摘要：鑽探頁岩氣井皆未取得實質性成果除了對頁岩氣的成藏地質特征及其勘探選區方麵存在認識問題外，可能還與(yu) 目前一些頁岩氣開采企業(ye) 不熟悉或不遵循頁岩氣勘探開發程序有關(guan) 。
從(cong) 20世紀80年代初第一口Barnett頁岩氣井的發現至今，美國近代的頁岩氣勘探開發已經曆了30餘(yu) 年的發展曆程。從(cong) 早期的直井泡沫壓裂到目前的水平井多段滑溜水壓裂，從(cong) 早期東(dong) 部頁岩氣的開采逐步向中西部擴展，其發展過程是循序漸進的，針對頁岩氣基礎理論方麵係統而深入的研究及開采技術的進步，為(wei) 2006年以來美國頁岩氣產(chan) 業(ye) 的快速發展奠定了堅實的基礎。
受北美地區頁岩氣革命巨大成功的影響，中國自2009年以來開展了較大規模的頁岩氣勘探工作。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)第二輪頁岩氣探礦權區塊公開招標以來，吸引了大批地勘、煤電企業(ye) 以及地方民營公司積極投入到頁岩氣開采熱潮中。迄今為(wei) 止，中石油、中石化等多家油氣公司已經在四川盆地的海相頁岩氣勘探中取得了商業(ye) 性突破，頁岩氣產(chan) 量從(cong) 2011年的約200×104m3迅猛增至2014年的13×108 m3。然而，其餘(yu) 非油氣公司在21個(ge) 招標區塊內(nei) 的頁岩氣勘探成果卻乏善可陳。據部分媒體(ti) 報道，國土資源部、地方政府及中標企業(ye) 雖鑽探頁岩氣井已達50餘(yu) 口，但皆未取得實質性成果。究其原因，除了對頁岩氣的成藏地質特征及其勘探選區方麵存在認識問題外，可能還與(yu) 目前一些頁岩氣開采企業(ye) 不熟悉或不遵循頁岩氣勘探開發程序有關(guan) 。因此，有必要通過對近幾年來國內(nei) 外在頁岩氣勘探開發方麵所取得認識進行梳理，總結出頁岩氣勘探開發所應遵循的程序或模式，以期減少頁岩氣勘探決(jue) 策風險，提高勘探成功率。
頁岩氣勘探開發基本特征
根據石油評估工程師協會(hui) (SPEE)在2009年成立的“資源型油氣勘探委員會(hui) ”(ResourcePlayCommittee)給出的定義(yi) ，頁岩氣屬於(yu) 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，也即美國石油地質家協會(hui) (AAPG)和石油工程師協會(hui) (SPE)所稱的非常規油氣藏。它們(men) 具有“連續性”油氣聚集的特征，而與(yu) 構造圈閉或地層圈閉油氣藏為(wei) 代表的常規“非連續性”油氣聚集特征明顯不同，主要表現在以下幾個(ge) 方麵:
1.頁岩含油氣係統一般呈區域性廣泛分布，氣藏分布範圍往往與(yu) 高伽馬值富有機質的含氣頁岩(hotshale)分布範圍相當。盡管頁岩氣是一種“連續性”的氣藏，但是這並不意味著在一個(ge) 頁岩氣區塊內(nei) 鑽到商業(ye) 性氣井的機遇相等，因為(wei) 頁岩氣藏在縱、橫向上的非均質性較強，局部存在相對富集的“甜點區”。而且，即使在同一“甜點區”內(nei) ，受完井質量和壓裂效果等工程因素的影響，單井氣產(chan) 量和最終可采儲(chu) 量(EUR)較高的“好井”與(yu) 較低的“差井”也會(hui) 交替分布。
2.頁岩氣藏集生烴層、儲(chu) 集層和封蓋層為(wei) 一體(ti) ，自生自儲(chu) 連續性聚集成藏，無運移或運移距離極短，且不受構造圈閉和水動力的控製，無明顯的氣水界麵。但這並不意味著頁岩氣井不產(chan) 地層水，在頁岩氣藏埋深較淺(如美國Antrim 和NewAlbany頁岩氣藏)、頁岩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頁岩氣層下伏的奧陶係Viola組或Ellenburger組灰岩[9]以及五峰組—龍馬溪組底部頁岩氣層下伏的寶塔組灰岩)等情況下，均可能產(chan) 地層水。這勢必會(hui) 嚴(yan) 重影響頁岩氣井的生產(chan) ，既可能降低氣井最終可采儲(chu) 量，又可能增加水處理成本，最終影響頁岩氣開采的商業(ye) 性。而這也是目前國內(nei) 一些頁岩氣開采區塊麵臨(lin) 的巨大挑戰。
