页岩气地应力方面研究论文

薛华庆 王红岩 郑德温 方朝合 闫 刚

（中国石油勘探开发研究廊坊分院新能源研究所，河北廊坊 065007）

摘 要：我国油页岩资源量为11602×108t，其中埋藏深度在500～1500m的油页岩资源量为6813×108t，原位开采技术是开发该部分资源的有效手段。我国油页岩原位开采技术处于起步阶段，已经完成了不同温度 下油页岩微观孔隙和渗透变化规律研究，电加热和蒸汽加热原位开采室内模拟实验和数值模拟研究等。研究 表明，电加热和蒸汽加热开采方式都具有可行性。设计了电加热器、注蒸汽井、生产井，为油页岩原位开采 现场试验提供技术支撑。

关键词：油页岩；原位开采；电加热；蒸汽加热

The Key Technique of Oil Shale In-situ Conversion Process

Xue Huaqing，Wang Hongyan，Zhen Dewen，Fang Chaohe，Yan Gang

（New Energy Department，Petrochina Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development-Langng，Langfang 065007，Hebei，China）

Abstract：The oil shale resources，bury in 500-1000m，are about trillion tones in China，which count for 59％ of total resources and only are developed by in-situ conversion in-situ conversion process are still in infancy in regularity of oil shale micropores and permeability were studied in different temperature，the simulated experiment and numerical simulation were also respectively investigated in electrical heating and steam heating method of in-situ conversion a result，both methods are electrical heating well，injection steam well and producer well were designed，which provide the technique support for field test.

Key words：oil shale，in-situ conversion process，electrical heating，steam heating

引言

油页岩（又称油母页岩）是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，其有机物主要为干酪根。在隔 绝空气或氧气的情况下，被加热至400～500℃，油页岩中的干酪根可热解，产生页岩油、干馏气、固 体含碳残渣及少量的热解水。目前油页岩开发的主要有两种方式：原位开采和地面干馏。原位开采是指 埋藏于地下的油页岩不经开采，直接在地下设法加热干馏，地下页岩分解，生产页岩油气被导至地面。地面干馏则是指油页岩经露天开采或井下开采，送至地面，经破碎筛分至所需粒度或块度，进入干馏炉 内加热干馏，生成页岩油气及页岩半焦或页岩灰渣。与地面干馏相比，原位开采具有节省露天开采费用 和降低地面植被破坏程度，占地面积少等优点［1］。

中国油页岩资源储量非常丰富。2004～2006年新一轮全国油气资源评估结果显示［2，3］，全国油页 岩资源为×108t，折算成页岩油资源×108t，其中埋深500～1000m的油页岩资源量占全国 的36％。该部分资源无法用成熟的地面干馏工艺进行开发，只有通过原位开采工艺才能得到有效的开 发和利用。目前，国际上油页岩原位开采技术研究大部分都处于实验研究阶段，只有壳牌公司开展了现 场试验［4］。我国油页岩原位开采还处于起步阶段。在国家重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目 18“页岩油有效开采关键技术” 的支撑下，研发了多台（套）油页岩原位开采模拟实验装备，开展了 油页岩微观孔隙变化、物理模拟实验和开采数值模拟研究等，沉淀了一批科研成果，为我国油页岩原位 开采技术研究奠定了基础。

1 国内外原位开采技术

国内外油页岩原位开采技术种类较多，根据传热方式不同可分为三种类型：直接传导加热、对流加 热和辐射加热［5］，详见表1。

表1 国内外油页岩原位开采技术

开展油页岩原位开采直接传导加热研究的单位主要有4家，加热载体包括电加热棒、导电介质、 燃料电池等。壳牌公司的ICP技术（In-situ Conversion Process）是直接将电加热棒插入井内，对地下 油页岩矿层进行加热，目前正在进行第二代电热棒（三元复合电加热棒）的现场试验研究［4，6］。埃 克森美孚公司的ElectrofracTM技术是指对地下页岩层进行水力压裂造缝，将导电介质（如煅烧后的 石油焦炭）注入裂缝中，通电后导电介质成为加热体，该公司正在考虑进行现场试验［7］。美国独立 能源公司（Independent Energy Partners）的GFC技术（Geothermic Fuel Cell）是利用地热能持续为燃 料电池反应堆提供能量，反应堆放热来加热页岩层，油页岩热解生产的液态烃类和气体从生产井排 出，部分气体和其它剩余的烃类物质返回燃料电池反应堆［7］。EGL能源公司（EGL Resources）是将 高温空气注入到封闭循环管道中，通过被加热的管道对地下页岩层加热，因此也归属于直接传导 加热［8］。

