美国页岩气开发现状及对四川盆地页岩气开发的建议张家振张娟孙永兴戴强杜济明川庆钻探钻采技术研究院钻完井中心，广汉，618300；摘要：伴随着世界能源供需矛盾的加剧和美国页岩气商业性开发的巨大成功，全世界将目光不约而同的聚焦于页岩气开发。

四川盆地拥有潜力巨大的页岩气资源，且作为中国天然气的主要产区之一，加快页岩气的勘探开发及配套技术的研究和战略储备已迫在眉睫。

本文着重调研了美国几个主要页岩气藏的完井开发现状，对四川区块的页岩气勘探开发做了简要概述，并针对目前情况提出了几点建议。

页岩气是产出于暗色泥页岩或高碳页岩中的天然气资源，和煤层气、致密砂岩气藏一样属于非常规天然气范畴。

全球页岩气资源量巨大，据专家预测可能为常规天然气资源量的2倍，全世界的页岩气总资源量约为456×1012m3[1]。

页岩气藏储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气体的阻力比常规天然气大，采收率比常规天然气低，一般认为必须采用水平井钻探并进行大型水力压裂增产作业，或采用多分支井等其他技术增加井眼与气藏沟通面积才可获得商业油气流[2]。

1 美国页岩气资源美国本土48个州范围内页岩气藏的分布广泛，其中蕴藏的页岩气资源也非常丰富。

钻井和改造技术的进步为页岩气的商业开采做出了巨大贡献。

美国页岩气产量近几年内飞速增长，产气量由2006年的311×108m3增至2008年的507×108m3，2009年的900×108m3，预计2010年页岩气产量将占美国天然气产量的13%。

图1展示的是美国本土48州中富含天然气的高碳泥页岩分布范围。

图1美国页岩气藏分布范围美国页岩气藏的开采达到商业化依赖于以下三种因素的综合作用：水平井钻井技术的巨大进步、水力压裂技术的极大成熟、近年来天然气价格的快速增长。

其中，水力压裂技术的进步对页岩气商业开采起到了至关重要的作用。

前两项技术的贡献使得许多之前无法开采的天然气资源实现了商业性开发。

Navigant咨询公司的调查数据表明，近几年Barnett页岩气藏等较早开采的页岩气藏页岩气开发获得了巨大成功：Barnett页岩气产量从1998年的266×104m3/天增长到2007年的0.85×108m3/天，增长率超过3000%；同时，Fayetteville页岩、Haynesville页岩、Woodford页岩和Marcellus页岩均表现出了相似的增长势头。

该公司对生产商的调研结果显示预期页岩气产业在未来将会有持续且高速的增长。

据预测美国南部7大页岩气藏在下一个十年里持续产量保守估计在7.65~11.04×108m3/d，有可能占到美国天然气产量的一半左右[3]。

美国的页岩气藏的分布超过20个州至少21个页岩气盆地，资源量巨大。

至2008年7月，已经产气的页岩气藏达到5个，即Antrim 、Barnett 、Devonian 、Fayetteville 及Woodford 组页岩；逐渐得到重视并有望近期商业开采的有2个，即Haynesville 和Marcellus 页岩气藏[3]。

表1 美国主要页岩气藏关键参数及技术指标[4]页岩气盆地 BarnettFayetteville Haynesville Marcellus Woodford Antrim NewAlbany预计面积（104km2） 1.295 2.331 2.331 2.4605 2.849 3.108 4.350 深度（m ） 1981~2591 305~2134 3200~4115 1219~25911829~3353 183~671 152~610净厚（m ） 30~190 5~60 61~92 15~61 36~61 21~37 15~31 距底水的深度（m ） 36515212225912291122产层顶到底水厚（m ） 1615~2225 152~1981 3078~3993 648~2332 1707~3231 91~579 30~488 总孔隙度（%） 4.0~5.0 2.0~8.0 8.0~9.0 10.03.0~9.09.010.0~14.0TOC （%） 4.5 4.0~9.8 0.5~4.0 3.0~12.0 1.0~14.0 1.0~20.0 1.0~25.0 产水量（m 3/d ） 无 无 无 无 无 0.8~79.5 0.8~79.5 气含量（m 3/t ） 8.5~10 1.7~6.2 2.8~9.4 1.7~2.8 5.7~8.5 1.1~2.8 1.1~2.3 单井控制面积（ha ） 24~65 32~65 16~227 16~65 259 16~65 32 地质储量（1012m 3） 9.26 1.47 20.30 42.48 0.65 2.15 4.53 可采储量（1012m 3）1.251.187.117.420.320.570.54表1中给出了美国7个主要页岩气藏的主要参数，表中纵向展示了气藏特征的关键参数和横向对比了各气藏的技术指标，随着新技术的发展和革新，一些以前被认为商业价值小的页岩气藏已经逐渐被重视和重新评估，页岩气产量的估计特别是技术可采储量也将随之不断变化。

图2美国各页岩气藏气产量 图3美国各页岩气藏气产量及预测2美国主要页岩气区块开发现状对于页岩气区块，首先开展直井的钻井、完井和测试，在Haynesville 盆地，为了取得目标资料钻了很多口直井，但这些井都未长期生产。

