文章轉(zhuǎn)載自“地球雜志”
頁(yè)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(yè)巖（可見(jiàn)黃鐵礦結(jié)核，指示強(qiáng)缺氧還原環(huán)境）
頁(yè)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(yè)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(kāi)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(lèi)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(xiě)了生命的樂(lè)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(lái)，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(zhǎng)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(lái)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(méi)有水流干擾，一層層的沉積物在漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闃O薄的頁(yè)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(yè)巖有機(jī)質(zhì)中（黑色）的微納米孔隙以及呈長(zhǎng)條狀的黏土礦物
對(duì)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(huì)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(chǔ)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(yè)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(yè)巖是具有自生自?xún)?chǔ)特征的烴源巖，頁(yè)巖既是生油氣層，又是儲(chǔ)集層。頁(yè)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(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)變化，通過(guò)腐殖化轉(zhuǎn)變?yōu)?strong toutiao-origin="span">干酪根，即石油和天然氣先驅(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(yè)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(guò)程，當(dāng)吸附氣量達(dá)到飽和狀態(tài)后，頁(yè)巖孔隙內(nèi)壓力、溫度逐漸升高，部分氣體也會(huì)逸散游離于頁(yè)巖的微裂縫中。一口頁(yè)巖氣井的壽命約為20~30年，主要由于當(dāng)游離氣開(kāi)采結(jié)束后，吸附氣的解吸是需要一定過(guò)程的，故穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)。
所有的頁(yè)巖都含氣嗎？
答案當(dāng)然是否定的。
首先，我們?cè)u(píng)價(jià)頁(yè)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(yè)巖，不同地點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量也千差萬(wàn)別。
頁(yè)巖氣井剖面示意圖
其次，對(duì)于不同層位的頁(yè)巖而言，其上覆和下伏地層的物性千差萬(wàn)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(guò)程中，由于深大斷裂在漫長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)逸散所剩無(wú)幾。
所以每一個(gè)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益的頁(yè)巖氣藏都是集天時(shí)地利為一體的幸運(yùn)者。
人類(lèi)的頁(yè)巖氣革命
關(guān)于黑色頁(yè)巖的記錄最早可以追溯到17世紀(jì)，但真正意義上頁(yè)巖氣商業(yè)化發(fā)展的開(kāi)端是在1821年，油氣學(xué)家Peebles（1980）在記錄中寫(xiě)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(chēng)為“燃燒泉”，并在附近鉆了27英尺深的氣井，后稱(chēng)之Dunkirk頁(yè)巖氣井，成為弗雷多尼亞鎮(zhèn)的照明系統(tǒng)”。
美國(guó)Dunkirk頁(yè)巖氣井
1926年，肯塔基州東部和西弗吉尼亞州的泥盆紀(jì)頁(yè)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(yè)巖區(qū)，成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采，同年美國(guó)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(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量大幅增加，達(dá)200億立方米；據(jù)美國(guó)能源信息署的最新數(shù)據(jù)，2018年美國(guó)頁(yè)巖氣總產(chǎn)量更是達(dá)到了驚人的6122億立方米，美國(guó)一躍成為全球頁(yè)巖氣第一大出口國(guó)。
相較于北美，中國(guó)的頁(yè)巖氣進(jìn)程雖然起步較晚，但在國(guó)家對(duì)于清潔能源的戰(zhàn)略政策支持下，國(guó)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(shì)。
我國(guó)南方的頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、昭通為主幾大頁(yè)巖開(kāi)采區(qū)塊。北方區(qū)，則以鄂爾多斯盆地為代表。
頁(yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)的革新
頁(yè)巖的滲透率極低，在自然狀態(tài)下無(wú)工業(yè)產(chǎn)能，在油氣開(kāi)發(fā)人員的鉆研之下，通過(guò)向儲(chǔ)層注射高壓流體，人工制造縫網(wǎng)，來(lái)達(dá)到工業(yè)化開(kāi)采的目的。目前開(kāi)采主要采用水平井+水力技術(shù)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)。
頁(yè)巖氣水力壓裂示意圖
首先通過(guò)區(qū)塊綜合評(píng)價(jià)，確定優(yōu)選井位，進(jìn)行垂直井的鉆探工作。當(dāng)多級(jí)套管垂直深度接近目標(biāo)儲(chǔ)層深度時(shí)開(kāi)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(yè)巖儲(chǔ)層中水平鉆進(jìn)。水平井極大地增加了井桶與儲(chǔ)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(chǔ)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(kāi)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(lái)使用地面高壓泵組，將超過(guò)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(duì)裂縫壁面起到支撐作用，致使氣體不斷從基質(zhì)儲(chǔ)層中向外運(yùn)移。從而能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化開(kāi)采。
總之，頁(yè)巖氣，作為一種高效的清潔能源，可有效改變我國(guó)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(lái)一定大有可為！
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