开展油页岩原位开采对流加热研究的单位主要有4家，加热载体主要为高温水蒸气、二氧化碳、空 气、烃类气体等。太原理工大学的水蒸气加热技术是通过常规油气开采中的水力压裂对页岩层造缝后，将高温水蒸气注入页岩层中加热，同时高温流体将热解产生的页岩油和烃类气体携带至生产井［9］。雪 弗龙公司的CRUSH技术［7，10］也是利用压裂技术对页岩层进行改造，提高裂缝发育程度，其中压裂液为 二氧化碳，然后将压缩后的高温空气注入加热井中对页岩层加热。美国地球科学探索公司（Earth Search Sciences）方法是将空气在地表的锅炉中预热后注入井下，对油页岩中干酪根进行气化［7］。美国 西山能源公司（Mountain West Energy）的IGE技术（In-Situ Gas Extraction）是将高温天然气注入目标 页岩层中，通过对流方式来加热页岩层［7］。

开展油页岩原位开采辐射加热研究的单位主要有3家，加热载体主要为无线射频和微波等。20世 纪70年代后，美国伊利诺理工大学利用无线电波加热油页岩，随后劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）对该技术进行改进，通过将射频传送至直井中直接对地下页岩 层进行加热［11，12］。雷神公司（Raython）与海德公园公司（Hyde Park）联合研发了RF/CF（Radio Frequency/Critical Fluids）技术，目前已经被斯伦贝谢公司收购［7］。该技术利用射频加热页岩层，通过 注入二氧化碳来实现超临界流体提高页岩油的采收率的效果。怀俄明凤凰公司（Phoenix Wyoming）是 将微波传送至地下，对页岩层加热，研究发现微波加热的速度是电加热棒的50倍以上，但对微波源的 要求很高［7］。

2 中深层油页岩勘探现状

我国埋深0～1500m的油页岩资源为11602×108t，折算成页岩油626×108t，其中，埋藏深度在 500～1000m油页岩资源量为3489×108t，页岩油资源量为185×108t，1000～1500m资源量为3324× 108t，页岩油资源量为155×108t。比2005年全国新一轮油气资源评价结果显示的油页岩资源量7200× 108t多了4402×108t，主要增加了埋深1000～1500m资源量。

我国油页岩资源分布与常规油气资源相似，主要分布于北方，均表现为北富南贫。东部地区油页岩 资源主要集中于松辽盆地，占全国总资源的47％；中部地区油页岩资源集中于鄂尔多斯盆地，占全国 总资源的37％；西部地区油页岩资源主要集中于准噶尔盆地，占全国总资源的9％；南方地区主要集中 分布于茂名盆地，占全国总资源的2％；西藏地区主要集中分布于伦坡拉盆地，占全国总资源的5％。我国埋深500～1500m油页岩资源十分丰富，占总资源量的59％，该部分资源只能通过原位开采技术才 能得到有效的开发和利用。

3 油页岩原位开采开发技术现状

油页岩原位开采物理模拟实验研究

热破裂规律研究

油页岩在热解过程中形成大量的孔隙、裂隙，不仅提高了油页岩的渗透性，而且也为页岩油排采提 供了渗流的通道，使得原位开采技术开发中深层油页岩资源成为可能。

一般认为，当加热到105℃左右时，油页岩的主要变化时干燥脱水，待油页岩水分脱出后，温度 逐渐升高，在180℃左右，放出油页岩中包藏的少量气体。在这两个阶段油页岩内部的裂隙多发育于 层理面及矿物颗粒的周围，形成的破裂面基本上都与层理面互相平行，且数量不多，宽度较小。随 着温度进一步升高至300℃以上时，油页岩内的有机质开始发生热解生产页岩油蒸气和热解气体。油页岩内部的裂隙数量、长度和宽度有了剧烈增加，裂隙面仍具有与层理面平行，同时也形成了 一些垂直于层理方向的微小裂隙。小裂隙与大裂隙相互连通，根本上提高了油页岩的渗透 性［13～15］（图1）。

热解后渗透规律实验研究

干馏前后的油页岩样品进行不同体积应力和孔隙压力条件下的渗透系数的变化规律研究发 现［15，16］：当体积应力不变时，渗透系数随孔隙压力的增大而增大。主要原因是孔隙压力的增高，页岩 内部的孔隙数量增加、裂隙更加发育，使得单位时间内通过的流体流量增大，即渗透系数增大。当孔隙 压力不变时，渗透系数随体积应力的增大而减小。主要原因为体积应力的增大，岩体发生收缩变形，页 岩内部的孔隙数量减少、有些发生裂隙会闭合，使油页岩的微观结构发生了变化，导致流体的渗流通道 减少，即渗透系数减小（图2，图3）。因此，在进行地下原位开采油页岩时，对油页岩地层渗透特性 的评价，必须考虑流体压力和地应力的影响。