3.“頁岩”實際上是一個(ge) 很寬泛的地質術語，泛指顆粒粒徑小於(yu) 63μm 的所有細粒沉積岩。按傳(chuan) 統的地質學認識，並非所有的頁岩油氣都產(chan) 自“頁岩”，例如美國最大的兩(liang) 個(ge) 頁岩油田(EagleFord和Bakken)實際上都屬於(yu) 碳酸鹽岩。而且，含氣頁岩儲(chu) 層岩相類型多樣，從(cong) 矽質含量較高、脆性的矽質或粉砂質頁岩到黏土含量較高、塑性的黏土質頁岩均有分布。實踐證明，最有利於(yu) 水力壓裂且效果最佳的頁岩岩相類型當屬矽質頁岩和粉砂質頁岩。
區域上，頁岩分布並不均質，岩相變化較大，由此造成頁岩儲(chu) 層質量不一。這是造成同一區塊內(nei) 甚至是同一“甜點區”內(nei) 頁岩氣壓裂效果千差萬(wan) 別的一個(ge) 重要原因。在頁岩氣開采中，許多被認為(wei) 是“工程”引起的問題恰恰可能是“地質”問題。因此，為(wei) 取得最佳的井軌跡和壓裂設計方案，加強頁岩氣地質評價(jia) 研究，建立“甜點區”地質模型顯得尤為(wei) 重要。盡管目前在頁岩氣的開采中都傾(qing) 向於(yu) 采用“工廠化”批量作業(ye) 的開發模式，而且叢(cong) 式井組的實施效果明顯好於(yu) 單口井效果，但正如Sprunt所指出的，工廠化鑽井並不能代替對頁岩層的綜合地質評價(jia) 。沒有頁岩氣藏是完全相同的，也不存在適用於(yu) 所有頁岩氣藏的通用技術。任何一項有效的頁岩氣開采技術都是針對具體(ti) 的頁岩儲(chu) 層條件經反複的現場試驗探索而獲得的。
4.頁岩氣資源潛力巨大，原始地質儲(chu) 量(GIIP )一般為(wei) 千億(yi) 或萬(wan) 億(yi) 立方米級，資源豐(feng) 度介於(yu) 4×108~13×108 m3/km2。盡管頁岩氣分布範圍廣，資源量巨大，但是頁岩氣勘探區內(nei) 存在局部高產(chan) 的富集區或核心區。例如，美國東(dong) 部阿帕拉契亞(ya) 盆地的Marcellus頁岩氣區帶經勘探評價(jia) 證實存在北部和南部兩(liang) 個(ge) 核心區。這兩(liang) 個(ge) 核心區的含氣頁岩具有高有機碳、高孔隙度和異常高壓特征(表1)。
在鑽井之前，甚至在取得頁岩氣勘探區塊之前，通過頁岩氣選區評價(jia) 工作，優(you) 選出有利區甚至核心區，對於(yu) 取得頁岩氣規模效益開發至關(guan) 重要。
5.頁岩氣開發往往需要鑽探成百上千口水平井，而且需要實施大型的加砂壓裂增產(chan) 措施，才能達到一定規模的商業(ye) 生產(chan) 。這與(yu) 常規氣藏“稀井高產(chan) ”的高效開發模式截然不同。因此，從(cong) 某種意義(yi) 上講，頁岩氣藏是一種經壓裂改造而成的“人工”氣藏。大批量的水平井鑽井以及大規模的壓裂增產(chan) 改造，使得頁岩氣的開采成本極高，如何降本增效成為(wei) 頁岩氣產(chan) 業(ye) 可持續發展的關(guan) 鍵。
6.頁岩氣井的產(chan) 量變化較大，第一年的生產(chan) 即可呈斷崖式下降，遞減率高(70%~80%)，之後逐步趨於(yu) 穩定，低產(chan) 量平穩生產(chan) 周期較長，最終采收率較低，低者不足10%，高者也不過20%~30%，但隨著頁岩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 年探明的涪陵頁岩氣田，其地質儲(chu) 量1067.50×108m3，技術可采儲(chu) 量266.88×108m3，采收率達25%。頁岩氣井的最終可采儲(chu) 量一般較低，美國著名的Barnett頁岩氣區的平均單井EUR 僅(jin) 為(wei) 0.45×108m3。此外，頁岩氣井EUR 分布具有可重複的統計規律，但是用鄰井的生產(chan) 情況來預測未開發區的氣井生產(chan) 可能存在較大的不確定性。
