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          自然的饋贈——頁巖氣
          
      
          
		來源：
地球雜志 | 作者： | 時間：2023-02-15 15:22:09 | 人氣：
             
      
          
      
      
          
  
      
       
          
          
		  
		  

       
          		
           
   
           
       
          　　頁巖是指粒徑小于0.0039毫米的。由碎屑、黏土、有機質等組成的，具有薄片狀層理，容易碎裂的細粒沉積巖。
          


          


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


           
          


          始于生物 終于烷烴    
          


          　　大約5.4億年前，生物種類呈現大幅度爆發式增加，給沉寂了數十億年的地球譜寫了生命的樂章。在早古生代，周而復始地進行著生命的延續與傳承。同時，也在海底深處下著永不停歇的“海洋雪”——這些海洋動植物死亡后，殘骸裹挾著泥沙如同雪花一般落向海床，緩慢堆積起來，不斷地為海底蘊藏豐富的有機質資源。
          


          


          

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


          　　由于沒有水流干擾，一層層的沉積物在漫長地質時期內逐漸轉變為極薄的頁理狀構造，同時也保留著大量孔隙，為后期氣體的貯存提供了充足的空間。
          


          


          

          　　對于傳統砂巖氣藏而言，烴源巖在高溫高壓環境下排出的油氣會在重力和壓力作用下發生運移，往往最終駐留于大自然不經意間造成的圈閉中，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能源，與傳統砂巖氣藏最大的區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。
          


          　　頁巖中的有機質，經過復雜的生物化學變化，通過腐殖化轉變為干酪根，即石油和天然氣先驅，是一種極為復雜的高分子化合物，再熱降解和二次裂解，生成甲烷氣體。
          


          


          　　已生成的甲烷氣體，部分能夠以吸附態存在于有機質的微納米孔隙或者黏土礦物表面，由于生烴是個緩慢且持續的過程，當吸附氣量達到飽和狀態后，頁巖孔隙內壓力、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，主要由于當游離氣開采結束后，吸附氣的解吸是需要一定過程的，故穩產時間長。
          


           
          


          所有的頁巖都含氣嗎？  
          


          　　答案當然是否定的。
          


          　　首先，我們評價頁巖生烴能力的強弱，總有機碳含量（TOC）和熱演化程度（Ro）是極為重要的指標。即便是同一時期沉積的頁巖，不同地點有機質含量也千差萬別。
          


          


          

          　　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，即使曾經達到了生烴的必要條件，但也有可能在復雜的地質構造過程中，由于深大斷裂在漫長時間內逸散所剩無幾。
          


          所以每一個能實現工業開采經濟效益的頁巖氣藏都是集天時地利為一體的幸運者。
          


           
          


          人類的頁巖氣革命   
          


          　　關于黑色頁巖的記錄最早可以追溯到17世紀，但真正意義上頁巖氣商業化發展的開端是在1821年，油氣學家Peebles（1980）在記錄中寫道：“紐約州肖托夸郡，一個小男孩在溪流裂隙間意外點燃了滲漏的天然氣，當地居民如獲至寶，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，成為弗雷多尼亞鎮的照明系統”。
          


          


          

          　　1926年，肯塔基州東部和西弗吉尼亞州的泥盆紀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，成功實現商業化開采，同年美國總產量約42億立方米；2003年，水平井壓裂技術的應用，致使美國頁巖氣產量大幅增加，達200億立方米；據美國能源信息署的最新數據，2018年美國頁巖氣總產量更是達到了驚人的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，中國的頁巖氣進程雖然起步較晚，但在國家對于清潔能源的戰略政策支持下，國內科研單位投入大量人力物力，攻克技術難關，現在也呈現迎頭趕上的態勢。
          


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


           
          


          頁巖氣開采技術的革新    
          


          　　頁巖的滲透率極低，在自然狀態下無工業產能，在油氣開發人員的鉆研之下，通過向儲層注射高壓流體，人工制造縫網，來達到工業化開采的目的。目前開采主要采用水平井+水力技術和旋轉導向技術。
          


          


          

          　　首先通過區塊綜合評價，確定優選井位，進行垂直井的鉆探工作。當多級套管垂直深度接近目標儲層深度時開始造斜段的鉆探工作，緩慢的根據地震數據和旋轉導向技術將井眼軌跡呈近90度旋轉，在頁巖儲層中水平鉆進。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合射孔槍至完井井段，結合儲層實際物性，確定射孔方位。采用加壓的方式，引爆射孔槍內的射孔彈，在目的層定向射開直徑10毫米，寬1毫米的孔眼。
          


          


          

          　　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，在井底產生高壓，致使孔眼產生二次裂縫，隨著壓裂液在裂縫中逐漸延伸，進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儲層中向外運移。從而能夠實現工業化開采。
          


          　　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構，更是能源保供給、降外需、創低碳的必然選擇，將來一定大有可為！
          



          
　　文章來源自《地球》雜志2021年第六期 有刪減 部分圖片來自圖蟲創意