图1 不同温度下油页岩裂缝发育情况

图2 渗透系数随孔隙压力的变化曲线

图3 渗透系数随体积应力的变化曲线

油页岩电加热原位开采模拟实验研究

电热原位开采与常规地面干馏工艺原理类似，都是通过直接传导方式将油页岩加热至热解温度。其 不同之处在于，原位开采工艺热解过程有地下水介质参与，反应系统存在一定压力，压力大小与页岩层 的埋藏深度有关。

马跃、李术元等［17］将油页岩与蒸馏水置于密闭的压力容器中，模拟油页岩原位开采热解反应。研 究表明，随着反应温度的增加，页岩油和气体的产率随温度的升高不断增加，中间产物沥青的产率随温 度的升高先升高后减小。由于水介质的存在，降低了化学键断裂所需要的能量，促进了热解生烃过程，使油页岩的热解温度比无水条件时降低了约120℃。

油页岩蒸汽加热原位开采模拟实验研究

利用过热水蒸气对油页岩进行加热，干馏后的油页岩残渣中含油率约为％，页岩油的回收率 达到铝甄干馏的90％以上［15］。因此高温水蒸气加热油页岩具有一定的可行性，而且能达到较高的采收 率。研究发现油页岩热解产生的气体主要以CH4、C2H4、H2、CO、CO2气体为主。对常温至300℃、 300～500℃、500～580℃三个温度段的干馏气组成成分进行分析，发现随着温度的升高CH4和C2H4含 量具有相同的变化趋势，基本上呈现单调下降的趋势；CO2的含量呈逐渐下降，H2的含量一直上升的 趋势，CO的含量呈现先降低后增加的趋势。不同温度和压裂条件下，烃类气体、残炭、一氧化碳、二 氧化碳、水蒸气等之间发生了不同程度的化学反应，反应机理十分复杂。因此，针对实验过程中CH4、 C2H4、H2、CO、CO2的变化趋势的主要原因还有待进一步的研究。

油页岩原位开采数值研究

油页岩原位开采电加热数值研究［18，19］

基于油页岩原位开采电加热技术的原理上，建立了油页岩热传导方程包括续性方程，动量方程，能 量方程，结合适当的初始条件和边界条件，得到油页岩原位开采电加热数学模型。采用三维有限元法，对该模型进行研究，其中加热井距为15m，运作周期为6年。通过研究油页岩矿层温度场随时间的变化 规律，加热时间为5年时矿层温度大部分超过440℃，即几乎所有的油页岩完全发生热解。

图4 油页岩原位开采高温蒸汽加热示意图

油页岩原位开采蒸汽加热数值研究［15，20］

油页岩是几乎不渗透的岩层，蒸汽很难注入，因此需要 引进常规油气的压裂技术对页岩层进行改造，制造裂缝，作 为注汽的良好通道，提高传热效率。然后向地下油页岩矿层 注入高温水蒸气，使矿层温度升高至油页岩热解温度。最 后，将油页岩热解形成油气，通过低温蒸汽或水携带至生产 井进行排采（图4）。

油页岩原位开采高温蒸气加热是一个复杂的物理化学反 应过程，涉及热量的传递、固体变形、油页岩热解、油气的 产出和渗流等。赵阳升、康志勤等［12，16］考虑到诸多影响因 素的背景下，建立了油页岩原位开采高温蒸汽加热的固、 流、热、化学耦合数学模型。通过对正九点井网的加热方式 的数值模拟研究，加热井距50m，加热周期为年。通过 研究油页岩矿层温度随时间分布变化规律发现，加热时间为 年时，地下油页岩地层的温度大部分都达到了500℃，完成热解。

仅从数值模拟研究发现，高温水蒸气加热比电加热的效率更高，加热温度达到油页岩热解所需的时 间更短。

油页岩原位开采现场试验研究

油页岩原位开采电加热器与生产井设计

针对油页岩电加热原位开采技术专门设计了静态防爆电加热器，如图5。

图5 静态防爆电加热器

静态防爆电加热器的发热元件采用金属矿物绝缘加热电缆，它不同于一般管式电加热元件，其形状 属于线形，加热电缆发热芯体和金属护套之间温差很小，导热性能好。

油页岩原位开采的排采工艺与稠油开采相似，生产井结构包括隔热油管、泵、补偿器、封隔器、筛 管等（图6），将页岩油排采至地面后进行油、气、水分离。隔热油管用于防止温度下降后页岩油的流 动性降低，筛管与封隔器起到防砂的作用。该生产井同时适用于电加热和蒸汽加热原位开采技术。

