference. Sep.14,2009.,From DOE, April 2009,Shale gas resource plays in United States,就探明储量而言，2008年底
16、，美国剩余页岩气探明储量为9280 108m3 ,比2007年增加了51%（EIA，2009d），占美国干气探明储量6.9 1012m3 的13.4%。 由于页岩气的发现，美国2008年天然气的估算储量比2006年高了35%。 美国页岩气储量的快速增长白宫新闻秘书办公室在2009年11月17日在美国-中国页岩气资源合作倡议中指出：“预期页岩气的开发将会大幅度提高美国的能源安全，并有助于减少温室气体污染”。,2.2 美国,2 北美页岩气资源潜力,2.3 加拿大,加拿大的页岩气资源亦很丰富，页岩气资源主要分布于5个盆地： BC省东北部的Horn River盆地; 三叠系Montney页岩; 阿尔伯
17、达省与萨斯喀彻温省的Colorado群; 魁北克省的奥陶系Utica页岩; 新布伦斯威克省与新斯克舍省的Horton Bluff页岩。,2 北美页岩气资源潜力,但其资源量目前同样没有比较一致的估计。,2.3加拿大,根据加拿大非常规天然气协会（CSUG）最新资源评价结果，加拿大页岩气的原地资源量（GIP）估计 42.5 1012m3 （ 1500Tcf）（Dawson，2008，2009)，远大于其常规天然气资源421 Tcf。而且，页岩气资源也远远超过其煤层气原地资源量（500 Tcf）以及致密砂岩气的原地资源量（300 Tcf）。 其中BC省页岩气资源量最大，达28 1012m3 （ 100
18、0Tcf ）以上。,2 北美页岩气资源潜力,After Michael Dawson: Shale Gas Resource Plays in North America-Opportunities and Challenges. NBF Energy Service Conference. Sep.14,2009.,2.3 加拿大,2 北美页岩气资源潜力,2.3 加拿大,最近，高级资源国际(Advanced Resources International, Inc.，2009)对加拿大2个盆地页岩气盆地（Montney与Horn River）评价得出，两盆地页岩气的原地资源量为39 1012
19、m3 （1380Tcf），可采资源量7 1012m3 （240Tcf）（Kuuskraa，2009）。 按照这一估计，加拿大的页岩气原地资源量估计将可能超过57 1012m3（ 2000 tcf）。,2 北美页岩气资源潜力,气源条件，特别是TOC含量、富有机质页岩厚度与有机质成熟度被认为是决定页岩气区带经济可行性的关键因素（Rokosh et al，2009）。 TOC与页岩厚度 有机质含量是影响页岩气富集的一个根本性因素，它不仅决定着页岩的生气量，而且也直接影响着页岩的含气量，因为页岩中的有机质含量对气体具有重要的吸附作用，页岩气中有大量的气体就是以吸附形式存在于干酪根表面的。因此，高的TO
20、C就意味着高的生气量和吸附量。 典型的页岩气具有丰富的有机质含量，其TOC 大多在120 wt%之间。形成页岩气的有机碳（TOC）含量在1.520%（Bustin，2005）。Burnaman(2009)认为TOC至少应为2%。,3 页岩气藏的形成条件,3.1 气源条件,页岩的厚度是页岩气形成和评价的另一个重要指标。 Burnaman(2009)认为对于页岩气的形成而言，拥有高TOC的页岩的连续厚度至少为45m （150ft）。但这一数值并不是绝对的，厚度的下限标准还取决于其它TOC等指标，高TOC值页岩的厚度下限可以低于上述界限。如Haynesville页岩中一些井的页岩厚度就小于150ft
21、，但由于拥有较高的TOC，因而产量很高。,3.1 气源条件,3 页岩气藏的形成条件, 有机质类型 形成页岩气的有机质类型I、II、III型均有(Burnaman，2009)，但以II型为主。 由于I、II型有机质在油窗阶段以生油为主，气体生成较少，大量较大的油分子可以堵塞页岩的孔隙，减慢气体开采的流速，因此形成页岩气的页岩以成熟度较高为佳。据研究，由油窗到气窗的转变估计发生于1.15-1.4%Ro阶段（Jarvie et al.，2005)。 Burnaman(2009) 亦认为I型有机质只有当Ro1.4%时才可能成为好的气源岩，而II型和III型干酪根则需要较高的轻指数才能保证有足够数量的天
