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地质工程一体化开发页岩气
页岩气是非常规天然气之一，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。页岩气具有自生自储、分布广、生产周期长等特点，其一般以吸附态或游离态蕴藏于泥岩、页岩、泥页岩及粉砂岩夹层中。约有25% 的页岩气以游离态赋存于页岩天然裂缝、孔隙等储集空间，约75% 的页岩气以吸附态存在于干酪根、矿物颗粒表面及煤热裂解物，在一定地质条件下聚集成藏并达到经济开采价值。与常规储层气藏的最大区别在于，页岩不仅是烃源岩，还是页岩气藏的储集层和封盖层。
▋全球页岩气资源丰富，根据美国能源信息署（Energy Information Administration，EIA）发布的统计数据显示， 2015 年，全球页岩气的技术可采资源量预测为2.15×1014m³，其中北美地区拥有4.9×10¹³m³，位居第一；亚洲拥有4.8×10¹³m³，位居第二；非洲拥有4.0×10¹³m³，位居第三；欧洲拥有2.5×10¹³m³，位居第四；全球其他地区拥有5.3×10¹³m³。
▋美国是页岩气开发最早、最成功的国家。1863 年，在伊利诺斯盆地西肯塔基州的泥盆系和密西西比系黑色页岩中发现了页岩气。20 世纪20 年代，页岩气钻井已经发展到西弗吉尼亚州、肯塔基州和印第安纳州，并开始页岩气现代化工业生产，70年代中期步入规模化发展阶段。进入2000 年后，开始大规模页岩气的技术攻关，目前形成了以岩心分析和水平井分段压裂为核心的增产技术，实现规模效益开发，已成为非常规天然气的主体，2015 年，美国页岩气年产量达4.250×10¹¹m³。根据美国EIA 预测，到2035 年，美国页岩气产量预计将增至7.645×10¹¹m³，占天然气总产量的67.9%。页岩气产量的快速上涨，改变了美国的能源消费结构，降低了其对能源的对外依赖，实现了能源自给。
▋我国页岩气资源类型多、分布广、潜力大。我国海相沉积分布面积多达3.00×106km²，海陆交互相沉积面积为200 多万平方千米，陆上海相沉积面积约为2.80×106km²，形成了海相、海陆交互相及陆相多种类型富有机质页岩层系。2012 年国土资源部评估页岩气可采资源量为2.508×10¹³m³（中国工程院公布的数据为1.0×10¹³～1.2×10¹³m³），与美国评估的2.83×10¹³m³ 大致相当，经济价值巨大。
我国页岩气的勘探开发时间虽不长，但发展迅速，2010 年在四川盆地寒武系九老洞组黑色页岩和志留系页岩中钻探的W201 井试气后日产天然气为2.46×104m³，实现了中国页岩气开发的首次突破。2012 年11 月，在重庆涪陵JY1HF 志留系龙马溪组压裂测试日产气为2.03×105m³，获高产工业气流，实现国内页岩气勘探开发重大突破，揭开了涪陵页岩气勘探开发的序幕，实现了我国第一个页岩气田规模开发，2015 年已建成产能为5.0×109m³，2020 年预计建成产能1.00×10¹ºm³。目前，我国页岩气勘探开发主要集中在四川盆地及其周缘、鄂尔多斯盆地、辽河东部凹陷等地。2013 年我国设立了长宁- 威远、昭通、涪陵、延安四个页岩气开发示范区，截至2015 年已建成页岩气产能超过7.5×109m³，“十三五”规划到2020 年将力争超过3.00×10¹ºm³，2025 年达到6.00×10¹º～1.000×10¹¹m³。
▋与常规钻井相比，页岩气钻完井主要实现四个方面的要求： 第一，直井快速钻井，为了节省时间降低钻井成本，往往采用特殊钻机实现连续批量钻井；第二，水平段快速侧钻，在钻井过程中，随钻掌握岩石储层物性，实现水平段准确着陆；第三，固井水泥石有足够的韧性和强度封闭环空，为分段压裂提供条件，实现采气最大化；第四，由于页岩气的赋存方式和成藏机理更加复杂，页岩气压裂产生体积压裂，并形成网络缝。
▋通过近几年的攻关与实践，我国已建立一套符合中国页岩气地层特点、适应性良好的水平井优快钻井、长水平段压裂试气、试采开发配套等具有自主知识产权的页岩气开发配套系列技术，积极推进“井工厂”作业、压裂运行新模式，施工效率持续提高。
