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页岩气国内外研究现状

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页岩 国内外 研究 现状
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页岩气国内外研究现状一、页岩气的定义关于页岩气的定义,为页岩气可以是储存在天然裂隙和颗粒间孔隙中的游离气,也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气或者是干酪根和沥青质中的溶解气。中国地质大学张金川教授给出的定义是:主体位于暗色泥页岩或者高碳泥页岩中,以吸附和游离状态为主要存在方式的地层中的天然气聚集。二、多相态存在于致密页岩中页岩气是以有游离、吸附和溶解状态存在于暗色泥页岩中的天然气,其赋存形式具有多样性,但以游离态和吸附态为主,溶解态仅少量存在。从美国的情况看,游离气在 20%~80%之间,吸附气在 80%~20%之间,范围很宽,其中部分页岩气含少量溶解气。游离气主要存在于粒间空隙和天然裂隙中,吸附气则存在于基质表面。随着页岩气研究的不断深入,学者们开始认为吸附态页岩气至少占到总储量的一半。天然气在页岩中的生成、吸附与溶解逃离,如图 1 所示,当吸附在基质表面的气量达到饱和后,富余的气体会解析进入基质孔隙,然后随着天然气的产出,裂隙内压力降低,基质内气体进入裂隙聚集后流出。源岩层系页岩系统包括富有机质页岩,富有机质页岩与粉砂岩、细砂岩夹层,粉砂岩、细砂岩夹富有机质页岩;页岩气形成于富有机质页岩,储存于富有机质页岩或一套与之密切相关的连续页岩组合中,不同盆地页岩气层组合类型不相同。即页岩气为源岩层系天然气聚集的一种,为天然气生成后,未排出源岩层系,滞留在源岩层系中形成的。源岩层系油气聚集除页岩气外,还包括煤层气、页岩油和油页岩。页岩气为连续型油气聚集页岩气(行了界定,并认为页岩气在本质上就是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合,它具有普遍的地层饱含气性、隐蔽聚集机理、多种岩性封闭和相对很短的运移距离,它可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在,在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在,甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。即页岩气为连续型气藏(图 1) 。页岩气为源岩层系油气聚集在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式。从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果。中国页岩气藏与北美地区相比较有以下特殊性:( 1) 海相页岩热演化程度较高(为 2. 5%~5. 0% ) 、构造活动较强,需寻找保存有利的地区,避开露头和断裂破坏区: ( 2) 陆相页岩热演化程度较低、分布非均质性较强: ( 3) 地面多山地、丘陵等复杂地表,埋藏较深(5000~7000m) 。所以在勘探开发过程要有针对性地采取合理措施开发我国页岩气。张金川等学者认为页岩气成藏模式介于煤层气和根缘气之间,表现为过渡特征,并将我国页岩气资源富集类型分为:南方型、北方型和西北型。渗流机理国内目前对于页岩气渗流机理方面的研究几乎处于一片空白,能查阅到的相关文献很少,只有西南石油大学的段永刚教授在参考文献中做过相关的研究,对页岩气无限导流压裂井压力状况及渗流机理等进行了研究分析。针对页岩气存在吸附—解吸附复杂的渗流过程,国外学者做了一定工作,取得了不少的成果。在参考文献中,M. 学者给出了一种非常规油藏“三线性”渗流模型,渗流示意状况如图 2,此模型合理地简化了页岩气开发的复杂模型,对于研究页岩气藏渗流模型具有很好的借鉴价值。该模型假设:( 1)水力裂缝中流动是一维线性流; ( 2) 在水力裂缝间的内部油藏的流动和在水力裂缝外部油藏的流动都被假定为是线性的; ( 3) 来自外部油藏的流体流动方向垂直于内部油藏流体流动的方向,这三点即为“三线性”的定义来源,该模型相对于其他半模型优势即为简化后可给出了页岩气压裂水平井筒中压力的解析解。