PAGEPAGE23頁巖氣藏的開采技術(shù)過去150年所鉆的數(shù)百萬口油氣井在達到其目標深度之前，都鉆透了大量頁巖層段。既然頁巖層段的暴露如此普遍，是否每口干井實際上都是潛在的頁巖氣井呢？當然不是，頁巖氣只有在某些特定條件下才可以被開采出來。頁巖是一種滲透率極其低的沉積巖，通常被認為是油氣運移的天然遮擋。在含氣油頁巖中，氣產(chǎn)自其本身，頁巖既是氣源巖，又是儲層。天然氣可以儲存在頁巖巖石顆粒之間的孔隙空間或裂縫中，也可以吸附在頁巖中有機物的表面上。對常規(guī)氣藏而言，天然氣從氣源巖運移到砂巖或碳酸鹽巖地層中，并聚集在構(gòu)造或地層圈閉內(nèi)，其下通常是氣水界面。因此，與常規(guī)氣藏相比，將含氣頁巖看作非常規(guī)氣藏也就理所當然了。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）認為，頁巖氣產(chǎn)自連續(xù)的氣藏。USGS列舉了16個特征，所有這些特征都可能在連續(xù)氣藏中出現(xiàn)。與含氣頁巖有關(guān)的獨特特征包括區(qū)域性分布，缺少明顯的蓋層和圈閉，無清晰的氣水界面，天然裂縫發(fā)育，估算最終采收率（EUR）通常低于常規(guī)氣藏，以及極低的基巖滲透率。此外，其經(jīng)濟產(chǎn)量在很大程度上還依賴于完井技術(shù)。盡管頁巖具有很多明顯的不利因素，但是美國已經(jīng)將某些具有合適頁巖類型、有機質(zhì)含量、成熟度、孔隙度、滲透率、含氣飽和度以及裂縫發(fā)育等綜合條件的頁巖作為開采目標。一旦經(jīng)濟上可行，非常規(guī)天然氣開采活動將呈現(xiàn)出一派繁榮的景象。天然氣需求的日益增長以及油田新技術(shù)的不斷發(fā)展，促進了頁巖氣遠景區(qū)的勘探與開發(fā)。在美國這一趨勢正在擴大，天然氣價格的不斷上揚和每年23萬億英尺3（651.82億米3）的天然氣消耗量推動了其陸上鉆井活動的發(fā)展。勘探與生產(chǎn)公司正在租賃數(shù)十萬英畝的礦區(qū)鉆井權(quán)，而先進的鉆完井技術(shù)正在幫助作業(yè)者擴大已知頁巖氣盆地的范圍。這些遠景區(qū)同時也促進了技術(shù)的發(fā)展，使人們對這種普通的碎屑巖有了更深入的認識，并且推動了評價頁巖資源的新設(shè)備、新技術(shù)的發(fā)展。氣藏開發(fā)巖石內(nèi)必須具備足夠的通道以使天然氣流入井筒，產(chǎn)至地面。在頁巖中，氣源巖中裂縫引起的滲透性在一定程度上可以補償基質(zhì)的低滲透率。因此將頁巖作為開采目標的作業(yè)者應(yīng)事先考慮系統(tǒng)滲透率，即由頁巖基質(zhì)和天然裂縫的綜合滲透率。為了更好地利用儲層中的天然裂縫，并且使井筒穿越更多儲層，越來越多的作業(yè)者都在應(yīng)用水平鉆井技術(shù)（下圖）。雖然該技術(shù)在石油工業(yè)中并不是一項新技術(shù)，但它對擴大頁巖氣成功開發(fā)的戰(zhàn)果卻有著重大的意義。鉆井穿過裂縫。FMI全井眼微電阻率掃描成像測井顯示出水平井鉆遇的裂縫和層理特征。鉆井誘發(fā)的裂縫沿著鉆井軌跡頂部和底部出現(xiàn)，但沿著該井筒側(cè)面終止，井筒側(cè)面的應(yīng)力最高。井筒鉆穿的原有天然裂縫以垂直線的形態(tài)穿過井筒的頂部、底部和側(cè)面。圖中顏色較深的黃鐵礦結(jié)核非常明顯，與層理面平行出現(xiàn)。通過得克薩斯州中北部FortWorth盆地Barnett頁巖的開發(fā)進程可以清楚地看到水平鉆井的作用。1981年，Mitchell能源公司開始在該地區(qū)鉆了第一口直井，15年以后井的數(shù)量才超過300口。2002年，在收購Mitchell公司后，丹文能源公司開始在該地區(qū)鉆水平井。截至2005年，水平井數(shù)量已超過2000口。此外，Barnett頁巖實際鉆井經(jīng)驗表明，從水平井中獲得的估計最終采收率大約是直井的三倍，而費用只相當于直井的兩倍。除水平井技術(shù)之外，其它技術(shù)也發(fā)揮了重要作用。如作業(yè)者通過采用三維地震解釋技術(shù)能夠更好地設(shè)計水平井軌跡。由于采用了該技術(shù)，作業(yè)者將Barnett頁巖鉆井活動擴展了那些原來被一直誤認為沒有產(chǎn)能、含水且位于頁巖下方的喀斯特白云巖區(qū)域。一般情況下，作業(yè)者通過沿垂直于最大水平應(yīng)力方向鉆井的方法來增加井筒與裂縫相交的可能性，從而打開更多的頁巖表面進行開采。但是，常規(guī)的定向鉆井技術(shù)可能受到扭矩和阻力的影響，扭矩和阻力通常是司鉆在井筒造斜過程中由滑動和旋轉(zhuǎn)所造成的。在更復(fù)雜的井眼軌跡中，扭矩和阻力可能限制橫向位移，加大測井難度。為了避免上述問題的發(fā)生，在開采較直的、曲折度不大的井時，可采用旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)。某些情況下，從水平段底部到頂部的傾角變化低于0.5°。諸如geoVISION隨鉆成像之類的隨鉆測井系統(tǒng)已應(yīng)用于某些油氣井，以解決水平井測井存在的一些問題。應(yīng)用該系統(tǒng)后可以在整個井筒長度范圍內(nèi)產(chǎn)生電阻率成像和井筒地層傾角分析。成像測井提供構(gòu)造信息、地層信息和力學特性信息，用于優(yōu)化隨后的完井作業(yè)。例如，成像能夠?qū)⒌貙犹烊涣芽p和鉆井誘發(fā)裂縫進行比較，幫助作業(yè)者確定射孔和油井增產(chǎn)的最佳目標。在Barnett頁巖遠景區(qū)，利用這些測井得到的成像資料來識別地震資料無法識別的斷層以及與之相關(guān)的從下伏喀斯特白云巖中產(chǎn)水的天然裂縫群。在進行加密鉆井時，井眼成像有助于識別鄰井中的水力裂縫，從而幫助作業(yè)者將注意力集中在儲層中原先未被壓裂部分的增產(chǎn)措施上。井中有無鉆井誘發(fā)裂縫的存在及鉆井誘發(fā)裂縫的方向?qū)Υ_定整個水平井的應(yīng)力變化及力學特性非常有用。這一信息在減輕Barnett頁巖完井難度及降低相關(guān)費用方面也起到了很大的作用。1.儲層評價技術(shù)通過分析測井和取心資料進行頁巖氣儲層評價。