从页岩气聊起（0）

木不铎

6 Z# c$ w3 j- e; i7 p# a
     河里的（这儿应该说是坛子里的）不爱吱声曾经写过一篇《从页岩气开采说开来》。在页岩气勘探开发方面，不爱吱声应该是行家里手，而俺则连初窥门径都算不上，不过是因为工作原因，接触到一些东西。当初本想偷个懒，等不爱吱声写完他的大作，自己顶多敲点边鼓就成了。可因为种种原因，他的这个帖子只起了一个头，就断了，而人也渐渐淡出西西河。现如今，已经过去一年半载，那俺就接过这个接力棒，正好也整理一下学习笔记，捋一捋自己的思路，所谓“学而不思则罔，思而不学则殆”。

: m, p2 ^0 g. H' n1 n5 ]     文中的主要信息来源为美国能源信息局（http://www.eia.gov）和美国地质调查局（http://www.usgs.gov），以及一些内部技术网站。
6 I% `4 U. d6 j/ V
& c6 w1 m3 }  l( n( L      老规矩，信马游缰，写哪儿算哪儿，河（坛）里的同行及专业人士，还望不吝赐教则个。
- X7 O. I* A' a+ ]# u9 v
(注：原帖于2012年9月发在西西河及某内部BBS）

thaitsing

不爱吱声 发表于 2013-10-20 09:10
使用炸药可不是实在采不出来的时候采用的，恰恰相反，常规开采就是使用的高能炸药。

不过，炸药可绝对不 ...

致密油气也需要射孔吧？主流射孔工艺是？和常规的有区别么？

偶然

牌牌 发表于 2013-10-19 23:06
关于压裂污染的话题有一个想法与不爱商榷
' V3 h$ f" [( r$ X/ T' R俺觉得吧，压裂液不可能做到100%返排，必然会有部分残留在地层 ...

其实目前注入到地层的水个人觉得污染不是问题，因为离地表水系太远。如果地表水系都侵入页岩气甜层了的话，虽然是自生自储，但如果气体没有封盖条件自然不能成藏了。反倒是返排液的处理，如果管理不恰当，或者以后小公司不愿意支付环境成本随便排放，估计会造成很大的污染。滑溜水肉眼是看不出来和普通水有啥区别的

偶然

不爱吱声 发表于 2013-10-19 07:56
传统上，页岩确实不认为是储集岩（Reservoir Rock），但是由于现在非常规的开采技术可以把气和油从页岩中 ...

! o) g3 g+ H9 a) }虽然页岩气属于自生自储，但也有特例，某地海相页岩孔渗条件比常规的都好。只要附近没有通天断层，盖层条件、保存条件好的话1口井日产十几万方都没问题。
而且，从页岩气的概念来说，游离气只是初期高产的保证，后期稳产还得靠吸附气的解析，这些吸附气还是属于干酪根、有机质吸附的，所以我觉得目前的储层概念应该是人工改造后的储层概念了。整个就是人工气藏

木不铎

njyd 发表于 2013-10-20 21:41
这图里面红线是输气管吗？
4 C- D9 N0 `7 T2 j7 C9 L* v俺插队的地方就处于鄂尔多斯盆地（从地形上看是高原）中心，那里已经是中国最 ...

对，红线是天然气输气管道

njyd

木不铎 发表于 2013-10-19 07:37
根据已有的勘探结果，中国的页岩气储量高居全球之冠，拥有的可开发储量有36万亿立方米，为常规天然气储量（ ...

2 v- B& @8 ~# k& w7 ^4 T: [这图里面红线是输气管吗？
俺插队的地方就处于鄂尔多斯盆地（从地形上看是高原）中心，那里已经是中国最大的已开发气田，气井间距不到一千米。气田的命名就是用的紧挨我们队的一个地名。

燃烧的冰块

2 J$ b0 u: @) n单井产量递减太快是个问题，为了维持产量稳定就只能猛打井。记得看见过一个数据是美国2011年一年的页岩油/气钻井数是11000多口。何况，国内地质条件比美国更复杂，压裂难度更大。

大地窝铺

喜欢看这样图文并茂的，标记一下慢慢看。

lianpb

不爱吱声 发表于 2013-10-20 09:10
+ y) O/ l( a" A/ ]使用炸药可不是实在采不出来的时候采用的，恰恰相反，常规开采就是使用的高能炸药。
' g& n* G% A* u1 F9 o8 H, y0 b
5 b( a7 o& I" {不过，炸药可绝对不 ...