页岩气渗流机理有四大难点: ( 1) 用合适的数学公式描述页岩气吸附—解吸附之间的物理化学机理,目前大多数学者采用适用于北美某些页岩气藏的处理方式: 兰氏等温吸附方程。( 2) 油层内多重介质渗流机理模型。气体在页岩气藏中渗流伴随着基质、小裂隙和大孔隙之间的复杂流动。( 3) 与水平井段的衔接模型。目前大部分开发的页岩气藏基本都采用水平井技术,而水平井的渗流状况本身就比较复杂,加上与页岩气藏中裂缝气体向井筒中流动将更加难以描述。( 4) 各个流动阶段的耦合,页岩气在地层中的渗流要经历多个复杂的过程并涉及众多复杂的物化机理,将这些过程合理简化并进行耦合使之可以进行求解并指导实际是一个非常困难的过程。三、页岩含气量页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气折算到标准温度和压力条件下(5℃)的天然气总量,包括游离气、吸附气、溶解气等,目前主要关注吸附气和游离气(图 3) 。 游离气是指以游离状态赋存于孔隙和微裂缝中的天然气;吸附气是指吸附于有机质和粘土矿物表面的天然气,以有机质吸附为主,伊利石等粘土矿物也有一定的吸附能力。从形成机理和过程的角度看,富有机质页岩含气量的大小取决于生烃量和排烃量,即页岩含气量=生烃量-排烃量。其中,生烃量受有机质的类型、含量和成熟度的控制;排烃量主要受排烃门限高低的控制,突破压力大,排烃门限高,则在相同的生烃条件下,含气量高。从等温吸附研究的结果看,按每 10m 水柱=算,若页岩地层处于正常流体压力状态,在 1150m 以浅,特别是在 700m 以浅,页岩气中的吸附气含量随着深度增加而明显增加,在 1150m 以深,吸附气含量增加缓慢,在2000m 以深,吸附气含量曲线变得十分平缓,吸附气增加量已经不明显。而游离气随着埋深的增加表现出平稳增加的趋势,波动比较小(图 3) 。 实验结果也显示出,在 1150m 左右,游离气和吸附气的含量基本相等,之后,随着埋深的增加,游离气含量逐步增加,在埋深达到 2800m 左右时,游离气达到吸附气的 2 倍以上。总体上表现出在 1150m 以深,页岩气的存在状态主要以游离气为主的趋势。页岩气的储集空间页岩气的储集空间包括孔隙和微裂隙。等认为,页岩中的孔隙以有机质生烃形成的孔隙为主,如果页岩有机质质量百分含量为 7%,则体积百分含量为 14%,若这些有机质有 35%发生转化,则会使岩石增加 孔隙空间。微裂缝是页岩的另一种主要储集空间,长度在微米级至纳米级。微裂缝的成因多种多样。页岩在生烃过程中,随着烃类生成量的增加,内压增大,当达到突破压力后,会形成大量的微裂隙,为烃类排出提供通道,同时也形成新的储集空间。在成岩过程中,矿物相的变化也会使微裂隙形成。构造活动过程中也会形成大量的微裂隙。力、温度压力与埋深直接相关。富有机质页岩含气量总体随压力的增加而增加,其中,吸附气在低压条件下增加较快,当压力达到一定程度后,增加速度明显减缓,而游离气仍然在明显增加,并成为页岩气的主体。 温度增加会降低富有机质页岩的吸附能力,任何富有机质页岩在高温条件下吸附能力都会明显下降,温度升高 1 倍,吸附能力下降近 2 倍。即随着地温的不断增加,富有机质页岩的吸附能力不断下降,游离气的比例不断增加(图 7) 。机质含量有机质含量决定了页岩的生烃能力、孔隙空间的大小和吸附能力,对富有机质页岩的含气量起决定性的作用。从国内外的实测结果看,有机质含量直接影响含气量,有机质含量越高,含气量越大。两者具有近似线性的相关关系,相关程度很高。它因素除以上影响因素外,岩石的湿度、有机质类型、粘土矿物含量、地层水矿化度等,对富有机质页岩的含气量也有不同程度的影响。其中,干岩石的含气量明显高于“湿”岩石;伊利石的吸附能力高于蒙脱石,高岭石的吸附能力最弱。 而地层水矿化度对生物成因页岩气的含气量有明显的影响。从以上富有机质页岩含气量的影响因素看,页岩气的聚集和保存也是需要一定条件的。 开展页岩气聚集条件研究, 是寻找页岩气富集有利区的基础。四、 直接测定包括保压取心测定和密闭取心测定。 国外研究人员认为,保压取心测定页岩含气量的方法不但价格昂贵,而且准确度不高,不建议使用。通过密闭液覆盖可保存大部吸附气和部分游离气。密闭取心测定页岩含气量的方法偶尔使用。分类测定通过分类测定页岩中的游离气、吸附气和残留气,得到页岩气总含气量,是目前应用最广的页岩气含气量测定方法。