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页岩气的主要成藏要素与气储改造16676523

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页岩 主要 要素 改造 16676523
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页岩气的主要成藏要素与气储改造 张利萍 潘仁芳 (1中国地质大学(北京)能源学院,北京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(了1。C)、有机质的成熟度(R。)、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:A 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“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页岩气的成藏要素 1。1生烃条件 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 可达普通烃源岩的10~20倍;总 有机碳含量丁0如: .井页岩气产率7.538x+67.886和 y=66.59x+60.154的正线性关系,其他页岩产层也多 具有类似特征【l】。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 002)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%,20%),后经过页岩的实验研究,发现其吸附气含量应取在40%~ 第一作者简介: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—03—28 ,0%左右比较合适【 。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。干酪根的成熟度尺。 2.0%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。 1.2运移和聚集 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。 (a)页岩气成藏阶段 (b)根缘气成藏阶段 (c)常规圈闭气成藏阶段 圈页岩圈…岩圈…岩围…裂带圆… 图1天然气成藏的3个阶段 F .1 of 体在页岩储层中主要以两种方式储集: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。 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(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( 页岩/碳酸盐岩(伊利诺斯盆地)[ 。 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页岩的气储改造 2.1页岩气的解吸 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 2 1 2009 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一降压,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 系统流人井底,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。 2,2裂缝对于页岩气藏的影晌 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 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:产带,主要发育北西向和北东向两组近垂直的天然 裂缝;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 , 厂中国石油勘探20。9年第3期22 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[1…。 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 摇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…】。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[1 。 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㈦。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[1 ,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 表1四川盆地各地区的成藏要素对比 f in f 有机碳含量 成熟度尺。 烃源岩 分布地区 主要发育层系 7 C(%) (%) 有效厚度(m) 上二叠统 3~7.54 1.6~3.1 20—120 1东地区 下志留统 O.2~3.13 2.2~4.O 平均400 下寒武统 1~3 >3.5 平均大于200 下侏罗统 O.07~4.51 0.7~1.12 小于2O 川中地区 平均1.19 0.5~1.5 上三叠统 20—350 平均1.14 下志留统 1.0~4.9 2.0~4.0 最大厚度可 (龙马溪组) 达1000 川南地区 下寒武统 0.2~9.98 200 (筇竹寺组) 平均0.97 上二叠统 0.5~1.5 2.2~4.O 25一西地区 侏罗统“红层” 0.23~1.61 O.5l~1.7.5~1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)【 】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3505~3518孔并经土酸酸 化处理后获得了35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 开发油藏描述工作平台,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 地的古近系一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 t.004. 【2] B.2002,86(11):192l~1938. 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