1.2　国内外页岩气研究概况

1.2.1　国外页岩气研究概况

1.2.1.1　国外页岩气的概念

在20世纪80年代之前，美国学者普遍认为裂隙主要控制着油气的存在，而通常忽略吸附所起到的作用[7，8]。20世纪80年代之后，美国学者重新审视了页岩气，对页岩气的认识发生了极大的改变。现在通常认为页岩气是一种有机质含量较高且富集在粒径较细且渗透率较低的油藏中的一种气体资源，主要成分为甲烷气或热解气。它通常游离于裂缝及孔隙之间，或者吸附、游离于有机质及黏土中，并且能够连续地自生自储[9]。

1.2.1.2　国外页岩气勘探进展及技术

（1）国外页岩气勘探进展

①美国是最早发现页岩气并对其进行研究、勘探及开发的国家

美国米歇尔公司早在1821年在美国东部的纽约州就建立了第一口商用的页岩气井。在钻探过程中，从泥盆系的页岩（位于井深21m处）裂隙中产出了天然气。此举成功改变了美国之前的天然气一直靠进口的局面，美国的页岩气开采技术突飞猛进便由此开始。1981年，美国首次将压裂技术成功应用在页岩气的开采中，此项技术成为页岩气开发的新的里程碑。自21世纪开始，美国在原有技术水平之上创新性地发明了水平井大规模压裂技术，并得到迅速发展及推广，使得页岩气的开发利用得到了快速发展，仅参与页岩气开发的相关企业就从23家发展到了64家之多，而且页岩气的开采量也随之升高起来[10-12]。

据最新统计，美国目前拥有的页岩气资源量巨大，有42～52.6万亿立方米。用于进行商业开采的页岩气主要来自美国境内5个盆地的巴尼特页岩、俄亥俄页岩、安特里姆页岩、刘易斯页岩以及新奥尔巴尼页岩等。目前，美国将在福特沃斯盆地内发育的巴尼特页岩作为页岩气开发的重点开发层位，据统计其资源量约0.74万亿立方米，2005年产量已经占全美页岩气总量的50%以上，目前产量将占据更高的比例[10-12]，各国纷纷将此作为页岩气开发的典型案例进行效仿学习。

以巴尼特页岩的开采为例，美国页岩气的发展分别包括大型直井清水压裂、水力压裂、水平压裂和分段压裂4个阶段的技术发展过程。

②加拿大紧随美国步伐，在页岩气开采开发方面远超全球其他国家

与美国拥有长期成熟的开发生产经验不同，加拿大数十年的页岩气开发生产历史还只是处在刚起步的过程，目前还未投入大规模的生产活动。加拿大的页岩气覆盖面积较广，大部分分布在西部的盆地区域，涉及的地质层位较多，包括白垩系科罗拉多群、奥陶系尤提卡页岩、泥盆系和三叠系蒙特尼页岩以及石炭系霍顿布拉夫页岩。据加拿大官方统计结果显示，加拿大境内页岩气的资源储量大约为42万亿立方米，其中仅霍恩河盆地泥盆系和三叠系的蒙特尼页岩气资源量就达到39.08万亿立方米[8-11]。

加拿大早期仅对来自白垩系科罗拉多群第二层白斑页岩进行页岩气生产，2000年以后才着手将三叠系的上段蒙特尼页岩的大规模开采生产活动提上日程。2004年，加拿大官方将页岩气的区域资源评价纳入本国的能源发展计划。日前，对泥盆系的评价已经顺利完成，同时开展三叠系的评估项目。2006年，白垩系及泥盆系共计22个页岩气试验区块已被加拿大官方核准。

近来，加拿大西部已有多家油气开发商在进行页岩气的开发试验，霍恩河盆地部分地区进入试验生产过程，而部分地区还处在初级钻探阶段；其他各省的页岩则还处在早期评估阶段。

③英国和波兰在欧洲范围内属于页岩气前景较好的国家，澳大利亚、阿根廷、印度等国家均发现页岩气资源

欧洲的德国、波兰、西班牙、匈牙利、奥地利等国家的页岩气勘探开发目前已取得重要进展，为提高能源安全、优化能源结构做出了重要贡献。印度、印度尼西亚、澳大利亚以及南美洲的哥伦比亚和阿根廷，还有非洲的南非等国也都取得了明显的进展。