游离气的测定首先通过岩心确定含水饱和度,如果含油,确定含油饱和度,进而确定游离气含气饱和度。通过建立岩电关系,利用饱和度测井确定游离气含量。吸附气含量主要通过解吸和测井手段获取。等温吸附模拟等温吸附模拟是解吸的逆过程,在煤层气研究中为成熟技术,在国外页岩气含气量研究中也为成熟技术,在国内页岩气研究中,还有一些新问题需要解决,结果也基本可用。通过等温吸附模拟,可以研究不同有机质含量、类型、湿度等富有机质页岩的吸附特征和能力,获得吸附气含量参数数据,并与解吸等其它手段获得的数据综合,得到富有机质页岩的含气量及其变化规律的参数数据。需要注意的是,解吸获得的含气量一般大于等温吸附模拟的含气量,有时也会低于等温吸附模拟的吸附量。其原因主要是解吸气与吸附气之间不是等量关系。解吸获得的页岩气中包括一定量的残留游离气和大部分吸附气。如果两者的和大于吸附气量,再加上游离气,就会出现总含气量大于等温吸附模拟获得的总含气量;如果小于吸附气量,再加上游离气,就会出现总含气量小于等温吸附模拟获得的总含气量。含气量测井解释通过测井资料综合解释确定富有机质页岩含气量,已经在北美页岩气勘探开发中普遍应用。通过测井资料确定富有机质页岩的含气量,首先要建立岩电关系,包括岩石密度与有机质含量的关系,放射性物质含量与有机质含量的关系,有机质含量与含气量的关系等。在岩电关系的基础上,通过测井资料解释吸附气含量、游离气含量和总含气量。五、页岩气地质评价页岩气等非常规油气勘探不同于常规油气勘探,非常规油气勘探不但包括发现全新的油气藏,还包括过去错过或不经济天然气的再发现。如致密砂岩气和煤层气,发现历史很长,但由于经济和技术原因没有得到开发。在技术进步的推动下,如今又被重新认识和开发。页岩气地质评价包括对新的勘探区页岩气的评价,更多的是对已经开展常规油气勘探地区的重新评价。因此,充分利用已有资料信息和知识是页岩气地质评价的捷径。评价内容由于页岩气的特殊性,研究内容的侧重点较其它非常规天然气资源有所不同。 页岩气的勘查开采需要研究的内容包括下述 12 项:(1)地层和构造特征(2)岩石和矿物成分(3)储层厚度和埋深(4)储集空间类型和储集物性(孔隙度和渗透率、裂缝的长度、宽度和导流、裂缝与孔隙度的关系)(5)泥页岩储层的非均质性(6)岩石力学参数(7)有机地球化学参数(8)页岩的吸附特征和聚气机理(9)区域现今应力场的特征(10)流体压力和储层温度(11)流体饱和度与流体的性质(12)地质研究首先开展区域地质研究,分析研究区地层构造和沉积、演化;在区域地质研究的基础上,研究区域应力场的特征和变化规律,确定最大主应力、中间主应力和最小主应力的大小和方向,确定水平最大、最小主应力的大小和方向,为钻井设计提供基础参数。在区域地质研究的基础上,针对页岩气勘探开发要开展以下 3 个方面的针对性研究。有机质泥页岩的基本特征通过地质和地球物理、地球化学资料,确定富有机质泥页岩的层位、分布、厚度和埋深。分析确定页岩层系的岩石类型和剖面组合,分析沉积微相的特征。研究岩石的矿物组成。研究岩石的 量及其在剖面、平面上随岩石类型和沉积微相的变化规律;确定有机质成熟度。在有地震和钻井资料时,通过地震和井筒资料可以对以上各项参数进行研究和标定。其中,测井资料可以标定岩石的矿物组成、有机质类型和演化程度,划分沉积微相。地震资料可以识别富有机质泥页岩层系和空间展布,并编制富有机质泥页岩厚度、埋深平面图。石孔渗特征和储层力学参数、敏感性参数通过岩心、测井资料,研究富有机质泥页岩层系各类岩石的孔隙度和渗透率。通过岩心和薄片分析,研究岩石宏观和显微裂缝的特征;通过扫描电镜,研究分析岩石微观孔隙、裂缝的特征和矿物成分;通过低压注 O 2、和高压压汞,研究岩石的孔隙结构、孔喉半径等。在建立岩电关系的基础上,通过测井数据,研究解释富有机质泥页岩层系的物性特征和变化规律。通过岩石力学实验,确定岩石的弹性模量、泊松比和岩石的抗张、抗剪、抗压数等参数数据。通过敏感性实验,确定岩石的水敏、酸敏、碱敏、速敏、压敏等参数,为钻井和压裂提供基础参数。有机质泥页岩层系的含气性以岩心资料为基础,标定饱和度数据资料,并建立岩电关系,通过测井资料,确定富有机质泥页岩层系的游离气含量;通过岩心解吸,确定岩心吸附气含量和残留气含量。最终确定富有机质泥页岩层系的总含气量。在经过岩心资料标定后,可通过测井数据同时确定富有机质泥页岩地层层系的游离气、吸附气和总页岩气含量。