发布时间 : 星期六 文章Fractured shale-gas systems 裂缝性页岩气系统（陈威威） - 图文更新完毕开始阅读
Fractured shale-gas systems
裂缝性页岩气系统
约翰·柯蒂斯 （科罗拉多矿业大学）著
摘 要：美国的商业性天然气最早 (1821)产自阿巴拉契亚盆地富含有机质的泥盆系页岩。了解有机质页岩层的地质和地球化学特征，提高其天然气生产率，是20世纪70年代以来耗资巨大的研究工作中极具挑战性的问题。页岩气系统基本上是生物成因(主要类型)、热成因或者生物一热成因的连续型天然气聚集，它以大面积含气、隐蔽圈闭机理、可变的盖层岩性和较短的烃类运移距离为特征。页岩气可以是储存在天然裂隙和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和粘土颗粒表面的吸附气或是干酪根和沥青中的溶解气。
美国正在进行商业性采气的5套页岩层，在热成熟度（由镜质反应率表示）、吸附气馏份、储层厚度、总有机碳含量和天然气地质储量等五项关键参数上有出人意料的巨大变化。此外，低基质渗透率页岩储层中的天然裂缝发育程度是天然气生产率的控制因素。目前，只有少数天然裂缝十分发育的页岩井不采取增产措施便可生产商业性天然气。在其它的大多数情况下，成功的页岩气井需要进行水力压裂。密歇根盆地的泥盆系Antrim 页岩和阿巴拉契亚盆地的泥盆系Ohio页岩约1999年全部页岩气产量 (380×109 立方英尺)的84％。但是，后来经过充分勘探和开发的其它3套主要有机质页岩层，即伊利诺伊盆地的泥盆系新Albany页岩、福特沃斯盆地密西西比系的Barnett页岩以及圣胡安盆地白垩系的Lewis页岩，其天然气年产量正在稳步上升 。
在作过资源评价的盆地中，页岩气资源量十分丰富，其地质资源量高达497~783×1012立方英尺。技术可采资源量 (Lewis页岩除外)变化在 31～76×1012立方英尺之间。其中以 Ohio页岩的地质资源量和技术可采资源量最多。
1 页岩气系统简介及其定义
产气页岩见于美国大陆的古生代和中生代岩层 (图 1)。页岩气系统属于典型的非常规即连续型天然气聚集。(美国地质调查所油气资源评价组 ，1995；Curtis，2001)，其潜在的天然气技术可采资源底数十分巨大 ，但已采出的总产量和证实储量所占的比例还很小 (图2)。图2显示的资源金字塔概念在20世纪70年代晚期首次被用来分析低渗透率储层中的天然气聚集 (Sumrow，2001)。如
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果勘探和开发公司想利用朝向金字塔底部的天然气资源，就只有在气价不断升高、经营成本不断降低和工艺技术越来越先进等条件的有机组合下 ，才能使页岩气生产商业化。要想开采资源金字塔底部的天然气，就必须充分认识这类含油气系统的潜力 。
19世纪早期以来 ，美国共钻28000多口气页岩井（Hill 和 Nelson ，2000）。据目前可知，只有美国有可生产性页岩气 (T．Ahlbrandt，2001，个人交流)，其原因可能是井的产量和回收期未达到商业化标准，而不是缺少潜在的产气页岩系统。这套含油气系统中的富含有机碳的细粒状页岩既是气源岩又是储气岩 (Martini等，1998)。天然气属于热成因或者生物成因，它们可以是吸附烃，裂隙和粒间孔隙中的游离气或者干酪根和沥青中的溶解气 (Schetter和 Parmely，1990；Martini等 1998)。典型的圈闭类型为隐蔽圈闭，它们在大面积内为天然气所饱和。盖岩的岩性多变，包括斑脱岩 (圣胡安盆地)、页岩 (阿巴根盆地)、冰碛物（密歇根盆地）和页岩或碳酸盐岩相 (伊利诺伊盆地) (Curtis和 Faure，1997；Hill和 Nelson，2000；Walter等，2000)。
