边肖是一个读书会。本期主要讲页岩气开发与吃火锅的关系。来看看我们都做了什么吃页岩气煮的火锅。
1.什么是页岩和页岩气？
北京虎峪自然风景区穿岭沟组硅质页岩
不同尺度的页岩
页岩是一种细粒沉积岩，由粒度小于3.9 μ m的细粒碎屑、粘土和有机质组成，具有页状或片状层理，易破碎。我国广泛分布海相页岩、陆相页岩和过渡页岩。页岩气主要由轻质烷烃组成，主要是甲烷和乙烷。国外页岩气的概念是由约翰·柯蒂斯提出的。认为页岩气本质上是连续生成的生化气、热气体或其组合，以游离或吸附状态存在于页岩中。国内邹才院士等认为，页岩气是指从富含有机质的黑色页岩中提取的天然气，或在页岩纳米级孔隙中不断聚集的天然气。页岩气在世界上分布广泛，储量巨大，是目前最具潜力的非常规天然气资源。
四川盆地龙马溪组页岩取芯
页岩气来自页岩岩心驱替
中国石油天然气集团公司西南油气田公司页岩气井鲁208井获得高产工业气体流量，日产26.59万立方米
2.为什么要开发页岩气？
当然，为了冬天在温暖的家里吃到热气腾腾的火锅！
冬天到了，假期想回家吃火锅。
正常情况下，以一家三口为例，一家三口平均1~2天可以用1立方米天然气做饭洗澡；按一个月平均30天计算，每月约15~30立方米。在冬天的北方，供暖也是人们关心的话题。自2017年京津冀提出供暖煤改气政策以来，不仅天更蓝、雾霾更少，居民供暖支出不增反降，不存在煤气中毒风险，赢得了广大居民的大力支持。
年初疫情期间武汉封城后，后勤物资的及时供应牵动了全国人民的心。为了帮助武汉打赢这场没有硝烟的战争，广大油气工作者也竭尽全力保障武汉人民的用气需求。
中国石油西南油气田全力保障武汉用气
川渝页岩气纳入国家管网
在离家更近的地方，从国家能源安全的角度来看，作为一种潜力巨大的矿产资源，其在国民经济、社会发展和国家能源战略安全中的重要性日益凸显。在页岩气革命的帮助下，美国已经超过俄罗斯，成为世界上最大的天然气生产国。根据英国石油公司的《世界能源统计年鉴》，2019年美国天然气产量为9209亿立方米，其中页岩气产量占比超过70%，年均增长率约为20%。据预测，美国将在2022年实现能源独立。页岩气的大规模商业化开采深刻改变了世界能源格局，甚至在一定程度上影响了政治格局。
美国主要页岩气产区分布
中国石油产量增长缓慢，主要油田开采和石油勘探开发不容乐观。石油产量基本保持在2亿吨水平。如果没有发现大油田，未来产量可能会下降。2018年对外进口原油4.4亿吨，对外原油依存度首次超过70%，远超国际能源署划定的海外依存度警戒线。
然而，国内天然气消费增长迅速，自2007年起成为天然气进口国。2018年，中国超越日本成为全球最大的天然气进口国，对外依存度攀升至45.3%。根据IEA和BP的预测，2030年中国对国外石油的依赖度将高达80%，而对海外天然气的依赖度将高达50%。
1965-2018年中国石油生产和消费平衡及海外依赖的演变1970-2017年中国天然气生产和销售平衡及海外依赖的演变
同时，天然气是优质高效的清洁能源，二氧化碳和氮氧化物的排放量只有煤炭的一半和五分之一，二氧化硫的排放量几乎为零。作为一种清洁高效的化石能源，其开发利用越来越受到世界各国的重视。然而，页岩气在我国分布广泛，资源量巨大。根据邹等人的初步测算，技术可采资源量约为×1012m3，我国大力发展页岩气势在必行。
近年来，我国页岩气勘探开发取得重要突破，特别是南方海相页岩的开发。涪陵、长宁威远、富顺永川、昭通等国家级页岩气开发示范区已经建成。据国家能源局《中国天然气发展报告》统计，2019年页岩气年产量达到154亿立方米，预计2020年产量将超过200亿立方米，已实现大规模商业化开采。根据自然资源部《中国矿产资源报告》，四川盆地长宁页岩气田、威远页岩气田、太阳页岩气田新增探明地质储量7409.7亿立方米，技术可采储量1784.45亿立方米，累计探明地质储量10.60亿立方米，形成川南万亿立方米页岩气氛围。邹等人提出，预计在四川盆地建设油气当量5亿吨的“西南大庆”。马新华认为，在未来很长一段时间内，四川盆地的天然气开发将处于黄金时期。
中国陆上主要非常规油气有利区分布图
3.如何有效开发页岩气？
1821年，威廉·哈特在纽约弗雷多尼亚泥盆纪页岩地层中钻探了世界上第一口商业页岩气井，完井深度为8.23米。产出的页岩气用于路灯照明。截至目前，页岩气已开采近200年，近20年的井喷发展主要依靠水力压裂、水平钻井等关键技术的突破。
页岩气开采基本流程示意图