利用成像測井技術(shù)識別裂縫和斷層，對頁巖進行分層；利用聲波測井技術(shù)識別裂縫方向和最大主應(yīng)力方向，為實施氣井增產(chǎn)措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；利用巖心分析來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖組分、流體和儲層敏感性，確定TOC和吸附等溫曲線。測井和取心是頁巖氣儲層評價的兩種主要手段。Schlumber公司應(yīng)用測井數(shù)據(jù)，包括ECS（ElementalCaptureSpectroscopy）來識別儲層特征。單獨的GR不能很好地識別出粘土，干酪根的特征是具有高GR值和低Pe值。成像測井可以識別出裂縫和斷層，并能對頁巖進行分層。聲波測井可以識別裂縫方向和最大主應(yīng)力方向，進而為氣井增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)。巖心分析主要是用來確定孔隙度、儲層滲透率、泥巖的組分、流體及儲層的敏感性，并分析測試TOC和吸附等溫曲線。烴源巖潛力評估技術(shù)烴源巖評估主要通過對頁巖巖樣的地球化學分析結(jié)合對先前所鉆井測井資料的詳細評價結(jié)果來完成。對全直徑巖心、井壁取心、巖屑及露頭巖樣進行地球化學測試。其主要目的是為了確定巖樣是否含有豐富的有機物，以及是否可以形成碳氫化合物。一般情況下，巖石中有機物含量越高，其源巖潛力越大（下表）。已經(jīng)開發(fā)了多種復(fù)雜的地球化學技術(shù)來評估巖樣中總有機質(zhì)含量（TOC）及巖樣的成熟度。TOC值可以從經(jīng)過去雜質(zhì)處理并被置于1200°C（2192°F）溫度下燃燒的重量為源巖的有機質(zhì)含量。通常認為頁巖的總有機質(zhì)含量（TOC）的最小截止值為0.5%。一些地學家認為另一種極端情況是有機物含量可能過多，多余的干酪根將可能會填充碳氫化合物將要占據(jù)的孔隙空間。為了進一步描述有機物的豐富程度，許多地球化學實驗室都采用法國石油研究院開發(fā)的程序化熱解技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)成為源巖地球化學測試的工業(yè)標準，測試過程中只需使用50－100毫克（0.00011－0.00022磅）的粉碎巖石，整個測試過程也只需大約20分鐘。在熱解測試中，每個巖樣都需要在各個不同的溫度控制范圍內(nèi)受熱。在受熱的第一階段[加熱至300°C（572°F）]，游離烴從巖石基質(zhì)中釋放出來[20]。當?shù)诙A段溫度增加到550°C（1022°F氣峰值-溫度圖。分兩個階段對巖樣加熱。S1峰值表明第一階段加熱至300°C時每毫克巖石受熱后釋放出來的游離碳氫化合物數(shù)量。S2峰值表明第二階段加熱至500°C時干酪根受熱裂化后產(chǎn)生的碳氫化合物數(shù)量。從該曲線中我們可以了解巖石中的殘余油潛能，或者埋藏深度和熱度繼續(xù)增加后巖石仍然能夠產(chǎn)出的碳氫化合物量。S3峰值表明干酪根受熱后釋放出來的二氧化碳的體積。上述測量結(jié)果和溫度數(shù)據(jù)被記錄在圖表中后顯示出三個明顯的峰值（上圖）。這三個峰值為地球化學家提供了干酪根中氫、碳和氧相對含量的信息[22]。為確定干酪根的類型及油氣潛能提供了依據(jù)。碳氫化合物釋放量最大時的溫度與S2高點對應(yīng)，稱作Tmax，樣品的熱成熟度與Tmax值有關(guān)。鑒定巖樣成熟度的另外一個指標是鏡質(zhì)體反射率。作為干酪根的一個關(guān)鍵部分，鏡質(zhì)體是植物細胞壁中木質(zhì)素和纖維素受熱轉(zhuǎn)變后形成的一種發(fā)光物質(zhì)。隨著溫度的增加，鏡質(zhì)體經(jīng)歷復(fù)雜的、不可逆轉(zhuǎn)的芳構(gòu)化反應(yīng)，導致反射率增大。鏡質(zhì)體反射率最早用來確定煤炭的等級或成熟度，該技術(shù)后來被用于對干酪根熱成熟度的評估。由于反射率隨溫度的增加而增大，因而可以通過使用該指標來評估碳氫化合物形成的各個溫度范圍。這些范圍又可以被進一步劃分成油窗或氣窗。通過一個配有油浸物鏡及光度計的顯微鏡可以測量反射率（R）。根據(jù)玻璃或礦物反射率標準仔細對鏡質(zhì)體反射率進行刻度，反射率測量反映反射到原油中的光度百分比（Ro）。如果通過多個巖樣測試后確定了鏡質(zhì)體反射率均值，則該均值被稱為Rm。作為熱成熟度的一個指標，各類有機物中的Ro值都不盡相同。這就說明第一類有機物的碳氫化合物生成的起點與第二類有機物碳氫化合物生成的起點不同。而且由于形成氣窗所需的溫度范圍大于油窗的溫度范圍，因而氣的Ro值也相應(yīng)地大于油的Ro值。通過上述描述可以得出以下結(jié)論：成熟度值高（Ro>1.5）通常表示干氣占主導優(yōu)勢，成熟度值中等（1.1%<Ro<1.5%）表示在該范圍內(nèi)的低端，氣有不斷向油轉(zhuǎn)化的趨勢。在0.8%<Ro<1.1%范圍的低端能夠發(fā)現(xiàn)濕氣。Ro值低（0.6%<Ro<0.8%）時油占主導地位，而Ro<0.6%則表明干酪根發(fā)育不成熟。Ro值本身容易使人產(chǎn)生誤解，應(yīng)與其它測量結(jié)果權(quán)衡后才能應(yīng)用。其它常見的成熟度指標包括基于顯微鏡測量的孢子顏色的熱變指數(shù)（TAI）、熱解溫度評估以及建立在小化石齒測量基礎(chǔ)上的牙形石色變指數(shù)（CAI）。由于鏡質(zhì)體反射率的普遍性，這些指數(shù)通常與Ro值有關(guān)。含氣頁巖測井結(jié)果。與普通頁巖相比，含氣頁巖具有自然伽馬強度高、電阻率大、地層體積密度和光電效應(yīng)低等特征?？梢酝ㄟ^測井資料對頁巖的其它性質(zhì)進行評價，在某些情況下，這些測井曲線具有明顯的特征（上圖）。高自然伽馬強度被認為是頁巖中干酪根的函數(shù)。通常情況下干酪根能形成一個使鈾沉淀下來的還原環(huán)境，從而影響自然伽馬曲線。高含氣飽和度導致高電阻率，但電阻率也會隨著流體含量和粘土類型而變化。粘土含量及干酪根的存在能降低地層體積密度，干酪根的比重較低，介于0.95－1.05克/厘米3ECS元素俘獲能譜儀器。ECS探頭記錄和分析中子與地層作用后感生的自然伽馬能譜。通過這些測量可以獲得準確的地層成分評價結(jié)果，包括粘土、碳酸鹽、硬石膏、石英、長石和云母等。