岩气资源潜力分析对目标区的页岩气地质资源量和资源丰度进行预测,得到页岩气资源潜力数据,为目标区页岩气开发提供决策依据。通过以上工作,确定页岩气的关键参数下限。美国多个盆地页岩气经济开发的关键参数主要包括孔隙度、含水饱和度、含油饱和度、渗透率和总有机质含量。要求孔隙度大于 4%、含水饱和度小于 45%、含油饱和度小于 5%、渗透率大于 100有机质含量大于 2%。页岩气有利区优选页岩气作为聚集于源岩层系的连续型油气聚集,其分布层位明确,分布面积大,但有富集区存在。资源潜力评价要同时考虑以游离态和吸附态存在的天然气。目前,国外页岩气资源潜力的评价方法有体积法、类比法、统计法、成因法等。在勘查阶段主要采用体积法和类比法,其中体积法是基础方法。体积法预测资源潜力、确定富集区的主要指标包括目地层的厚度、面积、密度和含气量。目地层的厚度和面积要结合含气量指标,通过地质和地球物理手段确定,获得页岩的吨岩含气量及其分布十分关键。目前,美国页岩气有利区优选要求有机质含量达到一定指标。美国主要页岩气层 般大于 2%,最好的在 上;有机质热成熟度在生气窗范围之内,般在 上,美国主要页岩气层 包括处于 气高峰阶段的页岩气,也包括 上处于生气高峰后的页岩气,都有成功开发的实例。富有机质页岩的厚度达一定规模,一般在 15m 以上,区域上连续稳定分布,的页岩的厚度一般在 30m 以上,要求有一定的保存条件,盆地中心区或构造斜坡区为有利区;脆性矿物、微裂缝发育,其中石英、方解石、长石等矿物含量大于 30%~40%。大面积区域富集、连续分布,气藏面积与有效气源岩面积相当,因此资源量非常巨大,可能是常规资源的 2~3 倍或更多。若要有效开发,必须应用先进的勘探开发技术来提高单井产量和采收率,并降低成本,主要技术包括水平井钻井、分段压裂等六、页岩气开采工艺美国开发页岩气的关键技术是水平井技术和压裂技术。水平井分段压裂是开发页岩气的核心技术。水力压力从 1985 年开始用于页岩储层增产作业中,多级压裂、清水压裂、同步压裂、水力喷射压裂和重复压裂是目前页岩气水力压裂常用技术。唐颖等人认为清水压裂是现阶段中国页岩气开发储层改造的适用技术,开采长度大的页岩气井,可以适用多级分段清水压力技术,同步压裂是规模化页岩气开发的客观需要,重复压裂增产措施对于低渗、天然裂缝发育的地层很有效,特别是页岩气藏,重复压裂可以有效地改善页岩气单井产量与生产动态特征,建立良好的生产井产能。近几年,在压裂改造储层方面出现的一些新技术的进展对于开发页岩气起到了巨大的推动作用,如大规模水力压裂技术、页岩气体积改造技术等。2011年 9 月由中国工程院、中国石油学会、中国石油天然气集团公司共同在四川成都召开的非常规天然气有效开采工程技术论坛暨发展前景高端研讨会上,沈忠厚院士开创性地提出了超临界 统开发非常规油气技术,特别是利用 超临界状态的独特物理化学性质系统开发页岩气和非常规油气资源。超临界 射钻井不仅能够在页岩层中获得较高的机械钻速,同时不会使页岩层产生粘土膨胀、水锁等效应; 利用超临界 体进行储层压裂改造,能使储层产生更多微小裂缝,有助于页岩气生产; 最重要的是, 与页岩的吸附强度高于 此 够置换吸附在页岩上的 提高产量和生产速率的同时,实现 久埋存,更加契合了当前环保的主题。超临界 具有极大优势,该项课题的研发和实践,将具有重大的意义。美国页岩气勘探开发经验表明,技术突破是页岩气发展获得成功的关键因素之一。我国含油气盆地类型较多、盆地结构较为复杂,页岩分布层系广、发育类型多。南方海相古生界页岩保存条件差,烃源岩演化程度普遍偏高,构造及地表地貌条件复杂多变,不同地区埋藏深度差异大;中新生代盆地页岩层系较多,有机质丰度较高,但演化程度较低,多处于生油窗阶段,生气潜力有限,加之盆地面积小,页岩分布比较局限,粘土矿物含量高。因此,我国页岩气资源在成藏条件及分布规律方面具有独特的地质特征,不能简单地照搬美国页岩气勘探开发理论和方法。必须针对我国页岩层系的特点,从国家层面组织各方力量,加强页岩气成藏机理及资源评价等基础地质研究,形成适合我国地质条件的页岩气地质理论、资源评价方法参数体系。在工程技术攻关上,要积极学习和引进水平井+多段压裂技术、清水压裂技术和同步压裂技术,在消化吸收的基础上加强自主创新,加快形成适合我国页岩气勘探特点的工程工艺配套技术系列。
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