蒸汽加热井设计

蒸汽加热井与注蒸汽开采稠油的结构相似，主要由隔热油管、补偿器、封隔器、分层注汽阀、死堵 等部分组成（图7）。蒸汽加热井的最关键技术是井筒隔热与密封技术，其中井筒隔热总系统包括隔热 油管、耐高温的封隔器、补偿器等。蒸汽通过注汽阀（分层注汽阀）进入地层，通过封隔器实现不同 层选注，有效的提高的热量利用效率。

图6 生产井

图7 蒸汽加热井

4 结束语

我国500～1500m的油页岩资源丰富，只能通过原位开采技术才能加以有效的开发和利用。该部分 资源的开发和利用对促进我国页岩油产业的发展具有重要意义，页岩油作为石油的补充能源，也大大提 高了我国石油的供给能力。通过模拟实验研究和数值模拟研究表明，油页岩电加热与蒸汽加热原位开采 技术都具有一定的可行性。电加热工艺相对简单，加热速度较慢，能耗大等特点，蒸汽加热工艺加热速 率快，高温蒸汽对设备的要求较高等。“十二五” 期间，我国应继续加大对油页岩原位开采技术研究的 投入力度，加快原位开采现场试验装备的研发，推动现场试验研究，为工业化生产提供有效的技术 支撑。

参考文献

［1］钱家麟，尹亮.油页岩——石油的补充能源［M］.北京：中国石化出版社，2008：137～138.

［2］刘招君，董清水，叶松青等.中国油页岩资源现状［J］.吉林大学学报（地球科学版），2006，36（6）：869～876.

［3］车长波，杨虎林，刘招君等.我国油页岩资源勘探开发前景［J］.中国矿业，2008，17（9）：1～4.

［4］Shell Frontier Oil and Gas Test Project Oil Shale Research and Development Project.［R］.Houston：Bureau of Land Management .

［5］刘德勋，王红岩，郑德温等.世界油页岩原位开采技术进展［J］.天然气工业，2009，29（5）：128～132.

［6］Shell Frontier Oil and Gas 2nd Generation ICP Project Oil Shale Research and Development Project［R］.Houston： Bureau of Land Management .

［7］The US Department of Fuels from Domestic Resources：The Continuing Evolution of America's Oil Shale and Tar Sands Industries［R］.2007.

［8］， Shale Research，Development and Demonstration（R，D/D）Tract.［R］Houston：Bureau of Land Management .

［9］赵阳升，冯增朝，杨栋.对流加热油页岩开采油气方法：中国，200510012473［P］.2005-10-01.

［10］Chevron USA Shale Research，Development ＆ Demonstration Project Plan of Operations.［R］.Houston： Cordilleran Compliance Services，.

［11］ Radio-Frequency Processing of Large Oil Shale Volumes to Produce Petroleum-like Shale Oil［R］.Lawrence Livermore National ：UCRL-ID-155045.

［12］， Comparison of the Acceptability of Various Oil Shale Oil Shale Symposium［C］.Colorado：2006.

［13］康志勤，赵阳升，杨栋.油页岩热破裂规律分形理论研究［J］.岩石力学与工程学报.2010，29（1）：90～96.

［14］孟巧荣，康志勤，赵阳升等.油页岩热破裂及起裂机制试验［J］.中国石油大学学报（自然科学版）.2010，34（4）：89～98.

［15］康志勤.油页岩热解特性及原位注热开采油气的模拟研究［D］.山西：太原理工大学，2008.

［16］杨栋，茸晋霞，康志勤等.抚顺油页岩干馏渗透实验研究［J］.西安石油大学学报（自然科学版）.2007，22（2）：22～25.

［17］马跃，李术元，王娟等.饱和水介质条件下油页岩热解动力学［J］.化工学报.2010，61（9）：2474～2479.

［18］薛晋霞.油页岩物理力学特性实验及其原位开采非稳态热传导数学模型研究［D］.山西：太原理工大学，2007.

［19］康志勤，赵阳升，杨栋.利用原位电法加热技术开发油页岩的物理原理及数值分析［J］.石油学报.2008，29（4）：592～597.