ECS（元素俘獲能譜）探頭及PlatformExpress綜合電纜測井儀器與先進的解釋技術(shù)結(jié)合后用以評估Barnett頁巖及其它盆地中的含氣飽和度和天然氣地質(zhì)儲量，確定巖性特征。ECS探頭應(yīng)用中子感生的俘獲自然伽馬能譜測定硅、鈣、硫、鐵、鈦、釓、氯、鋇和氫的含量（上圖）。上述數(shù)據(jù)與諸如對利用中子感生自然伽馬能譜儀器獲得的能譜進行處理的SpectroLith巖性處理解釋技術(shù)一起應(yīng)用。通過SpectroLith技術(shù)的應(yīng)用，可以確定地層中粘土、石英-長石-云母、碳酸鹽、黃鐵礦或硬石膏的含量。應(yīng)用在SpectroLith處理中的元素在干酪根中并不存在。因而雖然可以準確表示巖性，但是卻無法對有機物進行表述。與此相比，用PlatformExpress儀器得到的測井資料則受干酪根的影響。比如還原環(huán)境下鈾元素的存在使干酪根的自然伽馬強度很高，前文對此已作過描述。僅僅依靠自然伽馬資料來確定粘土含量容易高估粘土含量。而由于ECS和PlatformExpress之間存在差異，可以將兩者結(jié)合起來使用以減少可能出現(xiàn)的巖性方面的錯誤，從而定量確定干酪根含量及孔隙度（下圖）。頁巖中干酪根的掃描電子顯微鏡照片。有機質(zhì)的存在導致碳氫化合物以吸附氣的形式存在于孔隙性有機物的表面活性區(qū)域。同時，干酪根也為頁巖基質(zhì)創(chuàng)造了混合潤濕性環(huán)境，使干酪根附近的頁巖呈現(xiàn)油濕特征，而遠離干酪根的區(qū)域則呈現(xiàn)水濕特征。（圖片由TerraTek公司的BarbaraMarin提供。Barnett頁巖綜合結(jié)果圖顯示測井資料、巖性和礦物解釋及流體評估綜合數(shù)據(jù)，是綜合應(yīng)用ECS和PlatformExpress得到的結(jié)果，可以幫助作業(yè)者確定天然氣地質(zhì)儲量以及根據(jù)礦物組成和滲透率確定射孔位置。同樣，解釋得到的礦物組成和孔隙度資料有助于確定在何處鉆分支井。在某些地區(qū)，作業(yè)者利用礦物曲線圖來識別頁巖中的石英、方解石或白云石。這些礦物的存在增加了地層的脆性，從而有助于改善水平井中的造縫。以上分析是繪制地層、干酪根成熟度及溫度-深度圖的基礎(chǔ)。結(jié)合泥漿錄井評價和巖石物理分析，地學家可以了解干酪根的成熟程度，尋找可能存在具有經(jīng)濟價值的天然氣藏。鉆井工作開始后，可對新獲得的巖屑或巖心進行測試以評價頁巖中的礦物及有機質(zhì)含量。2.射孔優(yōu)化技術(shù)總結(jié)定向射孔的原則。定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒，減少井筒附近裂縫的彎曲程度，進而減少井筒附近的壓力損失，為壓裂時產(chǎn)生的流體提供通道。定向射孔的目的是溝通裂縫和井筒，減少井筒附近裂縫的彎曲程度，進而減少井筒附近的壓力損失，為壓裂時產(chǎn)生的流體提供通道。通過大量頁巖氣井的開發(fā)實踐，開發(fā)人員總結(jié)出定向射孔時應(yīng)遵循的原則，即在射孔過程中，主要射開低應(yīng)力區(qū)、高孔隙度區(qū)、石英富集區(qū)和富干酪根區(qū)，采用大孔徑射孔可以有效減少井筒附近流體的阻力。在對水平井射孔時，射孔垂直向上或向下。3.壓裂技術(shù)美國在頁巖氣商業(yè)開發(fā)早期，主要以壓力方式實現(xiàn)增產(chǎn)。目前，一些公司已開發(fā)出了一種輕質(zhì)壓裂支撐物，其比重較低，一般為1.25～1.75，比普通石英砂（比重為2.65）低得多。經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，這種支撐物易于輸送到裂縫網(wǎng)絡(luò)的末端，形成有效裂縫。另外，使用低粘度低傷害的壓裂液，可以增加頁巖井的初始和累計產(chǎn)量。在施工過程中，一般采用清水這種低成本壓裂液，這是因為水是一種低粘度流體，更容易產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。在選擇支撐物時，一般區(qū)域里的最大支撐物密度約為179.745kg／m3，在大多數(shù)區(qū)域不會超過0.2ppa（每年百分率）。在壓裂過程中應(yīng)注意以下幾點：避免采用高粘度膠體壓裂液，這樣可以產(chǎn)生兩條對稱的長裂縫；壓裂過程中的高初始壓力可導致對井筒附近的傷害；避免水泥／泥漿引入裂縫；適當?shù)乃峄蓽p少傷害；微地震可以檢測出沒有被壓裂改造的區(qū)域。在Newark東頁巖氣田，壓裂后直井的產(chǎn)氣速度為（0.14～5.7）×104m3／d以上，預(yù)計這些井的最終采出量一般應(yīng)為（2831～7077）×104含氣頁巖中的天然裂縫雖然具有一定的作用，但是通常無法提供經(jīng)濟開采所需的滲透通道。多數(shù)含氣頁巖都需要實施水力壓裂。壓裂使更多的頁巖范圍暴露于井筒的壓降條件下。頁巖中水平井周圍緊密排列的水力壓裂裂縫能夠加快天然氣的開采速度。作業(yè)者通常在中等深度（一般在5000－10000英尺（1524－3048米）之間）的高壓頁巖中泵入低粘度水基減阻流體和支撐劑進行增產(chǎn)處理Barnett頁巖開采過程中曾采用過多種增產(chǎn)措施。在20世紀80年代中期之前，對Barnett頁巖下部采用二氧化碳和氮氣泡沫增產(chǎn)處理[36]。隨后又實施了大型水力壓裂措施（下圖）。該措施平均每次需要耗費60萬加侖（2270米3）的交聯(lián)凝膠和140萬磅（63.5萬公斤）的支撐砂。增產(chǎn)作業(yè)雖然提高了估算最終采收率，但是昂貴的完井費用和低天然氣價格使該遠景區(qū)的經(jīng)濟效益不佳。直到1997年，才停止進行大型水力壓裂作業(yè)，此時MitchellBarnett頁巖大型水力壓裂作業(yè)現(xiàn)場。在該單級增產(chǎn)措施中，將100多個裝滿水的壓裂罐運往井場并放置在井場周圍。泵送裝置、管匯和監(jiān)測設(shè)備等則被放置在井場中心附近的井口周圍。由于采用了新的完井方法，現(xiàn)在所需的材料和設(shè)備少了很多?，F(xiàn)在，作業(yè)者將井筒分成一些小層段，并對其實施多級增產(chǎn)處理。這一新方法改善了油氣井動態(tài)，降低了完井成本。