頁岩氣的經濟有效開發需要采用地質與(yu) 工程一體(ti) 化的設計、評價(jia) 技術，有賴於(yu) 先進的完井壓裂工藝技術。在過去的10年間，美國頁岩氣壓裂的段長從(cong) 150m 縮短到目前常用的45~75m，減少射孔簇數和簇間距(一般采用15~30m)以及優(you) 化孔數已成為(wei) 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岩氣的開采中獲得了成功應用，有效地提高了壓裂增產(chan) 效果，與(yu) 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驗的積累，逐步提高頁岩氣井的EUR，降低鑽完井成本，才能最終實現頁岩氣的商業(ye) 化開采。
7.在經濟特征方麵，與(yu) 常規油氣開發所需的鑽井(多為(wei) 直井)數量少、一次性投資決(jue) 策、前期投資高以及投資回收較快等特征相比，頁岩氣開發所需的鑽井(多為(wei) 水平段較長的水平井)數量大，為(wei) 減少投資風險，需要在不同的勘探開發階段進行多次投資決(jue) 策。因此需要長期不斷的投資，而且投資回收的速度較慢。
頁岩氣勘探開發基本程序
盡管頁岩氣勘探評價(jia) 方法、開發技術和研究手段均與(yu) 常規天然氣和其他類型的非常規天然氣存在一定的差異，但是與(yu) 常規油氣的勘探開發一樣，頁岩氣的勘探開發同樣需要遵循符合自身科學發展規律的基本程序。從(cong) 鑽少量資料井的選區選層、資源潛力評價(jia) 與(yu) 可行性研究階段，到鑽數十口井的勘探評價(jia) 階段，再到大規模批量鑽探，特別是引入“工廠化”施工理念的平台叢(cong) 式井組鑽探的開發階段，頁岩氣勘探開發的每個(ge) 階段都有其特定的目標與(yu) 任務，以及是否進入下一階段的時間決(jue) 策點(圖1)。
由於(yu) 頁岩氣開采具有投資大、風險高、投資回報期長的特點，為(wei) 規避勘探風險，減少投資損失，就必須嚴(yan) 格遵循勘探開發程序。在進入每一階段之前的決(jue) 策點，都要開展科學的評價(jia) 與(yu) 論證，以決(jue) 定是否進入下一階段。
通常要在進入頁岩氣商業(ye) 開發階段之後，才有可能實現頁岩氣項目的投資回收。與(yu) 此同時，頁岩氣勘探開發步伐的快慢主要取決(jue) 於(yu) 技術的可行性與(yu) 市場條件，如圖2所示北美地區不同頁岩氣項目在2009年所處的勘探開發階段各不相同。即使在同一頁岩氣勘探區內(nei) ，由於(yu) 勘探任務的完成情況不同，也會(hui) 呈現出勘探節奏快慢不一、不同階段相間的“滾動勘探開發”特征。
選區評價(jia) 階段
在實施頁岩氣鑽井計劃之前，首先需要對頁岩氣潛力區塊的資源勘探前景開展評估，以及對頁岩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黑色頁岩岩係的區域地質調查與(yu) 資源評價(jia) ，查明評價(jia) 區頁岩含油氣係統的基本地質特征及資源勘探潛力，最終優(you) 選出具有較高資源稟賦的頁岩氣勘探有利區。該階段圍繞頁岩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(jia) 目標，開展對頁岩岩係的區域地質特征、頁岩儲(chu) 層分布特征以及頁岩氣資源潛力評價(jia) 。