但是，我国的页岩气勘探开发时间不长，钻完井周期长、压裂改造效果不理想、开发成本高等问题普遍存在，还未完全达到经济有效开发的效果。其原因除了我国还需要完善经济、有效、实用的页岩气核心工程技术外，更重要的是还存在对地质的认识和评价不足、页岩气开发工程中的理论滞后、地质与工程一体化设计脱节等问题，而解决该问题的关键是掌握页岩气储层特性和地质力学规律，攻克开发工程中关键理论，并采取地质工程一体化技术，以实现页岩气经济有效开采，推动我国页岩气勘探开发进程及发展目标的实现。
▲地质工程一体化优化工作流程
《页岩气开发工程中的理论与实践》（曾义金，杨春和，张保平著.北京：科学出版社，2017. 3）一书的目的是解决页岩气开发工程中的有关理论问题，为页岩气开发工程奠定基础。
全书分六章，第1 章阐述页岩气甜点的内涵，从地球物理、测井和岩心测试三个方面论述地质与工程甜点求取方法和数学模型；第2 章在分析页岩地质特性的基础上，提出页岩地层分类新方法，揭示页岩地层井壁围岩失稳机理与分析计算模型；第3 章在大型物理模型的基础上，分析压裂过程中页岩多尺度大变形裂缝起裂与延伸规律，建立裂缝变形分析数学方法，提出大型压裂设计中的理论模型；第4 章介绍裂缝监测方法，数值模拟压裂过程中地面与井下大地变形，建立准确获取裂缝方位、倾角、尺寸裂缝数学计算方法；第5 章提出页岩气水平井流动模型，分析页岩气孔渗结构特征、渗流机理、吸附及滑脱效应对产能的影响规律，给出页岩气藏的试井数学分析模型，建立页岩气井的产能预测方法；第6 章指出当前页岩气开发工程中存在的问题，提出一体化工程作业方法，形成地质工程一体化技术，以钻井、压裂为重点，示范使用方法。为了让读者更好地了解本书的理论方法，本书每个章节都通过一定量的现场具体事例加以说明。为了更好地反映技术的先进性，作者在近几年研究成果的基础上，结合国内外最新的成果及中国页岩气地质条件和勘探开发现状编著成书。在编写时力求做到先进、简洁和实用。
《页岩气开发工程中的理论与实践》（曾义金，杨春和，张保平著.北京：科学出版社，2017. 3）一书注重理论与实践相结合，每个章节都对工程技术理论及其使用方法进行了系统论述，第六章地质工程一体化应用技术作为本书理论体系的总结，结合涪陵、彭水等我国页岩气主要勘探开发主力区块的作业实践，从岩石力学求取、工程甜点的分析，水平井钻井技术、分段压裂技术和产能评价方法等方面，详细阐述了工程技术理论和一体化技术应用方法，对页岩气勘探开发具有重要的指导作用和参考价值。
中国工程院院士
2016 年3 月
本文摘编自《页岩气开发工程中的理论与实践》（曾义金，杨春和，张保平著. 责任编辑：吴凡洁. 北京：科学出版社，2017. 3）一书“前言”，有删减，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-052220-7
《页岩气开发工程中的理论与实践》结合我国页岩气勘探开发实际，根据页岩气开发工程中的理论研究成果编著而成，主要介绍用岩心试验、测井资料与地球物理求取页岩储层甜点的方法，钻井过程中页岩井壁围岩失稳机理、破坏规律、计算模型和控制方法，大型压裂过程中页岩裂缝起裂机理和延伸规律，压裂后裂缝监测与评估方法，页岩气试井解析与产能评价方法。本书注重理论与实践相结合，通过具体事例介绍基础理论的应用方法。本书为了帮助读者理解和掌握理论与方法在页岩气勘探开发工程中的系统应用，提出地质工程一体化技术，以钻井、压裂为重点，示范了应用方法。
关键词 | 板块构造与大陆动力学 | 大陆层控构造学 | 遥感地质 | 可燃冰（中国工程院报告） | 天然气水合物研究进展| 天然气水合物试的环境效应 | 新疆西准噶尔金铜钼成矿作用 | 华北地貌新论 | 钻冰取火记 | 塔里木克拉通 | 南黄海盆地 | 洋中脊多金属硫化物成矿 | 全球中、新生代大地构造图 | 中国及邻区盆地火成岩油气地质图 | 青海柴达木盆地盐湖 | 可可西里世界自然遗产 | 三维连片处理技术 | 油田数据学 | 高含水油田储层沉积学 | 阶梯式发展论 | 岩石结构强度理论 | 覆盖型岩溶地区岩溶岩土工程 | 沉积岩野外工作指南 | …
（本文编辑：刘四旦）
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