文章轉(zhuǎn)載自“地球雜志”

頁巖是指粒徑小于0.0039毫米的。由碎屑、黏土、有機(jī)質(zhì)等組成的，具有薄片狀層理，容易碎裂的細(xì)粒沉積巖。

四川盆地龍馬溪組頁巖（可見黃鐵礦結(jié)核，指示強(qiáng)缺氧還原環(huán)境）

頁巖氣，是指發(fā)育于大量微納米孔隙（平均約為100納米）的暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中，主要以游離態(tài)存在于天然裂縫和孔隙，或者以吸附態(tài)賦存于干酪根、黏土顆粒表面的甲烷氣體，是一種極具開發(fā)利用前景的清潔能源。

始于生物 終于烷烴

大約5.4億年前，生物種類呈現(xiàn)大幅度爆發(fā)式增加，給沉寂了數(shù)十億年的地球譜寫了生命的樂章。在早古生代，周而復(fù)始地進(jìn)行著生命的延續(xù)與傳承。同時(shí)，也在海底深處下著永不停歇的“海洋雪”——這些海洋動(dòng)植物死亡后，殘骸裹挾著泥沙如同雪花一般落向海床，緩慢堆積起來，不斷地為海底蘊(yùn)藏豐富的有機(jī)質(zhì)資源。

生物殘骸向海底沉淀景象（海洋雪）

另外，海底的厭氧細(xì)菌也不遺余力地分解著蛋白質(zhì)，長此以往，海底表現(xiàn)出缺乏氧氣的還原環(huán)境，而這又有助于有機(jī)質(zhì)的保存。隨著泥沙和有機(jī)質(zhì)的堆積越來越厚，靜流環(huán)境下，先前已沉積的混合物，在壓實(shí)作用下逐漸固結(jié)。

由于沒有水流干擾，一層層的沉積物在漫長地質(zhì)時(shí)期內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闃O薄的頁理狀構(gòu)造，同時(shí)也保留著大量孔隙，為后期氣體的貯存提供了充足的空間。

頁巖有機(jī)質(zhì)中（黑色）的微納米孔隙以及呈長條狀的黏土礦物

對于傳統(tǒng)砂巖氣藏而言，烴源巖在高溫高壓環(huán)境下排出的油氣會在重力和壓力作用下發(fā)生運(yùn)移，往往最終駐留于大自然不經(jīng)意間造成的圈閉中，即儲集層上部具有低孔隙度、滲透率的蓋層，致使油氣留存其中。

而頁巖氣屬于非常規(guī)能源，與傳統(tǒng)砂巖氣藏最大的區(qū)別是頁巖是具有自生自儲特征的烴源巖，頁巖既是生油氣層，又是儲集層。頁巖中的甲烷氣體，根據(jù)成因的不同，可分為生物成因氣和熱裂解成因氣。

頁巖中的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)變化，通過腐殖化轉(zhuǎn)變?yōu)楦衫腋?，即石油和天然氣先?qū)，是一種極為復(fù)雜的高分子化合物，再熱降解和二次裂解，生成甲烷氣體。

頁巖井試氣點(diǎn)火 供圖/李 飛

已生成的甲烷氣體，部分能夠以吸附態(tài)存在于有機(jī)質(zhì)的微納米孔隙或者黏土礦物表面，由于生烴是個(gè)緩慢且持續(xù)的過程，當(dāng)吸附氣量達(dá)到飽和狀態(tài)后，頁巖孔隙內(nèi)壓力、溫度逐漸升高，部分氣體也會逸散游離于頁巖的微裂縫中。一口頁巖氣井的壽命約為20~30年，主要由于當(dāng)游離氣開采結(jié)束后，吸附氣的解吸是需要一定過程的，故穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長。

所有的頁巖都含氣嗎？

答案當(dāng)然是否定的。

首先，我們評價(jià)頁巖生烴能力的強(qiáng)弱，總有機(jī)碳含量（TOC）和熱演化程度（Ro）是極為重要的指標(biāo)。即便是同一時(shí)期沉積的頁巖，不同地點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量也千差萬別。

頁巖氣井剖面示意圖

其次，對于不同層位的頁巖而言，其上覆和下伏地層的物性千差萬別，并非均能形成良好的保存條件，即使曾經(jīng)達(dá)到了生烴的必要條件，但也有可能在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造過程中，由于深大斷裂在漫長時(shí)間內(nèi)逸散所剩無幾。