我国页岩气资源丰富，但页岩储层地质年代久远，埋藏深，热演化程度高，构造和地表条件复杂。目前页岩气勘探开发一般属于勘探初期，开发难度大，经济成本高。在目前的技术条件下，页岩气勘探开发过程主要包括:页岩气甜点选择、高效布井、地质导向水平钻井、大规模长段多丛式密切体积压裂、精细控压排水采气等。
以中国昭通国家页岩气示范区太阳背斜区块为例，结合地质工程一体化理念，对各工序进行了相应介绍。
地质工程一体化页岩气开发示意图
页岩气甜点选区
根据三维地震资料和构造地质信息，结合综合测井资料、地质录井、地质力学和岩心分析资料，综合确定了页岩气勘探开发的有利区域，初步确定了核心区的平面位置和地质层位。
昭通国家页岩气示范区太阳背斜区Y103井综合地层柱，红色框内为潜在页岩气甜点层
利用区域结构和特征分析确定拟建开发区
根据地质和工程甜点评价确定开发平面位置，结合现场踏勘确定井组位置
高效井布置
在优化丰富高产甜点区和断层分类的基础上，通过制定水平井应用单元评价划分标准，细化评价单元，以指导水平井井眼轨迹部署，支撑开发方案设计。
另一方面，在布井方式的选择上，从传统的单目标、单井效益开发向井组、井区协同立体开发转变，减小井距，增强储层平面和垂向产量，可有效提高采收率和经济效益。
太阳背斜区浅层页岩气水平井实施单元评价
传统单水平井目标示意图
四川盆地及其外围五峰组-龙马溪组页岩气甜点区三维开发模型图
地理定向水平钻井
以地球物理数据为基石，充分挖掘地震信息，整合实时钻井信息，构建控制点，实时井震结合，通过动态分析，采用层控与点控相互作用的推进方法，迭代更新三维速度场，再修正地震地质模型，逐步逼近真实的地下构造和地层条件；然后根据模型，发挥水平井的目标预测、趋势预测和风险预警作用，引导水平井在盒内顺利钻进，最大限度地降低钻井风险，保证井筒的畅通和盒内的钻进速度。
xx井页岩气水平钻井地震地质导向剖面
xx井实际钻井水平井轨迹
丛式水平井组示意图
大规模长段多丛密切割体积压裂
多级体积压裂技术使低产或无气流的页岩气井重新获得工业价值成为可能，大大扩展了页岩气的水平和垂直开采范围，是目前实现页岩气藏工业化生产的关键技术之一。
水平井多级压裂技术
不同簇间距下的断口形貌模拟
数据表明，在70米的单个剖面上有4~6个团簇时，生产率最高。如果团簇间距过小，容易产生强烈的团簇间应力干扰，导致部分团簇断裂未完全张开。高产井丛间距基本在10~15m之间，符合近距离切割知识。
xx平台体积压裂复杂裂缝网络效应示意图
微震监测大规模长断面多丛密切体压裂效果
模拟压裂后地层压降和产能预测指标
压裂中的四维地质力学模拟
水力压裂对最小水平应力的影响主要集中在裂隙网络附近，特别是水力压裂结束时应力明显增加，压裂后最小水平主应力增加10~20 MPa。
精细压力控制排水
压裂后，返排后需要产出压裂液，应根据地层压力、产能指标和压裂条件，综合制定单井和井组的最优排液采气制度，最大限度延长气井寿命，增加产气。
不同生产系统设计方案的降压和产能预测指标
合理的排水和生产系统可以有效提高气井的长期产能和寿命
以上各环节密切相关，缺一不可。只有从井组设计入手，以最终产能为导向，综合研究，综合实施，才能有效提高页岩气井的开发生产效果。
Schlumberger DELFI数字平台
在大数据和人工智能时代背景下，斯伦贝谢于2017年9月推出DELFI勘探开发数字化平台。环境的建设完全继承了斯伦贝谢原有的技术产品和服务。从技术应用的角度来看，它将与所有专业计算引擎统一兼容。还包括勘探开发领域的所有云原生应用，包括地质勘探、储层建模、工程设计、施工、生产等领域。每个云原生应用程序都是基于集成数据源形成的。同时，在集成工作模式下，由于各子系统的数据量巨大，增强各子系统间数据利用的协同越来越有必要。在DELFI环境下，项目团队的所有用户都可以自由访问软件应用程序和工作流，团队成员也可以基于专有信息的边界为数据、模型和解释建立公共工作室空。也就是说，DELFI环境可以连接人、工作流、技术流和知识库，实现真正的集成和价值最大化。
总的来说，我国油气生产时间紧，任务重，开发难度大。但是，为了能源安全，为了人民安居乐业，为了实现冬天在温暖的房子里吃火锅的朴素愿望，我们油气人义不容辞，为祖国加油，为民族奋斗，我们将继续上下求索，迎接数字化、智能化发展的潮流。
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美国编辑:黄子薇
校对:秦华清