# l' A+ r' [; u+ S水平井技术上如何实现？

不爱吱声

隧道 发表于 2013-10-19 12:32
* P$ s( n4 o/ Q( X" [  L能用的招都用了，最后实在采不出来的时候，可不可以沿途放炸药？
逐个地方炸一下，把这些页岩弄得更碎些 ...

. I# {) T0 C- n- M  Q( i  b使用炸药可不是实在采不出来的时候采用的，恰恰相反，常规开采就是使用的高能炸药。
. c, @; Z' \3 G8 h  P( v
不过，炸药可绝对不能简单的沿途炸一下，把岩石弄得更碎些。
. s$ n1 I1 J& _2 b* P" H因为
. [* e5 X  \' J- W$ e+ |# u0 a1 R; f* M1。井直径不大，不可能用很多炸药
2。如果直接用炸药炸岩石，是非常可怕的事情，这样会把井炸塌。具体说来，一般开采方式井下是要用钢管套管封井的，这叫cased hole completion,这种方式下用炸药只会把钢管炸坏。
现在还有一种完井方式叫open hole completion, 这种常见于水平井，对于比较致密的坚硬的岩石是可以不用套管封井，岩石本身强度够大，可以保证油气出来后，岩石也不会塌。但是即便对于岩石裸露的open hole,用炸药直接炸也只是把事情搞得更糟。
7 Q2 W% V) u7 P- Q
因为，不管什么岩石，空隙率和渗透率高才好，什么情况下空隙率高呢？其实是岩石颗粒（grain size)越大越好,
看这张图
8 \1 }1 I- u- t# v" h+ `
很直观吧，上面的鹅卵石(gravel)石子很大，彼此之间的空隙就很大，下面的致密沙石（fine sand)，很明显直观上就很密实，设想如果石油和天然气存在于两种不同石子的缝隙中，当然是存在于鹅卵石的比致密沙石更通畅一些，更容易逃逸出来。
这样，如果你把岩石通过炸药弄得更碎些，就会导致岩石的孔隙率和渗透率降低，所以我说会把事情搞得更糟。
# S5 o3 g" g. d& n5 A' t6 z3 Z
5 [6 ?- S. X+ D1 f1 d但是人们在常规开采中还是使用炸药的，那就是采用空腔聚能器，射孔的方式。
关于空腔聚能器，我恰好在写相关的科普，这里顺便做个广告。
7 I$ e8 g' m- [" d  B0 L见[趣味力学] 空腔聚能与金属射流(一)
http://www.aswetalk.org/bbs/thread-11835-1-1.html
9 \9 r5 Q' L& L
真正射孔枪是这个样子的

  r0 r. W# {4 ~, q( K% W. @
, @5 N- Q. |+ \工作原理是这样的

( b9 e& j+ Y0 L9 u6 B. w# K
这就是常规开采中最常用的射孔方式，perforating.成本比较低，效率非常高。
1 e" G! L, O' f9 b+ u1 @7 `0 O
, L% [3 H" N2 s6 n% T3 E但是，对于页岩就不管用了。因为页岩空隙率太低，单独射孔是不够的。射孔一般穿深不会超过半米，半米的深度，给致密的页岩增加的空隙率还远远不到可以实现开采的出油率或者出气率的标准。

' p' g0 F2 Z7 \; x6 x这就需要压裂+水平井了，因为只要压裂+水平井才能最大限度增加空隙率。

一条水平井也已千米甚至几千米长度，而最常用的水平井分段压裂，一条井可以分成十几段甚至几十段，每一段裂缝长度都可以几百米，这样出来的空隙体积率才足够。想想水平井+压裂技术形成的开采区上千立方米的范围的人工空隙，比较传统射孔方式只能沿井一米以内见方的人工空隙，这不是一个量级的概念。