［20］康志勤，吕兆兴，杨栋等.油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究［J］.西安石油大学学报（自然科学版）.2008，23（4）：30～36.

香山科学会议376次会议（中国页岩气基础地质问题及勘探开发基础）执行主席。结合教学实践及理论探讨，张金川长期跟踪研究国际页岩气发展动态，系统分析中国页岩气相关问题，是我国最早开始引进并系统研究页岩气的探索者之一。十余年来，先后带领研究生查阅了数百篇并翻译了上百篇页岩气原文；带领页岩气野外考察团队在中国南方、东北、西北及东南地区进行了数十万工作里程的野外考察和研究；带领页岩气实验研究团队开展了有机地球化学、储层物性特点、含气性分析、应力参数测试、现场解析等多种实验测试及分析；带领中国地质大学（北京）页岩气科研团队联合攻关，承担了数十项页岩气科研项目，发表了页岩气相关论文数十篇；带领页岩气综合研究团队努力创造多种合作研究机会，与国内外多家页岩气研究单位、机构、相关企业和公司建立了广泛的页岩气领域合作研究关系（包括实验分析方法和技术）；带领能源学院骨干教师建成了专业覆盖面广、实验门类齐全、教学与科研兼顾、突出创新人才培养和高新技术产出的能源实验中心。

琚宜文 颜志丰 李朝锋 房立志 张文静

( 中国科学院研究生院 地球科学学院 北京 100049)

摘 要: 煤层气和页岩气是重要的非常规资源。目前我国的煤层气产业已实现商业化生产，但页岩气还处于试验阶段。在一些能源盆地中，会同时存在煤层气和页岩气源岩，它们可能相邻或处于较近或较远层位。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同，但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中。煤层气和页岩气均储存于低孔低渗的储层中，它们的开采技术均包含评价技术、测试技术、钻井技术和储层改造技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，从而提高它们的开采效率，促进非常规天然气产业的快速发展。

关键词: 煤层气 页岩气 富集特征 开发技术 储层改造

作者简介: 琚宜文，男，博士，教授，博士生导师。中国科学院研究生院，北京市玉泉路甲 19 号，100049，，，juyw03@ 163. com

Commonness and Differences of Enrichment Characteristics and Mining Technology of China's Coalbed Methane and Shale Gas

JU Yiwen YAN Zhifeng LI Chaofeng FANG Lizhi ZHANG Wenjing

( College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)

Abstract: Coalbed methane and shale gas are important unconventional resources. At present，the coalbed methane industry of China has been produced commercially; however，the shale gas production is still at experi- mental stage. The source rocks of coalbed methane and shale gas will occur in some energy basin together，and they may be adjacent or in near or far layers. Although coalbed methane and shale gas are different in their sources and occurrence layers etc. ，there are some common situation，such as the enrichment characteristics，the migrating procedure and the developing technology. The coalbed methane mainly enrichs in the coalbeds with adsorption state，while shale gas enriches in the high － carbon mudstone or shale with adsorption or free state. Because both coalbed methane and shale gas store in reservoirs with low porosity and permeability，and all their mining technolo- gy include evaluating，testing，drilling and reservoir stimulation etc. If both coalbed methane and shale gas occur in the same basin，then they can be exploited by the same well，therefore their exploiting efficiency will be im- proved，and the unconventional natural gas industry will be developed rapidly.

Keywords: coalbed methane; shale gas; enrichment characteristics; development technology; reservoir stimulation

1 前言

我国经济持续快速发展，能源需求不断增加，天然气需求迅速增长，预测2015年需求量1560亿m3，缺口约560亿m3，2020年需求量2930亿m3，缺口将达1000亿m3(王一兵等，2010)。在国际上煤层气和页岩气等非常规天然气是油气勘探的重要目标(Ross et al.，2008)。在我国增加常规油气产量非常困难的情况下，开发煤层气和页岩气等非常规资源，就成为我国能源可持续发展的现实选择。

煤层气和页岩气的勘探开发和利用首先由美国获得成功，2006年以来全美煤层气年产量稳定在540亿m3以上(李五忠等，2008)，2009年美国的煤层气产量达到542亿m3。2009年美国页岩气生产井近98590口，页岩气年产量接近1000亿m3(崔青，2010)，2010年，美国页岩气探明储量已逾60万亿m3，产量达1000亿m3，占其天然气总产量的1∕5(新华网，2011)。煤层气和页岩气产业已成为美国举足轻重的能源工业。煤层气方面除美国外，加拿大、澳大利亚和中国等国家也已获得突破。截至2009年底，我国已建煤层气产能25亿m3，全年地面煤层气产量超过10亿m3(新华网，2011)。2010年地面煤层气抽采量为亿m3。页岩气方面除美国外，加拿大也开始了规模化生产，中国和澳大利亚等国也已开始了试验性研究。