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虽然热成因气和生物成因气存在于页岩气储层中，但是在密歇根和伊利诺伊盆地的页岩气产层却以生物成因气为主 (Schoell，1980；Martini等，1998；Walter等，2000；Shurr， 2002)。 商业化生产通常需要增加含气页岩极低的基质渗透率 (<0．001d)(Hill和 Nelson，2000)。完井采用水力压裂技术来打通天然裂隙系统并产生新的裂隙。只有不超过 10％的页岩气井不需要采取增产措施完井。最早 ，人们试图采用硝化甘油炸药 、推进剂和各种水力压裂技术对含气页岩层进行压裂(Hill和 Nelson，2000)。本文将回顾美国的5套主要页岩气系统 (图 1)，即(1)Antrim页岩 、(2)Ohio 页岩、(3)New Albany页岩、(4)Barnett页岩和 (5)Lewis页岩，其中Antrim页岩和 Ohio页岩为介绍的重点。
2 历史回顾
1627--1669年期间几个法国探险家和传教士的记叙是阿巴拉契亚盆地黑色 (富含有机质)页岩单元最早的参考文献。他们提到了现在被认为是以纽约西部泥盆系页岩为源岩的油气产出 (Roen，1993)。通常把1821年看作是美国的天然气工业的开始(Peebles，1980)。第一口商业性气井完井于纽约州 Chautauqua郡的泥盆系Dunkirk页岩 ，天然气用于 Fredonia镇的照明(图 1)(Roen，1993)。该发现比广为人知的宾夕法尼亚石油溪 Drake油井早35年 。Peebles(1980)对这一历史性事件的记载如下：被一群男孩偶然点燃的Canadaway溪附近的气苫，使当
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地居民清楚地认识到这种“可燃温泉”的潜在价值 。他们打了一口27 英尺深的气井，通过用中间挖空的小圆木把天然气输送到附近的几个家庭供照明之用。后来，这种早期的圆木输气管被当地一个名 叫William Hrat的军械工人用四分之三英尺的铝管所代替。他把大约 25英尺深的天然气输送到一个颠倒了的盛满水的大桶 (称之为 “气量计 ”)，从这里再接上一根管子把天然气送往当地 一 家旅馆一 “AbelHouse”用于照明。1825年 12月，Fredonia的检察官在报道 中提到：“我们 目睹了66盏美丽的气灯被点燃的那一幕 ，这个气量计能够为150盏气灯供气。现在这里还有足够的天然气供给另一个一样大小的气量计0”Fredonia的天然气供应在一片欢呼声中被认为是 “全球空前未有的”。1821年天然气的首次实际利用仅在美国天然气制造业诞生后的五年 ，(大多数评论员认为 1816年 Balti more的天然气照明公司的成立标志着美国页岩气的开发。沿 Erie湖南岸向西扩展，于19世70年代延伸到俄亥俄州东北部。1863年 ，在伊利诺伊盆地，于肯塔基州西部的泥盆系和密西西比系页岩中发现了天然气。到20世纪 20年代为止，页岩气的钻探工作已推进到西弗吉尼亚 、肯塔基和印第安纳州。1926年发现的肯塔基州东部和弗吉尼亚州西部的泥盆系页岩气田，曾是世界上最大的天然气聚集 (Roen，1993)。
美国能源部的东部页岩气项目开始于1976年，它包含了一系列的地质 、地球化学和石油工程研究工作，其重点是开发页岩气的增产措施技术 。天然气研究所 (GRI，现更名为天然气技术研究所 (GTI))在 20世纪80年代和90年代初也开展了这方面的研究工作 ，其目的是更精
确地评价页岩气的资源潜力和提高美国泥盆系和密西西比系页岩层的天然气产量 。如同福特沃斯盆地的密西西比系 Barnett页岩和圣胡安盆地的白垩系 Lewis页岩一样 (图 1)，密歇根盆地的泥盆系Antrim 页岩 (美国20世纪 90年代最有效的天然气产层)在 20世纪80年代开始生产商业性天然气 (Hill和Nelson，
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