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页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例

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页岩 气成藏 条件 分析 美国 盆地
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2008年5月石油地质与工程22卷第3期文章编号:1673—8217(2008)03—0033—04页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例蒲泊伶1,包书景2,王毅2,蒋有录1(1.中国石油大学。山东东营257061;2.中国石化石油勘探开发研究院)摘要:页岩气藏不同于常规气藏,页岩既是源岩也是储层。烃类气体主要以吸附状态赋存在干酪根和粘土颗粒的表面.气体可以是热成因、生物成因或混合成因。页岩含气量主要与有机质丰度、类型及演化程度有关。页岩的孔隙度与渗透率极低.需要裂缝来提高孔渗性能。一般情况下.页岩气藏需要人工压裂才能进行工业生产。大多数产气页岩具有分布范围广、层厚、普遍舍气等特点,这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。关键词:页岩气;非常规气藏;吸附;“连续型”聚集中图分类号: 文献标识码:岩作为烃源岩生成油气,或是作为地质盖层使油气保存在生产储层中,防止烃类有机质逸出到地表。然而在一些盆地中,具有几十到几百米厚、分布几千至几万平方公里的富含有机质页岩层可以同时作为天然气的源岩和储层,形成并储集大量的天然气(页岩气)。天然气可以在页岩的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。我们把这些储存在页岩层中的天然气称为页岩气(大多数产气页岩具有分布范围广、层厚、普遍含气等特点,这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。1国内外研究现状页岩气勘探生产和开发研究最早开始于美国,1821年第一口页岩气井钻于纽约然只有8.2 也产出了能够用于照明的天然气[1]。目前,美国已经拥有超过39 500口页岩气井,到2005年年底页岩气总产量大约是6 000×108 ,占美国总天然气产量的8%,而美国页岩气总资源量估计在(500~600)×1012 球有许多盆地都具有生产页岩气的潜力,但除了美国以外还没有见到有关页岩气商业化开采的报道,目前人们对于页岩气勘探开发理论的了解仅限于美国几大页岩气井的成功开采经验。但随着世界能源消费量的猛增和供需矛盾的日益突出,页岩气潜在的巨大资源已引起了许多国家地质学者的普遍重视。我国在许多地区有巨厚的泥页岩沉积并有良好的生油条件,是具有形成页岩气藏的条件的,因此在泥页岩中寻找油气资源应引起足够的重视[2]。本文主要以美国页岩气的勘探开发资料为依据,探讨了页岩气成藏的基本地质条件。2页岩气源岩特征及成因类型页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础,要求生烃有机质含量达到一定标准。那些“肥沃”的黑色泥页岩通常是页岩气成藏的最好岩性,一般情况下,页岩气的生成主要与含气页岩的地球化学特征有关,如于酪根类型、总有机碳、气体含量、烃的相态、成熟度和埋藏史、演化程度等。2.1页岩沉积环境黑色页岩的形成需要大量的有机质供给、较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。大量的有机质是烃类生成必需的物源基础;快速的沉积速率使得富含有机质页岩在被氧化剥蚀等破坏之前能够大量沉积下来;缺氧抑制了微生物的活动性,减小了对有机质的破坏作用。在沉积埋藏后控制甲烷产量的因素是缺氧环境、缺硫酸盐环境、低温、富含有机物质和充足的储存气体的空间。