摘要：鉆探頁巖氣井皆未取得實質(zhì)性成果除了對頁巖氣的成藏地質(zhì)特征及其勘探選區(qū)方面存在認識問題外，可能還與目前一些頁巖氣開采企業(yè)不熟悉或不遵循頁巖氣勘探開發(fā)程序有關。
從20世紀80年代初第一口Barnett頁巖氣井的發(fā)現(xiàn)至今，美國近代的頁巖氣勘探開發(fā)已經(jīng)歷了30余年的發(fā)展歷程。從早期的直井泡沫壓裂到目前的水平井多段滑溜水壓裂，從早期東部頁巖氣的開采逐步向中西部擴展，其發(fā)展過程是循序漸進的，針對頁巖氣基礎理論方面系統(tǒng)而深入的研究及開采技術的進步，為2006年以來美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展奠定了堅實的基礎。
受北美地區(qū)頁巖氣革命巨大成功的影響，中國自2009年以來開展了較大規(guī)模的頁巖氣勘探工作。尤其是自2012年中華人民共和國國土資源部(以下簡稱國土資源部)第二輪頁巖氣探礦權區(qū)塊公開招標以來，吸引了大批地勘、煤電企業(yè)以及地方民營公司積極投入到頁巖氣開采熱潮中。迄今為止，中石油、中石化等多家油氣公司已經(jīng)在四川盆地的海相頁巖氣勘探中取得了商業(yè)性突破，頁巖氣產(chǎn)量從2011年的約200×104m3迅猛增至2014年的13×108 m3。然而，其余非油氣公司在21個招標區(qū)塊內(nèi)的頁巖氣勘探成果卻乏善可陳。據(jù)部分媒體報道，國土資源部、地方政府及中標企業(yè)雖鉆探頁巖氣井已達50余口，但皆未取得實質(zhì)性成果。究其原因，除了對頁巖氣的成藏地質(zhì)特征及其勘探選區(qū)方面存在認識問題外，可能還與目前一些頁巖氣開采企業(yè)不熟悉或不遵循頁巖氣勘探開發(fā)程序有關。因此，有必要通過對近幾年來國內(nèi)外在頁巖氣勘探開發(fā)方面所取得認識進行梳理，總結出頁巖氣勘探開發(fā)所應遵循的程序或模式，以期減少頁巖氣勘探?jīng)Q策風險，提高勘探成功率。
頁巖氣勘探開發(fā)基本特征
根據(jù)石油評估工程師協(xié)會(SPEE)在2009年成立的“資源型油氣勘探委員會”(ResourcePlayCommittee)給出的定義，頁巖氣屬于資源型油氣勘探的一種類型，其他類型還包括煤層氣、致密氣、盆地中心氣和某些致密油藏，也即美國石油地質(zhì)家協(xié)會(AAPG)和石油工程師協(xié)會(SPE)所稱的非常規(guī)油氣藏。它們具有“連續(xù)性”油氣聚集的特征，而與構造圈閉或地層圈閉油氣藏為代表的常規(guī)“非連續(xù)性”油氣聚集特征明顯不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
1.頁巖含油氣系統(tǒng)一般呈區(qū)域性廣泛分布，氣藏分布范圍往往與高伽馬值富有機質(zhì)的含氣頁巖(hotshale)分布范圍相當。盡管頁巖氣是一種“連續(xù)性”的氣藏，但是這并不意味著在一個頁巖氣區(qū)塊內(nèi)鉆到商業(yè)性氣井的機遇相等，因為頁巖氣藏在縱、橫向上的非均質(zhì)性較強，局部存在相對富集的“甜點區(qū)”。而且，即使在同一“甜點區(qū)”內(nèi)，受完井質(zhì)量和壓裂效果等工程因素的影響，單井氣產(chǎn)量和最終可采儲量(EUR)較高的“好井”與較低的“差井”也會交替分布。
2.頁巖氣藏集生烴層、儲集層和封蓋層為一體，自生自儲連續(xù)性聚集成藏，無運移或運移距離極短，且不受構造圈閉和水動力的控制，無明顯的氣水界面。但這并不意味著頁巖氣井不產(chǎn)地層水，在頁巖氣藏埋深較淺(如美國Antrim 和NewAlbany頁巖氣藏)、頁巖天然裂縫中若充注地層水或者壓裂過程中若溝通了下伏潛在水層(如Barnett頁巖氣層下伏的奧陶系Viola組或Ellenburger組灰?guī)r[9]以及五峰組—龍馬溪組底部頁巖氣層下伏的寶塔組灰?guī)r)等情況下，均可能產(chǎn)地層水。這勢必會嚴重影響頁巖氣井的生產(chǎn)，既可能降低氣井最終可采儲量，又可能增加水處理成本，最終影響頁巖氣開采的商業(yè)性。而這也是目前國內(nèi)一些頁巖氣開采區(qū)塊面臨的巨大挑戰(zhàn)。