! \( A1 z' Z3 ^9 t水平井+压裂示意图


& |! V5 n: x' X3 r% o可惜水平井+压裂比较常规射孔开采方式成本高太多了，对于地质成像测量技术以及相应钻井完井技术要求也高太多了，因此根据目前情况，除略估算，只有天然气价高于＄5/McF才可以实现营利。

隧道

牌牌 发表于 2013-10-19 22:56
# Z# V6 i  a$ J1 X+ }是的，水平井和压裂作业的本质是增加接触面积/泄流体积

: o+ T2 b; T7 \& r能用的招都用了，最后实在采不出来的时候，可不可以沿途放炸药？
2 ]1 x" d: Y8 Z- ~0 I' W( n$ R逐个地方炸一下，把这些页岩弄得更碎些。。。。

不爱吱声

牌牌 发表于 2013-10-19 09:06
: z. I( p) C8 m" k5 v5 y* {关于压裂污染的话题有一个想法与不爱商榷
5 ?1 N0 m  s( R1 w0 }  U俺觉得吧，压裂液不可能做到100%返排，必然会有部分残留在地层 ...

7 ~$ ~2 \! ]" N8 E$ M7 i" V美国页岩几百米埋深的极其稀少，大多上千米。中国是几千米。

) i5 ^. z3 `) \& H) A% o& i9 d目前美国有确凿证据证明压裂液污染地下水的据我所知还没有。

牌牌

不爱吱声 发表于 2013-10-19 08:17
6 R3 z9 U/ J: j3 F3 v环保部分给你扣一分。其实你写的算是公允了。

4 j* {( T& G% Q- T# D" I1 v) q' A$ L关于压裂污染的话题有一个想法与不爱商榷
俺觉得吧，压裂液不可能做到100%返排，必然会有部分残留在地层中的造成污染，美国的页岩气资源一般埋藏较浅，印象中也就150-300米的样子，与地下水层的距离比较近，确实有可能会比较容易造成地下水污染。
而中国的页岩气埋藏较深，一般都大几百米上千米，距离地下水层较远，相对而言造成地下水污染的可能性会小得多。
- u; g$ ~% f6 j8 x不知道这种看法是否有道理，望不爱指正。

牌牌

6 i6 V' s" L, F" ?; n: G

不爱吱声 发表于 2013-10-19 07:06
唯一的瑕疵就是页岩是空隙率低，渗透率低因此采用常规手段无法开采，但将气采出来却不是靠增加压力挤出来 ...

" A+ K3 X# e9 }" I
是的，水平井和压裂作业的本质是增加接触面积/泄流体积
1 g+ P- E' ^  g* _  ~

不爱吱声

: m( [+ A) G+ k* @

木不铎 发表于 2013-10-18 17:44
前文说到页岩气的开发技术时，提及两项关键技术，其中之一就是“Slick-Water Fracturing（油水劈裂）”。这 ...

: S! h5 z. ?, c6 M+ K5 @) _
: t0 U6 W$ ]9 p' q0 B7 F环保部分给你扣一分。其实你写的算是公允了。

! o3 |# L3 C5 c3 |( J
不过你贴的这张图是让油工们比较郁闷+恶心的图之一。那是美国好莱坞一个导演制造出来的。
, f, }: ^$ `( |# o) W
$ R  X( p8 U: `4 Y# [那是科罗拉多某农家发现自己水井中有天然气，点火甚至可以燃烧。然后她家不远处不久前有一口页岩气井，导演就暗示是页岩气开采的问题。

彻底的调查后发现导演根本就是故意拍电影制造恐怖。
# y7 S$ i# W) ]3 j6 v6 [
因为，那家的水井正好穿越了煤层，那些天然气是煤层产生的。当地水井有天然气的报告早在页岩气井之前就有了。另外，对于水井中天然气成分检测报告表明，水井中的天然气是生物成气，而页岩气是深埋地下上千米的，都是热成气，生物成气正好说明是地表煤层出来的天然气，而不是页岩气井泄露导致的。
% y7 \. P5 Q0 x
此外，天然气是无色无味无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸性气体，是较为安全的燃气。你喝进去最多打个嗝放个屁就出来了，制造恐慌的导演实在是可恶。

不爱吱声

木不铎 发表于 2013-10-18 17:41
页岩气的形成，是因为页岩的孔隙度非常小，一旦天然气进入页岩里，就原地踏步。既然天然气可以这样，那么流 ...

