在岩石这个大家庭里，页岩是别具特点的成员。页岩储层分布均匀，优质储层集中分布，表现为大甜点的特点；页岩储层中分布着纳米级的孔隙，渗透率极低，必须通过压裂改造形成裂缝，获得页岩气产量。
那么，页岩还具有哪些特点？页岩气开发还有哪些难点？有哪些开发技术？本期《石油地理》为您讲述页岩和页岩气的故事。
在岩石这个大家庭里，页岩是别具特点的成员。书页状的连续纹理，致密的躯体，纳米级的孔隙，复杂的成分……页岩是黏土沉积后，经过亿万年过程中压力和温度的不断变化后形成的岩石，其中混杂了石英等多种化学物质。根据化学成分的不同，可分为钙质页岩、铁质页岩、硅质页岩、炭质页岩、黑色页岩、油母页岩等。铁质页岩可能成为铁矿石，油母页岩可以提炼石油，黑色页岩则可以作为石油的指示地层。
而页岩气是赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气。可以说，页岩气是在页岩“母亲”的怀抱中成长起来的。
页岩气的形成有别于常规油气，具有“自生自储”的特点。常规油气成藏过程是烃源岩生烃后，烃类从源岩排出，并经过运移通道进入常规圈闭，而保存下来形成现今的油气藏。而页岩气的形成过程是富有机质页岩作为烃源岩生气后，源岩内未被排出，并保存在页岩内部的天然气，富含有机质的页岩既是烃源岩又是储层。
在常规油气系统中，认为页岩是铁板一块无孔隙，通常作为烃源岩或圈闭的盖层进行研究，北美页岩油气开发取得成功，突破了常规石油理论认识。通过大量研究表明，页岩储层内含有大量纳米级孔隙，孔隙的大小仅有大概一根头发丝直径的千分之一。这些孔隙可形成油气水平运移的有效通道，也是页岩气的主要聚集场所。在页岩孔隙中，页岩气以游离态和吸附态两种形式赋存，以游离态为主，可占到50%至80%。
很久以来，人们并未认识到页岩的重要价值。直到1997年Barnett页岩气田开发取得突破之后，一批页岩气田的相继开发，页岩孔隙中含有丰富的天然气资源才被广泛认识，页岩气才作为重要的天然气资源日益受到重视。我国页岩气资源也很丰富，经过发展已初具产量规模，成为北美之外最大的页岩气产区。
页岩气在开发过程中，还要定位甜点区。北美地质构造条件相对稳定，富有机质页岩生气后，原地保存，通常条件下有页岩储层即有页岩气，甜点区大面积连续分布。与北美不同，我国构造条件相对复杂，页岩生气后受多期构造改造，部分页岩储层在后期改造中页岩气散失，在我国有页岩储层不一定有页岩气，或页岩含气性较差不具开采价值。因此，我国页岩气甜点区主要位于保存条件较好的构造稳定区或相对稳定区。
由于页岩气在超低渗储层内的流动性极差，单井无自然产能。找到甜点区后，还要通过水平井体积压裂技术压开致密的储层。压裂过程中，裂缝会沿天然裂缝开启并扩展，在页岩储层中形成复杂体积缝网，就能顺利“吐”出来页岩气了。 (杨振宇)
页岩气课堂
本期嘉宾：赵群(中国石油勘探开发研究院非常规研究所副总工程师)
1.页岩气如何进行储层改造？
通过多年来的不断探索，表明水平井多段压裂技术可使页岩储层形成“人造渗透率”，是建立“人造页岩气藏”的有效技术。
建立“人造页岩气藏”首先需找到甜点区，水平井钻入甜点层后，通过多段压裂压开甜点段。在页岩气地质理论的指导下，采用三维地震和勘探井评价找到页岩气开发的甜点区，并通过岩芯分析测试和测井评价等确定水平井钻探的靶体位置甜点层。
在水平井钻井过程中，需要采用先进的旋转导向工具精准定位，使得水平段的井眼轨迹始终保持在甜点层内。通过实施大液量和大砂量的水平井多段体积压裂，在甜点段内形成复杂人造缝网，进而建立“人造页岩气藏”。最终使天然气资源从“人造页岩气藏”采出。
2.页岩气开发还有哪些难点？
一是海相深层、陆相及海陆过渡相页岩气富集机理不清，资源潜力及分布规律不明确。
二是吸附气和游离气分布地震预测理论框架与方法尚未建立，多尺度裂缝综合预测定量与融合理论与方法还处于探索中。
三是页岩气在复杂孔缝介质内部流体流动机制和生产规律尚不清楚。
四是页岩气有效动用条件与界限研究薄弱。
五是不同类型页岩储层的水平井裂缝扩展机理不清，压后评价难度大。
国内外页岩气勘探开发技术差距仍然很大，部分关键工程技术及装备依然存在“卡脖子”问题。部分页岩气开发关键装备不过关，依赖国外技术服务公司。
埋深超过3500米的深层页岩气开发关键工程技术及装备尚未攻克。深层页岩储层具有地应力高、温度高、脆性较低的特点，现有工程技术及装备适用性相对较差。储层埋深加大提升了水平井的钻井难度，储层高温降低了现有测井、旋转导向等仪器设备的稳定性，高地应力使储层体积压裂需要功率更大的压裂车组，储层脆性降低增加了页岩形成体积缝网的难度。
3.我国页岩气开发的地质条件如何？