3.“頁巖”實際上是一個很寬泛的地質(zhì)術語，泛指顆粒粒徑小于63μm 的所有細粒沉積巖。按傳統(tǒng)的地質(zhì)學認識，并非所有的頁巖油氣都產(chǎn)自“頁巖”，例如美國最大的兩個頁巖油田(EagleFord和Bakken)實際上都屬于碳酸鹽巖。而且，含氣頁巖儲層巖相類型多樣，從硅質(zhì)含量較高、脆性的硅質(zhì)或粉砂質(zhì)頁巖到黏土含量較高、塑性的黏土質(zhì)頁巖均有分布。實踐證明，最有利于水力壓裂且效果最佳的頁巖巖相類型當屬硅質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖。
區(qū)域上，頁巖分布并不均質(zhì)，巖相變化較大，由此造成頁巖儲層質(zhì)量不一。這是造成同一區(qū)塊內(nèi)甚至是同一“甜點區(qū)”內(nèi)頁巖氣壓裂效果千差萬別的一個重要原因。在頁巖氣開采中，許多被認為是“工程”引起的問題恰恰可能是“地質(zhì)”問題。因此，為取得最佳的井軌跡和壓裂設計方案，加強頁巖氣地質(zhì)評價研究，建立“甜點區(qū)”地質(zhì)模型顯得尤為重要。盡管目前在頁巖氣的開采中都傾向于采用“工廠化”批量作業(yè)的開發(fā)模式，而且叢式井組的實施效果明顯好于單口井效果，但正如Sprunt所指出的，工廠化鉆井并不能代替對頁巖層的綜合地質(zhì)評價。沒有頁巖氣藏是完全相同的，也不存在適用于所有頁巖氣藏的通用技術。任何一項有效的頁巖氣開采技術都是針對具體的頁巖儲層條件經(jīng)反復的現(xiàn)場試驗探索而獲得的。
4.頁巖氣資源潛力巨大，原始地質(zhì)儲量(GIIP )一般為千億或萬億立方米級，資源豐度介于4×108~13×108 m3/km2。盡管頁巖氣分布范圍廣，資源量巨大，但是頁巖氣勘探區(qū)內(nèi)存在局部高產(chǎn)的富集區(qū)或核心區(qū)。例如，美國東部阿帕拉契亞盆地的Marcellus頁巖氣區(qū)帶經(jīng)勘探評價證實存在北部和南部兩個核心區(qū)。這兩個核心區(qū)的含氣頁巖具有高有機碳、高孔隙度和異常高壓特征(表1)。
在鉆井之前，甚至在取得頁巖氣勘探區(qū)塊之前，通過頁巖氣選區(qū)評價工作，優(yōu)選出有利區(qū)甚至核心區(qū)，對于取得頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)至關重要。
5.頁巖氣開發(fā)往往需要鉆探成百上千口水平井，而且需要實施大型的加砂壓裂增產(chǎn)措施，才能達到一定規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)。這與常規(guī)氣藏“稀井高產(chǎn)”的高效開發(fā)模式截然不同。因此，從某種意義上講，頁巖氣藏是一種經(jīng)壓裂改造而成的“人工”氣藏。大批量的水平井鉆井以及大規(guī)模的壓裂增產(chǎn)改造，使得頁巖氣的開采成本極高，如何降本增效成為頁巖氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。
6.頁巖氣井的產(chǎn)量變化較大，第一年的生產(chǎn)即可呈斷崖式下降，遞減率高(70%~80%)，之后逐步趨于穩(wěn)定，低產(chǎn)量平穩(wěn)生產(chǎn)周期較長，最終采收率較低，低者不足10%，高者也不過20%~30%，但隨著頁巖氣開采技術的不斷進步，最終采收率有望逐步提高。中石化2014 年探明的涪陵頁巖氣田，其地質(zhì)儲量1067.50×108m3，技術可采儲量266.88×108m3，采收率達25%。頁巖氣井的最終可采儲量一般較低，美國著名的Barnett頁巖氣區(qū)的平均單井EUR 僅為0.45×108m3。此外，頁巖氣井EUR 分布具有可重復的統(tǒng)計規(guī)律，但是用鄰井的生產(chǎn)情況來預測未開發(fā)區(qū)的氣井生產(chǎn)可能存在較大的不確定性。
