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页岩气地质选区及资源潜力评价方法35966320

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页岩 地质 选区 资源 潜力 评价 方法 35966320
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西南石油大学学报(自然科学版)2011年4月第33卷第2期:1674 – 5086(2011)02 – 0028 – 07 页岩气地质选区及资源潜力评价方法*李延钧1,2,刘欢2,刘家霞2,曹利春2,贾学成21.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 西南石油大学,四川成都610500;川成都610500摘要:中国页岩气勘探开发持续、快速升温,建立页岩气的评价标准及具体的地质选区评价方法是勘探开发的前提和基础。有利区的优选可为进一步勘探决策和深化研究提供重要的依据。通过参考大量国外页岩气勘探开发实例,总结了页岩气的主要地质特点,并从页岩的生气能力、储气能力、易开采性3方面,结合国外页岩气开发实践及地质地球化学参数和国内盆地的具体地质实际,筛选并界定了6项地质选区评价参数,建立了评价参数分级的标准。利用该评价标准,在某地区进行了地质选区评价方法的应用模拟,从而提出了相关地质选区评价程序和具体评价步骤。系统归纳了国内外常用页岩气资源潜力定量计算方法,结合中国地质背景的复杂性和页岩气勘探开发程度较低的现状,建议根据区块页岩资料掌握情况,综合利用类比法和容积法估算资源量。关键词:页岩气;地质选区;页岩资源量;页岩气评价参数;页岩气评价标准网络出版地址:,刘欢,刘家霞,等.页岩气地质选区及资源潜力评价方法[J].西南石油大学学报:自然科学版,2011,33(2):28 – 34.引言中国页岩气资源十分丰富,据专家估算,可采资源量约为26 1012 美国(28 1012 致相当,而美国页岩气勘探开发已经取得了巨大的成功,2010年9月在华盛顿召开的“全球推介页岩气大会”上,美国公布本国2009年页岩气产量为889 108 过了中国830 108 计2010年突破1 200 108 美国天然气产量的13 % 15 %。美国页岩气开发的巨大成功使其近年的天然气储、产量大增,国内天然气价格下降,直接影响到其他国家的天然气出口价格。近两年来,中国页岩气勘探开发也持续、快速升温,特别是第一口页岩气井四川威远气田的威201井,在下古生界寒武系筇竹寺组黑色页岩段直井压裂获得井口测试日产量上万方的工业性气流,表明了中国页岩气资源开发潜力巨大,前景乐观。本文所探讨的“页岩气评价地质选区方法”正是页岩气勘探开发的前提和基础,笔者依据前期对国外页岩气勘探开发现状的大量调研总结,及与煤层气的对比分析,结合中国页岩气地质背景和成藏特征的实际情况,通过地质评价选区方法,优选出有利区块,提出页岩气地质选区和资源潜力评价方法,以期合理、有效优选页岩有利勘探开发区块。1页岩气地质特点与影响因素页岩气是指赋存于富含有机质的细粒碎屑岩(主要为暗色页岩和碳质泥页岩),游离于基质孔隙和天然裂缝中,或吸附于有机质和粘土矿物表面的非常规天然气。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点:自生自储,无气水边界,低孔隙度、低渗透率,往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的页岩烃源岩地层中,一般无自然产能或低产,需要压裂改造才能进行经济开采,但开采寿命和生产周期长[1 – 3 ]。控制页岩气成藏的主要因素有总有机碳含量、有机质成熟度、岩石矿物成分、页岩埋藏深度、优质*收稿日期:2010 – 11 – 18网络出版时间:2010 – 04 – 07作者简介:李延钧(1966 -),男(汉族),河南南阳人,副教授,从事油气成藏、石油地质学研究。:页岩气地质选区及资源潜力评价方法29页岩厚度、储层的孔隙度和渗透率、地层压力、温度等,因此需要在这些方面对页岩进行评价。杨振恒等[4 ]将页岩气评价总结为生气能力、储气能力和易开采性3大方面。机质的成熟度、页岩厚度及面积等。(1)有机质既作为气体的母源物质,又能将气体吸附在其表面。岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系[5 ](图1)。