采用新技術(shù)改善井動態(tài)。多年來隨著鉆井和壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，Barnett頁巖增產(chǎn)作業(yè)的效果不斷得到改善。這些增產(chǎn)措施能產(chǎn)生長而寬的裂縫通道，所使用的交聯(lián)液大約是大型壓裂措施的兩倍，而泵入的支撐劑體積還不到大型水力壓裂的10%。與大型水力壓裂相比，雖然在油氣井動態(tài)方面改善不是很明顯，但其成本卻下降了65%左右。現(xiàn)在，減阻水增產(chǎn)措施已成為Barnett頁巖中最為常見的增產(chǎn)措施（上圖）。而且，增產(chǎn)作業(yè)費用的下降允許作業(yè)者對Barnett頁巖上部層段實施完井，從而使估算最終采收率提高20%以上。盡管在Barnett頁巖壓裂過程中一般使用水和砂粒，但是其它頁巖遠景區(qū)的作業(yè)者發(fā)現(xiàn)，壓裂過程中存在水力壓裂裂縫中支撐劑充填不充分的情況。該現(xiàn)象可能是由于壓裂液產(chǎn)生的裂縫寬度不夠，不足以容納支撐劑顆粒所造成的，也可能是因為泵入裂縫的砂粒從攜砂液中快速脫離懸浮狀態(tài)而造成的。上述兩種原因都導致形成較小裂縫，使?jié)B透率難以達到預(yù)定的目標值。為了克服以上難題，一些作業(yè)者采用了ClearFRAC無聚合物壓裂液或FiberFRAC纖維基壓裂液技術(shù)來延長支撐劑懸浮時間。使用ClearFRAC液的目的是為了將支撐劑送入裂縫深處。除了支撐劑本身以外，ClearFRAC液中不含可能降低裂縫滲透率的固相成分，并且可以與富含有機物的頁巖配伍。FiberFRAC液中的纖維使支撐劑砂粒處于懸浮狀態(tài)，直至裂縫在砂粒閉合并將其鎖定。最后流體中的纖維溶解，從而增加裂縫中流體的流動能力。以上兩種流體都將支撐劑保留在裂縫中，因而在井開井生產(chǎn)時，裂縫還能保持開啟狀態(tài)。二十世紀90年代末，Mitchell能源公司開始實施其它新的增產(chǎn)試驗。結(jié)果表明，重復(fù)壓裂措施對原先使用凝膠液完井的油氣井最有效。微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，這些處理能夠激活與最大水平應(yīng)力垂直的天然裂縫。但這種裂縫激活反應(yīng)通常不會發(fā)生在粘性流體中。因此，對于那些原先應(yīng)用減阻水措施完井的井實施重復(fù)壓裂通常效果不太明顯。含氣頁巖井在經(jīng)濟上獲得成功除了天然氣價格上漲和水平鉆井技術(shù)提高這兩個因素之外，經(jīng)濟、有效的增產(chǎn)作業(yè)實踐也是關(guān)鍵。二次壓裂增產(chǎn)技術(shù)Barnett的大部分頁巖氣井都進行了二次壓裂，二次壓裂后可接近或超過初次壓裂時的產(chǎn)量。采用直井對Barnett頁巖氣開發(fā)時，初期產(chǎn)量迅速遞減，之后逐漸穩(wěn)定。二次壓裂能夠使Newark東老(直)井有效增產(chǎn)，特別是對上世紀90年代末以前的井二次壓裂效果明顯。這項技術(shù)被進一步應(yīng)用到比較新的井中，在一般情況下，二次壓裂后井的產(chǎn)氣速度能達到或超過原始產(chǎn)氣速度。這種方法已成功應(yīng)用到那些經(jīng)濟效益較差的井，這表明多次壓裂對某些井來說是有經(jīng)濟效益的。水平井增產(chǎn)技術(shù)在頁巖氣資源中,頁巖中的裂縫作為儲積空間。頁巖即是生氣層也是產(chǎn)氣層,但是通常滲透率低,產(chǎn)量也很低。水平鉆井成本只有直井2倍,但產(chǎn)量可達到直井的4倍;再進行多層段壓裂,產(chǎn)生垂直縫能達到很好的效果。壓裂中盡量產(chǎn)生復(fù)雜的裂縫、保證井筒和主裂縫間的連通并減小裂縫扭曲度。常用的壓裂液包括:膠化硝酸甘油、高能氣體、氮氣和二氧化碳泡沫、液態(tài)二氧化碳、低溫氮氣。水平井技術(shù)的應(yīng)用可以使無裂縫或少裂縫通道的頁巖氣藏得到有效的經(jīng)濟開發(fā)。水平井也需要壓裂，如果不壓裂則不能產(chǎn)氣。將測斜儀和微地震技術(shù)相結(jié)合，對Newark東油氣田的微裂縫進行測量，其結(jié)果顯示壓裂后直井的排水區(qū)域又長又窄，平均約為915×152m（Fisher等，2002）。根據(jù)這個數(shù)據(jù)，作業(yè)人員推測對水平井壓裂時，誘導裂縫垂直于鉆井方向，這樣能夠產(chǎn)生一個平行于儲層的排水區(qū)域，因此擴大了總的排采面積。Newark東油氣田水平井的初始產(chǎn)氣速度一般比直井快2～3倍。根據(jù)巖石遮擋垂直裂縫發(fā)展的強度不同，采用不同的完井步驟。在具有這種遮擋層的部位，作業(yè)者一般不會對井筒生產(chǎn)段進行固井，并且可能采用單步或多步進行壓裂。當遮擋層缺失或出現(xiàn)無法遮擋裂縫擴展的某些問題時（例如遮擋層很薄或存在斷層），生產(chǎn)段就會固井，并且采用多步壓裂。在任何情況下均采用水力壓裂。每步壓裂液的體積為（284～751）×104L以上，主要取決于水平井分枝的長度，通常為150～1070m以上。Scott（2005）分析了在Barnett頁巖采用水平井技術(shù)的兩個原因：一是對水平井分枝進行壓裂可使Newark油氣田的核心區(qū)域產(chǎn)量大幅度提高；二是與所觀測的結(jié)果相關(guān)，在那些缺少遮擋或遮擋層很薄的區(qū)域，水平井壓裂比直井壓裂更能使裂縫保持在Barnett儲層的目的段中。4.頁巖氣藏模擬技術(shù)大多數(shù)氣藏模擬器都是對常規(guī)氣藏進行模擬分析，常規(guī)氣藏中天然氣儲存在單一孔隙系統(tǒng)中。但是頁巖氣藏模擬則需要采取不同的方法。有限差分模擬器（如ECLIPSE油氣藏模擬軟件中的頁巖氣藏模塊）認為天然氣儲存在致密頁巖基質(zhì)的孔隙空間內(nèi)，并吸附在頁巖有機物上，游離氣則蘊藏在頁巖地層的天然裂縫內(nèi)。ECLIPSE油氣藏模擬。標色后的頁巖層模型顯示九口垂直氣井開采15年后的壓力衰竭趨勢。水力壓裂裂縫以及天然裂縫相互交錯組成網(wǎng)絡(luò)通道，天然氣通過這些通道從地層流入井內(nèi)。在建立氣藏單井和整個氣田模型時，這些氣藏模擬器可以使作業(yè)者將所掌握的有關(guān)巖石的全部信息都包括進去。