（2）国外页岩气勘探技术

国外页岩气的勘探技术多由美国率先突破和应用，其中，主要有微地震检测、随钻测井、水平和地质导向钻井、水力压裂关键技术。可以说，美国不仅在页岩气开发开采中已实现技术的全球领先，而且还同时带动了包括贝克休斯公司、哈里伯顿公司和斯伦贝谢公司等在内的很多页岩气公司。

沃思堡盆地于2002年勘探开发的七口页岩气井取得了非常大的成功，根据以往的开发经验，水平井最终评价的开采储量是直井的3倍以上，而成本只相当于直井的1.5倍，由此引发业界着手大力推广应用水平钻井技术，使得此项开发技术成为页岩气开发的主要钻井技术方式。在水平钻井技术基础之上，德文公司又发明了一种新的钻井模式，操作中同时钻探两口水平井，两口井之间的间隔为152～305m，两口井采取同时压裂的方式，此项成果在页岩气开采中取得了良好的效果。随着技术的改进，产量逐渐增加，表明了压裂技术的重要性[13-16]。

1.2.1.3　国外页岩气理论进展

（1）国外页岩气成因机理

Curtis[9]和Martini[17]等认为页岩气主要有热成因、生物成因以及混合成因等三种成因类型。美国产气页岩的成熟度从未成熟到成熟均有存在，成熟度变化范围较大。按照页岩的成熟度划分可以将页岩气分成三种类型，分别是高成熟度、低成熟度以及高低成熟度混合的页岩气藏。

（2）国外页岩气成藏条件和评价参数的研究

控制页岩气成藏的因素较多，包括页岩的成熟度、有机质丰度、有机质类型、矿物组成、孔渗特性、厚度、含水量、裂隙以及外部的埋深、温度和压力等[18-25]，不同页岩气藏的成藏主控因素也会有一定的差别。

有机质丰度是一个非常重要的控制页岩气成藏的因素，不仅泥页岩的物理化学特性受它的控制，更值得重视的是它还为页岩产气提供物质方面的基础，从而与页岩的生烃强度息息相关。另一方面，它还能承载吸附气在其之上，作为吸附气的载体并与其含量有直接的联系。同时，它还能够改变页岩的孔隙空间，对页岩游离气的赋存性能产生影响[26]。美国安特里姆页岩拥有较低的体积密度以及较低的有机质密度，通过测试得出体积密度越低，有机碳含量越高，两者之间具有负相关性。而由于干酪根作为气体吸附的载体，有机碳含量越高，所能承载的气体含量越高，两者之间具有明显的正相关性。巴尼特页岩的有机碳含量范围在0.49%～5.9%，平均含量大约为4.6%[18-25]。Schmoker[27]与Bowker[28]分别认为生气页岩的最低有机碳含量以及能获得经济效益的开采行为的最低有机碳含量分别为1.9%以及2.6%～3%。

在美国已经进行开采活动的页岩气富集区域中，既有以生物成因为主的页岩气藏，其成熟度较低，也有其天然气主要来自热成熟作用的成熟度较高的页岩气藏。阿拉巴拉契亚盆地内页岩的成熟度范围较宽，最低在0.5%左右，最高能够达到4.0%，页岩成熟度比较高的区域为生气的主要区域[22-24]。页岩气的聚集及成藏性能与页岩的成熟度成正相关关系。美国能源信息署规定Ro等于1%作为除美国外其他国家页岩气资源评估时的最低指标，当Ro大于1.3%时该区域就属于开发前景良好的区域。