頁巖氣的經(jīng)濟有效開發(fā)需要采用地質(zhì)與工程一體化的設計、評價技術，有賴于先進的完井壓裂工藝技術。在過去的10年間，美國頁巖氣壓裂的段長從150m 縮短到目前常用的45~75m，減少射孔簇數(shù)和簇間距(一般采用15~30m)以及優(yōu)化孔數(shù)已成為提高水力壓裂效率的一種通用方法。此外，固井滑套完井、及時破膠技術、連續(xù)加砂的激進泵注程序以及化學轉向劑等一些新的完井工藝技術已在南方下古生界海相頁巖氣的開采中獲得了成功應用，有效地提高了壓裂增產(chǎn)效果，與此同時降低了壓裂成本。因此，唯有通過技術的不斷進步和開采實踐經(jīng)驗的積累，逐步提高頁巖氣井的EUR，降低鉆完井成本，才能最終實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)化開采。
7.在經(jīng)濟特征方面，與常規(guī)油氣開發(fā)所需的鉆井(多為直井)數(shù)量少、一次性投資決策、前期投資高以及投資回收較快等特征相比，頁巖氣開發(fā)所需的鉆井(多為水平段較長的水平井)數(shù)量大，為減少投資風險，需要在不同的勘探開發(fā)階段進行多次投資決策。因此需要長期不斷的投資，而且投資回收的速度較慢。
頁巖氣勘探開發(fā)基本程序
盡管頁巖氣勘探評價方法、開發(fā)技術和研究手段均與常規(guī)天然氣和其他類型的非常規(guī)天然氣存在一定的差異，但是與常規(guī)油氣的勘探開發(fā)一樣，頁巖氣的勘探開發(fā)同樣需要遵循符合自身科學發(fā)展規(guī)律的基本程序。從鉆少量資料井的選區(qū)選層、資源潛力評價與可行性研究階段，到鉆數(shù)十口井的勘探評價階段，再到大規(guī)模批量鉆探，特別是引入“工廠化”施工理念的平臺叢式井組鉆探的開發(fā)階段，頁巖氣勘探開發(fā)的每個階段都有其特定的目標與任務，以及是否進入下一階段的時間決策點(圖1)。
由于頁巖氣開采具有投資大、風險高、投資回報期長的特點，為規(guī)避勘探風險，減少投資損失，就必須嚴格遵循勘探開發(fā)程序。在進入每一階段之前的決策點，都要開展科學的評價與論證，以決定是否進入下一階段。
通常要在進入頁巖氣商業(yè)開發(fā)階段之后，才有可能實現(xiàn)頁巖氣項目的投資回收。與此同時，頁巖氣勘探開發(fā)步伐的快慢主要取決于技術的可行性與市場條件，如圖2所示北美地區(qū)不同頁巖氣項目在2009年所處的勘探開發(fā)階段各不相同。即使在同一頁巖氣勘探區(qū)內(nèi)，由于勘探任務的完成情況不同，也會呈現(xiàn)出勘探節(jié)奏快慢不一、不同階段相間的“滾動勘探開發(fā)”特征。
選區(qū)評價階段
在實施頁巖氣鉆井計劃之前，首先需要對頁巖氣潛力區(qū)塊的資源勘探前景開展評估，以及對頁巖氣勘探項目進行可行性論證。通過對含油氣沉積盆地及其周緣地區(qū)黑色頁巖巖系的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與資源評價，查明評價區(qū)頁巖含油氣系統(tǒng)的基本地質(zhì)特征及資源勘探潛力，最終優(yōu)選出具有較高資源稟賦的頁巖氣勘探有利區(qū)。該階段圍繞頁巖層是否具有廣泛形成油氣資源富集所必需的成藏條件這一評價目標，開展對頁巖巖系的區(qū)域地質(zhì)特征、頁巖儲層分布特征以及頁巖氣資源潛力評價。
