澳大利亚昆士兰州煤层气的开发概况(一)

2015 年1 月,昆士兰开始出口煤层甲烷气(CBM),也称为煤层气(CSG),以液化天然气(LNG)的形式输往亚洲市场。这一事件标志着首次明确以巩固液化天然气出口市场为目的对煤层气或其他非常规天然气进行开发。液化天然气转换量预计将大幅攀升,到2017 年出口量将达到1.4 万亿立方英尺/年。对西北陆架和澳大利亚北部常规海上天然气进行液化天然气的开发将推动澳大利亚在2020 年前成为全球最大的液化天然气出口国。本文综述了昆士兰州的天然气生产历史并详细讨论煤层气的开发。这个过程中将先进技术应用于复杂的地质环境中,在大范围地理区域内快速构建起大量用于钻井、加工和运输的设施,充分体现了技术的成功运用。这些技术包括:达到商业用井程度的钻井和完井技术,产出水的管理(反渗透),澳大利亚天然气生产作业中引入GRE(玻璃增强型环氧树脂)和聚乙烯管道,等等。近期也面临着经济挑战:地区通货膨胀压力使预期成本增加,液化天然气国际市场发生变化。一方面乡村农用区域的油气开采活动方兴未艾;另一方面政府不断调整监管政策以应对产业发展对环境和社会造成的影响所引起的公众关注。

本文首先介绍碳氢化合物的来源和生产水平。然后详述昆士兰州天然气的生产历史,包括煤层气的出现改变了为弥补预期的国内市场短缺而从巴布亚新几内亚(PNG)进口天然气的观点,并诞生出一个新兴的重要出口产业的过程。本文列出生产过程中遇到的挑战,包括产出水管理的相关问题,这对于一个长久以来遭受反复干旱问题困扰的农业地区来说是至关重要的。本文在结论部分描述监管环境,并总结其对气田区域和该州的社会经济影响。由于煤层气转换为液化天然气这一新兴产业现如今正由建设和开发阶段向生产和经营阶段转变,因此应及时回顾它的产生过程、期间所克服的挑战以及对未来进行预测展望。这里了解和讨论的经验教训能够有助于促进全球各地区未来对煤层气的开发,进而满足世界对低成本低碳能源的需求。

晚三叠纪沉积标志着苏拉特盆地(上覆于鲍恩盆地)开始形成。苏拉特盆地的形成过程中可容纳空间增加的原因目前有争议,有人认为是克拉通内坳陷,也有人认为是弧后位置中的环克拉通构造。1976 年Exon 首次提出盆地充填地层的观点,后来陆续有一些研究对其加以完善。这些研究都描述到中生代沉积的6 个重要上升周期。这些周期包括河流渠化和河漫滩沉积,其中包括瓦隆煤系中广阔的煤系地层以及细粒湖泊沉积物。相对于二叠纪煤系,这些煤层虽然横向不连贯,但其依次累积厚度造就了世界级的天然气藏。苏拉特盆地沉积持续到白垩纪中期,盆地模拟显示苏拉特盆地最大埋藏发生在约一亿年前。第二个时期的埋藏过程中,鲍恩盆地烃源岩生成的主要是气体,而在一些地方苏拉特盆地烃源岩进入热成因油生成条件下。鲍恩和苏拉特盆地90%以上的烃产生于白垩纪和现代之间。除之前所提到的巴腊拉巴煤系和Burunga 地层之外,Buffel-Banana 源岩生成的天然气占鲍恩和苏拉特盆地总天然气量的30%以上。应该注意的是,最初的排油和运移(主要来自巴腊拉巴煤系)可能得到了随后的天然气生成的(主要是热成因气,其次为生物成因气),天然气生成有助于从源岩中排驱先前生成的油。苏拉特盆地埋藏期之后的盆地反转造成侵蚀,侵蚀范围从小于1000 米,到超过2000 米。