氣藏的特性，如產(chǎn)層有效厚度、氣藏壓力、溫度、氣含量、含水飽和度、天然裂縫幾何形狀、巖石基質(zhì)孔隙度、總有機質(zhì)含量以及甲烷吸附等溫線函數(shù)等都可以容易地包括在模型中。以上信息為作業(yè)者評估天然氣地質(zhì)儲量奠定了基礎(chǔ)。還可以將來源于增產(chǎn)后模擬和微地震解釋的基質(zhì)滲透率測量數(shù)據(jù)及水力壓裂裂縫幾何形狀數(shù)據(jù)結(jié)合到模型中。根據(jù)實際天然氣和水產(chǎn)量對模型進行調(diào)整，可以評估系統(tǒng)滲透率。通過建立完全符合實際油氣井生產(chǎn)動態(tài)的模型，作業(yè)者能夠預(yù)測一個地區(qū)的估算最終采收率（上圖）。通過油氣藏模擬可以實施多種類型的敏感性分析，這一點尤其重要。分析包括優(yōu)化井設(shè)計，權(quán)衡水平井與直井之間的利弊，優(yōu)化增產(chǎn)設(shè)計的次數(shù)與規(guī)模，根據(jù)不同的布井方案確定最佳鉆井井位。上述分析為今后建立在科學、技術(shù)和經(jīng)濟基礎(chǔ)上的開發(fā)決策創(chuàng)造了條件。5.天然氣地質(zhì)儲量評估技術(shù)頁巖氣產(chǎn)量是否可以長期保持經(jīng)濟產(chǎn)量開采主要取決于原始天然氣地質(zhì)儲量、完井質(zhì)量及基巖滲透率這三個因素。其中天然氣地質(zhì)儲量通常是遠景區(qū)經(jīng)濟評價的關(guān)鍵參數(shù)，其重要性高于基巖滲透率和完井質(zhì)量。對于已充分開發(fā)的盆地，頁巖氣開采代表其已處于最后的開采階段，通常具有很多油田研究和已鉆油氣井資料。因而在鉆新井之前，諸如露頭剖面、富含有機質(zhì)頁巖的油田地質(zhì)圖以及早期鉆井數(shù)據(jù)等資料對地下頁巖氣開發(fā)的初步評估具有一定的意義。除巖性以外，早期油氣井中具有天然氣顯示的泥漿錄井資料、色譜分析記錄和天然氣火焰電離檢測氣讀數(shù)尤其重要。巖屑通常經(jīng)過過濾、清洗和風干處理，然后封存在巖樣箱內(nèi)。在適當?shù)臅r候，這些巖屑將被送往實驗室用于有機質(zhì)含量和成熟度的分析。在開發(fā)頁巖氣鉆井活動早期，取心在地層評價方案中具有重要的意義。頁巖取心為地學家確定天然氣地質(zhì)儲量提供了直接數(shù)據(jù)。天然氣蘊藏在孔隙空間及裂縫內(nèi)，或吸附在頁巖內(nèi)有機物的活性表面（下圖）。上述兩種間隙氣與吸附氣一起構(gòu)成全部頁巖天然氣。確定在油氣藏條件下間隙氣與吸附氣的比例后，地學家可以運用多種手段評估天然氣地質(zhì)儲量。利用PlatformExpress和ECS測井得到的Barnett頁巖綜合測井結(jié)果。前3道曲線是PlatformExpress儀器的測量結(jié)果。第4道是根據(jù)以PlatformExpress和ECS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的含氣頁巖巖石物理模型得到的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)通過ELANPlus高級多礦物測井分析軟件進行了處理。該程序有助于對礦物成分、干酪根、含氣孔隙度和含水孔隙度進行定量分析。其它道用來量化總孔隙度和有效孔隙度、含水飽和度、總有機物含量、基巖滲透率、天然氣地質(zhì)儲量和累計產(chǎn)氣量。對游離氣和吸附氣，都計算出其天然氣地質(zhì)儲量和累計產(chǎn)氣量。第4道所描述的幾個因素是頁巖氣遠景區(qū)成功開采的關(guān)鍵。除了干酪根和含氣孔隙外，Barnett頁巖還含有數(shù)量較多的石英和碳酸鹽，這兩種礦物使地層更脆弱，從而更容易進行壓裂。粘土礦物成分主要是伊利石，一般情況下，伊利石不容易與壓裂液起化學反應(yīng)。在井場，對新取出的巖心進行整理以運往實驗室進行分析。該巖心的部分可能被封存在罐內(nèi)并送往配有特殊裝備的實驗室實施罐吸附測試。測試過程中將對巖心中釋放出來的天然氣體積和組分隨時間的變化進行測量。罐吸附測試測量釋放出來的天然氣總量，而不測量吸附氣及間隙氣的具體比例，也不對其與壓力之間的依賴關(guān)系進行評價。因而還必須進行其它測量。實驗室工作人員將壓碎后的頁巖放入巖樣室，然后對其增壓。通過對恒定油藏溫度條件下巖樣室的分析，分析人員可以建立起頁巖氣實際PVT關(guān)系的吸附等溫線（請參見“蘭格繆爾等溫線”）。吸附氣儲存。蘭格繆爾等溫線（藍色）顯示-飽和巖樣在特定壓力下所能吸附的天然氣量。壓力下降會導致甲烷按照藍線描述的動態(tài)軌跡脫離吸附狀態(tài)。隨著壓力的下降，天然氣解吸附能力以非線性的形式加強，因而本例中巖樣在壓力為3500psi（24.2MPa）時所吸附的甲烷量約為74立方英尺/噸。當壓力從該點開始下降時，脫離吸附狀態(tài)的天然氣相對較少，而一旦壓力下降到500psi（3.4MPa），該頁巖所能吸附的天然氣中有一半將脫離吸附狀態(tài)，剩余的天然氣將在壓力小于500psi吸附在干酪根表面上的甲烷與頁巖中游離甲烷處于平衡狀態(tài)。蘭格繆爾等溫線就是用來描述某一恒定溫度下的這種平衡關(guān)系的。該關(guān)系涉及兩個參數(shù)：蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力。前者描述的是無限大壓力下的氣體積，而后者描述氣含量等于二分之一蘭格繆爾體積時的壓力。將一壓碎的頁巖巖樣加熱以排除其所吸附的天然氣，然后對其進行巖心分析，可獲取蘭格繆爾參數(shù)值。隨后將巖樣置于一密封容器內(nèi)，在溫度恒定的甲烷環(huán)境下不斷對其加大壓力，測得其所吸附的天然氣量，將結(jié)果與蘭格繆爾方程式擬合后就形成等溫線（上圖）。對于符合類似曲線的頁巖，吸附作用是在低壓（低于100psi）條件下儲存天然氣非常有效的機理。相反，高壓條件下，當吸附氣接近高于2000ps（i13.8MPa）的漸近線時則吸附效率不佳。另外一項用于專門分析低滲透率、低孔隙度地層巖樣的技術(shù)是由斯倫貝謝旗下的TerraTek公司開發(fā)的。這種被稱為致密巖石分析（TRA）的專有熱解技術(shù)可以對含氣頁巖巖樣提供綜合評價（下表）。TerraTek致密巖石分析技術(shù)。