該階段需要完成的地質(zhì)評價任務包括:①調(diào)查評價區(qū)內(nèi)鉆井中的頁巖氣顯示、氣流產(chǎn)出情況，以及頁巖是否是常規(guī)油氣田(藏)的母源；②根據(jù)露頭、測井和地震資料，確定優(yōu)質(zhì)頁巖厚度及其分布范圍；③根據(jù)露頭、巖屑和巖芯資料，確定有機質(zhì)含量、類型和成熟度；④測定頁巖儲層礦物含量、基質(zhì)孔隙度和滲透率；⑤研究頁巖埋藏和生排烴史、區(qū)域應力場和天然裂縫發(fā)育情況；⑥獲取頁巖地層的溫度、壓力資料等；⑦分析區(qū)域構造斷裂特征以及對頁巖氣的保存影響；⑧計算頁巖氣地質(zhì)資源量；⑨優(yōu)選勘探有利區(qū)。在完成上述評價任務之后，需要對以下關鍵問題給出明確的答案:頁巖氣資源是否存在；資源規(guī)模有多大；是否有足夠的資源可以確保下步勘探評價工作的開展，由此來決定是否進入到開展實質(zhì)性鉆探作業(yè)的頁巖氣勘探評價階段。
該階段評價工作的深入程度與質(zhì)量高低在很大程度上決定著頁巖氣勘探開發(fā)的成敗。選擇頁巖氣資源稟賦高的有利區(qū)開展勘探開發(fā)工作是目前業(yè)界的共識。而目前國內(nèi)頁巖氣招標區(qū)塊內(nèi)所遭遇的種種困難[3]可能正是頁巖氣選區(qū)評價階段存在問題的突出反映。如果將資源稟賦并不高又存在極大鉆完井工程風險的構造復雜區(qū)評價為所謂的勘探有利區(qū)，進而開展大規(guī)模的頁巖氣勘探開發(fā)，其結果是不言而喻的。
勘探評價階段
該階段的主要目標是在前一階段選定的頁巖氣有利區(qū)塊內(nèi)，優(yōu)選井位進行探井和評價井的鉆探與壓裂工作，以評價勘探區(qū)頁巖目的層的儲層質(zhì)量與完井質(zhì)量，進一步落實頁巖氣資源規(guī)模，驗證頁巖氣層的產(chǎn)氣能力。
為實現(xiàn)上述評價目標，該階段需要完成下述勘探評價任務:①確定井位目標，進行區(qū)域探井鉆探(直井)，并分不同儲層層段壓裂驗證；②采集實際數(shù)據(jù)(如取心、Isotube泥漿氣取樣、電纜測井、VSP等)，開展巖心分析(如HRA 非均質(zhì)性分析、TRA 致密巖石分析、巖石地球化學和巖石力學分析等)，填補認識空白；③水平井鉆完井壓裂測試評價，建立頁巖氣產(chǎn)能；④在頁巖氣商業(yè)價值獲得證實的情況下，開展2D 地震詳查、精查或3D地震勘探(主要針對甜點區(qū))；⑤對壓裂作業(yè)實施微地震實時監(jiān)測，以優(yōu)化水平井及多井平臺設計；⑥將鉆獲的頁巖氣井接入管線試生產(chǎn)，以獲得長時間生產(chǎn)動態(tài)資料，評價氣井最終可采儲量；⑦通過探井與水平井評價，以及氣井試生產(chǎn)資料分析，確定可茲開展先導試驗的甜點區(qū)。
在完成上述勘探評價任務之后，需要對頁巖壓裂后能否商業(yè)產(chǎn)出，頁巖氣產(chǎn)量是否足夠大，以及頁巖氣能否長時間持續(xù)生產(chǎn)等關鍵問題做出明確回答，以確定評價區(qū)是否具有進入到下一階段的商業(yè)開采價值。
先導試驗階段
頁巖氣的商業(yè)成功很大程度上取決于能否科學有序、經(jīng)濟有效地將儲藏在頁巖致密層中的天然氣壓裂開采出來。由于進入商業(yè)開發(fā)生產(chǎn)階段后需要大批量鉆完井，投資甚巨，因此需要通過小規(guī)模的先導試驗，驗證多井平臺批量鉆完井作業(yè)模式，制定適宜的頁巖氣開發(fā)技術政策，確定經(jīng)濟開發(fā)模式，編制頁巖氣開發(fā)方案。
先導試驗階段的主要評價任務包括:①啟動多井平臺鉆井開發(fā)，開展水平井生產(chǎn)測試；②獲取長時間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，完善氣藏地質(zhì)模型；③驗證用于經(jīng)濟開發(fā)模式的各種技術假設條件；④優(yōu)化井身結構，優(yōu)化鉆井設備；⑤證實通過多井平臺鉆井模式，可以有效地降低開采成本。
在決策進入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段之前，需明確回答以下關鍵問題:①大規(guī)模開發(fā)是否具有經(jīng)濟性；②頁巖氣開發(fā)過程與生產(chǎn)操作方式能否滿足安全環(huán)保需求。