該階段需要完成的地質評價(jia) 任務包括:①調查評價(jia) 區內(nei) 鑽井中的頁岩氣顯示、氣流產(chan) 出情況，以及頁岩是否是常規油氣田(藏)的母源；②根據露頭、測井和地震資料，確定優(you) 質頁岩厚度及其分布範圍；③根據露頭、岩屑和岩芯資料，確定有機質含量、類型和成熟度；④測定頁岩儲(chu) 層礦物含量、基質孔隙度和滲透率；⑤研究頁岩埋藏和生排烴史、區域應力場和天然裂縫發育情況；⑥獲取頁岩地層的溫度、壓力資料等；⑦分析區域構造斷裂特征以及對頁岩氣的保存影響；⑧計算頁岩氣地質資源量；⑨優(you) 選勘探有利區。在完成上述評價(jia) 任務之後，需要對以下關(guan) 鍵問題給出明確的答案:頁岩氣資源是否存在；資源規模有多大；是否有足夠的資源可以確保下步勘探評價(jia) 工作的開展，由此來決(jue) 定是否進入到開展實質性鑽探作業(ye) 的頁岩氣勘探評價(jia) 階段。
該階段評價(jia) 工作的深入程度與(yu) 質量高低在很大程度上決(jue) 定著頁岩氣勘探開發的成敗。選擇頁岩氣資源稟賦高的有利區開展勘探開發工作是目前業(ye) 界的共識。而目前國內(nei) 頁岩氣招標區塊內(nei) 所遭遇的種種困難[3]可能正是頁岩氣選區評價(jia) 階段存在問題的突出反映。如果將資源稟賦並不高又存在極大鑽完井工程風險的構造複雜區評價(jia) 為(wei) 所謂的勘探有利區，進而開展大規模的頁岩氣勘探開發，其結果是不言而喻的。
勘探評價(jia) 階段
該階段的主要目標是在前一階段選定的頁岩氣有利區塊內(nei) ，優(you) 選井位進行探井和評價(jia) 井的鑽探與(yu) 壓裂工作，以評價(jia) 勘探區頁岩目的層的儲(chu) 層質量與(yu) 完井質量，進一步落實頁岩氣資源規模，驗證頁岩氣層的產(chan) 氣能力。
為(wei) 實現上述評價(jia) 目標，該階段需要完成下述勘探評價(jia) 任務:①確定井位目標，進行區域探井鑽探(直井)，並分不同儲(chu) 層層段壓裂驗證；②采集實際數據(如取心、Isotube泥漿氣取樣、電纜測井、VSP等)，開展岩心分析(如HRA 非均質性分析、TRA 致密岩石分析、岩石地球化學和岩石力學分析等)，填補認識空白；③水平井鑽完井壓裂測試評價(jia) ，建立頁岩氣產(chan) 能；④在頁岩氣商業(ye) 價(jia) 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)；⑤對壓裂作業(ye) 實施微地震實時監測，以優(you) 化水平井及多井平台設計；⑥將鑽獲的頁岩氣井接入管線試生產(chan) ，以獲得長時間生產(chan) 動態資料，評價(jia) 氣井最終可采儲(chu) 量；⑦通過探井與(yu) 水平井評價(jia) ，以及氣井試生產(chan) 資料分析，確定可茲(zi) 開展先導試驗的甜點區。
在完成上述勘探評價(jia) 任務之後，需要對頁岩壓裂後能否商業(ye) 產(chan) 出，頁岩氣產(chan) 量是否足夠大，以及頁岩氣能否長時間持續生產(chan) 等關(guan) 鍵問題做出明確回答，以確定評價(jia) 區是否具有進入到下一階段的商業(ye) 開采價(jia) 值。
先導試驗階段
頁岩氣的商業(ye) 成功很大程度上取決(jue) 於(yu) 能否科學有序、經濟有效地將儲(chu) 藏在頁岩致密層中的天然氣壓裂開采出來。由於(yu) 進入商業(ye) 開發生產(chan) 階段後需要大批量鑽完井，投資甚巨，因此需要通過小規模的先導試驗，驗證多井平台批量鑽完井作業(ye) 模式，製定適宜的頁岩氣開發技術政策，確定經濟開發模式，編製頁岩氣開發方案。
先導試驗階段的主要評價(jia) 任務包括:①啟動多井平台鑽井開發，開展水平井生產(chan) 測試；②獲取長時間生產(chan) 數據，完善氣藏地質模型；③驗證用於(yu) 經濟開發模式的各種技術假設條件；④優(you) 化井身結構，優(you) 化鑽井設備；⑤證實通過多井平台鑽井模式，可以有效地降低開采成本。