在一些能源盆地中，会同时存在煤层气和页岩气源岩，它们可能相邻或处于较近或较远层位。在地质作用过程中，受生物化学作用或物理化学作用所产生的气体，会分别储存在煤层气或页岩气储层，若不同储层通过断层或裂隙相连通，可能会形成混合储层或相距很近的储层。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同，但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。在开采煤层气或页岩气的过程中，我们怎样才能够把相距较近两种储层的气体都采出来呢?如果两个储层相距较远的话我们能不能同时对煤层气和页岩气进行开采呢?

经过多年的探索、试验和研究，我国煤层气地质研究在煤层气赋存的地质过程与动力学机制研究、煤层气储集系统与聚散机制研究以及煤层气藏经济高效开发的场效应研究等方面均取得显著进展(秦勇，2003;汤达祯等，2003);同时，在选区评价技术、钻井技术、压裂技术、排采技术等开发技术上也取得重要突破(李嘉川等，2011)。近些年来，在页岩气勘探理论与技术方面也取得一定的成果(程克明等，2009;聂海宽等，2010;张金川等，2008)。

我国煤层气存在的问题是地质条件复杂———低渗透、低压力、低饱和度，开发理论与技术有诸多难题没有解决，储存运输困难，利用率低等问题;我国页岩气还处于研究阶段，没有开始试生产，对于页岩气的研究中渗流机理方面研究较少(刘德华等，2011)。对此应加强煤层气的基础理论研究，进一步提高对煤层气的认识程度，提高开采效率和资源利用率;对页岩气应加强富集特征与渗流机理的研究，形成系统的开发技术体系，以促进页岩气产业的发展。

本文在前人研究的基础上探讨煤层气和页岩气富集特征与开采技术的共性与差异性，研究的目的在于探索煤层气与页岩气富集的内在关系，煤层气与页岩气生成、演化与富集的机理，以及它们共同开发的可能性。因此，通过煤层气与页岩气富集特征与开采技术的比较研究，对于发展适合于我国地质条件的非常规天然气地质理论、推动我国非常规天然气产业的尽快形成均有所裨益。

2 煤层气与页岩气概念及其评价方法

煤层气俗称瓦斯，又名煤层甲烷，是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，含量组成为80%～99%，其次含有少量的CO2、N2、H2、SO2、C2H6等气体。煤层气主要以吸附态赋存于煤层孔隙表面或填隙于煤层结构内部，另外煤层裂隙与煤层水中存在少许游离气与溶解气。煤层孔隙及裂隙中的煤层气与煤层水形成特殊的水动力系统，只有当储层压力低于解吸压力时，煤层气才能解吸出来。

页岩气是从富有机质页岩地层系统中开采出来的天然气，是位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中的天然气聚集。页岩气开发虽然产能低，但具有开采寿命长和生产周期长的优点。由于含气页岩分布范围广、厚度大，使得页岩气资源量巨大。因而，页岩气井能够长期地以稳定的速率产气，一般开采寿命为30～50年，长者甚至能达80年(Xiaetal.，2009;李世臻等，2010)。

煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气，它们在概念特征上既有联系，又有区别，表1为煤层气和页岩气在概念特征上的比较。

表1 煤层气与页岩气概念的比较

煤层气和页岩气的富集有许多特征，如气体来源、储集介质等。评价这些特征需要许多方法(冯利娟等，2010)，有些方法仅适合煤层气储层，有些方法仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。表2中列出了一些重要的评价方法。

表2 用于评价煤层气和页岩气储层的重要方法

(据冯利娟等，2010修改)

3 煤层气和页岩气的富集特征

煤层气和页岩气均为自生自储，吸附成藏的非常规天然气。页岩气富集区页岩厚度往往较大，裂隙发育，热演化程度合适，如美国的Barnett页岩(Bowker，2007;Zhaoetal.，2007;Pollastro，2007)。它们在富集特征上有许多相似之处，也存在着明显的不同。下面主要从源岩、生成与演化特征，储集与分布特征，渗流与运移特征等方面来对比研究煤层气藏以及页岩气藏的富集特征。表3列出了二者在富集特征上的一些异同。

