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页岩气的主要成藏要素与气储改造15146013

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页岩 主要 要素 改造 15146013
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页岩气是指通过连续的生物作用或热成熟作用或两者的作用结合生成的天然气在暗色泥页岩或高碳泥页岩中的聚集, 气体主要是以吸附或游离状态存在的。页岩气藏表现为典型的 “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烃源岩中大规模滞留的结果。从概念是上说, 泥岩和页岩并不完全相同, 页岩和泥岩都属于黏土岩 ; 但泥岩无页理, 页岩有页理。 美国研究者所指的页岩包括我国研究者所指的泥岩和页岩。国内研究者则更倾向于使用 “ 术语对应于“泥岩”。 另外国外目前的 “页岩气” 与国内传统的 “泥页岩气” 在理解上存在一定的差异, 前者强调吸附和游离相天然气的同时存在, 而后者则多指游离相天然气。1 烃条件页岩气藏的形成对烃源岩的要求是 : 总有机碳含量大、 有机质成熟度适中、 有效烃源岩厚度足够大且分布广。 与常规气藏相同, 不管是生物成因气还是热成因气, 烃源岩都需要充足的有机质。 页岩气藏的烃源岩多为沥青质或富含有机质的暗色泥页岩和高碳的泥页岩类, 一般含有 4% ~ 30% 的有机质, 地层总有机碳含量般大于 2% , 可达普通烃源岩的 10 ~ 20 倍 ; 总有机碳含量 页岩气的产气率密切相关, 例如 :地 T. P. 2 井 页岩、地 页岩有机碳含量 x 之间存在 y =x +y = x +正线性关系, 其他页岩产层也多具有类似特征 [1] 。 另外, 总有机碳含量与吸附气含量也密切相关, 因为有机质是吸附气的核心载体, 有机碳含量的高低会导致吸附气的含量发生数量级的变化。 据 2002 ) 统计显示, 各主要产气层的吸附气和游离气所占比例不同, 吸附气含量范围较宽, 约为 20% ~85% , 页岩最低 (仅 20% ), 后经过 发现其吸附气含量应取在 40% ~页岩气的主要成藏要素与气储改造张利萍 1 潘仁芳 2,3( 1 中国地质大学 (北京) 能源学院, 北京 100083 ; 2 油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学), 湖北省荆州市 434023 ; 3 长江大学地球科学学院, 湖北省荆州市 434023)摘 要 : 含气页岩通常既可以作为烃源岩, 又可以作为储层和盖层。 页岩作为烃源岩, 页岩气的产量与其总有机碳含量 ( 、 有机质的成熟度 ( R o )、 有效厚度密切相关 ; 页岩作为储层, 它有着低的孔隙度和渗透率, 这也是它能作为盖层的原因。 在页岩气藏中, 气体主要是以吸附方式吸附在有机质和黏土颗粒的表面, 或者以游离方式聚集在裂缝和孔隙中的。 通过研究煤层气解吸机理, 研究了页岩气的解吸机理及页岩中裂缝的检测方法。 分析四川盆地烃源岩的地球化学特征、 展布特征等, 并探讨了四川盆地页岩气藏的分布。关键词 : 页岩气 ; 成藏要素 ; 页岩气的解吸 ; 裂缝 ; 四川盆地中图分类号 : 文献标识码 : 张利萍, 女, 2008 年硕士毕业于长江大学矿藏普查与勘探专业, 现为在读博士, 主要从事储层地球物理方法和应用研究工作。收稿日期 : 2009 H I N A P E T R O L E U M E X P L O R A T I O 009 年第 3 期 2060% 左右比较合适 [2] 。 由此可见, 对于产量丰富的页岩气藏, 吸附气含量可能至少占天然气总产量的 40% 左右。 吸附气含量是预测页岩储层产能的一个关键参数。页岩气的生成可来源于生物作用、 热成熟作用或两者的结合。 在热成因的页岩中, 有机质的成熟度是用来评价烃源岩的生烃潜能。 干酪根的成熟度 R o 时为过成熟阶段。 页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。 