特殊巖心測量對顆粒密度、孔隙度、流體飽和度、滲透率和含氣頁巖總有機質(zhì)含量等進行分析和描述。在該數(shù)據(jù)集中，含氣飽和度、孔隙度和滲透率測量值等均表明該氣藏為高潛能氣藏。吸附等溫線數(shù)據(jù)作為油藏壓力的函數(shù)，可以用來直接評估有機物吸附天然氣的最大能力。TRA含氣孔隙度數(shù)據(jù)也是油藏壓力的函數(shù)，可直接提供間隙氣測量結(jié)果。吸附等溫線和含氣孔隙度與罐解吸附測量數(shù)據(jù)結(jié)合，能提供完整的天然氣地質(zhì)儲量描述結(jié)果。該信息為油氣藏模擬提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并能指示間隙氣和吸附氣對誘發(fā)裂縫系統(tǒng)的相對貢獻。巖心分析經(jīng)驗表明，成熟、熱成因的頁巖主要被間隙氣所飽和，吸附氣所占比例在50%到10%。相反，未發(fā)育成熟、生物成因的頁巖主要被吸附氣所飽和，間隙氣所占比例很小。同時頁巖孔隙空間中還被不同比例的水、氣及可動油所飽和。儲層性質(zhì)最佳的頁巖通常含油和含水飽和度低、間隙氣飽和度高，因而氣相相對滲透率也較高。該類頁巖中有機物含量在中等以上，有機物發(fā)育程度較高，其組織結(jié)構(gòu)反映出孔隙度和滲透率在埋藏過程中保存較好。因此，為了對天然氣地質(zhì)儲量進行評估，實驗室測量必須能夠?qū)μ烊粴夂鸵后w飽和度、孔隙度、基質(zhì)滲透率、有機物含量和成熟度、有機物在恒定油藏溫度下吸附天然氣的能力（是油藏壓力的函數(shù)）等進行直接評價。最后，測井分析數(shù)據(jù)，特別是根據(jù)巖心分析所得的實際油藏性質(zhì)標定后的測井分析數(shù)據(jù)，是利用孔隙度和氣飽和計算進行天然氣地質(zhì)儲量可靠預(yù)測的基礎(chǔ)。以測井資料為基礎(chǔ)的模型也可以用于預(yù)測橫向范圍有限區(qū)域內(nèi)鄰井中的特性，從而有助于對盆地的非均質(zhì)性進行評價。評價頁巖氣藏潛力評價頁巖氣藏的潛力涉及到對多種因素正反面影響的權(quán)衡，包括頁巖礦物成分和結(jié)構(gòu)、粘土成熟度、干酪根類型及成熟度、流體飽和度、吸附和間隙氣儲存機理、埋藏深度、溫度和孔隙壓力等。其中，孔隙度、流體飽和度、滲透率和有機質(zhì)含量等對于確定頁巖儲層是否具有進一步開發(fā)價值非常重要（下表）。關(guān)鍵儲層參數(shù)。美國多個頁巖氣盆地的經(jīng)驗表明，要想實現(xiàn)經(jīng)濟開采，頁巖氣藏必須符合或超過以上參數(shù)值。頁巖氣產(chǎn)自非均質(zhì)性嚴重的地層這一現(xiàn)實加大了儲層評價的復(fù)雜性。頁巖在水平和垂直方向上的性質(zhì)都會發(fā)生突變，高潛能儲層段與質(zhì)量較差的層交互并存。儲層巖層可能在相對較短的距離內(nèi)橫向延伸或尖滅，而頁巖總厚度則保持不變。描述儲層特性以及了解造成局部非均質(zhì)性的沉積和環(huán)境因素，是頁巖氣藏勘探和開發(fā)過程中面臨的主要挑戰(zhàn)。通過分析巖心和測井資料，地質(zhì)學家可以評價井筒范圍的非均質(zhì)性。通過對巖屑進行巖石學分析可以確定頁巖類型，再結(jié)合多井TOC測量數(shù)據(jù)和測井分析，能夠?qū)ε璧刂袃訚摿M行初步評估。通過上述數(shù)據(jù)的分析，地學家可以確定天然氣地質(zhì)儲量、儲層潛力及其隨深度的變化。這些數(shù)據(jù)是評估儲層是否可以經(jīng)濟開采的基礎(chǔ)，也是確定完井目標儲層單元，以及評價橫向和垂向完井成本－效益的基礎(chǔ)。從頁巖中開采天然氣所受到的最大限制可能來自巖石內(nèi)的孔喉。TerraTek公司的研究人員曾將各個不同類型的頁巖和不同盆地中的井產(chǎn)能與基質(zhì)滲透率數(shù)值做過比較。這些分析得到的經(jīng)驗表明，滲透率低于100毫達西是經(jīng)濟開采頁巖氣遠景區(qū)的下限。這一限制似乎與完井質(zhì)量及氣含量無關(guān)。最后，發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏的關(guān)鍵在于各有利地質(zhì)參數(shù)的綜合，如熱史、天然氣含量、儲層厚度、基質(zhì)巖石特性和裂縫等。頁巖氣藏勘探途徑11勘探原則頁巖氣藏主控地質(zhì)因素及分布規(guī)律,對四川盆地頁巖氣藏勘探原則的探討很有啟示,仍需進行完善,有針對性地具體化。頁巖氣藏勘探盡可能先于有機碳含量較高區(qū)域內(nèi)進行,特別是有機碳含量大于2%的區(qū)域,應(yīng)優(yōu)先對黑色頁巖較發(fā)育的區(qū)域進行勘探。頁巖鏡質(zhì)體反射率大于014%的區(qū)域,有利于尋找頁巖氣藏。對于含瀝青的過于成熟區(qū)域要慎重勘探。陸相和海相頁巖氣藏勘探應(yīng)彼此顧及,首先勘探沉積較中心區(qū)域,有所發(fā)現(xiàn)的條件下,再逐步擴大勘探范圍。陸相中的湖相和三角洲相是較為有利的優(yōu)先勘探區(qū)域。也更應(yīng)該了解區(qū)域內(nèi)海相—海陸過渡相—陸相的縱向時空變化規(guī)律,尋求縱向上追蹤勘探。裂縫發(fā)育區(qū)域的診斷就是關(guān)鍵環(huán)節(jié),優(yōu)選構(gòu)造轉(zhuǎn)折帶,地應(yīng)力較集中帶、褶皺—斷裂帶重點勘探,現(xiàn)今的中深級埋藏深度是勘探重點,海相沉積頁巖的過大抬升區(qū)域,要進行偵察性勘探。較穩(wěn)定沉積地區(qū)的淺層應(yīng)以生物氣藏勘探為重點,中深層要以凝折氣藏勘探為重點。暗色頁巖單層厚度一般大于30m較適合勘探,應(yīng)結(jié)合有機碳的含量進行綜合選擇。暗色頁巖層流體高勢能區(qū)是勘探的重點,游離頁巖氣高壓異常帶應(yīng)優(yōu)先勘探,而吸附高壓異常帶勘探可推后進行,低壓異常帶勘探要慎重,也不放過低壓異常中仍有較大的產(chǎn)出能力的可能性。暗色頁巖類型及目前所處的演化階段,要用演化模型預(yù)測其對擴散天然氣的封閉能力及演化階段。也可以由現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)去深化認識,促使地質(zhì)研究開展。頁巖氣藏成藏與構(gòu)造圈閉關(guān)系一般不明顯,預(yù)示隱蔽性頁巖氣藏具有廣泛性。