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页岩气研究与勘探开发概况_图文

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页岩 研究 勘探 开发 概况 图文
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页岩气研究与勘探开发概况刘贵熙 体物理 地空学院摘要:页岩气系指泥岩或页岩在各种地质条件下生成的、已饱和岩石自身各种形式的残留需要、 进入了排烃门限但尚未完全排出的以吸附、 游离及溶解等多种形式残留于泥页岩内部的天然气资源。随着北美、欧洲和亚洲等地区页岩气勘探程度不断加大,对页岩气的储集特征、成藏机理等方面的研究取得重大进展。本文根据两篇相关论文的内容概述了页岩气的成因、来源和储层特征,介绍了全球页岩气勘探开发情况,并针对中国的页岩气勘探开发前景作详细说明。关键词:页岩气;勘探开发引言页岩气是典型的非常规天然气,产自极低孔渗、以富有机质页岩为主的储集岩系中。页岩气的形成与富集为自生自储、以游离气和吸附气为主、原位饱和富集于以页岩为主的储集岩系的微—纳米级孔隙-裂缝与矿物颗粒表面[1]。页岩气常被称为“ 人造气藏”,开采必须通过大型人工储层造缝( 网)才能形成工业生产能力,初期产量一般较高、早期递减较快,后期低产稳产且生产时间长(一般 年)。50~3页岩气是国外最早认识的天然气,自 1821 年在美国阿帕拉契亚盆地成功钻探第1口页岩气井以来,页岩气的发展已近 200 年历史。但 20 世纪 90 年代前,只有致密(岩石)气与煤层气受到重视,页岩气在天然气大家族中的地位微不足道。21世纪以来,随着页岩气地质与开发理论的创新和勘探开发关键技术的进步,尤其是水平井钻完井与分段压裂技术的进步及规模推广应用,页岩气迈进了大发展阶段。2005 年以来,中国借鉴北美经验,开始了中国页岩气地质条件评价与勘探开发先导性试验,不仅在地质认识上取得进展,在勘探开发实践上也取得突破,成为全球除北美以外地区率先发现页岩气的国家。1 岩气的成因特征页岩气的成因类型有生物成因型、热解成因型和热裂解成因3类型及其混合类型[2]。对生物成因气而言,其源岩的热演化程度低,所生成的甲烷碳同位素非常轻。表 1 是美国几个主要的页岩气产层的地质地化特征。不难看出,密执根盆地的 岩气是典型的生物成因,伊利诺斯盆地的 岩气是生物及热成因混合气。岩气的来源特征生成页岩气的源岩富含有机质,天然气主要来自于有机母质的热作用。在有机母质进入热成熟之前,它们往往都要经历一个生物降解作用阶段。在这一阶段生成的未熟生物气大多被滞留于源岩内,与后期生成的热解气混合,构成了成熟热解气或热裂解气的一部分。美国产工业性泥页岩气的 5 套主要页岩气层的地质特征和地球化学特征进行了归纳和总结,发现泥页岩一般具有如下特征。(表 1)页岩气的地层厚度较大,埋深较浅。目前具有经济可采价值的页岩气地层的厚度均大于 6m,最大达 610m,埋深范围为 。埋深主要受当前钻探水平和经济条83件的限制。埋深过浅,泥页岩含气饱和度较低;埋深过大,开采困难、成本太高而不具备工业价值。页岩气的 量值变化范围大,可由 。目前,美国主要的页岩气%25~量都较高,一般超过2%。量高的泥页岩含粘士矿物多,吸附性强,单位体积岩石内的容气量多。页岩气的干酪根类型多为Ⅰ和Ⅱ型,Ⅲ型较少。类型好的源岩生成的油气量多, 自身残留的烃量也多。需要指出的是,母质类型较好的泥页岩,其在热演化程度较低时形成泥页岩油藏,在热演化程度较高时,通过原油的裂解才能转变为泥页岩气藏。成页岩气资源并不需要源岩达到一个很高的热演化程度,关键是能够饱和岩层的残留需要。在满足了这一条件的情况下,它们内部残留的天然气在钻探的情况下能够得到较多的释放,从而实现有效开采。演化程度较低的源岩,生成的天然气量较少,能够残留的最大气量也较少,在开采过程中能够释放出来的气量亦较少,因而难以构成最优质的页岩气资源。