在当前及将来估计所有的页岩气区块的开发都会采用水平井、多分支水平井或PAD （丛式水平井）。

自2000年开始，多家施工商着手通过水平井的钻完井来提高页岩气井的产能。

综合考虑Barnett盆地、Woodford 盆地等作业区直井钻完井成本及大多数井的最终产气量等因素，行业内开始趋向使用水平井钻井技术来提高气产量和采收率。

现在已经认识到水平井钻井是页岩气藏开发的最大进步之一。

页岩气水平井最大的挑战是选择最好的完井方式。

目前整个行业还在研究页岩气水平井水平段在储层中的位置设计及套管尺寸的选择等问题。

依常规经验，大多数的施工商将水平段设计在页岩层的中部或相对靠近中部位置。

2.1 Antrim 页岩 Antrim 页岩位于Michigan 盆地南半岛的北部，是一套晚泥盆系页岩。

该页岩地层上部为泥岩，下部为灰岩，平均埋深183~674m （与煤层气特征相似）。

Antrim 页岩的延展面积约为48.56km 3，具有以下不同于其他页岩气藏的特点：埋深浅；平均层厚小（净层厚21~37m ）；出水量大（0.8~79.5m 3/d/井）[5]。

含气量为1.13~2.83m 3/t ，预计资源量2.15×1012m 3，技术可采储量0.57×1012m 3。

Antrim页岩气藏是美国最早投入天然气生产的页岩气藏，于1926年开始采气。

第一口页岩气直井只钻到了Lachine组，采用裸眼完井。

当时认为Traverse层为产水层，所以没有钻至Traverse层。

随着数据的增加，现在普遍认为地层水分布在页岩裂缝中，所以有必要加深钻井至Traverse层以增加储量。

大部分的井都采用分级水力压裂增产改造，一般分为2到5级，现在主要采用氮气泡沫作为携砂液，每口井的支撑剂大概用20/40目支撑砂10~25t。

照这样的完井设计估计，一口Antrim页岩气直井的成本在20~70万美元之间。

图4为Drake 模拟Antrim页岩气直井的单井产量示意图。

图4 Antrim页岩直井气产量（Drake 2007）图5 Barrret页岩气直井产量示意图（Pickering 2009）Antrim盆地是这五个盆地唯一没有广泛采用水平井的，其中三个原因导致了这一结果。

第一，由于这一区块页岩层埋深浅，钻直井的成本小，一口直井的钻完井成本只需35万美元左右。

而采用水平井钻完井的成本将是直井的2倍；第二，Antrim页岩气藏的底层压力很低（400psi），水平井井壁稳定存在问题。

第三个原因是地层产水，所有这个区块的气井不能长期开采，大多数的井排水效果差，在建井周期前期即出现水淹。

2.2Barnett页岩Barnett页岩位于德州中北部的Fort Worth盆地，是深度1981~2591m的密西西比系页岩地层，上下均为石灰岩地层。

截止2009年该地区已有超过12000口油气井，是美国最主要的页岩气藏带[6-7]。

伴随着Barnett页岩开发的是水平钻井和大型水力压裂措施技术的高效联合。

钻井作业仍在将Barnett页岩气藏的边界向外推移，同时，作业已逐渐转向加密井钻探从而增加天然气的产量[8]。

Barnett页岩气藏的范围大约为20.24km2，厚度约30~190m。

对于该地区原地天然气资源量的估计最初在9.26×1012m3，技术可采储量在 1.25×1012m3。

Barnett页岩的天然气含量在每吨岩石8.5~10m3，在美国各主要页岩气藏中为最高。

Texas州Barnett页岩气藏的开采在世界页岩气总产量中占据主导地位，2008年页岩气产量占世界页岩气总产量的50%以上。

上世纪80年代，Barnett盆地仅有100口直井完钻，在这期间，一口井的压裂一般要用757m3的交联凝胶液和大概136t 的20/40目的支撑砂。

采用这样的压裂设计，这些井平均产气量能达到1.7~2.0×104m3/d。

Martineau在2003年即预测这个年代末压裂用交联凝胶液将达到4000 m3，支撑450 t，并预计通过微裂纹改造，单井产能将翻番。

上世纪90年代，Barnett盆地共完钻井超过2000口，这一增长变化主要源于，压裂改造设计的变化。

很多的作业者不再使用交联胶凝液，而改用降阻水作为压裂液，同时将支撑剂的用量减少的45t，这样在产量不变的情况下，单井成本也要降低30%。

随着钻井活动在Barnett盆地的加快发展，施工商开始将注意力转入通过提高压裂效果来增加产能。

首先开始应用氮气压裂，后来甚至发展到用465m3CO2泡沫加85tOttawa砂作为支撑剂进行压裂。

20世纪90年代早期最成功和应用最广的增产改造是采用117m3降阻水加20/40目Ottawa砂43t进行压裂。

运用这种完井方式Barnett盆地直井的平均成本约100万美元左右。

图5为1999~2003年直井生产示意图。

从图5可以看出连续的5年里所钻直井的产能衰减趋势变化不大，变化较大的是平均单井产能。

2000年所钻井的平均单井产能和衰减曲线是5年终表现最好的。

2000年以后所钻直井的单井产量降低的原因是储层开始衰减，且采用的是微裂纹压裂。

尽管从图上看单井产能下降，但采用这种方式钻完井节省的成本可用于在区块上加密钻井，从而获得气田的更大储层资源量。