与北美相比，中国页岩气具有储层类型多样、构造作用强、热演化程度不一、储层横向展布差异大、地应力条件相对复杂、扬子地区海相页岩地表条件与埋藏深度变化大等特点。页岩气储层在沉积构造、热演化程度、甜点区规模、地应力特征和气体组分等方面存在差异。
北美页岩储层以海相沉积为主、构造稳定；中国页岩海相、陆相和过渡相均有沉积，成藏过程中受多期构造改造。美国页岩储层成熟度适中，处于最佳产气阶段；中国海相页岩处于高过成熟阶段。
北美页岩储层甜点段厚度大，可达到30米至150米，甜点储层大面积连续分布；中国页岩储层甜点段厚度相对薄，只有10米至40米，储层分布差异大。
北美页岩储层地应力简单，压裂改造易于形成体积缝网；中国海相页岩储层应力相对复杂，局部地区水平主应力差超过10兆帕，体积改造难度较大。
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近年来，我国页岩气发展迅速。2018年，我国页岩气产量达到108亿立方米，仅次于美国、加拿大。依靠多年来的技术创新，我国在四川盆地页岩气开发中总结出一套效益开发模式，实现了工业突破。页岩气实现从无效资源到单井有效开发的技术跨越，形成了重庆涪陵礁石坝、长宁—威远—昭通两大海相页岩气主产区。
中国石油川庆钻探公司经过十年探索实践，形成以钻完井工程设计、地质导向、油基钻井液等为主体的六大类41项页岩气勘探开发技术系列。“水平井优快钻完井技术”“CQ-IGS水平井一体化地质导向技术”“高性能水平段专打水基钻井液技术”等，打破了国外技术垄断，达到世界一流水平，使页岩气钻井周期缩短了50%，为页岩气效益开发做出了巨大贡献。去年1月17日，川庆钻探在威202H13-6井创造了27.6天中国石油页岩气井最快钻井周期纪录，并在YS112H12-1井创造了2810米的最长水平段纪录。川庆钻探在页岩气领域，累计已完成钻井200余口，总进尺突破100万米；完成压裂井150井次，共3000余段。2014年，川庆钻探在壳牌合作区块承钻的坛202-H2井，以28.92天获得钻完井周期全球第二、中国第一。(谷学涛)
水平井多段压裂
利用地面高压泵，通过井筒向油层挤注具有较高黏度的压裂液，在井底形成很大的压力，油层会被压开，形成裂缝。这时继续向油层挤入压裂液，裂缝就会继续向油层内部扩张，从而大幅提高产量。
水平井多段压裂过程
1在水平井多段压裂作业过程中，经过连续油管通洗井、全井筒试压后，配置压裂液。
2接着进行射孔作业，然后将压裂液和石英砂或者陶粒等混配进入井下开始压裂。
3采用微地震技术观测实时的压裂效果。压裂完成后，停泵降压。进行连续油管钻磨桥塞作业后，射孔再进入下一段压裂。
延伸阅读：全球生产页岩气的国家
尽管目前只有美国、加拿大、中国和阿根廷4个国家拥有商业页岩气生产，但预计预测期内的技术改进将鼓励其他国家(主要是墨西哥和阿尔及利亚)开发页岩资源。预计到2040年，这6个国家将占全球页岩产量的70%。
【美国】
在美国，2018年页岩气产量达到6072亿立方米，占天然气总产量的58%，预计到2040年页岩气产量将超过8000亿立方米，占美国天然气总产量的70%。
美国开启“页岩气革命”，在页岩气理论认识、关键工程技术装备和管理模式等方面不断创新发展，引领了全球页岩气产业发展。美国页岩气发展历程从1821年钻探第一口页岩气井开始，经历了科学探索阶段、技术突破阶段和成熟发展阶段。上世纪90年代，页岩气关键工程技术不断取得突破，大型水力压裂技术和水平井多段压裂技术的应用，使页岩气资源得到有效开发。1998年，Barnett气田开发取得突破。此后，Barnett页岩气开发的成功经验在Haynesville、Marcellus和Utica等一系列页岩气田推广应用，页岩气产量迅猛增长，并快速成为美国天然气产量的主体，有力支撑了美国的“能源独立”。
同时，美国页岩油的快速发展改善了美国能源供需结构，提高了其石油自给水平。页岩气和页岩油的快速发展，对美国的能源安全有着重要的保障作用。
【加拿大】
加拿大自2008年以来一直在生产页岩气，2015年达到424亿立方米。预计到2040年，加拿大页岩气产量将继续增长，占加拿大天然气总产量的近30%。
【中国】
中国是北美以外最早开发页岩资源的国家之一。2014年以来，中国已投入页岩气开发井超过1200口，截至2018年，产量累计达到108亿立方米。预计2020年页岩气产量将达到200亿立方米，2030年产量有望突破500亿立方米。
【阿尔及利亚】
阿尔及利亚的石油和天然气产量在过去十年中都有所下降，这促使政府开始修订投资法，规定国家石油公司享受优惠待遇，有利于与国际公司合作开发页岩资源。阿尔及利亚已经开始了页岩气井试点项目，并制订了一项20年投资计划，到2020年实现页岩气商业化生产。预计到2040年，阿尔及利亚页岩产量将占该国天然气总产量的1/3。 (刘飏)