開發(fā)生產(chǎn)階段
按照先導試驗階段確定的頁巖氣“工廠化”經(jīng)濟開發(fā)模式，科學有序地實施開發(fā)方案。通過生產(chǎn)作業(yè)表現(xiàn)的不斷調(diào)整、提高和完善，逐步提高頁巖氣采收率和最終可采儲量，同時通過改善投資結構，最終實現(xiàn)投資回報的最大化。
在先導試驗的基礎上，采用已試驗成熟的鉆完井配套技術和裝備，集中部署一批井身結構和鉆完井方式基本相同的平臺水平井，以工廠流水線作業(yè)形式開展鉆完井、壓裂與測試生產(chǎn)的批量施工作業(yè)，從而實現(xiàn)提高頁巖氣單井產(chǎn)量和最終可采儲量以及降本增效的經(jīng)濟開發(fā)目的。
該階段的主要任務包括:①全面開展多井平臺“工廠化”鉆井壓裂作業(yè)；②不斷優(yōu)化平臺井設計、井身結構和鉆完井作業(yè)；③持續(xù)開展頁巖氣藏與氣井動態(tài)監(jiān)測；④保持生產(chǎn)作業(yè)表現(xiàn)的穩(wěn)定性，并不斷提高生產(chǎn)作業(yè)效率和氣井最終可采儲量。
滾動開發(fā)模式
頁巖氣的勘探開發(fā)特征表明，盡管頁巖氣資源豐富、分布廣，但非均質(zhì)性強，開發(fā)技術要求高，投資大，開采成本高。而且，能否實現(xiàn)頁巖氣的經(jīng)濟有效開發(fā)往往存在較大的不確定性。因此，在制定頁巖氣的開發(fā)方案時，往往不能像常規(guī)油氣開發(fā)那樣，采用一攬子的鉆井計劃作整體開發(fā)部署。
頁巖氣開發(fā)需要制定一個基于新的評價結果可以靈活調(diào)整的鉆井計劃，允許在一個頁巖氣區(qū)塊內(nèi)根據(jù)實際情況劃分不同的開發(fā)區(qū)進行分期投資“滾動”開發(fā)(rollingdevelopment)。首先開發(fā)已評價成熟的區(qū)塊，尚不成熟的區(qū)塊則需通過進一步的勘探評價，逐步成熟后進而開發(fā)，最終實現(xiàn)對整個頁巖氣區(qū)塊的持續(xù)開發(fā)(圖3)。這種“成熟一塊開發(fā)一塊”的分期分階段開發(fā)模式與常規(guī)油氣“整體探明、整體投資、整體開發(fā)”的開發(fā)模式存在明顯的差異。通過先期小規(guī)模的開發(fā)投資，將在鉆完井、壓裂與測試生產(chǎn)方面已取得的成功經(jīng)驗逐步復制、推廣，由此可以有效地控制頁巖氣開發(fā)所固有的較大投資風險。
根據(jù)北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，分期分階段的“滾動開發(fā)”是控制頁巖氣開發(fā)成本和風險的最佳方式。
頁巖氣“滾動”開發(fā)模式允許在一個總體開發(fā)方案中包含處于勘探、評價、先導試驗和開發(fā)生產(chǎn)等不同階段的所有頁巖氣有利區(qū)域，通過分期分批的投資決策，可以有效地控制成本和風險，最終實現(xiàn)頁巖氣資源的規(guī)模效益開發(fā)。
結論
1.頁巖氣藏特征與常規(guī)氣藏存在明顯差異，其勘探開發(fā)方式也迥異。
2.頁巖氣勘探開發(fā)工作是一個循序漸進的過程，一個完整的頁巖氣勘探開發(fā)程序可以大致劃分為選區(qū)評價、勘探評價、先導試驗和開發(fā)生產(chǎn)等4個階段。
3.頁巖氣開發(fā)具有投資大、風險高、投資回報期長的特點，為降低投資風險，必須嚴格遵循勘探開發(fā)程序。在進入每一勘探開發(fā)階段之前，都需要開展科學的評價與決策。
4.頁巖氣勘探開發(fā)各階段的工作步驟可以加快，但程序不可逾越。否則，往往會導致決策的失誤并造成巨大的投資損失。
5.頁巖氣開發(fā)方案的制定應具有一定的靈活性，采用分期分階段的“滾動開發(fā)”模式，可以有效地控制頁巖氣開發(fā)中的高風險。（《天然氣工業(yè)》王書彥 李瑞 王世謙）