2.2岩性页岩是主要由固结的粘土颗粒组成的片状岩收稿日期:2008—01—29;改回日期:2008—03—08作者简介:蒲泊伶,1981年生,2002年毕业于山东科技大学地质工程专业。在读硕士研究生,研究方向为矿产普查与勘探.万方数据·34· 石油地质与工程 2008年第3期,石,是地球上最普遍的沉积岩石。尽管含气页岩通常被称作“黑色页岩”,其实并不仅仅是指单纯的页岩,它也包括细粒的粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及灰岩、白云岩等。在矿物组成上,主要包括一定数量的碳酸盐、黄铁矿、粘土质、石英和有机碳。页岩作为岩层,为不同颗粒大小和不同岩性的混合。矿物成分对于成功的完井是非常重要的。页岩气的产出依赖于制造裂缝的能力、天然裂缝的存在或是可渗透岩相的互层的存在。根据页岩气工作者的经验,含气页岩作为细粒致密砂岩储层,富含硅质的页岩要比富含粘土质页岩在人工压裂中起到更好的作用。2.3有机地化特征2.3.1总有机碳含量与常规气藏相同,不管是生成生物成因气还是热成因气,源岩都需要充足的有机质。含气页岩中的有机质含量很高,美国五大页岩中的总有机碳含量一般在1.5%~20%,通常总有机碳含量在0.5%以上的页岩可认为是有潜力的源岩。有机质含量随岩性而变化,富含粘土质的地层最高,成熟的地下样品与未成熟的露头样品也有显著区别。2.3.2干酪根类型美国页岩气盆地的页岩中的干酪根主要以工型与Ⅱ型干酪根为主,也有部分Ⅲ2型干酪根。不同的干酪根类型的页岩中都生成了大量的气,干酪根的类型并不影响源岩层的产气数量,它只影响天然气吸附率和扩散率,有机质的总量和热成熟度才是决定源岩产气能力的重要变量。2.3.3成熟度在热成因的页岩气储层中,烃类是在时间、温度和压力的共同作用下生成。干酪根的成熟度不仅可以用来预测源岩中生烃的潜能,还可以用于高变质地区寻找裂缝性页岩气储层的潜能,作为页岩储层系统有机成因气研究的指标。页岩的热成熟度可以从0.4%~0.6%(临界值)到0.6%~2.0%(成熟),页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。不同类型的有机质在不同演化阶段生气量不同,但在有机质演化初期即R。大于0.4,页岩中只要有烃类气体生成,它们就有可能在页岩中聚集起来形成气藏。五大页岩的R。值均大于0.4%。2.4页岩气的成因类型页岩气主要通过两种途径从源岩中生成:作为生物成因气,通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入作用中厌氧微生物的活动形成;作为热成因气,通过在埋藏比较深或温度较高时干酪根的热降解或是低熟生物气再次裂解形成,及油和沥青达到高成熟时二次裂解生成。页岩气既可以是生物成因气也可以是热成因气。或是生物成因气与热成因气的混合气,这与页岩中有机质演化程度有关。岩中的有机质还生成了液态烃,这些石油经裂解构成了该区的部分天然气资源。而在密歇根盆地的有双重成因,即为热成因气和生物成因气的混合气‘11。3页岩气储、盖层特征3.1 页岩气的储集特征与常规气藏的成藏规律不同,页岩既可以是源岩也可以是储层,甚至可以充当圈闭和盖层。烃类气体在页岩层中生成后,会在页岩自身储集成藏,属于“连续型”聚集,“连续型”聚集这个概念是由美国地质调查所在1995年美国全国油气资源评价中提出‘引。3.1.1页岩气的储集方式气体在页岩储层中主要以两种主要的方式储集:在天然裂缝及有效的大孑有机质或矿物固体颗粒表面以吸附状态存在[4]。页岩吸附能力的多少通常与页岩的许多特征有关,如总有机碳含量、干酪根成熟度、储层温度、压力、页岩原始含水量和天然气组分。3.1.2孔隙度与渗透率作为储层,含气页岩大多显示出低的孔隙度(小于10%)。页岩中一般具有双重孑生孑气藏中的原生孔隙系统由十分微细的孔隙组成,在原生孔隙中存在大量的内表面积。内表面积拥有许多潜在的吸附地方,它可储存大量气体。75%的产出气是来自页岩内的有机质和粘土析出的,其余则来自页岩内的裂缝。