热成熟度也是评价高产页岩气的关键地化参数之一。移和聚集页岩气藏是 “自生自储” 式气藏, 运移距离极短。在生物化学生气阶段, 天然气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面, 饱和后富余的天然气以游离相或溶解相进行运移, 当达到热裂解生气阶段, 大量生烃导致压力升高, 若页岩内部产生裂缝, 则天然气以游离相为主向其中运移聚集, 受周围致密页岩层遮挡, 易形成工业性页岩气藏。 页岩气藏形成过程本身也构成了从典型吸附到常规游离之间的序列过渡, 它将煤层气 (典型吸附气成藏原理)、 根缘气 / 深盆气 (活塞式气水排驱原理)和常规气 (典型的置换式运聚机理) 的运移、 聚集和成藏过程联结在一起 [3] , 见图 1 。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有机质和充足储集空间的前提条件。要形成 “自生自储” 式油气藏, 烃源岩的厚度必须超过有效排烃厚度, 不同地区烃源岩的有效排烃厚度有所不同。 一般形成页岩气藏的烃源岩的厚度应大于 30m 。图 1 天然气成藏的 3 of 在天然裂缝或者孔隙中以游离状态存在 ; 在不溶有机质和矿物颗粒表面以吸附状态存在。 还有极少量的气体溶解在沥青等有机溶剂中。层和圈闭页岩本身既是烃源岩, 也是储层和盖层 [4] 。 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 1。 页岩超低的孔渗性使得页岩对于盖层的要求没有常规气藏那么高, 由于岩石的颗粒比较致密, 它本身就可以作为页岩气的盖层。 页岩的盖层是多变的, 既包括页岩本身 ( 地和地), 也包括页岩周围的细粒致密岩层,如班脱岩 (圣胡安盆地)、 冰碛岩 ( 地) 和页岩 / 碳酸盐岩 (伊利诺斯盆地) [5] 。一般常规的圈闭由 3 部分组成 : ①储层 ; ②盖层 ; ③阻止油气继续运移, 造成油气聚集的遮挡物。 页岩气藏集三者与一身, 页岩气藏属于 “隐蔽圈闭” 型气藏。 页岩气藏形成于烃源岩层内, 由致密部分包围的裂缝发育区域, 与构造位置关系不大。 页岩气藏具普遍的气体饱和度, 天然气的充注十分充足, 所以只要满足生烃、排烃、 运移和圈闭条件, 就有可能生成页岩气藏 [6] 。2 岩气的解吸页岩气井的生产寿命通常比较长, 部分甚至高达30 年, 产量年递减率一般小于 5% (多数为 2% ~ 3% )。许多研究认为页岩气井稳产期较长的原因与储层吸附气含量密切相关, 页岩气后一阶段生产的天然气主要张利萍等 : 页岩气的主要成藏要素与气储改造00921来自基质中的吸附气。 页岩气的解吸机制也是决定页岩气资源量至关重要的因素。在页岩气藏中, 相当大部分页岩气也是以吸附状态存在, 页岩气的解吸机理在某种程度上来说, 与煤层气的解吸机理是相同的。 在煤层中, 煤层气在地层条件下主要以吸附状态赋存, 煤基块表面分子与甲烷分子间的作用力属于范德华力, 主要为物理吸附 [7] 。 煤层气的解吸是吸附的逆过程, 处于运动状态的气体分子因温度、 压力等条件的变化, 导致动能增加而克服引力场, 从煤的内表面脱离成为游离相, 发生解吸。 煤层气的开采正是这种人为的排水—降压, 打破能量平衡而形成甲烷气被动解吸的过程 [8] 。 煤层气解吸率一般在40% 左右, 多小于 70% , 主要与煤层原位含气量和储层压力等因素有关 ; 同时 , 解吸率还受煤阶和煤岩组成的影响, 通常认为 , 煤阶提高导致微孔孔容和比表面积的增大 , 会降低煤的解吸率。页岩气藏投入开发后, 初期产量来自页岩的裂缝和基质孔隙, 随着地层压力降低, 页岩中的吸附气逐渐解吸, 进入储层基质中成为游离气, 经天然和诱导裂缝系统流入井底, 吸附气的解吸是页岩气开采的重要机制之一。 页岩气的解吸与页岩中泥质含量, 页理发育程度有关, 泥质含量越高, 页理越发育, 解吸率也就越高。缝对于页岩气藏的影响世界页岩气资源很丰富, 但还未得到广泛勘探开发, 根本原因是致密页岩的渗透率一般很低 ( 小于1, 那些已经投入开发利用的地区往往天然裂缝系统比较发育, 例如 : 地北部 页岩生产带, 主要发育北西向和北东向两组近垂直的天然裂缝 ; 地 田 页岩气产量高低与岩石内部微裂缝发育程度有关。 