页岩孔隙度与游离气的关系息息相关，多位研究者[29，30]已经对两者之间的关系做了详尽的试验分析。Ross[29]等研究认为，气体可以赋存在页岩中直径比较大的孔隙内，孔隙空间容量的大小与所能容纳的气体量呈正相关关系，即空间容量越大，游离气体量就越多。基于此种正相关特性，对两者进行了定量分析。试验结果表明，孔隙度由0.5%增加到4.2%时，气体含量由5%增加到50%，变化幅度相对于前者变化较大。Chalmers[30]等对两者之间关系的研究结果与Ross[29]等的研究结果基本相似，相互之间进行了验证。

页岩中水分含量过多会降低吸附在其中的页岩气的含量，Ross等[29]在试验中测得，干燥页岩样品比富含水的样品所能吸附的页岩气量要高40%左右。美国的密执安盆地就印证了这样的结论，其安特里姆页岩中含有较多的水分，而盆地内的页岩气的含量则相对较少。

页岩的厚度越厚，其内产生的页岩气越容易得到保存，从而能够提高其经济效益。但是关于厚度的具体最小数值尚未有一个明确的界限。前面提到的密执安盆地内的安特里姆页岩，整体较薄，厚度最小值仅有9.1m。沃思堡盆地著名的巴尼特页岩其最薄的地方仅有30m上下[31，32]。

裂隙对页岩气的形成储藏的影响具有双面性。页岩气可以在裂隙形成的空间内进行运移，同时空隙空间较大时，页岩气可以在其内部进行赋存。而另一方面，如果裂隙在多且大的情况下，页岩气就不容易储存，在这种情况下就极易逸散。美国巴尼特页岩区就属于裂隙不多不少适度发育的区域[33，34]。

Chalmers[30]等对温度及吸附气含量之间的关系进行了相似的研究。结果均表明两者呈负相关关系，且在定量关系上是负指数的关系，也即当温度升高时，吸附气的含量呈指数程度减少。

1.2.1.4　国外页岩气资源及有利区评价

（1）全球页岩气资源量

2011年美国能源信息署在世界范围内开展了“全球页岩气初评”。评价涉及各大洲多个国家的48个页岩气沉积盆地。估算后得出全球的页岩气资源技术可采量能够达到187.4万亿立方米左右，北美洲以54.7万亿立方米的页岩气可采资源量名列第一，亚洲以39.8万亿立方米的结果仅次于北美洲（表1.1）。

在世界范围内，美国是第一个发现页岩气并进行勘探开发的国家，已经探明的页岩气储量达到33万亿立方米，其产量在开采技术水平不断发展的前提下逐年提高，在2011年，全年开采量仅有1800亿立方米，2018年的产量突破7560亿立方米，我国与美国页岩气产量见图1.1。页岩气被认为在以后对美国天然气的增产具有举足轻重的作用。

（2）国外页岩气资源有利区评价

①页岩气勘探评价的参数选取

根据哈丁歇尔顿公司提供的页岩气选区的评价参数总共有16项，分别是：

地质因素：页岩的净厚度、页岩的矿物组成、有机质丰度及其垂向分布、孔隙度及其垂向分布、热演化程度、储量、岩石脆性与年代、构造背景、三维地震资料的质量、页岩的连续性、渗透率、压力梯度；

水源及水处理因素：水处理条件以及水源的供应与物流；

钻井因素：天然气管网和钻井的现场条件。

根据埃克森美孚公司提供的页岩气选区的参数可以分为2类：一类为页岩的净厚度、页岩总有机碳含量、热成熟度（Ro）、气藏压力、页岩的空间展布、页岩的碎裂性（可压裂性）；第二类参数主要为岩性、裂缝的类型、非烃气体的分布、基质孔隙类型及大小、吸附气和游离气量的高低、深度以及有机质含量的平均值等。

②页岩气有利区预测标准

雪佛龙公司认为页岩气富集区域的特征主要有：黑色页岩的厚度超过30m，总有机碳含量大于4%，热成熟度大于1.3%，相对高的硅质或碳酸盐、黏土的含量小于30%；深度大于1500m即见异常高压，沉积环境为海相页岩沉积并且远离三角洲地区，斯伦贝谢、哈里伯顿将页岩气有利区预测标准归纳见表1.2[23-35]。