页岩气开采与二氧化碳地下封存一体化

多场多相条件下超临界CO2在井筒内的压力控制理论 超临界CO2开采页岩气的安全评价理论监测方法体系
安全如何？
团队研究进展
（1）研究团队
武汉大学：射流理论、遥感探测 重庆大学：煤层气抽采理论 中石化石油物探技术研究院：致密气探测理论 中国石油大学（华东）：破岩机理 中国矿业大学（北京）:页岩气储层预测、精细表征的地球—物理方法 西南石油大学：渗流理论 中国石油大学（北京）：钻井理论
的缺乏将严重制约页岩气的工业化开采 。
探索提高页岩气产能的新理论、新方法对
于我国页岩气高效开发具有重大意义
3
结合国内外相关领域研究成果，以及研究团队多年探索，提出 “超临界CO2 强化页岩气开采与地下封存一体化”的学术构想。
将工业捕集到的CO2处理
超临界CO2射流
四大集成效应 致裂 增渗 增能 CO2置换 页岩气 CO2驱替 页岩气
2010年 4月 13日 取 心 位 置 井 深 及 分 层 m 沙 河 街 组 沙 一 段
2500
+7
颜
视电阻率曲线 Ω .m
0
自然伽玛曲线（ API） 自然电位曲线 10 mV +
300
色
岩 性 剖 面
异 常 报 告
25 5
50 10
75 15
100 20
125 25
全烃 C1 C2 C3 nC4
高效驱替页岩气------超临界CO2表面张力接近于零， 黏度小，扩散性强，有利于驱替页岩气。
高效置换页岩气----页岩对CO2的吸附能力是CH4的420倍，可以有效置换页岩中的CH4，提高气井单井产量 和采收率。 地质封存----页岩气藏既是储层又是盖层，可实现 CO2的有效封存。
地下封存是最有效的碳减排方式，二氧化碳地下
中科院武汉岩土力学研究所：力学
中石化江汉油田分公司：页岩气实验区及配套技术
（2）CO2开采页岩气可行性研究
◆ CO2气源有保证
我国页岩气富集区附近大多分布有大型的天然CO2 气源以及火电厂等CO2集中排放源，且我国燃煤电厂 CO2捕集与液化技术已规模化。 川东北普光气田CO2含量高达10%，2012年分离获得 CO2约150万吨，附近是川东北页岩气重点勘探开发区 重庆合川双槐电厂CO2捕集能力1万吨/年 页岩气储层单次压裂CO2消耗量约120-160吨
0.10 0.10 0.10 0.10
气测曲线 % 10.00 1.00
1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00
荧光岩屑占岩屑百 分比%油花气泡%
40 10 80 20 80
钻井液曲线
粘度 40 密度 1.2
深侧向RT
10 20
浅侧向RS
低品位非常规资源
0.001mD 页岩气 天然气水合物
常规与非常规天然气资源的金字塔示意图
2.2 页岩气储量
全球50%的非常规天然气为页岩气，储量高达
456万亿立方米，为煤层气和致密气储量之和。
P
C-O,T-J
C-P P,J
O,T
C,S,T3x
C-O,S
南方地区、华北地区和 新疆塔里木盆地等发育海 相页岩 华北地区、准噶尔盆地、 渤海湾盆地和松辽盆地等 广泛发育陆相页岩
封存方法主要分为：海洋封存、地质封存。
海洋封存
虽然海洋封存储量很大，但由于对环境影响的 不确定性，海洋封存二氧化碳目前还是不可行的。
wenku.baidu.com
地质封存
将CO2封存于不可开采的煤层中 将CO2封存于深部盐水层中 将CO2封存于油气田中
二氧化碳封存方法比较
二氧化碳封存方法 海洋封存 将CO2封存 于不可开采 的煤层中 优势 温室气体最大 的潜在储存库 存在的问题 如何保护深海 生态？
1
新 生 界 下 第 三 系 沙 2600 河 街 组
+7 7.3 3.4
沙 二 段
2634.0
+7 3.4 7.0
+7 7.0
+7
2650
7.4 +7 7.4 +7 7.3
+7
7.3 +7 7.4
7.0
2700
+7
3.4 +7 7.0
页岩气优选区探测方法及评价标准
1 2
+7
2750
7.0
+7
7.0 +7
TOC， % 孔隙度，%
基质渗透率 地形、地貌
4.5 4-5
超低 平缓，水资源丰富
2.52 1.15-5.80（均3.0）
超低
2.06 2.5-4.0
超低
丘陵、山地、戈壁，缺水