裂缝既是储集空间, 也是渗流通道, 是页岩气从基质孔隙流入井底的必要途径。 页岩气可采储量最终取决于储层内裂缝产状、 密度、 组合特征和张开程度。岩性、 岩石中的矿物成分是控制裂缝发育程度的主要因素。 那些含有机质和石英高的页岩脆性较强, 容易在外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝, 有利于天然气渗流和成藏。 热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、 岩性接触过渡面产生的裂缝也为成藏提供了所需的、 最低限度的储集孔隙度和渗透率 [9] 。裂缝分为天然裂缝和人工压裂产生的裂缝。 天然裂缝与岩石的结构、 成分及层理的发育有关。 通常情况下, 大于 90% 页岩气井的开采都需要人工压裂, 3 种现代地层的最大压力和天然裂缝系统的几何结构, 对于压裂方案的设计是十分必要的 [10] 。现在检测裂缝的方法有很多种, 有通过野外露头观察来识别裂缝, 有通过测井技术来识别裂缝, 其中包括 : 利用电阻率测井识别裂缝、 利用成像测井识别裂缝等。 但利用地震技术定量预测裂缝发育区域, 仍然是研究人员探索和努力的方向。 目前地震裂缝预测方法有很多种, 如利用叠后地震信息进行裂缝预测, 包括倾角扫描技术、 谱分解等 ; 利用叠前地震信息进行裂缝预测, 包括 P 波方位各向异性裂缝预测等。 在后期压裂过程中, 人工裂缝的监测普遍采用 “微地震压裂监测技术”。 微地震压裂监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中的一项重要新技术 [11] 。 该项技术通过在邻井中的检波器来监测相对应的压裂井在压裂过程中诱发微地震波来描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。 它能实时提供压裂施工产生裂隙的高度、 长度和方位角, 利用这些信息可以优化压裂设计、 优化井网或其他油田开发措施, 从而提高采收率 [12] 。3 中国页岩气田的分布从成藏机理的角度出发, 结合部分勘探数据分析认为, 我国的四川盆地、 鄂尔多斯盆地、 渤海湾盆地、江汉盆地、 吐哈盆地、 塔里木盆地、 准噶尔盆地等含油气盆地及其周缘均有页岩气成藏的地质条件, 同时, 在含油气盆地以外, 如我国南方寒武系、 志留系、 二叠系等分布区的页岩气勘探前景亦不可忽视 [13] 。 南方地区分布的黑色页岩厚度巨大 (四川盆地的页岩最大厚度超过 1400m )、 埋藏深度小 (黑色页岩广泛出露)、 有机质丰度高、 生气能力强, 结合美国东部地区页岩气成藏地质条件进行初步对比, 中国南方地区具有有利的页岩气发育条件, 两者在地层岩性、 构造背景、 地质演化、天然气生成条件、 区域破坏与保存条件, 甚至地质年代特征上均存在一系列相似之处。下面仅根据四川盆地调研情况, 参考国内已发现的泥页岩裂缝性油气层的分布规律、 北美海相页岩储层特征, 讨论四川盆地的页岩气资源潜力。 四川盆地经历了克拉通盆地和前陆盆地两个演化阶段 [14] , 发育多套烃源岩, 包括下寒武统、 下志留统、 二叠系、 上三叠统及下侏罗统等。 表 1 叙述川东、 川南、 川西和川中这 4个地区烃源岩的生油潜力。与美国 5 套含气页岩 [2] 相比 , 尽管四川盆地页岩烃中国石油勘探 C H I N A P E T R O L E U M E X P L O R A T I O 009 年第 3 期 22源岩的有机质成熟度普遍较高 ,但仍有页岩气成藏及分布的良好前景。 下志留统页岩气资源很丰富, 威远地区的九老洞组和泸州地区的龙马溪组暗色页岩, 均有页岩气成藏的地质条件。另据李新景等 ( 2006) [9] 对川南、 川西南下寒武统(威 5 、 威 18 等井的筇竹寺组) 及下志留统老井的资料复查, 发现页岩段普遍存在钻时曲线异常 (岩性差异)、地层密度下降 (含气页岩)、 钻井液漏失 (裂缝发育)、黏度上升 (流体异常)、 槽面升高、 气侵及后效气侵 (游离及吸附含气)、 气测高异常、 井涌甚至井喷等含气现象, 表明页岩及其中的裂缝发育, 游离及吸附含气普遍, 在阳 63 井 3505 ~ 3518m 页岩段, 射孔并经土酸酸化处理后获得了 3500m 3 /d 的天然气产量。