(2)页岩气具有多种生气机理,包括生物成因、热成因及二者混合作用成因[3 ],因此成熟度值的范围相对较广,但要具有较强的生气能力,其成熟度也必须达到一定的条件,进入生气窗可能是最好的条件[6,7 ]。(3)页岩的厚度和面积也很重要,广泛分布的泥页岩直接在页岩气生成量上具有优势,而较大的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,也能增强页岩的封盖能力,有利于气体的保存。10234 8 12 16[5 ]1 从这两个方面考虑储气能力的决定因素。(1)吸附气存在于有机质和粘土矿物的表面,有机质含有大量的微孔隙,对气体具有较强的吸附能力。(2)粘土矿物及其他无机成分相对页岩中的石英和方解石成分来说具有更强的吸附能力。(3)温度、压力和含水饱和度对吸附气和游离气的含量也存在影响。随着压力的增加,泥页岩的游离气和吸附气都会增加;而地层的温度增加,相同压力下游离气的含量会降低,吸附气的含量也降低[5,7 ](图2)。(4)尽管含水饱和度与含气量大小之间没有一个确定的关系,但是水占据了页岩中的孔隙空间,直接减少了烃类气体的含量,,7 ]还指出随着页岩样品含水量的提高,其吸附能力将降低。(5)游离气除受压力、温度和含水饱和度的影响外,更加重要的是页岩孔隙度和裂缝发育程度,这可以从页岩气形成机理上看出,因为游离气主要就存在于这些空间中。150℃℃30℃180℃2 )埋深浅的页岩开采起来更具经济性,但随着钻井技术的提高和开发成本的节约,这一影响参数是变化的。(2)页岩层大多非常致密,如国外90 %以上页岩气开发都要对页岩储层进行压裂改造,这就必须考虑到岩石成分,页岩中矿物组成除常见的粘土矿物(蒙皂石、伊利石、高岭石)外,还有石英、长石、云母、方解石、白云石、黄铁矿、磷灰石等。石英等脆性矿物易形成裂缝和微裂缝,对压裂效果有显著影响。如英和碳酸盐含量在较大范围内变化,才能较其他地区的页岩在相同水力作用下诱发更多的裂缝[8 ]。页岩中含有的碳酸盐矿物在方解石含量高的条件下易于形成溶蚀孔隙,这也将有助于提高储层压裂改造的效果。(3)地理条件和天然气管网成本也需要考虑。此外页岩气开发还应考虑水源及水的处理等环境方面的问题,所以选择最具经济开发价值的盆地和地区非常重要。上述3个方面的影响因素之间存在着相互联系和制约关系,如深度较大的页岩层具有更大的成熟30西南石油大学学报(自然科学版)2011年度,裂缝加大地层压力则会降低,硅质含量、粘土含量、孔隙度、渗透率四者之间也是两两相关的,所以有利页岩气成藏区块必须是生气能力、储集气能力和易开采性3方面因素的有效组合(图3)[4 ]。.........)%....+ —3 in of 纳筛选出6项地质选区评价参数,研究每个参数对页岩含气量的影响规律,类比国外页岩气评价参数的取值范围,并结合笔者在页岩气勘探项目中的经验,划分这些参数的取值范围,从而建立页岩气评价参数分级表(表1)。页岩气的选区应紧密围绕这6项参数进行地质评价。表1页岩气各项评价参数分级表1 of /% /% /m /0≥8≥50 300 1500 5 40 4 8 35 50 1500 2500 0 35 2 4 25 35 2500 3500 0 30 1 2 15 25 3500 5000 40或>0<1<15>5000 于300000 m,过深则目前的开采技术成本过高,不具有经济价值,商业规模开发的五大含气页岩系统埋藏深度为183 2 591 m,目前页岩气单井产量和年产量较高的91 2591 m [9 ];加拿大核心页岩气开采区深度一般在400 17 000 22 5 000 m)。考虑到我国页岩气勘探刚刚起步,以及开发技术难度,同时强调保存条件,有利富集区埋藏深度以1 000 3 000 且分布在盆地斜坡或盆地中心等构造相对稳定的部位;但随着页岩气勘探开发技术的进步,大于3000且近年水平井第2期李延钧,等:页岩气地质选区及资源潜力评价方法31技术的进步,成本降低,4 000 5 000 此这个现实区与资源潜力区的界限在随后的中国页岩气开采实践中加深到3500页岩单层厚度大于30定的含气泥页岩厚度是形成页岩气富集区的基本条件,也是影响页岩气资源丰度高低的重要因素。美国进入大规模商业开发的五大含气页岩系统厚度为31 579 m(页岩净厚度为9 91 m),目前页岩气单井产量和年产量较高的300m(页岩净厚度为15 60m);加拿大核心开采区的页岩厚度为100 1 000 0 300 m)。富含有机质的泥页岩厚度越大,就越能保证页岩气资源量和压裂改造的条件。 , [13 ]。 。10 ]。但研究认为,由于存在原始有机碳含量和残余有机碳含量的差异问题,在中国高演化地区,特别是即可成为有效页岩。 o) 美国页岩气产量主要来自热成因气,占85 %以上,最大的页岩气田108 大部分o≥的范围内[8 ]。10 ]亦认为o >时才可能成为好的气源岩,而Ⅱ型和Ⅲ型则需要较高的氢指数才能保证有足够数量的天然气生成。有学者认为中国页岩的成熟度下限应略高[11,12 ],但笔者认为应根据页岩有机质类型和生烃演化过程来考虑,关键是判断出大量生气阶段,不应一概而论。5 %,易于形成微裂缝硅质含量影响页岩的脆性及裂缝发育,对页岩气层的识别和商业化开采十分重要。石英、长石、碳酸盐岩等矿物统称为脆性矿物,一般以其含量作为评价参数。目前,加拿大较好的含气页岩硅质等脆性含量达到了40 %,作为商业开采的下限一般也要达到25 %;世界上进行商业化开采的页岩气藏,少数天然微裂缝发育(10 %),大多数需要进行压裂改造形成微裂缝(90 %)。勘探初期发现的页岩气藏往往发育于天然微裂缝发育的含气泥页岩中。≥1≥4 %)储层物性直接影响页岩气的产能,对页岩气的赋存也至关重要。页岩气藏本来具有低孔低渗的特点,但由于页岩脆性较好,构造裂缝及微裂缝发育,因此它的孔隙度和相对渗透率也相对较高。美国主要页岩气产层物性统计数据表明[13 ], ,拿大以渗透率在50 100 隙度2 % 8 %的页岩作为核心勘探开发区,具有商业开采价值的页岩层渗透率至少为50虑到物性参数获得的难易程度和页岩压裂改造的必然实施,认为选择孔隙度作为物性参数代表较为合理。合我国的实际情况,对以上各页岩气评价参数整理成表1。考虑到具体评价区各个参数的重要性不同,需对每个参数进行权重分析,根据各个评价参数对页岩气富集的影响大小,建立权重系数表(表2),最后才能进行综合评价。表2页岩气各项参数权重系数表2 )将研究区分为许多不同的评价区块;(2)输入每个评价区块的有机碳含量、成熟度、厚度、埋深、物性、硅质含量等参数值,建立数据库;(3)参考表1的参数分级,找出每个参数所处的范围,并给出相应的评价分数;(4)根据权重标准表2,计算参数的综合评分;(5)根据得分大小排序,优选页岩有利区,划分出最有利区、有利区、较有利区、不利区等[14 ]。验不足,对于评价标准就更应慎重考虑,本质上讲,6项评价参数之间存在重要性的差异,针对具体盆地或地区,追求的目标不同,各参数之间应先考虑先后顺32西南石油大学学报(自然科学版)2011年序,比如对某盆地某地区Z(图4),构造演化复杂,地理条件较差,开采难度大,首先就应当考虑经济开采性的参数页岩埋深。具体思路和程序如下:(1)首先考虑埋深,用埋深划分评价单元上文中已介绍以3000于超过3000要进行评价,作为未来开发的资源潜力区。具体做法是参考地质、钻井、测井资料和地震资料对不同地区的页岩埋深作出统计,绘制埋深等值图,按不同页岩埋藏深度区间对区块进行划分。图4中根据埋深划分了不同的单元:埋深小于1500深在1500 3500深在3500m 4500、F;埋深大于4500、I、J、G。500050004500150035004500250035004500250015003500300300500500图4某地区4 of in ”(2)在埋深分区的基础上进一步细分对于较大、较复杂的单元还应根据构造、开发程度大小、沉积相特点、地理位置等情况进一步细分,比如:又分为2、4、6等次级单元;2、4、6、5)。(3)对每个次级单元进行其他5项参数的综合评价,进一步排序优选除埋深外,其他5项参数分别为源岩总有机碳含量、成熟度、脆性矿物含量、孔隙度、厚度。在计算过程中也赋予不同权重(F R o、P ϕ、P h),并用打分法求这些主控因素的各自评价系数(F R o、F ϕ、F h)(表3),最后计算出总的地质评价系数:F =P P R o F R o +P i +P ϕF ϕ +P hF 可作为其资源潜力大小和排序依据。(4)最后按Ⅰ最有利区、Ⅱ有利区、Ⅲ较有利区、Ⅳ不利区等将所有单元分类成表5000500045001500350045002500350045002500150035003003005005005 in ”表3页岩气五项评价参数及其权重标准(除埋深外)3 价权重评价标准参数100 80 60 40 0>40 35 45 30 35 20 30<20含量/%0 35 50 25 35 15 25<15/所得的以上所有不同评价单元的地质评价系数划分为不同范围,按Ⅰ最有利区、Ⅱ有利区、Ⅲ较有利区、Ⅳ不利区等将所有单元分类成表,优选出有利区带。