表3 煤层气和页岩气在富集特征上的异同

4 煤层气与页岩气的富集机理

煤层气是煤在煤化作用过程中形成的天然气在源岩中的残留部分，煤层既是生气源岩又是储气层段，煤化作用过程中形成的天然气原地聚集或短距离运移，主要通过煤层的吸附作用(Scholl，1980;Tadashi et al.，1995)将天然气聚集起来，为典型的吸附富集机理。煤的储气能力与煤的煤岩组分、变质程度、温度和压力有关。因此，煤层气在聚集方式、动力类型以及成藏特征等方面与常规天然气藏有较大差别(张金川等，2008)。由于煤层气主要以吸附作用为主，吸附气含量通常大于80%，游离气和溶解气比例很小，因此，可以不需要通常的圈闭存在。只要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，无论在储层的构造高部位还是低部位，都可以形成气藏(褚会丽等，2010)。

页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件，页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。第一阶段是天然气的生成与吸附，具有与煤层气相同的富集成藏机理(张金川等，2003);第二阶段发生在生气高峰;随着页岩生气过程的继续，页岩有机质颗粒所提供的最大吸附气量不足以满足所生成的天然气聚集需求时，游离态天然气开始出现。随着生气过程的继续，天然气在地层中逐渐形成高压，从而导致沿页岩的薄弱面小规模裂缝的形成，天然气开始在裂缝中以游离态运移聚集。由于页岩孔隙及微裂缝具有孔喉细小的特征，游离态天然气对地层水的排驱为活塞式整体排驱富集机理。如果天然气生成量继续增加，则天然气选择大孔隙通道进行置换式运移，气上水下，表现为裂缝系统中的置换富集机理(徐波，2009)。

煤层气和页岩气均产自于能源盆地，煤层气源岩的煤岩形成于适宜植物生长的沼泽环境中，页岩气源岩的页/泥岩形成于深湖相或湖泊中心相(Law，2002)。经沉降埋藏成岩后，受构造变动的影响岩石产生断层和裂隙，因此造成不同层位间孔隙和裂隙的连通。有机质经埋藏和变质作用，有机碳开始产生气体。随着变质作用的进行，油气成熟度越来越高，气体生成量也越来越大，生成的气体大部分被吸附在煤层和页岩等不同储层中，部分会沿着断裂和裂隙运移。如果煤层气储层和页岩气储层相邻或相距很近，煤层气和页岩气就可能会形成两个相邻或相近的气体储层，由于气体的运移在两个储层相邻或相近的情况下甚至可能出现煤层气和页岩气的混合储层。

5 煤层气与页岩气的开发技术

煤层气和页岩气开发的关键技术首先是评价技术，采用地质、测井等方法评价源岩(储层)的性能、含气量、分布范围和丰度等参数，确定储层性能和开采的有利区域;测试技术，对含气量、吸附性能、微观裂隙、渗透率等储层参数进行测试;储层改造技术，如压裂技术和水平钻井技术，水平钻井技术指从水平井筒钻出多水平井段，非常有利于低渗储层的技术改造。

煤层气的开发技术有:①钻井技术，包括钻井和完井技术。如水平井钻井技术、空气欠平衡钻井技术、保护储层的钻井技术等，是煤层气孔经济、高效、快速成孔的关键;②储层改造技术，煤层气储层属于低孔低渗的储层，进行商业性生产需对储层进行改造，储层改造措施是提高煤层气产量的重要措施，压裂技术是储层改造的重要技术，如清洁压裂液压裂技术、水力加砂压裂技术、氮气泡沫压裂技术等增产改造技术的试验与应用、井下微地震压裂裂缝监测试验;③排采技术，把煤层气从地下抽到地面所采取的技术;④煤层气田的低压集输工艺技术，包括集中式压缩机站与分散式撬装液化装置等技术。

页岩气的开发离不开储层的改造技术，美国的Barnett页岩就是经水力压裂后才开始产气的(Zhaoetal.，2007)。技术的进步推动了页岩气水平井的发展，在Barnett页岩气藏中，90%的新井都是水平井(冯利娟等，2010);储层压裂及重复压裂技术(邹才能等，2011)大幅度提高了页岩气产量，对页岩气商业性开采起着决定作用。

煤层气和页岩气均为非常规天然气，它们的开发技术有许多相同的地方。假如在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，那么如果能够利用同一口井同时进行煤层气开采和页岩气开采，则和单一气体开采相比，单井在产气量和开采寿命上均应该会有所提高。因此可以提高天然气生产企业的经济效益。