在決(jue) 策進入大規模商業(ye) 開發階段之前，需明確回答以下關(guan) 鍵問題:①大規模開發是否具有經濟性；②頁岩氣開發過程與(yu) 生產(chan) 操作方式能否滿足安全環保需求。
開發生產(chan) 階段
按照先導試驗階段確定的頁岩氣“工廠化”經濟開發模式，科學有序地實施開發方案。通過生產(chan) 作業(ye) 表現的不斷調整、提高和完善，逐步提高頁岩氣采收率和最終可采儲(chu) 量，同時通過改善投資結構，最終實現投資回報的最大化。
在先導試驗的基礎上，采用已試驗成熟的鑽完井配套技術和裝備，集中部署一批井身結構和鑽完井方式基本相同的平台水平井，以工廠流水線作業(ye) 形式開展鑽完井、壓裂與(yu) 測試生產(chan) 的批量施工作業(ye) ，從(cong) 而實現提高頁岩氣單井產(chan) 量和最終可采儲(chu) 量以及降本增效的經濟開發目的。
該階段的主要任務包括:①全麵開展多井平台“工廠化”鑽井壓裂作業(ye) ；②不斷優(you) 化平台井設計、井身結構和鑽完井作業(ye) ；③持續開展頁岩氣藏與(yu) 氣井動態監測；④保持生產(chan) 作業(ye) 表現的穩定性，並不斷提高生產(chan) 作業(ye) 效率和氣井最終可采儲(chu) 量。
滾動開發模式
頁岩氣的勘探開發特征表明，盡管頁岩氣資源豐(feng) 富、分布廣，但非均質性強，開發技術要求高，投資大，開采成本高。而且，能否實現頁岩氣的經濟有效開發往往存在較大的不確定性。因此，在製定頁岩氣的開發方案時，往往不能像常規油氣開發那樣，采用一攬子的鑽井計劃作整體(ti) 開發部署。
頁岩氣開發需要製定一個(ge) 基於(yu) 新的評價(jia) 結果可以靈活調整的鑽井計劃，允許在一個(ge) 頁岩氣區塊內(nei) 根據實際情況劃分不同的開發區進行分期投資“滾動”開發(rollingdevelopment)。首先開發已評價(jia) 成熟的區塊，尚不成熟的區塊則需通過進一步的勘探評價(jia) ，逐步成熟後進而開發，最終實現對整個(ge) 頁岩氣區塊的持續開發(圖3)。這種“成熟一塊開發一塊”的分期分階段開發模式與(yu) 常規油氣“整體(ti) 探明、整體(ti) 投資、整體(ti) 開發”的開發模式存在明顯的差異。通過先期小規模的開發投資，將在鑽完井、壓裂與(yu) 測試生產(chan) 方麵已取得的成功經驗逐步複製、推廣，由此可以有效地控製頁岩氣開發所固有的較大投資風險。
根據北美地區頁岩氣開發經驗，分期分階段的“滾動開發”是控製頁岩氣開發成本和風險的最佳方式。
頁岩氣“滾動”開發模式允許在一個(ge) 總體(ti) 開發方案中包含處於(yu) 勘探、評價(jia) 、先導試驗和開發生產(chan) 等不同階段的所有頁岩氣有利區域，通過分期分批的投資決(jue) 策，可以有效地控製成本和風險，最終實現頁岩氣資源的規模效益開發。
結論
1.頁岩氣藏特征與(yu) 常規氣藏存在明顯差異，其勘探開發方式也迥異。
2.頁岩氣勘探開發工作是一個(ge) 循序漸進的過程，一個(ge) 完整的頁岩氣勘探開發程序可以大致劃分為(wei) 選區評價(jia) 、勘探評價(jia) 、先導試驗和開發生產(chan) 等4個(ge) 階段。
3.頁岩氣開發具有投資大、風險高、投資回報期長的特點，為(wei) 降低投資風險，必須嚴(yan) 格遵循勘探開發程序。在進入每一勘探開發階段之前，都需要開展科學的評價(jia) 與(yu) 決(jue) 策。
4.頁岩氣勘探開發各階段的工作步驟可以加快，但程序不可逾越。否則，往往會(hui) 導致決(jue) 策的失誤並造成巨大的投資損失。
5.頁岩氣開發方案的製定應具有一定的靈活性，采用分期分階段的“滾動開發”模式，可以有效地控製頁岩氣開發中的高風險。（《天然氣工業(ye) 》王書(shu) 彥 李瑞 王世謙）