苏拉特盆地和下伏鲍恩盆地的主要构造特点

天然气的首次发现和产出是1900 年在澳大利亚苏拉特盆地罗马市郊的Hospital Hill水井。Roberts(1992)描述的一个水井钻井事件是1900 年10 月16 日Hospital Hill 侏罗系油藏二号水井的一次气体“爆炸”。这起事件导致1906 年起开始钻探了好几口井,其中一口产出了气体,用于罗马城市照明。但只维持了10 天的供应,后来该气井就停止产出。1927 年和1934 年该地区又开发过非商业用气。然而,尽管拥有丰富的天然气,该区域还是直到20 世纪60 年代才实现常规天然气矿的商业化。所有这些气(和油)都来源于大自流盆地(GAB)中的含水层。在其他地方,Gray(1967)记录了20 世纪初期以来,在Chinchilla 地区的水井发生的瓦斯突出的报道。Gray 称,大自流盆地的政府钻井历史记录显示该地区的一些水井已被甲烷气体污染。Gray 收集的非官方数据表明,甲烷通过水井和自然特征产生运移的情况是普遍存在的。地下水中普遍存在天然气,并且煤盆地相关的商业产气周期也可以预测到。例如,Miyazaki(2005b)称1944 年,由一口与废弃的巴尔曼(Balmain)煤矿连接的井中产出了1150 万标准立方英尺的煤层气,该煤矿位于新南威尔士州悉尼港下面。1942~1950年间该井共产出1940 万标准立方英尺的煤层气。此前,1935 年对巴尔曼煤矿非生产煤层进行钻井,结果测试出甲烷流,之后废弃。苏拉特盆地的常规气田的天然气产量稳定增长,从20 世纪70 年代的平均每年100亿立方英尺到1994/1995 财年增加至295 亿立方英尺。1988 年起丹尼森(Denison)槽地(鲍恩盆地)气田的产量用于供应格拉德斯通(Gladstone)的工业用户,从而弥补了苏拉特产量的不足(通过昆士兰州天然气管道,简称QSGP)。天然气产量在160 亿立方英尺持续了一段时间,2004 年5 月到达峰值后开始下降。

昆士兰常规天然气和煤层气的历史产量(昆士兰政府,2015)

如今,澳大利亚东部(汤斯维尔、布里斯班、悉尼、墨尔本、格拉德斯通、阿德莱德、堪培拉和塔斯马尼亚北部)的大部分用户之间已经连接起天然气管网。这部分天然气主要是常规天然气资源,来源于南澳大利亚东北部和昆士兰西南部的库珀和伊罗曼加盆地,昆士兰南部的苏拉特和鲍恩盆地,以及维多利亚州沿海的奥特威(Ottway)和吉普斯兰(Gippsland)盆地。北领地和西澳大利亚各有独立的管道网,目前还没有与澳大利亚其他区域连接。过去东海岸国内市场的油价通常是2~3 澳元/吉焦(1 吉焦=109 焦耳),随季节变化差异较大。其中以维多利亚州南部的需求量最大,原因在于其冬季较为寒冷,人口多,且制造业发达。国内(东海岸)的市场需求一直相当稳定,保持在每年6000亿立方英尺左右,全部由国内盆地供应。陆上天然气尽管产量持续减少,但价格仍然很低,原因包括,巴斯海峡(Bass Straight)近海的概算储量,或来自奥特威盆地的新供应,和/或可能对较小生产商的股价施压以显示产量和储量的增加。无论如何,由于油气供应的日益稀缺和/或对非常规能源等成本较高、更为边际的资源进行勘探并从中获利的需求,未来长期前景是(或应该是)东海岸的价格将会走高。煤层气的生产多年来一直是煤炭开采活动的一个副产品,昆士兰将煤层气作为一个独立的资源来开采始于20 世纪70 年代末。到20 世纪90 年代已经在鲍恩盆地钻取了30口左右的煤层气专用井。这一开发吸取了美国进行类似开发的成功经验。到1995 年已钻井160 口左右,大多在鲍恩盆地,商业生产开始于1996 年,供应昆士兰东南部的国内用气市场。

苏拉特、鲍恩、库珀和埃罗曼加盆地,集中管理区和天然气管道

早期煤层气勘探者和生产者的成功使昆士兰确立了大型资源产出基地的地位。国内市场的局限性和低廉的价格迫使该行业寻求新的市场以将这些资源套现。为此,这些早期的运营商提倡将煤层气作为液化天然气出口的理念,吸引了大量油气公司的关注。经过一段时间的并购,昆士兰目前已有或在建的有四大煤层气厂商,包括两个财团和两个大型石油公司:格拉德斯通液化天然气项目(GLNG)(Santos(经营方,30%),Petronas(27.5%),Kogas(15%),Total(27.5%));澳大利亚太平洋液化天然气公司(APLNG)(Origin(上游运营商,37.5%),康菲石油(37.5%)和中国石化(25%));昆士兰柯蒂斯液化天然气(QCLNG)(QGC 经营方,(BG 的子公司,最近由壳牌完成并购),昆士兰柯蒂斯液化天然气中的少部分股权由中海油和东京燃气公司持有);和Arrow Energy(壳牌和中石油各持有一半股份)。

