自然的馈赠——页岩气

文章转载自“地球杂志”

页岩是指粒径小于0.0039毫米的。由碎屑、黏土、有机质等组成的，具有薄片状层理，容易碎裂的细粒沉积岩。

四川盆地龙马溪组页岩（可见黄铁矿结核，指示强缺氧还原环境）

页岩气，是指发育于大量微纳米孔隙（平均约为100纳米）的暗色富有机质泥页岩中，主要以游离态存在于天然裂缝和孔隙，或者以吸附态赋存于干酪根、黏土颗粒表面的甲烷气体，是一种极具开发利用前景的清洁能源。

始于生物 终于烷烃

大约5.4亿年前，生物种类呈现大幅度爆发式增加，给沉寂了数十亿年的地球谱写了生命的乐章。在早古生代，周而复始地进行着生命的延续与传承。同时，也在海底深处下着永不停歇的“海洋雪”——这些海洋动植物死亡后，残骸裹挟着泥沙如同雪花一般落向海床，缓慢堆积起来，不断地为海底蕴藏丰富的有机质资源。

生物残骸向海底沉淀景象（海洋雪）

另外，海底的厌氧细菌也不遗余力地分解着蛋白质，长此以往，海底表现出缺乏氧气的还原环境，而这又有助于有机质的保存。随着泥沙和有机质的堆积越来越厚，静流环境下，先前已沉积的混合物，在压实作用下逐渐固结。

由于没有水流干扰，一层层的沉积物在漫长地质时期内逐渐转变为极薄的页理状构造，同时也保留着大量孔隙，为后期气体的贮存提供了充足的空间。

页岩有机质中（黑色）的微纳米孔隙以及呈长条状的黏土矿物

对于传统砂岩气藏而言，烃源岩在高温高压环境下排出的油气会在重力和压力作用下发生运移，往往最终驻留于大自然不经意间造成的圈闭中，即储集层上部具有低孔隙度、渗透率的盖层，致使油气留存其中。

而页岩气属于非常规能源，与传统砂岩气藏最大的区别是页岩是具有自生自储特征的烃源岩，页岩既是生油气层，又是储集层。页岩中的甲烷气体，根据成因的不同，可分为生物成因气和热裂解成因气。

页岩中的有机质，经过复杂的生物化学变化，通过腐殖化转变为干酪根，即石油和天然气先驱，是一种极为复杂的高分子化合物，再热降解和二次裂解，生成甲烷气体。

页岩井试气点火 供图/李 飞

已生成的甲烷气体，部分能够以吸附态存在于有机质的微纳米孔隙或者黏土矿物表面，由于生烃是个缓慢且持续的过程，当吸附气量达到饱和状态后，页岩孔隙内压力、温度逐渐升高，部分气体也会逸散游离于页岩的微裂缝中。一口页岩气井的寿命约为20~30年，主要由于当游离气开采结束后，吸附气的解吸是需要一定过程的，故稳产时间长。

所有的页岩都含气吗？

答案当然是否定的。

首先，我们评价页岩生烃能力的强弱，总有机碳含量（TOC）和热演化程度（Ro）是极为重要的指标。即便是同一时期沉积的页岩，不同地点有机质含量也千差万别。

页岩气井剖面示意图

其次，对于不同层位的页岩而言，其上覆和下伏地层的物性千差万别，并非均能形成良好的保存条件，即使曾经达到了生烃的必要条件，但也有可能在复杂的地质构造过程中，由于深大断裂在漫长时间内逸散所剩无几。

所以每一个能实现工业开采经济效益的页岩气藏都是集天时地利为一体的幸运者。

人类的页岩气革命

关于黑色页岩的记录最早可以追溯到17世纪，但真正意义上页岩气商业化发展的开端是在1821年，油气学家Peebles（1980）在记录中写道：“纽约州肖托夸郡，一个小男孩在溪流裂隙间意外点燃了渗漏的天然气，当地居民如获至宝，将其称为“燃烧泉”，并在附近钻了27英尺深的气井，后称之Dunkirk页岩气井，成为弗雷多尼亚镇的照明系统”。

美国Dunkirk页岩气井

1926年，肯塔基州东部和西弗吉尼亚州的泥盆纪页岩气田成为世界上已知的最大气田；1990年，密歇根盆地的Antrim页岩区，成功实现商业化开采，同年美国总产量约42亿立方米；2003年，水平井压裂技术的应用，致使美国页岩气产量大幅增加，达200亿立方米；据美国能源信息署的最新数据，2018年美国页岩气总产量更是达到了惊人的6122亿立方米，美国一跃成为全球页岩气第一大出口国。

相较于北美，中国的页岩气进程虽然起步较晚，但在国家对于清洁能源的战略政策支持下，国内科研单位投入大量人力物力，攻克技术难关，现在也呈现迎头赶上的态势。

我国南方的页岩气储层均质性较好，热演化程度较高，基本不含油，以干气为主。目前已经建成以涪陵、长宁—威远、昭通为主几大页岩开采区块。北方区，则以鄂尔多斯盆地为代表。

页岩气开采技术的革新

页岩的渗透率极低，在自然状态下无工业产能，在油气开发人员的钻研之下，通过向储层注射高压流体，人工制造缝网，来达到工业化开采的目的。目前开采主要采用水平井+水力技术和旋转导向技术。

页岩气水力压裂示意图

首先通过区块综合评价，确定优选井位，进行垂直井的钻探工作。当多级套管垂直深度接近目标储层深度时开始造斜段的钻探工作，缓慢的根据地震数据和旋转导向技术将井眼轨迹呈近90度旋转，在页岩储层中水平钻进。水平井极大地增加了井桶与储层的接触面积。

紧接着用钻杆传送复合射孔枪至完井井段，结合储层实际物性，确定射孔方位。采用加压的方式，引爆射孔枪内的射孔弹，在目的层定向射开直径10毫米，宽1毫米的孔眼。

旋转导向钻头

完成射孔工作后，接下来使用地面高压泵组，将超过地层吸液能力的大量压裂液（滑溜水、减阻剂、抗菌剂等）泵入井内，在井底产生高压，致使孔眼产生二次裂缝，随着压裂液在裂缝中逐渐延伸，进一步注入带有支撑剂（轻砂和不同粒径的陶粒）的混砂液，支撑剂的存在可对裂缝壁面起到支撑作用，致使气体不断从基质储层中向外运移。从而能够实现工业化开采。

总之，页岩气，作为一种高效的清洁能源，可有效改变我国目前以煤炭为主的能源结构，更是能源保供给、降外需、创低碳的必然选择，将来一定大有可为！

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院地质地球所立场

如需转载请联系原公众号