页岩可以有很大的孔隙度,并在这些孔隙里储存大量的油气。即便在老的页岩中,例如阿巴拉契亚盆地的隙度平均在5%~6%,可达到15%,游离气可以充满孔隙中的50%。页岩具有极低的渗透率,其渗透率甚至比含气致密砂岩还要低很多(远小于0.001肛而在圣万方数据蒲泊伶等.页岩气成藏条件分析 ·35·胡安盆地的然基岩的孔隙度和渗透率只有1.72%和1×10.。页岩中的一些天然裂缝及粉砂岩和砂岩的互层会提高渗透率,在开采过程当中,人们通过人工压裂来提高页岩的渗透性能而得到工业气流。3.1.3完藩&力页岩气藏中通常具有异常压力,热成因的页岩气藏一般以高压为主要特征,而生物成因的页岩气藏则一般为低压为主要特征。热成因气是在足够的埋深下,在温度和压力的共同作用下生成,具有热成因气的页岩气藏通常都是在经历过足够的埋藏作用,压实作用、上覆地层压力的作用、流体热增压及有机质向烃类转化过程中由于体积的膨大等引起了高异常地层压力;而生物成因气埋藏深度比较浅,易形成异常低压,如密执安盆地的.2盖层页岩超低的孔渗性使得页岩气对于盖层的要求不像常规气藏那么苛刻,由于页岩的颗粒比较致密,它本身就可以作为页岩气的盖层。在盆地发育过程中,页岩盖层的质量极不稳定。页岩在中一高成熟阶段显示为渗漏的,并且有石油和热成因气生成,排驱到周围地层中遇到其它合适的盖层重新聚集。所以,页岩气的盖层多变,既包含页岩本身(阿巴拉契亚盆地和福特沃斯盆地),也包括页岩周围的细粒致密岩层,如斑脱岩(圣胡安盆地)、冰碛物(密歇根盆地)和页岩/碳酸盐岩(1]。3.3影响页岩气聚集的地质因素3.3.1总有机碳含量有机质含量是生烃强度的主要影响因素,它决定着生烃的多少。页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源,也可以像是海绵一样将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在线性关系。在相同压力下,总有机碳含量较高的页岩比其含量较低的页岩的甲烷吸附量明显要高。在对者呈密切的正相关关系(图1),说明含气量主要取决于其总有机碳含量[5]。总有机碳含量,%图1 .2成熟度含气页岩的热成熟度越高表明页岩生气量越大,页岩中赋存的气体也越多。研究发现,低成熟气速率就比较低,这可能是由于生成的天然气的量少以及残留的液态烃堵塞喉道造成的。在许多气速率比较高,这是因为干酪根和石油裂解产生的气量迅速增加[6]。在密歇根盆地的成因气含量在向盆方向,即向于酪根热成熟度增加的方向不断增加。干酪根的热成熟度也影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气量。此外,随着演化程度的增高,由于烃类气体生成引起的地层压力增大也可以提高页岩对气体的吸附性能,在压力升高到一定程度时,在地层中产生的微裂缝也是页岩气赋存的良好储集空间。因此,热成熟度是评价可能的高产页岩气的关键地球化学参数。3.3.3干酪根类型众所周知,干酪根主要以生油为主,Ⅲ型干酪根主要以生气为主。由于不同干酪根的化学组成和结构特征不同,因而不同阶段产气率会有较大变化。在实验条件下(据赵文智等,2006),不同升温速率有机质的成气转化基本一致,但主生气期(天然气的生成量占总生气量的70%~80%)对应的R。值不同。%~2.3%,Ⅱ型干酪根1.1%~2.6%,%~2.0%,海相石油1.5%"%[7]。3.3.4地层压力地层压力的大小也影响页岩层中吸附气量的大小。在附气量与地层压力成正比关系,页岩中的地层压力越大,其吸附能力越强。许多学者认为,不同地区有机质含量、产气量及周围页岩封存能力的不同会引起压力梯度的差异;有些地质学家还认为,天然裂缝也可能会是原因之一。3.3.5厚度及埋深一般页岩气的工业聚集需要足够的厚度及埋深,沉积厚度是保证足够的有机质及充足的储集空间的前提条件。厚度越大,也越能增强页岩的封盖能力,有利于气体的保存。一般地,页岩的厚度在91.5 m[31。研究表明,泥盆纪页岩及更老的岩石在抬升到现在的海拔之前经历过很深的埋藏。