通附近的柯蒂斯岛建设煤层气工厂,与此同时在建的还有六列运载火车,这种建设规模是前所未有的。昆士兰柯蒂斯液化天然气于2014 年12 月交付第一辆运载液化天然气火车,2015 年7 月交付第二辆。格拉德斯通液化天然气的第一辆运载列车于2015 第三季度开始运行,澳大利亚太平洋液化天然气公司的第一辆列车于2015 年底开始运行。格拉德斯通液化天然气和澳大利亚太平洋液化天然气公司的第二辆列车均预计于2016 年投入运行。第四组Arrow Energy,截至2016 年1 月尚未做出大型液化天然气项目的投资决策(FID)。然而,该公司正在继续评估和开发苏拉特和鲍恩盆地的天然气资源,目前看来很可能要面向其他财团的工厂或国内消费群体供给煤层气。截至2015 年06 月30 日,昆士兰煤层气的概算储量估计为42733 拍焦(1 拍焦(PJ)=1015 焦耳)(自然资源和矿山部,2016),而1996 年时仅为5 拍焦。昆士兰目前的煤层气储量是澳大利亚东部天然气储量的81%(是煤层气全部储量的94.7%,其余储量分布在新南威尔士州)。昆士兰煤层气储量为22 家公司所有,大部分在开发中的储量掌控在致力于将煤层气转化为液化天然气的三大财团以及Arrow Energy 手中。表1 所示为各项目持有储量的情况。

昆士兰最初的煤层气-液化天然气开发策略是基于大量评估试点以及市场对大量气井的需求的假设。虽然在最初就认识到煤层物性的横向不确定性,但成功试点使生产和设施得以逐步建立,从而赋予多样性以更多的确定性并积累了早期数据。早期阶段的模型可能表明钻井时需要用标称间距,井间范围在750~1400 米之间,但基于实际生产经验以及兼顾当地农业作业情况,这一规律和估测得以修正。尽管昆士兰的煤层气生产在煤层甲烷/煤层气资源中处于领先水平,平均生产率是100 万~200 万标准立方英尺/天,产能最高的井甚至能超过2000 万标准立方英尺/天,但早期开采的井的产能变化表明,煤层横向连续性,无论是作为单个还是多个煤层,都比原先预想的更为复杂和不可预测。此外,由于含气量和渗透率等关键参数具有不确定性,因此需要尽快研究出更有效的工具以改善布井。

煤层气生产的一种伴生物就是产出水。所产生的水量取决于钻井的数量和区域地质条件。2005 年中期以来煤层气井的数量和历史产水量如图8 所示。有产出的煤层气井数量和总产水量之间有一种非常密切的相关性。昆士兰大学目前正在进行的研究表明,由于生产行为和作业条件的不确定性,截至2015 年年中产水量大大低于很多第三方研究在生产前的预测。

煤层气产水量与煤层气井数量之间的关系

不同的煤层气储层层位需要采用不同的完井策略。在苏拉特盆地,一个垂直井中有多个单独煤层在同时产出。然而,在鲍恩盆地中,根据煤的质量(渗透性)和深度区分出矿井的更多类型。这些矿井类型包括水平和垂直、液压以及洞穴完井。洞穴完井是在较高渗透性的鲍恩煤层气矿区最常用的完井形式(例如,Fairview 和Spring Gully)。在其他地方,尤其是在鲍恩盆地北部,地表到煤层间(SIS)的井可能采取水平钻取与垂直井交叉的方式,如图10 所示。该形式尤其可以应用于有可能成为常规开采目标的浅层煤矿。因此,为了使该煤矿将来可以采用长壁采煤法,现行立法规定,在大多数情况下,SIS 井都需要在煤层中使用高密度聚乙烯(HDPE)材质的管,不能使用钢管。一般来说,这两个盆地中的大部分井都是垂直的,完井方式与图9 类似。为了提高低渗透储层的产能,煤层可进行扩孔,制造出平行排列的洞孔或裂缝,并且该洞孔或裂缝垂直于天然裂缝(如果存在天然裂缝的话)。

煤层气生产井示意图

为了在大气压力下将甲烷液化,必须将其冷却至-162°C。大多数液化天然气冷却到这个温度并在大气压力下进行运输。柯蒂斯岛上的工厂是最先进的,其技术水平作为业内标准,具有很高知名度。这基本上是一个制冷机组,将气体冷却到所需的温度,同时将压力降低到大气压力水平。液化天然气的典型流程图如图11 所示。在该图的流程中,气体经过过滤去除固体,使用标准的胺和乙二醇装置去除二氧化碳和水,之后是冷却,先让气体接触液态丙烷,然后是乙烯和液化甲烷。最后,将它泵入储存罐,在那里等待被装载到液化天然气船上准备海运。

昆士兰柯蒂斯液化天然气厂,位于澳大利亚格拉德斯通的柯蒂斯岛(QGC, 2012)

 

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