热演化程度非常高的源岩层, 虽然生成的天然气量非常大,但同时它们的埋深也大, 孔渗非常小,温压也高,在这种条件下残留的量较小。绝大部分的天然气已被排出源岩外,形成了深盆气藏和常规气藏。它们还因埋深太大而得不到经济开采, 如果因构造变动暴露地表,它们内部残留的气量还将大量损耗。因此,这类高演化程度的泥页岩层也构成不了最优质的页岩气资源。岩气的储层特征(1)页岩气富集于泥页岩内部复杂的介质条件中。泥页岩气既富存于暗色泥岩和页岩的孔隙内、裂缝中,也富集在泥页岩内部的浅色粉砂岩、细砂岩的薄互层中(图 2),还有的溶解于干酪根介质内。(2)泥页岩气富集在非常细小的原生孔隙内( 图 3)。事实上,尽管泥页岩自身非常致密, 但其孔隙度的大小随裂缝发育程度的不同变化范围较大,可由 ,渗透率%15~则随裂缝发育程度的不同而有较大变化。(3)泥页岩气以多种相态形式存留于孔隙空间,包括吸附态、游离态以及溶解态赋存在泥页岩中。其中吸附作用是页岩气储集下来的重要机制之一,吸附态天然气的含量变化为 ( 图 4), 主要是吸附在干酪根或矿物表面上,游离气及溶解气则富集在%85~40岩石孔隙、有机质内孔隙及裂缝的空间内。 (4)泥页岩气在岩石中具有广泛的饱和性,每吨岩石含气量为 。大多数情340况下为 ,它们主要以吸附状态存在于岩石 内,吸附气含量一般为 。t/ %852泥页岩残留的气量与许多地质条件有关,包括埋深条件、温压条件、生烃条件以及岩层的排烃条件等等。上面从天然气成因类型、源岩特征和储集特征 3 个方面阐述了泥页岩气的基本特征。即便如此,由于目前工业性产气层的地质地化条件变化大,要总结出泥页岩油气藏资源的判别标准或下限是非常困难的。对比分析美国不同盆地的页岩气成藏地质条件发现,各影响因素之间具有不同程度的互补性。如福特沃斯盆地与阿巴拉契亚盆地泥页岩平均含气孔隙度小但有机碳含量高,二者依然具有较高的页岩气产能。2 世界页岩气勘探概况与勘探成效据 2005 年 统计, 全球页岩气资源量为 , 主要分布在北美、亚洲、312洲和非洲。2011 年 4 月美国能源信息署发布了“世界页岩气资源初步评价报告”,根据 际有限公司负责完成的美国以外 32 个国家的页岩气资源评价以及美国页岩气资源评价结果,全球页岩气技术可采资源总量为 。包括俄罗斯、中亚、中东、东南亚和中非等地区, 因为这些地区或有非常丰富的常规资源,或缺乏基础的评价资料。美国是世界上最早发现和生产页岩气的国家,已经实现了页岩气的大规模商业开采,页岩气已成为继致密砂岩气和煤层气之后的第三种重要的非常规天然气资源。加拿大、中国和欧洲国家也正积极开展页岩气方面的研究和勘探及开发试验工作。美的页岩气勘探概况与勘探成效美国目前已在多个盆地中发现并开采出了页岩气。美国的页岩气主要发现于中生界—古生界地 层中,勘探开发的主要盆地有阿巴拉契亚盆地的 岩、 密执根盆地的岩、伊利诺斯盆地的 岩、 威利斯顿盆地的 岩、圣胡安盆的 岩、福特沃斯盆地的 岩及阿纳达科盆地的 岩等,勘探正在由东北部盆地向中西部盆地发展。根据 研究结果,美国页岩气原地资源量大于 。2009 年美国页岩气产量为 ,2010 年为 ,312388011 年则达到 ,占该国天然气总产量的 1/4。387加拿大的页岩气资源同样很丰富,主要分布在 5 个盆地中:东北部中泥盆统的地和三叠系 岩,阿尔伯达省与萨斯喀彻温省的白垩系 ,魁北克省的奥陶系 岩,新布伦斯威克省和新斯克舍省的石炭系 岩。根据加拿大非常规天然气协会资源评价结果,加拿大页岩气的原地资源量大于。洲的页岩气勘探概况与勘探成效国际能源署 2009 年预测欧洲的非常规天然气储量为 ,其中将近一半蕴38在泥页岩中, 这个数字远低于美国或者俄罗斯。国际能源署提醒说,从全球来看,除了撒哈拉以南的非洲地区, 欧洲的页岩气储量可能是最少的。欧洲自 2007 年启动了由行业资助、 德国国家地质实验室协助的为期6年的欧洲页岩气项目以来,已经在 5 个盆地发现了富含有机质的黑色页岩,初步估算页岩气资源量至少在 以上。312洲的页岩气勘探概况与勘探成效亚洲页岩气的研究尚处于探索阶段, 没有大规模商业性开采的页岩气, 但中国正在大力开展页岩气方面的研究并取得了巨大成效。