这个构造历史创造了有机质大量生成的环境和能够储集经济可采万方数据·36· 石油地质与工程 2008年第3期的油气的圈闭机理。从美国的有关资料考察,页岩气储层的埋藏深度范围比较广泛。埋深从最浅的76 39 m,主要介于762一72 m[3]。美国正在开采的页岩气盆地的埋深都不是很大,大多都是以浅层开采为主,这是由于过高的埋深会加大勘探的难度及成本。但随着埋深的增大,温度压力不断升高,有机质的演化程度也会随之变大,会更有利于页岩的生气与吸附。随着技术进步及对能源的不断需求,人们现在越来越把目光关注在深部埋藏的页岩气。3.4构造作用及裂缝构造作用对页岩气的生成和聚集有重要的影响,其影响作用主要体现在以下几个方面:首先,构造作用能够直接影响泥页岩的沉积作用和成岩作用,进而对泥页岩的生烃过程和储集性能产生影响;构造作用还会造成泥页岩层的抬升和下降,从而控制页岩气的成藏过程;构造作用可以产生裂缝,可以有效改善泥页岩的储集性能,对储层渗透率的改善尤其明显。在美国正在进行商业开采的页岩气盆地,一般是在经历了区域地质构造运动后,在岩石表面形成褶皱、裂缝或是被挤压,并且经历多次的海平面变化形成有效的不整合。这些裂缝和不整合面为页岩气提供了聚集空间,也为页岩气的生产提供运移通道‘引。由于页岩中极低的基岩渗透率,开启的、相互垂直的或多套天然裂缝能增加页岩气储层的产量(000)。美国东部地区产气量高的井,都处在裂缝发育带内,而裂缝不发育地区的井,则产量低或不产气,说明天然气生产与裂缝密切相关。导致产能系数和渗透率升高的破裂作用,可能是由于酪根向沥青转化的热成熟作用(内因)或者构造作用力(外因),或者这两者产生的压力引起。控制页岩气产能的主要地质因素为裂缝的密度及其走向的分散性(图2)[5],裂缝条数越多,走向越分散,气产量越高。目前,只有少数天然裂缝十分发育的页岩并不采取增产措施便可进行天然气商业性生产。在其它的大多数情况下,成功的页岩气井需要进行水力压裂。人工激发裂缝可以为页岩气提供储集空间、提高渗透率,同时人工裂缝可以将原本孤立的孔隙、裂缝连通起来。一个页岩气井的成功与否,不仅与气藏中页岩气的丰度有关,也与页岩层中足够的渗透率及有效的完井和人工裂缝有关。31井^2_31井12169缝条数图2 是有时会阻碍人工裂缝,减少页岩气的产出。一些近期的研究发现,时,断层还将增产措施的能量传导出去而不是使坚硬的页岩发生破裂,这样的增产措施通常不能产生大量的微裂缝,从而导致页岩气井产量很低[6]。4 结束语页岩气属于非常规气藏的一种,含气页岩通常既是源岩也是储层、圈闭和盖层。作为源岩,含气页岩显示出高的总有机碳含量,通常1%~1 O%,成熟度通常在生油窗或生气窗内(R。在0.4%~2.0%);作为储层,含气页岩显示出低的孔隙度(小于10%),低的渗透率(远小于0.001肛页岩气的商业开采通常通过人工激发裂缝来提高产能;作为盖层,含气页岩在中一高成熟阶段显示为渗漏的,并且有石油和热成因气生成,排驱到周围地层中。天然气通常以吸附及游离两种状态存在于页岩中。页岩吸附能力的多少通常与页岩的许多特征有关。参考文献1 B.].ul—002.86(11):1921~19382王德新。汪裕彬,吕从容.在泥页岩中寻找裂缝油、气藏的一些看法[J].西部探矿工程,1996,8(2):12~143 ].002,86(11):1993~19994 et eu—].005,89(2):155~175(下转第39页)2㈣一鼎删万方数据宁方兴.现河庄地区泥岩裂缝主控因素分析与油气成藏 ·39·石抗张强度,即:体压力增加,同时最小主压应力减小,则岩石更容易破裂形成裂缝及微裂缝。由岩石受力摩尔圆分析其破裂条件更加清淅(图3)。/ ///,、鼍\\。,\一/。-‘ \A \图3岩石受力摩尔圆变化图济阳坳陷构造应力变化时,拉张应力状态下,最小主应力d。在水平方向上减小,应力圆增大,接近岩石破裂包络线(图3),岩石易于破裂。同时,流体压力增大时,作用在岩石颗粒上的有效应力均减小,应力圆大小不变而向左移动(图3),降低了岩石的抗破裂能力,极易形成裂缝。