总之, 四川盆地下古生界海相黏土岩裂缝发育, 油气显示活跃, 可能在一定范围内存在裂缝性泥页岩气藏。4 结论与认识页岩气属于非常规气藏, 含气页岩通常既是烃源岩又是储层和盖层。 页岩气成藏不需要常规圈闭的存在, 页岩内部就可以形成具有工业价值天然气的聚集(甜点, , 它具有隐蔽性特点。 与常规气相比, 页岩虽普遍含气但单井产量变化较大, 一般只有钻遇裂缝的页岩气井才具有较大的工业开发价值。页岩气综合研究的主要内容包括 : 以岩心实验为基础, 应用地质、 钻井、 测井和地震资料为一体的勘探表 1 四川盆地各地区的成藏要素对比 of in 通过相关评价模型对厚层泥页岩目的层进行连续定量解释, 计算资源量与可采储量, 确定初始产能与递减率、 生产机制。中国页岩气藏具有良好的勘探前景。 南方广大地区发育下志留统龙马溪组大套黑色页岩, 四川盆地中部震旦系灯影峡组, 松辽盆地白垩系, 渤海湾及江汉盆地的古近系—新近系等都发育富含有机质的页岩, 具有一定的页岩气藏勘探潜力, 尤其在四川盆地这样的大套厚层泥岩发育区, 在盆地边缘斜坡带开展页岩气藏的研究, 可望发现页岩气藏。参考文献[1] . of in 2004.[2] B. 002,86(11):1921 ~ 1938.[3] 张金川, 金之钧, 袁明生 . 页岩气成藏机理和分布 [J]. 天然气工业, 2004,24(7):15 ~ 18.[4] 张金川, 汪宗余, 聂海宽, 等 . 页岩气及其勘探研究意义[J]. 现代地质, 2008,22(4):640 ~ 645.[5] 蒲泊伶, 包书景, 王毅, 等 . 页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例 [J]. 石油地质与工程, 2008,22(3):33 ~ 36.[6] 孙超, 朱筱敏, 陈菁, 等 . 页岩气与深盆气成藏的相似与相关性 [J]. 油气地质与采收率, 2007,14(1):26 ~ 31.[7] 钱凯, 赵庆波, 汪泽成, 等 . 煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术 [M]. 北京 : 石油工业出版社, 1996.[8] , J. of on 1999 , (40):309 ~ 325.[9] 李新景, 胡素云, 程克明 . 北美裂缝性页岩气勘探开发的启示 [J]. 石油勘探与开发, 2007,34(4):392 ~ 400.[10] W. in 2007,91(4):603 ~ 622.[11] 梁兵, 朱广生 . 油气田勘探开发中的微震监测方法 [M]. 北京 : 石油工业出版社, 2004.[12] 蒋阗 . 水力压裂技术新进展 [M]. 北京 : 石油工业出版社,1995.[13] 张金川, 徐波, 聂海宽, 等 . 中国页岩气的资源潜力 [J]2008,28(6):136 ~ 140.[14] 宋岩, 赵孟军, 柳少波, 等 . 中国 3 类前陆盆地油气成藏特征 [J]. 石油勘探与开发, 2005,32(3):1 ~ 页岩气的主要成藏要素与气储改造00923009ⅡC H I N A P E T R O L E U M E X P L O R A T I O N 00083; 34000is as as As to of As so it as in be as on or in on of of in of in an of of in of 14151is as is up in to up is it is in an in ∈ 1) 2w) . 3102is in in to an 78 of in in in to is to in . 3102is to is a on is in of . 3102of to
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