也應(yīng)優(yōu)先對構(gòu)造—巖性圈閉、褶皺—斷層圈閉先進行勘探,這與儲集層內(nèi)天然裂縫較為發(fā)育有關(guān)。對于海相生成含鈣質(zhì)較多的地帶宜于先勘探,也可能與溶蝕連通裂縫出現(xiàn)有關(guān)。四川盆地暗色頁巖氣藏勘探潛力很大,盆地東部和南部志留系是勘探的戰(zhàn)略重點,川南地區(qū)更是勘探的突破口,要作為國內(nèi)勘探示范區(qū)進行優(yōu)先勘探。中石油獲準承擔的“中低豐度天然氣藏大面積成藏機理與有效開發(fā)的基礎(chǔ)研究”和“非均質(zhì)油氣藏地球物理探測的基礎(chǔ)研究”國家級別的973科技計劃項目,應(yīng)盡可能將川南地區(qū)志留系暗色頁巖氣藏勘探列入其中。對于有關(guān)的新興命題研究,也應(yīng)納入博士后工作站命題選向,擴大研究領(lǐng)域和范圍,超前進行多種技術(shù)儲備和新嘗度,爭創(chuàng)世界一流的研究成果,展示科研的中國特色。四川盆地內(nèi)其它地區(qū)要在前期全面資源調(diào)查的基礎(chǔ)上,從中篩選出較有利勘探區(qū)塊,進行勘探可行性深入評價,中下侏羅系和二疊系大隆組是深入評價的重點。本著先易后難、先淺后深的原則進行前期勘探,要以發(fā)現(xiàn)促科研。川南老氣區(qū)要實施立體勘探途徑,降低勘探投入和風險。老井上試或下試,充分利用原有的地質(zhì)資料重新再認識。對原有鉆井氣顯示較好的井段,優(yōu)先進行試氣;已獲得氣產(chǎn)量較好的井,最好轉(zhuǎn)入先期試采,以錄取地質(zhì)資料深化認識為目的,并探討開采技術(shù)新途徑。試采強度要科學確定,不宜追求過大的開采速度。對于試氣中的氣產(chǎn)量暫時較低的井,要進行增產(chǎn)措施攻關(guān)試驗,不能盲目增加試驗井數(shù)量。措施攻關(guān)試驗要有可行性論證、施工方案和施工結(jié)果評價,立足不斷獲取明顯增產(chǎn)效果。暗色頁巖氣藏勘探自主進行,可吸收國際上的專業(yè)人才參與,發(fā)揮其專業(yè)特長和專業(yè)技能。21鉆采工程技術(shù)探討暗色頁巖氣藏勘探屬于世界范圍內(nèi)較邊緣的專業(yè)學科領(lǐng)域,鉆采工程技術(shù)探討和攻關(guān),重在于強化基礎(chǔ)研究,地質(zhì)與工程兩大專業(yè)要全力配合,提高技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)集成再創(chuàng)新的針對性和實用性。要擴大技術(shù)探討的思路,不能相互排斥。鉆井和完井要采用現(xiàn)有的先進技術(shù)。老井上試或下試是立體勘探中的有效途徑。對于原有的直井和斜井,特別是地層孔隙流體高壓異常狀態(tài)下,可進行氮氣超正壓射孔,如果要用液墊,須防泥質(zhì)膨脹。處理孔眼附近地層因鉆井、固井和射孔所引起的堵塞。采用現(xiàn)有的有機和無機鹽復(fù)合防膨技術(shù),也是一條重要技術(shù)途徑。水力噴射孔能有效降低措施泵注壓力,利于壓裂集中造縫,甚至于與相關(guān)措施聯(lián)作一次性進行。高含鈣質(zhì)的暗色頁巖地層,可用乙醇酸進行水力噴射孔作業(yè),發(fā)揮應(yīng)有的多種功能。裸眼割縫襯管完井技術(shù)有廣泛的適用性,尤其是新鉆的井眼易于采取這種完井方式,鉆井顯示很好的井尤其應(yīng)采用此完井方式。為了穩(wěn)定井壁,也可以在井壁與割縫襯管間充填摻纖維的陶粒。水平井是暗色頁巖氣藏勘探評價的重要手段,對于原來有較好氣顯示的老井,可進行套管開窗側(cè)鉆水平井作評價,也可降低增產(chǎn)措施的技術(shù)難度。其中有待于用裂縫診斷技術(shù)確定水平井段延伸的方位。用空氣作循環(huán)介質(zhì)在暗色頁巖中鉆進,穩(wěn)定井壁在于增加注氣壓力,新疆油田已成功地進行過超淺層水平井鉆井作業(yè),其原理可應(yīng)用。暗色頁巖氣藏增產(chǎn)措施要有明顯的針對性,在壓裂溝通地層更多天然裂縫的基礎(chǔ)上,防止地層內(nèi)泥質(zhì)膨脹是技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高能氣體壓裂,除非井壁附近地層內(nèi)有天然裂縫存在,否則有限長度的人工微縫難以達到溝通的目的。壓脹松動壓裂是在最小壓應(yīng)力與最大壓應(yīng)力之比值小于或等于0115～0130的條件下才適用的,這是分級燃爆下產(chǎn)生的疊加波作用的結(jié)果。對于致密儲集層更有效,可以用頁巖進行室內(nèi)評價實驗。因適宜于深井作業(yè),可與其它措施配合實施。更值得開展層內(nèi)液相燃爆技術(shù)攻關(guān),只要前期地層有較好的吸收能力,便可直接進作業(yè);在裸眼水平井段仍可嘗試,裸眼應(yīng)是較小直徑,可與加砂壓裂配合進行。含鈣質(zhì)較多的暗色頁巖地層,可用乙醇基壓裂液壓裂造人工裂縫,結(jié)合乙醇酸酸化一次性進行。施工作業(yè)的前緣可集中泵注液氮泡沫,利于減少液氮用量,便于作業(yè)后一次性盡快噴通地層,達到高效排液的目的。對于高含鈣質(zhì)的低壓異常暗色頁巖氣藏,在地層吸收條件較好時,可直接采用乙醇泡沫酸酸化工藝技術(shù)。地層堵塞嚴重最好先進行酸浸作業(yè),防止將大量無機堵塞物分散擠入地層內(nèi),在此基礎(chǔ)上可進行加砂壓裂作業(yè)。二氧化碳泡沫壓裂液攜砂作業(yè)是較佳的技術(shù)途徑,擁有多方面的技術(shù)優(yōu)勢。乙醇基壓裂液攜砂作業(yè)仍有較好前景,這是針對甲醇基的有害弱點而取代的。前置膠束酸加砂壓裂在國內(nèi)取得成效,對于膠束酸的配制應(yīng)有針對性。排水采氣工藝技術(shù)可能會排上用場,尤其是利于被吸附的頁巖氣解吸。注采可配套進行,用注入井注入的二氧化碳,發(fā)揮增能驅(qū)頁巖氣的作用,置換被吸附的頁巖氣,將有害的氣體封存在地層內(nèi),不能出現(xiàn)與開采井發(fā)生明顯二氧化碳氣竄。頁巖氣資源投入商業(yè)開發(fā)的前提是綜合評價泥頁巖類基質(zhì)孔隙極不發(fā)育(淺層孔隙度可大于10%,2300m以下深度通常小于10%),多為微毛細管孔隙,滲透率也遠小于致密砂巖,屬于滲透率極低的沉積巖。