6 结论与认识

煤层气和页岩气同为非常规天然气，它们在储层特征、富集机理和开采技术等方面存在许多相同的地方，但二者之间也有明显的差异。

(1)煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气。通过气体来源、气体组成、气体成因、赋存状态、赋存方式等比较了它们在概念特征上的联系和区别。评价煤层气和页岩气储层特征有不同的方法，有些方法仅适合煤层气储层，有些方法仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。

(2)煤层气和页岩气在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性，但在气体的来源、赋存层位及保存条件等方面有所不同。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中;煤层气富集需要有合适的盖层条件和水文地质条件，而页岩气的富集不需要附加的盖层条件和水文地质条件。

(3)煤层气的富集主要是通过吸附作用将天然气聚集起来，为典型的吸附富集机理;页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件，页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。

(4)煤层气储层和页岩气储层均为低孔低渗的储层，开采时均需要采取储层改造增渗技术，如水平井技术和储层压裂技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，从而提高它们的开采效率。

参考文献

程克明，王世谦，董大忠等.2009.上扬子区下寒武统筇竹寺组页岩气成藏条件，天然气工业，29(5)，40～44

褚会丽，檀朝东，宋健.2010.天然气、煤层气、页岩气成藏特征及成藏机理对比，中国石油和化工，(9)，44～45

崔青.2010.美国页岩气压裂增产技术，石油化工应用，29(10)，1～3

冯利娟，朱卫平，刘川庆.2010.煤层气藏与页岩气藏.国外油田工程，26(5)，24～27

李嘉川，王小峰，石兆彬等.2011.中国煤层气开发现状与建议.科技创新导报，(8)，43～45

李世臻，曲英杰.2010.美国煤层气和页岩气勘探开发现状及对我国的启示.中国矿业，19(12)，17～21

李五忠，赵庆波，吴国干等.2008.中国煤层气开发与利用，北京:石油工业出版社

刘德华，肖佳林，关富佳.2011.页岩气开发技术现状及研究方向，石油天然气学报(江汉石油学院学报)，33(1)，119～123

聂海宽，张金川.2010.页岩气藏分布地质规律与特征，中南大学学报(自然科学版)，41(2)，700～708

秦勇.2003.中国煤层气地质研究进展与述评，高校地质学报，9(3)，339～358

汤达祯，秦勇，胡爱梅.2003.煤层气地质研究进展与趋势，石油实验地质，25(6)，644～647

王一兵，王金友，赵娜等.2010.中国煤层气产业现状及政策分析，2010年煤层气年会论文

新华网.2011.中国非常规天然气开发“升温”，2011年04月14日09:16

()

徐波.2009.页岩气和根缘气成藏特征及成藏机理对比研究，石油天然气学报，31(1)，26～30

张金川，聂海宽，徐波等.2008.四川盆地页岩气成藏地质条件，天然气工业，28(2)，511～156

张金川，唐玄，姜生玲等.2008.碎屑岩盆地天然气成藏及分布序列，天然气工业，28(12)，11～17

张金川，薛会，张德明等.2003.页岩气及其成藏机理，现代地质，466

邹才能，陶士振、侯连华等.2011.非常规油气地质，北京:地质出版社

Bowker K A. 2007. Barnett Shale gas production，Fort Worth Basin: Issues and discussion AAPG Bulletin，91 ( 4 ) ， 523 ～ 533

Law B E. 2002. Basin centered gas systems. AAPG Bulletin，86 ( 11) ，1891 ～ 1919

Pollastro R. M. 2007. Total petroleum system assessment of undiscovered resources in the giant Barnett Shale continuous ( un- conventional) gas accumulation Fort Worth Basin，Texas，AAPG Bulletin，91 ( 4) ，551 578

Ross D，Bustin M R. 2008. Characterizing the shale gas resource potential of Devonian – Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin: Application of an integrated formation evaluation. AAPG Bulletin，92 ( 1) ，87 125

Scholl M. 1980. The hydrogen and carbon isotopic composition of methane from natural gases of various origins. Geochimica et Cosmochimica Acta，44 ( 5) ，649 ～ 661

Tadashi A. 1995. Outlook for unconventional natural gas resources. Journal of the Japanese Associationfor Petroleum Technolo- gy，60 ( 2) ，128 ～ 135

Xia W W，Burnaman M D，Shelton J. 2009. Geochemistry and Geologic Analysis in Shale Gas Play. China petroleum explora- tion，( 3) ，34 ～ 40

Zhao H，Givens N B，Curtis B. 2007. Thermal maturity of the Barnett Shale determined from well log analysis. AAPG Bul- letin，91 ( 4) ，535 ～ 549