22、然气生成。,3.1 气源条件,3 页岩气藏的形成条件, 热成熟度与页岩气的成因类型 根据美国和加拿大的勘探开发结果，形成页岩气的页岩的成熟度由0.4%3.0%Ro不等。如Barnett页岩的成熟度就属于中等到较高范围，Ro为0.6%1.1%（Pollastro et al., 2003)。 而Antrim 和New Albany 页岩所产的天然气便主要为生物成因甲烷 (Curtis, 2002)。 再如加拿大而泥盆纪Horn River 盆地和三叠纪 Montney 页岩所产的天然气则生成于较大的埋深处。而阿尔伯达和萨斯喀彻温省的Second White Specks 页岩所产的天然气为浅埋藏
23、，其埋深之浅以至于目前页岩中仍然有细菌正在生成气体；魁北克省的Utica 页岩则既有深埋藏又有浅埋藏，因而存在着生物气和热解气共存的可能（National Energy Board，2009）。,3.1 气源条件,3 页岩气藏的形成条件,Part 1 32,Barnett Shale,Santa Maria Basin: Monterey/Antelope Shales thermogenic oil systems,Williston Basin: Bakken Shale Thermogenic oil system,Wind River Basin: Waltman Shale Migr
24、ated, Thermogenic Gas System,Anadarko Basin: Combination Play,East Texas Basin: Bossier Shale/Sand,Shale Resource Plays In North America,Michigan Basin: Antrim Shale biogenic shale gas system,Illinois Basin: New Albany Shale Low maturity thermogenic shale gas system,Example Systems and Thermal Matur
25、ity,San Juan Basin Lewis Shale System,3.1 气源条件,3 页岩气藏的形成条件,3.1 气源条件,3 页岩气藏的形成条件,（1）岩性 形成页岩气的岩石除页岩外，还包括泥岩、粉砂岩、甚至很细的砂岩（Bustin，2005）。,3.2 储层条件,3 页岩气藏的形成条件,3 页岩气藏的形成,3.2 储层条件,3 页岩气藏的形成,3.2 储层条件,3 页岩气藏的形成,3.2 储层条件,Permeability (mD),0.001,0.01,0.1,1.0,10.0,Extremely Tight,Very Tight,Tight,Low,Moderate,Hig
26、h,Conventional,Tight,Tighter than Tight,US DOE Study,Granite,Montney,Barnett,Sidewalk Cement,0 % porosity Limestone,General oilfield rocks,0.0001,Good Shale,（2）物性 页岩最突出的特点是孔隙度和渗透率极低，典型的气页岩的基质渗透率处于微达西纳达西范围，因此气体在储层中的流动主要取决于页岩中天然裂缝的发育情况。,3.2 储层条件,（3）矿物组成 粘土矿物和碳酸盐含量低、粉砂质或硅质（石英）含量较高比较有利。 Barnett页岩的关键似乎是页
27、岩较大的脆性，这部分是因为其粉砂质含量较高（Rokosh et al.，2009）。 （4）裂缝 裂缝发育适中。,3 页岩气藏的形成条件,3.2 储层条件,3 页岩气藏的形成条件,3.3 温压条件,3 页岩气藏的形成条件,页岩气的评价选区主要要考虑页岩厚度、深度、有机质丰度、成熟度、含气量等多个因素，其中一些因素目前尚没有明确的评价标准。 加拿大阿尔伯达地质调查局Rokosh et al.（2009）认为，对于每一个页岩气区带而言，主要看以下4种特性： 有机质成熟度； 生成和储集在储层中的气体类型(即生物气还是热解气)； TOC 含量； 储层的渗透率。,4 页岩气的评价,4 页岩气的评价,R.
