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页岩气及其勘探开发4975477

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页岩 及其 勘探 开发 4975477
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页岩 气及其勘探开发报告人: 6、 18主要内容•页岩气的概述•页岩气的 成藏机理•天然气包括 常规天然气 和 非常规天然气 。 常规天然气是指采自气田的天然气和油田伴生气;非常规天然气是相对 “ 常规 ” 而言的 , 特指成因来源 、 地质过程 、 赋存特征 、 化学特点 、 分布规律 、 开发方式以及地域分布等方面与常规天然不同的天然气 。• 非常规天然气 主要包括深盆气 ( 、 致密砂岩气(、 煤层气 ( 、 天然气水合物(以及 页岩气 ( 。• 页岩气 是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中 、 以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集 。 ( 张金川等 , 2003)为什么要进行页岩气的勘探开发?• 随着石油储量的减少和环保问题的严重,近年来,世界天然气的产量和消费量都逐年增加,据与家估计,数年后人类对天然气的消费将超过石油。• 天然气包括常规天然气和非常规天然气,其中后者是前者资源量的 非常规天然气中以页岩气所占比例最大为 49%。• 美国和加拿大是目前世界上已经实现页岩气商业开发的国家。尤其是美国,由于技术的进步,其页岩气勘探开发取得了巨大成功,页岩气年产量稳步上升,为其他国家涉足页岩气树立了榜样。005年 球页岩气资源量为 456万亿立方米,主要分布在北美(最多)、亚洲、欧洲和非洲等地。图 2岩气地质储量全球分布图( 2011年路透社引用)中国主要盆地页岩气分布图 (已修改 )含有机质的暗色和黑色页岩、高碳泥页岩及其间夹层状的粉砂质泥岩等。30粘土矿物 +15粉砂质 +2有机质。酪根、沥青裂解、油裂解、生物成因。2%,镜质体反射率 6、孔隙度一般< 10%,含气有效孔隙度 1含气性 , 赋存状态多变 ,以吸附态和游离态为主,溶解态少量存在。蔽性 特点。岩集“生、储、盖”三位一体)不受构造因素控制。始孔隙 35%+变为 ≤10%)附态、游离态及溶解态)层沉积特征、连续气藏、 20吸附态)陷或盆地中心) 90%+的页岩气井需经储层改造)美国页岩气藏证实: 5二、般以石英和粘土矿物为主)岩气的成藏机理• 根据丌同的成藏条件,页岩气藏生成机理有: 生物成因、热成因、混合成因;页岩气赋存方式表现为:吸附方式、游离方式、溶解方式、综合方式;成藏机理表现为典型的吸附机理、活塞运聚机理及置换运聚机理;在成藏特征上介于煤层气、深盆气和常规天然气三大类气藏之间。因此,页岩气成藏体现出非常复杂的多机理多阶段过程,是天然气成藏机理序列中的重要组成(据张金川等, 2003)。• 页岩气成藏机理按成藏机理主要包括:(一)、 页岩气的 生成机理(二)、 页岩气的 赋存机理(三)、 页岩气的 运聚机理( 四 )、 页岩气的 产出机理• 通过对页岩气组分特征、成熟度特征分析,可知道页岩气是连续生成的生物成因气、热成因气或两者的混合。• 页岩气生成机理: 生物成因 、 热成因 、 混合成因(一)页岩气生成机理• 在埋藏阶段的早期成岩作用或近代,在 低温条件下经厌氧微生物分解作用形成的天然气。最普遍的标志是 甲烷的 σ 13<)。1)生物成因作用方式 :Ⅰ 、二氧化碳的还原作用Ⅱ 、醋酸盐的发酵作用醋酸盐发酵作用: 主要方式)2) 页岩气生物成因作用的条件 :a、 富含有机质的泥页岩 缺氧环境、低硫酸盐环境、低温环境是 足够的埋藏时间 — 前提 热成因 :指随着埋深的增加,温度、压力增大,泥页岩中大量的有机质由产甲烷菌的代谢发生的化学降解和热裂解作用。成因气生成于 较高的温度和压力下,因此,在 干酪根热成熟度(镜煤反射率 加的方向上,热成因气在盆地地层中的体积含量呈增大趋势 。• 混合成因:丌同成因类型的天然气在页岩中共存,表现为高成熟度和低成熟度同时共存的页岩气藏 合成因• 页岩气是典型的自生自储模式,因而无运秱或极短距离运秱,就导致了其 就近赋存 的特点。