' I) t7 t9 u' Z3 l* ]0 Z" Z油页岩出油要蒸石头，蒸完的石头残渣很难处理，而且油质也不好，污染问题非常严重，不像页岩气开采完后地表就一个出气口，只要保证开采及运输过程不泄漏，施工安全，加上排炭量相对低，总体至少比煤炭要环保很多，因此页岩气更值得大力推广。
* x. O3 n8 {& H$ \0 c7 m( D
致密油则与页岩气类似使用非常规手段开采出来的油质也不错，因此tight oil也是应该发展，美国现在tight oil产量越来越高了。

不爱吱声

存疑。因为一些中文及英文书上也有把页岩也列为储集岩的一种，我想是指那种存在节理或者裂隙的页岩。

( f0 r& _  z2 `, o5 Z9 m" W+ L
1 ]& H1 v# c  \4 h! s: b7 b传统上，页岩确实不认为是储集岩（Reservoir Rock），但是由于现在非常规的开采技术可以把气和油从页岩中开采出来，因此认为页岩也是储集岩（Reservoir Rock）也算是与时俱进的说法了

不爱吱声

  V. o+ s( z! m) j2 v& c3 f+ }

木不铎 发表于 2013-10-18 17:35
" f1 q0 _! S8 Q( Z《千字文》中有一句词----“孔怀兄弟，同气连枝”，页岩气也是有兄弟的。与常规天然气资源相对，还存在一个 ...

4 C* [3 Z- D7 S! ~4 @5 V砂岩（Sandstone）和石灰岩（Limestone）原本都是最好的储集岩（Reservoir Rock），但是碰巧有些空隙率和渗透率很小用常规方法开采不出来附着的气体，所以就需要压裂了，这种致密的岩石（非页岩）出来的气就是tight gas.

顺便说一句，你在（1）中说页岩是储集岩（Reservoir Rock）的候选是不准确的，应该是砂岩（Sandstone）和石灰岩（Limestone）。页岩是烃源岩（Source Rock）。


  ?6 S9 E1 |2 d, s+ n0 f1 w这张图是各种岩石特性的对比

木不铎

前文说到页岩气的开发技术时，提及两项关键技术，其中之一就是“Slick-Water Fracturing（油水劈裂）”。这项技术就是通过钻孔向地下的页岩岩层注入混入砂体和化合物的高压流体，从而劈裂岩体，使页岩中存储的天然气能够通过裂隙沿钻孔喷涌出来。这一技术带来了页岩气工业的革命，一定程度上有效地缓解了能源供应的问题，但它也不可避免地带来了副作用即对周边环境产生了一定程度的污染，现分述如下：

! l0 V4 q' o- X  E2 p7 O* a2 L地下水污染
, A' t9 r9 T4 @/ Y1 `# z  t
( U5 E( c5 J% l5 n由于进行劈裂的高压流体并非纯粹的水，为了增强劈裂效果，里面加入了化合物和砂体，而这种流体有可能会污染了当地的地下水系统，没有谁胆敢饮用含有这种东西的水。另外，开采过程中，会有逃逸天然气的污染啊水源，达到一定浓度后，遇火就能爆炸。就这些问题，美国环境保护局（EPA）和几所大学展开了相关研究，发现在一些气井附近的地下水中甲烷（天然气的主要成分）含量异常高，而且也发现了用于劈裂的流体化合物。但同时，也有学者撰文指出，在很多页岩气采集地区，并没有发现有明显的变化。