所以每一個(gè)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)開采經(jīng)濟(jì)效益的頁巖氣藏都是集天時(shí)地利為一體的幸運(yùn)者。

人類的頁巖氣革命

關(guān)于黑色頁巖的記錄最早可以追溯到17世紀(jì)，但真正意義上頁巖氣商業(yè)化發(fā)展的開端是在1821年，油氣學(xué)家Peebles（1980）在記錄中寫道：“紐約州肖托夸郡，一個(gè)小男孩在溪流裂隙間意外點(diǎn)燃了滲漏的天然氣，當(dāng)?shù)鼐用袢绔@至寶，將其稱為“燃燒泉”，并在附近鉆了27英尺深的氣井，后稱之Dunkirk頁巖氣井，成為弗雷多尼亞鎮(zhèn)的照明系統(tǒng)”。

美國Dunkirk頁巖氣井

1926年，肯塔基州東部和西弗吉尼亞州的泥盆紀(jì)頁巖氣田成為世界上已知的最大氣田；1990年，密歇根盆地的Antrim頁巖區(qū)，成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采，同年美國總產(chǎn)量約42億立方米；2003年，水平井壓裂技術(shù)的應(yīng)用，致使美國頁巖氣產(chǎn)量大幅增加，達(dá)200億立方米；據(jù)美國能源信息署的最新數(shù)據(jù)，2018年美國頁巖氣總產(chǎn)量更是達(dá)到了驚人的6122億立方米，美國一躍成為全球頁巖氣第一大出口國。

相較于北美，中國的頁巖氣進(jìn)程雖然起步較晚，但在國家對于清潔能源的戰(zhàn)略政策支持下，國內(nèi)科研單位投入大量人力物力，攻克技術(shù)難關(guān)，現(xiàn)在也呈現(xiàn)迎頭趕上的態(tài)勢。

我國南方的頁巖氣儲層均質(zhì)性較好，熱演化程度較高，基本不含油，以干氣為主。目前已經(jīng)建成以涪陵、長寧—威遠(yuǎn)、昭通為主幾大頁巖開采區(qū)塊。北方區(qū)，則以鄂爾多斯盆地為代表。

頁巖氣開采技術(shù)的革新

頁巖的滲透率極低，在自然狀態(tài)下無工業(yè)產(chǎn)能，在油氣開發(fā)人員的鉆研之下，通過向儲層注射高壓流體，人工制造縫網(wǎng)，來達(dá)到工業(yè)化開采的目的。目前開采主要采用水平井+水力技術(shù)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)。

頁巖氣水力壓裂示意圖

首先通過區(qū)塊綜合評價(jià)，確定優(yōu)選井位，進(jìn)行垂直井的鉆探工作。當(dāng)多級套管垂直深度接近目標(biāo)儲層深度時(shí)開始造斜段的鉆探工作，緩慢的根據(jù)地震數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)將井眼軌跡呈近90度旋轉(zhuǎn)，在頁巖儲層中水平鉆進(jìn)。水平井極大地增加了井桶與儲層的接觸面積。

緊接著用鉆桿傳送復(fù)合射孔槍至完井井段，結(jié)合儲層實(shí)際物性，確定射孔方位。采用加壓的方式，引爆射孔槍內(nèi)的射孔彈，在目的層定向射開直徑10毫米，寬1毫米的孔眼。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆頭

完成射孔工作后，接下來使用地面高壓泵組，將超過地層吸液能力的大量壓裂液（滑溜水、減阻劑、抗菌劑等）泵入井內(nèi)，在井底產(chǎn)生高壓，致使孔眼產(chǎn)生二次裂縫，隨著壓裂液在裂縫中逐漸延伸，進(jìn)一步注入帶有支撐劑（輕砂和不同粒徑的陶粒）的混砂液，支撐劑的存在可對裂縫壁面起到支撐作用，致使氣體不斷從基質(zhì)儲層中向外運(yùn)移。從而能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化開采。

總之，頁巖氣，作為一種高效的清潔能源，可有效改變我國目前以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，更是能源保供給、降外需、創(chuàng)低碳的必然選擇，將來一定大有可為！

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