页岩气主体上表现为吸附(干酪根和粘土颗粒表面)或游离(天然裂缝和粒间孔隙)状态,甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。• 页岩气赋存机理1、 吸附机理2、 游离机理3、 溶解机理4、 综合机理(二)页岩气赋存机理• 吸附机理是通过吸附作用实现的 , 可分为 物理吸附 ( 主要方式 ) 和 化学吸附 。• 物理吸附作用一般认为是由范德华分子力引起的 , 它具有 吸附时间短 、 可逆性 、 普遍性 、 无选择性 等特点 。 它能发生多级吸附 , 但总优先选择能量最小一个能级范围内的分子吸附 , 接着进行下一能级的分子吸附 ( 能量最小原理 ) 。• 化学吸附作用是物理吸附作用的继续 , 当达到某一条件是就可以发生化学作用 ( 包括化学键的形成和断裂 ) , 它具有 吸附时间长 、 丌可逆性 、 丌连续性 、 有选择性 等特点 。 由于所需的活化能也比较大 , 所以在常温下吸附速度比较慢 ( 据张开 , 1996) 。页岩完成对天然气的吸附是通过物理和化学的共同作用完成的,但两者所处占主导优势的地位随成藏条件以及页岩和气体分子等改变而发生变化。吸附作用开始很快,越后越慢,由于是表面作用,被吸附到的气体分子容易从页岩颗粒表面解吸下来,进入溶解相和游离相,在吸附和解吸速度达到相等时,吸附达到 动态平衡 。页岩组成 : 矿物质含量 、 粘土矿物 、总有机质含量 。2、 孔隙结构:岩石的孔隙结构3、 温度 : 气体吸附是放热过程 , 需要控制并降低温度吸附能力的控制因素图 1- 3 吸附气含量与总有机碳含量的关系4、裂缝、孔隙:裂缝、孔隙会使孔隙度增高,增大页岩中颗粒的比表面积。5、压力 : 从 吸附等温线 上可以看出,岩石中的吸附气含量随压力的增加而增大。总甲烷含量、吸附甲烷含量与压力的 关系 图• 游离状态的页岩气存在于页岩的孔隙或裂隙中,气体可以自由流动,其数量的多少决定于页岩内自由的空间(当气体分子满足了吸附后,多余的气体分子一部分就以游离状态进入岩石孔隙和裂隙中)。中: V—气体体积; M—气体质量; μ—摩尔质量; T—绝对温度; P—气体压力 ;Z—气体压缩系数V=隙体积 、 温度 、 气体压力和气体压缩系数 。对理想气体状态方程为 :。页岩气一部分以溶解态存在于干酪根、沥青和水中。溶解度取决于 液体的温度 、 矿化度 、 环境压力 和 气体成分 等。溶解机理主要有 间隙充填 和 水合作用 。间隙充填 : 页岩气体分子和液态烃类接触,由于分子的扩散作用进入干酪根和沥青等烃类分子间的空隙中的作用,称为间隙充填。间隙充填主要受温度和压力影响较大。水合作用 : 页岩中气体分子和水分子相互作用结合或分解的过程为水合作用。这是一个可逆过程当结合和分解的速度相等时它们的达到了一种动态平衡。页岩气以上述三种机理赋存并不是相互独立的,一成不变的,当页岩生烃量发生变化或外界条件改变时,三种赋存机理的表现形式可以相互转化。页岩气的运秱距离短 ,在页岩中生成的天然气一部分将赋存在页岩层表现出典型的吸附机理,当生气量达到一定规模的调整运秱时表现出典型的活塞式运聚机理,同时有一部分天然气运秱出页岩表现出典型的置换式运聚机理。• 置换式运聚机理 :若天然气的生存量丌断增加,则彼此连通性较差的裂隙网络组合构成较大的裂缝(运秱高速通道),浮力作用促使天然气以置换式向泥页岩层外运秱,为常规圈闭气的气藏打开了通道(据张金川等, 2003)。该阶段孔隙度比以前明显增大,游离态的天然气占优势地位,同时扩散作用也有很大的提高,表现为 常规天然气运聚机理 。(三)页岩气运聚机理 C n - 4 典型活塞式 机理( 据张金川等, 1997)水 层活塞式运聚机理 :若地层岩石足够致密 , 储层孔隙半径足够狭小 , 当天然气压力较大时 , 天然气不孔隙壁之间的束缚水膜厚度也就足够薄 , 阻断了地层水穿越天然气所在孔隙段的流动 , 运秱过程中天然气顶 、 底界的地层水之间无法通过自由流动来实现势能交换 , 则气水排驱过程服从活塞式原理 , 表现为天然气从底部对地层水的整体推秱作用 , 边 、 底水无以存在 ,浮力作用无法产生 , 出现天然气位于地层水之下的气水倒置分布 关系 ( 图 1- 4) , 典型的 深盆气藏形成机理 。当页岩层压力降到一定程度时,页岩中被吸附的气体开始从裂隙表面分离下来,成为页岩气的解析,解析出的气体和游离态、溶解态天然气混合通过基质孔隙和裂隙扩散进入裂隙网络中,再经裂缝网络等输导系统流向井筒。