- ?" b6 j3 G( a7 b5 p
) g, D. E. \# ^空气污染
* j& J/ H. J* n/ |  g
页岩气的主要成分为易燃的甲烷，还同时含有带有毒性的其它气体，例如硫化氢。在开采过程中，难免会有页岩气逃逸，进入大气中。根据康纳尔大学R.W. Howarth教授的统计，约有3.6～7.9%的页岩气逃逸，这一比例比常规天然气开采要高出30%至100%。在这种情况下，页岩气开采所产生的温室气体要比开采同样油当量的煤还要高。但就这个问题，Howarth教授的同校同事却在研究相同数据的基础上，提出了异议，认为他过高估计了逃逸的页岩气比例。在怀俄明州，一些居住在页岩气井附近的居民经常抱怨有头疼鼻塞呕吐的问题，就此展开的病理学研究报告给出了一份含糊不清的报告----“这可能说明或者排除在这些抱怨和劈裂作业之间并非存在什么联系（that might confirm or rule out any connection between these complaints and fracking are virtually non-existent.）”
7 w! j  x. @. x5 I9 b, G
2 c% @" t0 d  B, x放射性污染

5 Y6 h: r" T0 Z: k8 n" @& z/ }+ Q2012年2月22日，纽约时报上发表了一篇题为“法纪松弛----天然气井的污水进入了河流（Regulation Lax as Gas Wells’Tainted Water Hits Rivers）”文章，四天之后的2月26日，又发表了一篇题为“天然气井的有毒污染（Toxic Contamination From Natural Gas Wells）”对宾夕法尼亚州的页岩气工业引起的发射线污染进行了曝光。在这些报道中，记者指出在宾州的179口深气井中有116口的反射性检测超标，而且发射性物质已经进入了水源区，引起了当地居民各种不良反应。但宾州的环保部门则指出记者的说法是建立在非常片面的数据基础上的，根据他们的测量，气井区域的发射性水平并未与该州其它地区有啥区别，甚至有的还要低一些。
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& A0 T# R: B* h( Y9 p7 U

  [# v4 S; q* X( ]. i1 _地震
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记得当年读地质学的时候，老师谈道：“水是大自然最好的润滑剂”。例如，降雨引起的山体滑坡数不胜数，而一旦足量的水进入了本身比较活跃的断层地带，可能会导致或者加速断层的错动，从而引发地震。因为劈裂作业的目的就是为了增加裂隙，而地下气藏的开发，也会影响到地下应力平衡状态的稳定，如果作业区位于断裂地带，一般都会引起一系列微震，但绝大多数此类地震震级非常之小（Mw < -1.6级），对人们的生活所带来的影响可以忽略不计。但是，这并不意味着由此引发的所有地震都会是这种微震。2010年3月，油气工业界的权威学术期刊《前沿（The Leading Eage）》上发表了MIT的Jenny Suckale的一篇文章----“油气生产所引发的中强度地震（Moderate-to-large seismicity induced by hydrocarbon production）”，在文中，作者就70个地震事件做了分析，这其中美国（主要是分布在德克萨斯州的气田）有30个，荷兰有16个。但最终，作者指出还需要更多的观测数据才能做出确定性的结论。
, I2 ]* @3 T+ Y) h8 r
去年四、五月间，在英国的布拉克普（Blackpool）发生了两次地震，分别为里氏2.3级和1.5级，均与当地的页岩气开采作业有关。这两次地震虽然震级很小，但在这个一向自诩与地震海啸绝缘的岛国引起了很大的震动。环保组织、社会团体纷纷揭竿而起，群起反对页岩气工业。也是，有谁希望自家后院有座火山呢？尽管这种可能性微乎其微。
, d+ }/ q4 a$ l9 m) T/ i7 t
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环境保护与能源工业就像是一对剪不断理还乱的冤家，但它们之间并非是那种非此即彼你死我活的关系。人类要进步要发展，就离不开能源工业，没有了石油和天然气，现在的人类将寸步难行；但是，如果一味向地球母亲索取资源，而不知道保护，人类将要走上的也必是一条自我毁灭之路。怎么办呢？也许，还是得取老祖宗的“中庸之道”。

（全文完）

木不铎

页岩气的形成，是因为页岩的孔隙度非常小，一旦天然气进入页岩里，就原地踏步。既然天然气可以这样，那么流动性比气体要差的原油为什么就不可以呢？自然界可是没有“只许州官放火，不许百姓点灯”这种混帐事儿。