3页岩气资源潜力计算方法页岩气资源潜力计算的方法较多,主要分为静态法和动态法两大方面[14 – 16 ]。静态法是依据页岩储层的静态地质参数计算其资源量,具体又细分为成因法(物质平衡法、类比法(面积丰度类比法、体积丰度类比法、特尔菲法)、统计法(蒙特卡罗法、动态法是根据页岩气在开发过程中的动态资料计算其资源量,目前对页岩第2期李延钧,等:页岩气地质选区及资源潜力评价方法33气进行资源量评价的动态法主要包括:物质平衡法、递减法、数值模拟法(图6)。6 of 评价基础是页岩气的蕴藏方式。页岩气蕴藏在页岩的基质孔隙空间、裂缝内以及吸附在有机物或粘土颗粒表面。因此,容积法估算的是页岩孔隙、裂缝空间内的游离气、有机物和粘土颗粒表面的吸附气体积的总和,即游+h(ϕg ρ中岩气总含量, 108游—游离气总含量, 108吸—吸附气总含量, 108—页岩含气面积,;h—有效页岩厚度,g —含气页岩孔隙度,%;含气饱和度,%;ρ—页岩岩石密度,t/;附气含量, 108m3/t。孔隙度(ϕg)、含气饱和度(吸附气含量(影响该方法结果可靠程度的关键参数,可以通过实测或类比获得,,吸附气含量上限可以参考 m 3/t,或者根据页岩岩芯实测数据。带入公式便可直接计算资源量或储量。是一种简单快速的评价方法。简要过程是:首先确定评价区页岩系统展布面积、有效页岩厚度等关键评价参数;其次根据评价区页岩吸附气含量、页岩地化特征、储层特征等关键因素,结合页岩沉积、构造演化等地质条件,选出具有相似地质背景的已成功勘探开发的页岩气区,求出相似程度(地质评价系数之比),便可算出研究区的资源量丰度,然后乘上有效面积得到评价区的资源量。需要考虑到吸附气和游离气的含量,但为了简便,不用仔细计算游离气的含量,只是大致考虑它们在含量中占的比例,由于页岩气中以吸附状态存在的天然气含量为20 % 85 %,因此只需类比出吸附气的含量便可对资源量进行估算。研究区页岩的有效总面积、有效厚度、总有机碳含量平均值、R 美国五大盆地页岩进行分析,可得出美国页岩气在总有机碳含量、有机质成熟度为相似值时的吸附量为2 4 m3/t,或者采用已有井的实测数据,根据有效页岩系统的分布面积、有效厚度算出总体积,乘上吸附量及所占比例可计算总资源量。鉴前人计算的该烃源岩的生烃量结果直接参与成因法计算。由于无法精确统计每一次生、排烃量,但通过多次实验可求得平衡聚集量,从而求得页岩烃源岩的剩余含气量。总结出烃源岩在不同构造、不同成熟度条件下的排烃系数,乘以总生烃量,便可求出排烃量及剩余的页岩气资源量。资源丰度类比法、容积法、体积丰度类比法、成因法计算资源量的基础上,采用特尔菲法的综合思想等对计算结果进行综合分析,具体做法是对前面计算结果进行加权处理以得到相对合理的数据结果,根据不同计算方法的精确程度给定不同权重系数,如表4所列,这样加权处理四种方法后可得到较可信的资源量。表4页岩气资源量评价综合分析法4 in 些34西南石油大学学报(自然科学版)2011年地区地质条件又非常复杂,不能笼统地采用一种资源量计算方法,应根据地区的具体情况选择不同的方法。比如,目前在四川盆地威远地区已进行了页岩气的勘探开发研究,资料相对齐全,则可选择容积法进行精确计算。若资料相对较少则应经过地质分析后,借鉴类似国内外盆地或地区的页岩气参数,选择类比法计算。4结语(1)参考国外页岩气勘探开发情况,总结出页岩气的主要地质特点,并将页岩气的评价归纳为生气能力、储气能力、易开采性3大方面内容,各个方面又包含多个评价参数,并提出6项页岩气地质选区评价参数:有机碳含量、成熟度、脆性矿物含量、孔隙度、厚度、埋深,为有效快速地质选区评价奠定了基础。(2)结合美国、加拿大等国页岩气勘探开发的具体地质条件、实践、相关参数和国内实际页岩地质情况,对6项评价参数作了界定,建立了评价参数分级标准。(3)介绍了页岩气地质选区的方法,并结合上述评价标准,在某盆地某地区进行了实际应用模拟,提出了常规和特殊情况下页岩地质选区评价程序和具体方法。(4)页岩气资源评价的特尔菲法综合性思想的引入,提高了资源量计算可信程度。但考虑到中国地质背景的复杂性和页岩气目前的勘探开发程度较低的现状,建议主要使用类比法和容积法相结合,而容积法主要应用于资料相对较多或进行了页岩气为目的钻探或有一定勘探开发研究程度的地区。参考文献[1 ]]010,29(1):109 – 110.[2 ]张金川,金之钧,]004,24(7):15 – 18.[3 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