（2）钻井液和压裂液对储层伤害大，水力压裂体积改造效果 差，单井产能和采收率低。 （3）单口页岩气井水力压裂需要“万方水千方砂”，对于水 资源严重缺乏的西南丘陵山区和北方干旱地区，水资源
7.0
+7
3950
7.0
科学问题二
页岩气储层超临界二氧化碳破岩压裂机理
超临界CO2射流破岩理论 超临界CO2喷射压裂增渗理论
如何做？
科学问题三
多场条件下二氧化碳置换页岩气动力学原理
CO2、页岩气在页岩层中竞争吸附机理 CO2置换页岩气多尺度多场耦合渗流理论
气如何出？
科学问题四
二氧化碳强化页岩气开采的安全评价方法
2012年我国能源发展情况
2012 年全年我国累计进口煤炭（含褐煤）全球
第一，达2.9亿吨，同比增长29.8%
2012 年进口原油 2.85 亿吨，对外依存度达到
58.7%（国际警戒线 50%），且每年以 3%的速 度上升
2012年天然气产气量1077亿立方米，天然气进
口量425亿立方米，同比增长31.1%，对外依存 度接近29%。据预测，2020 年天然气对外依存 度将超过45%
要实现CO2地下封存与开采页岩气一体化战略， 需要解决以下科学问题：
页岩气优选区探测方法及评价标准 页岩气储层超临界二氧化碳破岩压裂机理 多场条件下二氧化碳置换页岩气动力学原理 二氧化碳强化页岩气开采的安全评价方法
岩屑录井草图
井 别
预探井(直井) 1980年8月23日
设计井深 钻头程序 套管程序 四开日期
2
2.1 页岩气简介
页岩气主要以游离态存在于天然裂缝中，以吸附 态存在于干酪根和黏土中，极少量以溶解态存在于干 酪根和沥青质中。
黑色页岩野外露头
天 然 气 价 格 增 数量大 长 难于开
发
数量少 易于开发
优质资源
1000mD
488x1012m3
不 10mD 922x1012m3 断 中等质量资源 进 步 的 0.1mD 致密气 煤层气 技 3000x1012m3 术
水平井技术
水平井在页岩产层与垂直井相交，从水平井眼的主支中钻 多分支井，形成一个类似于树叶纹理的羽状图案。
水力压裂技术
水力压裂就是利用地面高压泵，通过井筒向储层挤注具
有较高粘度的压裂液。当注入压裂液的速度超过储层的吸收 能力时，则在储层上形成很高的压力，当这种压力超过井底
附近储层的破裂压力时，储层将被压开并产生裂缝。
2.5 中国页岩气开发难题
（1）相比美国，我国页岩气赋存条件更复杂，开发难度更大： 特低孔隙度、超低渗透率、高黏土含量、埋藏更深、地 形更复杂 。
美国 对比项目 埋藏深度，m 页岩厚度，m Barnett组页岩 1981-2590 46-305 龙马溪组页岩 2000-3600 20-260 中国 筇竹寺组页岩 2500-4000 60-300
我国主要页岩气资源分布图
国土资源部2012年数据，我国陆域页岩气地质资 源潜力为134.42万亿立方米，可开采资源潜力25.08 万亿立方米（不含青藏地区）
2.3 页岩气开发现状
美国的页岩气革命
依靠成熟的开发生产技术以及完善的管网设施 , 美国成 为世界上唯一实现页岩气大规模商业性开采的国家。产量的 飞速增长使美国天然气消费长期依赖进口的局面发生逆转。 甚至有专家认为，有了页岩气，美国能源100年无后顾之忧。
3500
+7
3550
+7
3600
3650
+7
7.3 +7
3700
7.3
+7
7.3
+7
7.3
+7
3750
7.3 +7 7.3
+7
7.0 +7
7.0
+7 7.0
+7
3800
7.0 +7
7.0
+7 7.0 +7
7.0
+7 7.0
3850
+7
7.0
+7 7.0 +7 7.0 +7 7.0 +7
7.0
+7
3900
+7
7.0
3100
+7
7.0 +7 7.0
+7
3150
7.0 +7
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3200
7.0
+7
7.0
3250
+7
7.0
+7
7.0
+7
7.0
+7
3300
7.3 +7 7.0
+7
7.0 +7
7.0
+7
7.0
3350
+7 421.00 7.0 +7 7.0 +7
7.0
3400
+7
在哪做？
3
3450
2012年3月，国家发展改革委、财政部、国土资源部、国
2020年力争页岩气产气量达600—1000亿立方米