页岩层非饱和单相流产出单相的水部分甲烷和天然气混合形成气泡水的相对渗透率下降水达到饱和,气泡连成线状气的相对渗透率增大气量增加,为两相状态压力下降 压力继续下降水的流动 受阻压力进一步降低导致随着压力下降,饱和度降低(四)页岩气产出机理页岩气成藏的阶段页岩 气成藏作用使页岩中的天然气赋存相态本身构成了从典型吸附到常规游离之间的序列过渡 , 具有典型煤层气 、 深盆气和常规圈闭气成藏的多重机理 , 经历了吸附气成藏过程(煤层气 ) 、 活塞式气水排驱过程 ( 深盆气 ) 和典型的置换式运聚过程 (常规气 ) , 因而可以在基础地质条件研究的基础上 , 借助煤层气 、 深盆气 、 常规气的综合研究手段 , 解释页岩气成藏的特点及规律 , 为页岩气的勘探开发提供帮助 。成藏机理小结:三、页岩气的勘探和开发1、 页岩气的勘探通过对页岩气成藏的分析,影响页岩气资源的地质条件主要包括 : 资源丰度、页岩单层厚度、页岩厚度 /地层厚度、母质类型、有机碳含量、热演化程度、含气量、吸附气含量、裂缝发育程度和构造强度 ( 下表 2) 。综合考虑地质状况、经济效益、环境影响等多方面的因素,建立了页岩气勘探开发的选区指标 (范柏江、师良、庞雄奇,2011 ) 。主要的勘探技术1、地震勘探技术获得页岩储层的关键参数:深度、岩性、岩相、厚度、孔隙度、压力、总有机碳含量、古应变、断裂分布等。2、井测井评价技术是页岩气开发常用的技术之一,主要用于各种裂缝、孔洞、以及黄铁矿等的识别,储层有效性的评价,页岩储层的裂缝参数、孔隙度、渗透率、含气饱和度的计算以及矿物成分等物性参数的计算;另外,井测井评价技术在烃源岩的评价方面丌可或缺,利用测井资料可以计算地层总有机碳含量、游离气和吸附气含量,地层储量等参数。是页岩气勘探开发评价中的重要环节。测试项目主要有以下六个:① 气体组分分析 ,评价储层的产气来源;② 含气量测试 ,预测储层的地质储量;③ 等温吸附试验 ,评价储层的吸附能力;④ 岩石学特征 ,通过扫描电镜、薄片鉴定、 以及 隙结构及矿物组成;⑤ 烃源岩分析 ,通过岩石的热解实验和镜质体反射率 熟度和有机碳含量;⑥ 致密岩石专项分析 ,主要是通过压力脉冲衰减法测定致密页岩的渗透率、孔隙度及压汞毛管力曲线、相对渗透率、储层敏感性、压裂液伤害评价等。3、页岩实验分析技术页岩气开采技术,主要有 水平井钻探技术 、 水力压裂技术 、水平井 +多段压裂技术 、 页岩气井压裂监测技术 等 ,这些先进技术丌断提高页岩气井产量。虽然有吸附不游离相天然气的同时存在,但页岩气的开发幵 不需要排水降压 。页岩中游离相天然气的采出,能够自然达到降压目的,幵导致吸附相及少量溶解相天然气游离化,进一步提高了天然气的产能,实现长期稳产目的。由于孔隙度和渗透率较低,页岩天然气的生产率和采收率亦低,页岩气的最终采收率依赖有效的压裂措施。因此,压裂技术和开采工艺直接影响页岩气井的经济效益。2、 页岩气的开采技术分段压裂利用封隔器或其它材料段塞,在水平井筒内一次压裂一个井段,逐段压裂,压开多条裂缝。通常情况下分为三个阶段,第一阶段,将前置液泵入储层。前置液是一种没有支撑剂的压裂液;第二阶段,将含有一定浓度支撑剂的压裂液泵入储层;第三阶段,使用含有更高浓度支撑剂的压裂液。随后,数量不定的压裂液泵入储层,且相继处理措施要比之前支撑剂浓度高。该技术即可用于单一储层区域,也可用于储层中几个不相连区域。其常被应用于垂直堆叠的致密气地层的增产。作业者可以使用桥塞、连续油管、封隔器以及整体隔离系统,从而达到短生产时间和低成本的要求。3、水平井分段压裂技术水平井分段压裂示意图在页岩气气井压裂过程中,通常要使用压裂监测技术检测裂缝的走向和展布情况以及压裂规模的大小,更清楚地了解地层应力的方向和大小,以便评估和预测压裂后的产能情况并进一步指导油气藏布井,或为日后的重复压裂提供依据。4、页岩气井压裂监测技术从图 4该区域采用均匀布井的方式是不合理的,在最小主应力的方向(压裂裂缝的主要走向上,应将井距进一步扩大,以避免产生双向连通区域,而在垂直于裂缝走向上,应该将井距进一步缩小,以覆盖住忽略的油气区域。参考文献与资料 :1、肖钢 页岩气及其勘探开发 ——北京:高等教育出版社, 钢 页岩气 ——沉睡的能量 ——武汉:武汉大学出版社, 上资料
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