28、 Marc Bustin et al.，2009： Shale Gas Opportunities and Challenges.,What do we look for in a gas shale? (Rimrock Energy, 2008),2.2 美国,(1)页岩气是一种广分布、低丰度、易发现、难开采的连续型非常规低效气藏。 (2)页岩气是一种近期可实现经济勘探开发的、潜力巨大的、现实的天然气资源，并已在北美地区形成较成熟的评价方法和勘探开发技术，可供我国页岩气研究和勘探开发工作学习借鉴。 (3) 我国含油气盆地富有机质页岩分布广泛，且在许多方面与北美地区具有一定的可比性，表明我国页
29、岩气同样具有很大的勘探开发潜力。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,5.1 对页岩气资源的几点基本认识,After Michael Dawson: Shale Gas Resource Plays in North America-Opportunities and Challenges. NBF Energy Service Conference. Sep.14,2009.,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,(4)页岩气藏的形成与常规气藏既有相似之处，又有明显区别，甚至可能比常规气藏的形成还要复杂。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,5.1 对页岩气资源的几点基本认识,（1）页岩气的形
30、成和富集条件虽然比常规气藏相对简单，但可能比我们想象的复杂 。如除有机质组成、有机碳含量、成熟度、矿物组成、储层物性、裂缝发育情况等因素外，区域构造演化史、温压场变迁史、生烃演化史、流体活动史等又是如何影响页岩气藏的形成与富集的？这些因素之间又是怎样相互相互影响和作用的？再如影响页岩气中游离气与吸附气含量的主要因素是什么？如何准确确定二者在一套页岩中的含量比例？这些问题目前还研究的不够甚至缺乏研究。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,5.2 我国页岩气评价及勘探开发应注意的几个重要问题,（2）我国页岩气形成的地质背景比北美地区复杂，特别是包括页岩气形成条件相对较好的四川盆地在内的我国中西部叠
31、合盆地，大多经历了复杂的构造演化史、生烃史和成藏史，因此我国与北美地区在页岩气形成条件上既具相似之处，又具有明显的差异性，这就决定了北美地区页岩气的评价标准/经验应不完全适合我国页岩气的评价和勘探。因此，深入研究我国页岩气富集高产的条件和评价标准应是我国页岩气勘探开发首先需要研究和解决的问题。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,5.2 我国页岩气评价与勘探开发应注意的几个重要问题,（3）注意加强高成熟海相页岩与陆相中低成熟页岩气形成机理及其特殊性的研究。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,（4）目前，我国页岩气评价多与北美地区特别是美国页岩气评价标准或指标进行对比。但对比中存在以下6个方面
32、的问题或倾向： 现有的对比分析仅限于页岩气评价有关指标的简单比对，而缺乏对我国与美国页岩气形成地质背景和条件的全面深入的对比分析研究，进而造成在对比思路甚至对比指标的选取上出现了明显的不足。如保存条件，对构造相对稳定的北美页岩气盆地来说可以不加考虑，但对于构造活动强烈的我国盆地页岩气评价来说，要不要考虑？值得研究。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示, 现有的对比只是就单个因素的简单对比分析，而缺乏对各因素间关联性的研究。而事实上，各因素之间应存在一定的联系，如TOC与厚度、深度等应具有互补关系。 现有的对比大多只看相似性，而忽视差异性，看共性的多，个性的少，有利的对比多，不利的对比少；分析其
33、非常规性一面的多，常规性一面的少。 在实验分析有关的指标对比方面，大多只注意测试分析结果的对比，而缺乏对实验分析方法、流程、甚至取样过程等的对比。特别是对于目前尚不很成熟的页岩含气性与物性测试这2项关键实验分析，国内现有技术条件下的分析结果是否与国外具有可比性？,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,现有的对比分析主要是地质条件方面的，而缺乏工艺技术条件方面的对比分析。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示, 现有的对比分析还普遍缺乏经济性的对比分析。如美国天然气管网很发达，因此天然气的开采集输成本就大大降低，而我国的天然气管网相对不够发达，新建管网无疑将加大页岩气的勘探开采成本。再如，不同地区、
34、不同埋深条件下的商业气流下限是多少？不同的商业气流下限对页岩气的评价标准必然有不同的要求。这些目前还未见有对比研究。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,由于我国页岩气盆地构造演化的复杂性，加之我国页岩气勘探开采成本可能比美国要大，因此预计我国页岩气的评价标准可能要高于美国。,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,（5）我国页岩气勘探开发还应注意的一个问题是水源及水的处理问题。页岩气的开发需要大型、超大型的水力压裂，需要大量的水，勘探开发过程中必然还要产生大量的污水。 因此，充足的水源是页岩气开采成功的保证，做好污水处理则是环境保护的基本要求。,Tricans largest Slickwater frac in Canada, 2007,1.53.0万吨水，20003000吨砂子！,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,5 北美页岩气勘探开发对我国的启示,总之，由于页岩气是一种广分布、低丰度、易发现、难开采的连续型非常规低效气藏。因此，页岩气的评价应当综合考虑以下3方面的因素： 资源形成条件； 工艺技术适用性； 经济可行性。,中国页岩气的勘探开发： 前途是光明的，道路是曲折的！,结 束 语,