此外,泥岩裂缝的形成与发育还受沉积相带、储层岩性、岩层厚度等因素影响[74泥岩裂缝与油气的关系油气藏的形成是油气在圈闭中聚集的结果。只有形成了圈闭油气才有可能聚集。因此油气藏的形成不会早于裂缝形成时间。现河庄油田泥岩裂缝形成于馆陶组沉积早期,正好与馆陶组一明化镇组沉积时烃源岩大规模生、排烃期相匹配,为油气藏的形成提供了良好的储集空间。现河庄油田已发现的泥岩裂缝油藏埋深在2 200 多具异常高压,且处于超压泥质岩微裂缝发育带内。受地应力和超压作用,微裂缝局部扩大形成有效的储集空间,在应力释放的(上接第36页)5樊明珠,王树华.高变质煤区的煤层气可采性石油勘探与开发,1997.24(2):87~906 el n—of as ]。007.91(4):475~499同时,超压泥质岩微裂缝带内产生过剩压差,在压差(负压)驱动下,泥质生油岩内的油气便沿有效通道向裂缝储层富集成藏。5 结论(1)现河庄地区泥岩裂缝类型为构造裂缝、成岩裂缝、异常超压裂缝、垂向载荷裂缝、垂向差异载荷裂缝、变质收缩裂缝。(2)现河庄地区泥岩裂缝的主控因素是构造应力和异常压力,此外,还受沉积相带、储层岩性、岩层厚度等因素影响。(3)泥岩裂缝形成时间与烃源岩大规模生排烃期相匹配,在地应力和超压作用下形成泥岩裂缝油气藏。参考文献1王秉海。钱凯.胜利油区地质研究与勘探实践[M].山东东营;石油大学出版社,1992.271~2722潘元林.张善文。肖焕钦等.济阳断陷盆地隐蔽油气藏勘探[M].北京:石油工业出版社.2003.357~3703李勇,钟建华,温志锋等.济阳坳陷泥质岩油气藏类型及分布特征地质科学.2006,41(4):586~6004王立军,吴云桐,牛纪风等.复杂断块油田伴生断层与油气聚集一以东营凹陷中央背斜带现河庄油田为例[J].地质力学学报.2003.9(2):129~1345尹克敏,李勇,慈兴华等.罗家地区沙三段泥质岩裂缝特征研究[J].断块油气田,2002。9(5):24~276胡济世.异常高压、流体压裂与油气运移(上)[J].石油勘探与开发,1989。22(2):16~237慈兴华.冀登武,陈汉林等.济阳坳陷四扣洼陷泥质岩裂缝储层预测研究[J].高校地质学报,2002。8(1):96~1048魏永佩,刘池阳.沉积盆地储集层微裂隙研究[J].西北大学学报(自然科学版),1999。29(1):63~67编辑:吴官生7赵文智.邹才能,宋岩等.石油地质理论与方法进展[M].北京:石油工业出版社.1996.132~1348 ].004,26(1/2):57~78编辑:吴官生万方数据页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例作者: 蒲泊伶, 包书景, 王毅, 蒋有录作者单位: 蒲泊伶,蒋有录(中国石油大学,山东东营,257061), 包书景,王毅(中国石化石油勘探开发研究院)刊名: 石油地质与工程英文刊名: (期): 2008,22(3)被引用次数: 7次参考文献(8条)才能;宋岩 石油地质理论与方法进展 004(1 of as 文期刊]2007(04)树华 高变质煤区的煤层气可采性 1997(02) 文期刊] 2005(02) 文期刊]2002(11)裕彬;吕从容 在泥页岩中寻找裂缝油、气藏的一些看法 1996(02) B 文期刊] 2002(11)引证文献(7条)河东部凹陷古近系页岩气聚集条件分析[期刊论文]然科学版) 2010(2)岩气测井技术的应用[期刊论文]010(7)美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和沉积模式及启示[期刊论文]010(6)岩气勘探的地球化学指标及测井分析方法初探[期刊论文]009(3)岩气成藏条件及我国黔南坳陷页岩气勘探前景浅析[期刊论文])岩气的主要成藏要素与气储改造[期刊论文]009(3)岩气藏形成机理与富集规律初探[期刊论文]009(5)本文链接:
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