2002 年至 2008 年页岩气的研究主要基于理论层面上,在 2009 年西南油气田成功开钻中国第一口页岩气井01 井。西南油气田最早着手页岩气的开发研究,通过取芯分析化验等系列前期研究发现,蜀南地区页岩分布广泛,页岩层厚度大、含气性较好,有着良好的勘探开发前景。随后国内外多个石油公司也加入到中国页岩气勘探开发的研究中,很好地推动了页岩气的发展。据 计, 我 国和中亚地区页岩气原地资源量约 , 是仅次于北美地区的世界第二大页312气资源区。张金川等曾对我国页岩气资源潜力进行了估算,认为我国的页岩气资源总量约为 。312)(3 页岩气理论研究取得的主要进展通过多年的勘探开发实践和研究,世界在泥页岩气的形成机制、分布预测方法和开发增产措施等方面取得了一系列重要的进展。(1)认识到长期以来被天然地看成为源岩或盖层的致密泥页岩在一定的地质条件下可以作为一种新型的储油气目的层, 在油气勘探中有着巨大的发展潜力。(2)认识到泥页岩油气藏与煤层(油)气藏、泥岩裂缝性油藏一样,都属于自生自储类的油气资源, 但三者在成藏特征及油气的富存状态方面有着著的差异(表 2)。它们的根本区别表现在 3 个方面: ①泥页岩油气藏中油气的富存状态十分复杂。类油气藏中的天然气除了吸附态之外,还溶解态,甚至包括液化态和固化态。但其他两种油气藏中的天然气相态简单,煤层气主要为吸附态,裂缝性天然气主要为游离态。②煤层气的富存介质主要为有机质构成的煤层,其他两种油气藏的富存介质条件均为泥页岩层,差别显著。③泥岩裂缝性油气藏不完全属于自生自储自盖,它们中的油气实际上已从源岩内排出源岩外,只是目前还在同一层中而已。 此外,泥岩裂缝性油气的开采主要依赖浮力作用, 与常规油气藏没有差别,而前两者必须通过解析作用才能释放被吸附或溶解的天然气。(3)认识到页岩油气藏与深盆油气藏、致密构气和致密岩性气藏 一样,都是孔渗条件非常差的密型油气资源,但四者的成因机制和分布特征着显著的不同(图 5)。它们之间的主要区别在于离源岩之间距离的远近。泥页岩油气藏是一种离源最近的致密型油气藏,是一种典型的“自生自储自盖型”的非常规油气资源。它们自源岩生成后就在源岩内部的原生孔隙内富集成藏,是在饱和了源岩各种形式需要后没有被排出源岩之外的残留部分,它们的特性最能代表源岩。深盆气藏是富集在紧临源岩层的致密砂岩储层内的非常规油气资源,它紧临源岩但不在源岩内,有些学者称它为根缘气藏。致的构造气藏和致密的岩性地层气藏,均属常规气藏之列,虽然在烃源灶的控藏范围之内,但可以离源区较远。它们是在浮力作用下形成的常规油气藏,后因埋深加大,地层被压实变得致密形成的。 (4)认识到页岩油气藏中的裂缝与泥页岩裂缝油气藏中的裂缝对于这两类油气资源都非常重要,但它们对于两类油气藏的地质意义不同。比较泥页岩油气藏和泥页岩裂缝性油气藏不难发现, 裂缝对于这两类油气藏的形成和开采来说至关重要。对于泥页岩裂缝性油气藏, 裂缝为油气富集提供了储集空间和动力来源, 没有裂缝这类油气藏不可能存在。裂缝是形成这类油气藏的必要条件, 也是勘探这类油气藏的最重要地质依据(图6)。对于泥页岩油气藏,裂缝在页岩气开发过程中能增加渗透率,在开发过程中水平井穿过裂缝发育带,通过水力压裂措施产生大量裂缝并提高页岩气的渗流能力,没有裂缝它们不能实现经济开(图7)。尽管两类油气藏都需要裂缝,但裂缝对于二者的地质意义是完全不同的。对于泥页岩裂缝性油气藏而言, 裂缝是形成油气藏的必 要 条 件, 没 有 裂 缝, 这 类 油 气 藏 就 不 存在。在这种情况下,可以将裂缝作为寻找这类油气藏的地质依据。而对于泥页岩油气藏或页岩气,有没有裂缝这类资源都能形成。裂缝的存在和产生主要是为了让已经富集起来的天然气能够更好更快地释放出来,形成具有工业价值的产能。泥页岩气层中的裂缝,往往都是为了开采效益的需要而人为产生的。4 中国页岩气勘探开发前景与北美相比,中国页岩气形成与富集条件具明显特殊性。中国沉积盆地发育3类有机质页岩[1],包括海相富有机质页岩、海陆过渡相与湖沼相煤系富有机质页岩和湖相富有机质页岩。