但沉積環(huán)境、成巖作用、有機質(zhì)演化、構(gòu)造應(yīng)力、水動力條件和圍巖特征等諸多因素的綜合效應(yīng),能夠使有機質(zhì)豐富的泥頁巖形成一定規(guī)模、滲透性較好的封閉體系,即裂縫性泥頁巖油氣藏。這是分布廣泛的北美泥盆系頁巖只在部分區(qū)域具有商業(yè)開發(fā)價值的主要原因之一,也是油氣公司將頁巖氣的經(jīng)濟、技術(shù)可采儲量置于首位的重要原因。北美勘探開發(fā)公司通常要在確定天然氣成因、頁巖氣分布面積、有效厚度、可能的生產(chǎn)機制以及基本控制影響經(jīng)濟開采的不利因素之后,才可能有效動用頁巖氣儲量。因此,與常規(guī)油氣藏鉆井之后隨即投產(chǎn)的模式不同,頁巖氣資源投入商業(yè)開發(fā)的前提是綜合評價。頁巖氣資源評價總體面臨兩個核心問題:①作為儲集層是否具有足夠的天然氣地質(zhì)儲量;②是否具備足夠的滲流能力與條件實現(xiàn)經(jīng)濟開采。因此,儲集層中賦存的天然氣體積、儲集層滲透率是評價頁巖氣藏的關(guān)鍵參數(shù),有機質(zhì)豐度、成熟度、甲烷吸附能力、孔隙度、含氣飽和度、儲集層有效厚度、礦物組成、裂縫發(fā)育范圍與方向及其圍巖的封閉能力都是頁巖氣資源量計算和經(jīng)濟評價涉及的必要內(nèi)容。美國科羅拉多礦業(yè)學院石油勘探開發(fā)中心CurtisJB主任對Barnett組(FortWorth盆地)、Ohio組(Appalachian盆地)、Antrim組(Michigan盆地)、NewAlbany組(Illinois盆地)和Lewis組(SanJuan盆地)5套商業(yè)性頁巖氣層的熱成熟度、甲烷吸附氣含量、儲集層厚度、總有機碳含量和單儲系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)進行了歸納和對比,結(jié)果顯示差異較大。綜合分析認為,盡管每個頁巖氣藏都有其特殊性,但仍有一些共同點。2.1總有機碳含量(TOC)與頁巖氣產(chǎn)率密切相關(guān)Kentucky東部Appalachian盆地頁巖氣主產(chǎn)區(qū)BigSandy氣田的主力氣層是泥盆系Ohio組頁巖Huron下段烴源巖。圖2顯示Huron下段烴源巖儲集層的TOC值比上下緊鄰的頁巖高,甲烷吸附氣含量也豐富得多,說明TOC不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù),有機質(zhì)作為吸附氣的核心載體,TOC值的高低會導致吸附氣發(fā)生數(shù)量級變化。評價非常規(guī)頁巖氣資源,既要考慮生烴潛力,也要重視不溶有機質(zhì)與吸附氣之間的依存關(guān)系,合理確定TOC起算值和儲集層有效厚度。若不溶有機質(zhì)豐度比較低,頁巖吸附氣含量大幅度減少,形成具有經(jīng)濟開采價值的頁巖氣藏的概率就比較低。圖2BigSandy氣田泥盆系頁巖TOC與甲烷吸附氣含量(據(jù)文獻[21],有修改)此外,FortWorth盆地T.P.Sims#2井Barnett組頁巖、Appalachian盆地Chattanooga組頁巖TOC(y)與頁巖氣產(chǎn)率(x)之間還存在y=27.538x+67.886和y=66.59x+60.154的線性關(guān)系,其他頁巖產(chǎn)層也多具有類似特征。根據(jù)這些正相關(guān)模型,結(jié)合TOC與頁巖密度的負相關(guān)性,利用常規(guī)測井曲線便可識別成熟的優(yōu)質(zhì)烴源巖,連續(xù)計算頁巖段的含氣量,為優(yōu)選目的層提供關(guān)鍵參數(shù)。2.2吸附氣含量高前面提到,頁巖氣主要由兩部分構(gòu)成:烴源巖不溶有機質(zhì)(干酪根)和巖石顆粒表面的吸附氣,粒間孔隙和天然裂隙中的游離氣。頁巖氣井生產(chǎn)壽命通常比較長,部分甚至高達30a,產(chǎn)量年遞減率一般小于5%(多數(shù)為2%～3%)。許多研究認為頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期較長的原因與儲集層吸附氣含量密切相關(guān),頁巖氣后一階段生產(chǎn)的天然氣主要來自基質(zhì)中的吸附氣,吸附是頁巖儲集層中的天然氣得以保存的主要方式之一,吸附氣解吸是頁巖氣生產(chǎn)的重要機制。雖然Curtis(2002)的統(tǒng)計顯示,各主要產(chǎn)層的吸附氣和游離氣構(gòu)成比例非常不同,吸附氣含量范圍較寬,約20%～85%,Barnett組頁巖最低(僅20%),其余均在40%以上[20];不過,從隨后的Barnett組頁巖實驗研究和開采情況看,吸附氣20%的評估值偏低。FortWorth盆地NewarkEast油氣田T.P.Sims#2井不同深度Barnett組頁巖甲烷等溫吸附曲線表明,當壓力低于某一數(shù)值時,吸附氣可占天然氣總產(chǎn)量的40%～60%;Mavor(2003)也指出,Barnett組頁巖吸附氣含量應(yīng)當高于GRI(天然氣研究協(xié)會)的估算值,約占原始天然氣地質(zhì)儲量的61%[12,23]。所以,Barnett組頁巖吸附氣含量取40%～60%比較合適。由此可見,對于產(chǎn)量、可采儲量豐富的頁巖儲集層,吸附氣含量可能至少占天然氣總產(chǎn)量的40%左右(見表2),構(gòu)成比例可觀,再次說明吸附氣含量是預(yù)測頁巖儲集層產(chǎn)能的關(guān)鍵參數(shù)之一。2.3頁巖氣儲集層石英含量高頁巖的礦物成分較復(fù)雜,除高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物以外,還混雜石英、長石、云母等許多碎屑礦物和自生礦物。頁巖可分為黑色頁巖、鈣質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、鐵質(zhì)頁巖、油頁巖等類型。北美裂縫性頁巖氣的綜合評價中往往采用地層元素分析(ECS)手段,通過譜分析圖觀測頁巖的礦物含量。表2顯示頁巖儲集層的石英含量多超過50%,有些高達75%,且多呈黏土粒級,常以紋層形式出現(xiàn),而有機質(zhì)、石英含量都很高的頁巖脆性較強,容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導裂