1 X2 _9 S7 L4 ~9 p/ s$ R+ y

% S% H0 V/ m4 R; j至于这种滞塞在页岩中的原油也就是页岩油（Shale Oil），也被称为“干酪根油（Kerogen Oil）”或者“油页岩油（Oil Shale Oil）”，而存储原油的这种页岩就是油页岩（Oil Shale）。早在公元10世纪，阿拉伯医学家Masawaih al-Mardini就在自己的书中记录了如何从这种油页岩中提取油，关于页岩油提取的第一份专利技术是由三个英国人在1684年获得的，而欧洲工程师似乎对页岩油一向偏爱有加，19世纪中叶，工业革命时期，就有较为成熟的页岩油提炼技术，例如英国工程师亚历山大·柯克（Alexander C. Kirk：1830～1892）就设计利用蒸馏方法提取页岩油的高炉。



油页岩在世界各大洲都有发现，但品质差异比较大。据世界能源署（World Energy Council）2010年底的数据，保守估计的可采的页岩油储量在4.8万亿桶左右。其中第一大户美国为3.7万亿桶，其次为中国，为3544亿桶，俄罗斯排第三，为2480亿桶。需要注意的一点是，除了美国，其余各国，包括中国在内，勘探的力度很小，或许大家觉得没那么紧迫吧。（唉，为啥山姆大叔总是能引领时代潮流呢？）
7 ^( y. [' P8 d1 s# z( T' a


4 Y+ t8 R/ ^3 |2 y% `$ m6 h中国的油页岩主产地为辽宁抚顺和广东茂名，小鬼子霸占东北期间，中国的页岩油产量曾经是世界第一，而生产的油相当一部分被注入了小鬼子的战争机器。1949年以后，新中国在很长一段时期一直戴着贫油国的小帽子，而国内的页岩油生产在1960年达到了顶峰，其重要性随着大庆、胜利等大型油田的发现方逐渐降低。世界的页岩油生产在1979～1980年达到顶峰，油页岩年开采量约为4800万吨，若按1吨油页岩可以提取100升油计算，当年页岩油产量为430万吨，即3220万桶，仅相当于当年世界原油日产量（约6300万桶）的一半多一点而。之后，逐步下降，2000年以后，才缓慢上升，目前约80%的油页岩是爱沙尼亚开采的，主要用于发电。根据按世界能源署的2008年的数据，页岩油生产的第一大国为中国，日产7600桶，其次为爱沙尼的亚6300桶和巴西的3800桶，而米国和俄罗斯的数据为零，总体聊胜于无。
7 r- u% d: @! F% }& \! f
5 m. w- x6 Y7 F" T( d) ?$ G

  |6 p3 t* @% ?8 ~: E3 }油页岩的开采方技术一般有热裂解（Pyrolysis）、氢化（Hydrogenation）或者热溶解（Thermal Dissolution）三种。如果按照开采地点分，有两种，即原地（In Situ）开采和异地（Ex Situ）开采。原地开采，通常是向地下注入热流体或者气体，将油从页岩出“挤”出来，然后再打竖井进行抽取，典型代表是CCR方法，参见下图：
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8 l/ \  H* [4 c0 N  K

6 K/ Z, q$ x2 R: R) x而异地开采，就是把油页岩挖出来，然后送到处理工厂，最后再提取原油。最简单的法子，就是干脆就当煤一样，扔进炉子里，烧了发电，比如油页岩开采第一大户爱沙尼亚就是这么干的。

- I# g3 v% P' h页岩油的开采方式目前存在很大的问题，一是生产成本过大，二是污染比较重。

9 f' G7 h: u: V5 }和页岩油类似，有致密气，就有存储在砂岩这类岩石中的致密油（Tight Oil）。因为砂岩的孔隙度比页岩要大，虽然油的品质要差一些，但相对开采要容易一些，成本也略低，米国的致密油产量在2011年5月时已经达到了日产近90万桶的水平。
8 M6 \; g0 U6 O2 |$ Q2 [: K# i: E
( o) C0 E# p* ^, `- Q& P

其实，页岩油以及致密油都属于非常规石油资源。相对于常规石油而言，非常规石油储量为其二倍以上。



随着常规石油资源的逐渐枯竭，以及生产技术的不断进步，非常规石油资源早晚会唱主角，但开发的时候千万不要忘记环境保护。