家能源局联合发布《页岩气发展规划（2011—2015年）》，
2012年11月，财政部下发通知，中央财政对页岩气开采
企业补贴标准为0.4元/立方米
2.4 页岩气开发技术
核心技术——水平井+水力压裂
我国页岩气（ CH4 ）非常丰富，可采资源量为 25 万亿
m3 ，如果将页岩气进行开发，既可获得新的能源，又 可为CO2提供巨大的封存空间；
页岩气藏多处于盆地中心地带，地质构造稳定，因地
质运动造成的泄露风险小。
将CO2 加压注入到页岩层中，对页岩气进行置换和 驱离，既可强化开采页岩气这一非常规天然气，又能将 CO2大量封存于页岩层中，从而达到既减排又高效开采 新能源的目的。
5000.00m
完钻井深
5205.52m
一开日期 二开日期 三开日期 完钻日期
339.72mm×920.30m 139.7mm×5195.12m 6069
244.5mm×3613.09m
1982年1月15日
施工井队
录 井 队
1:500
辽河录井
钻时曲线(min/m)
50 10 100 20 150 30 200 40 250 50
CO2地下封存
强化页岩气高效开采
超临界CO2的特性
超临界CO2：当温度和压力分
别处于31.1℃和7.38 MPa以 上时，CO2介于气态和液态之
间的流体相态；
具有超强的流动、超强的渗透 和传递性能。
超临界CO2强化页岩气开发三大特点
开辟提高页岩气单井产量和采收率的新途径 节约水资源 实现CO2地下封存，减少碳排放
2012年一次能源消费总量达到36.2亿吨标煤， 比2011年增长4%；其中煤炭消费占一次能 源总量的比重大约为66.4%。 2030-2050 年，我国一次能源结构将发生重 大调整，煤炭占一次能源比例逐步下降，但
仍是占据近半壁江山的基础能源。
开发以页岩气为主的非常规天然气是缓解
供需矛盾、改善能源结构最有效的方式
超临界CO2开发页岩气的五大功能
高效致裂页岩层-----超临界CO2具备类似液体的高密
度，可达到水力压裂同样的效果。 增加储层渗透性-----超临界CO2溶剂化能力强，能有 效解决近井地带污染；其低黏特性能使储层产生微裂缝， 沟通天然裂缝；并避免黏土水化膨胀，增大页岩层孔隙
度，提高裂缝的导流能力。
中国页岩气发展现状
2009年8月，国土资源部天然气资源战略研究中心在重
庆市綦江县启动了中国首个页岩气资源勘查项目
2010年8月，国家能源页岩气研发（实验）中心在中国
石油勘探开发研究院廊坊分院成立，这是我国首个专门从
事页岩气开发的科研机构
2011年12月，页岩气被正式批准成为我国第172个独
立矿种
地质封存
加大地下压力, 将CO2封存 增强地下油气 于深部盐水 流动性,提高油 层中 气产量 将CO2封存 于油气田中
必须选择适合 的封存地层， 以保证封存安 全稳定
研究表明：将CO2注入 对CO2吸附能力强、渗透率低
的岩层中，是安全封存大量CO2的有效途径 页岩层具有低孔隙率、低渗透率特征； 页岩对CO2有很强的吸附能力；
7.0
+7
7.0
2800
+7 7.0
+7
7.0
+7 7.0 +7 7.0
+7
2850
7.0
+7
7.0
页岩气储层预测、精细表征的地球—物理方法 优质页岩气储层预测方法及评价标准
+7
2900
7.0
+7
7.0 +7
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3000
7.0
+7
7.0
3050
+7 7.0 +7
7.0
30 110 40 160 50 210
260 iC4 3100.10
0.10
定量 荧光 5
10 别
对比级
起 下 钻 接 单 根
现 场 解 释 结 论
7.4 +7 7.4 +7 7.4 +7 7.4 +7 7.3 +7 7.0 +7 7.3 +7 7.3 +7
2
2530.5
科学问题一
2550
3.4 +7 3.4 +7
汇 报 提 纲
1 2 3 4
能源发展趋势
页岩气开发现状
页岩气开采与CO2地下封存一体化
结语及展望
1
世界能源供应形势
英国石油公司 (BP 公司 ) 发布《BP 世界能源统 计2013》称，按照2012年的开采速度计算，全球 原油还可以开采 52 年，天然气还可以开采 55 年， 煤炭储量可开采109年。