不同时代、不同地区发育不同类型富有机质页岩组合,页岩成气潜力差异明显。相富有机质页岩中国海相富有机质页岩分布广泛,主要发育在中国南方地区、华北地区及西部塔里木盆地的上震旦统、下寒武统、上奥陶统下志留统等。海相富有机质泥页岩分布面积大、横向变化稳定,有机质丰富,海相富有机质页岩有机质类型以腐泥型—混合型为主,属倾成油型母质,热演化程度处在裂解成气阶段,页岩气以原油热裂解气为主。海相高演化页岩基质孔隙、有机质微—纳米级孔隙发育,构成了页岩气良好的储集空间。海相页岩脆性矿物丰富,黏土矿物单一。海相页岩成气藏条件优越,勘探开发前景好。陆过渡相系富有机质页岩可划分为海陆过渡相、湖沼相煤系富有机质泥页岩。海陆过渡相富有机质泥页岩主要分布在中国东部的石炭系—二叠系、南的二叠系;湖沼相煤系富有机质泥页岩包括四川盆地及周缘的上三叠统—下侏罗统、中国西部地区的侏罗系,具有分布面积大、有机质类型复杂、热演化程度适中等特点。相富有机质泥页岩中国中生代、 新生代盆地多为陆相沉积, 深湖和半深湖相形成的富有机质黑色泥页岩是盆地的主力烃源岩。现阶段多数泥页岩正进入大量生油期,仅在埋深较大的凹陷中的部分烃源岩才演化至生气阶段。因此,湖相页岩气勘探开发领域,将会是页岩油和页岩气并存的局面,纵向上具有“ 上油下气”的展布特点, 横向上埋深大的凹陷区及近凹陷斜坡区是页岩气的主要富集区。国页岩气资源发展前景有关中国页岩气资源发展前景, 国内不少机构/学者对此做出了较为乐观的预测(表5)。预测显示中国页岩气资源丰富,其中地质资源量 ,技术可采资源312)(量为 。无论是从地质资源量还是技术可采资源量上看,中国页岩气资源312)(都具备良好发展基础。甚至已有机构/学者根据资源预测结果及目前进展,认为中国未来5 年将实现页岩气规模化生产,页岩气产量达到 ;至 2020 年前后,突破页岩气381065勘探开发关键技术,页岩气产量有望达到 。然而页岩气储层比任何m~)(致密油气储层都还要致密,实现有效开发难度非常大。中国的页岩气勘探开发虽已在先导性试验井中取得突破, 但仍为起步阶段。中国页岩气地质条件与开发条件都与北美不同( 表6)。首先,从地质条件上看,中国的富有机质页岩,尤其是古生界海相富有机质页岩大多经历了复杂的构造改造,在盆地周缘页岩地层抬升出露、断裂切割严重,保存条件是海相页岩气勘探开发面临的严峻挑战;中国富有机质页岩热成熟度复杂,海相页岩形成时间早,演化程度高,陆相页岩形成时间晚,演化程度低,两个端元的热演化程度都将直接导致中国富有机质页岩含气量变化大、含气量偏低。其次,从开发条件上看,中国富有机质页岩在盆地内主体埋深较大,超过了 3500m 或更大,在南方海相页岩发育区,地表多以山地和丘陵等复杂地表区为主,且不是常规油气生产的主产区,地面设施与管网缺乏。由此可见,中国页岩气地质与开发条件复杂,决定了中国页岩气勘探开发不会一蹴而就,需要一定时间准备与探索。5 总结页岩气可由富含有机质的源岩经生物作用或热解和热裂解产生,以包括吸附态、游离态和溶解态的多种相态留存于泥页岩的孔隙空间中。可供经济开采的页岩气产层应有较大地层厚度,较为丰富的有机质,适中的热演化程度以及稳定的构造环境以保存油气藏。目前全球范围内尚无判别泥页岩油气藏资源的统一标准,但“页岩气革命”已席卷全球。目前,中国为全球除北美以外率先发现页岩气的国家,处于页岩气开发的起步阶段。尽管众多机构对中国页岩气发展前景给出积极预测,然而相比于已将页岩气开采大规模商业化的美国,我国在泥页岩油气藏资源地质条件和开发条件上均面临巨大劣势。然而作为一种重要的非常规油气资源,页岩气具有非凡的国家战略意义。未来发展只有结合我国泥页岩油气藏资源地质条件的特殊性并在关键领域取得技术突破才能降低开采成本,形成大规模稳定生产力。参考文献:[1]董大忠,邹才能,杨桦,王玉满,李新景,陈更生,王世谦,吕宗刚,]012,072]姜福杰,庞雄奇,欧阳学成,郭继刚,金聪,霍志鹏,]012,02:198
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