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页岩气赋存形式和初始原地气量预测技术

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页岩 气赋存 形式 初始 原地 气量 预测 技术
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第22卷第3期 2然气地球科学 2 2011 : 麓 麓:麓 辩 蘩豢 泰 熊 辩 醚 姆 : 页岩气赋存形式和初始原地气量(测技术 王飞宇 ,贺志勇 ,孟晓辉 ,包林燕 ,张 慧 (1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京100083; 2.X.,摘要:页岩气有利区或核心区评价的关键是确定页岩初始原地气量(空间分布,页岩气赋 存形式介于致密砂岩气与煤层气之间,主要呈3种状态:孔隙中游离气、固体有机质吸附气、油和水 中溶解气,温度和压力条件控制3种状态气体的量和相互转化。游离气量主控因素是页岩孔隙度 和气体饱和度,吸附气量主控因素是有机质数量和有机质成熟度,溶解气量的主控因素是页岩中残 留油的数量。提出了页岩气中游离气量、吸附气量和溶解气量的算法,并在油气系统模拟软件 技术的实际应用。 关键词:页岩气;初始原地气量(游离气;吸附气;溶解气;油气系统模拟 中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1672—1926(2011)03—0501—10 引用格式:王飞宇,贺志勇,孟晓辉,等.页岩气赋存形式和初始原地气量(测技术天然 气地球科学,22(3):5010 引言 页岩气一般指的是存在于富有机质泥页岩层段 中具有商业性产出的天然气。美国能源部预计美国 页岩气产量在2010年将达到1 220亿m。,约为2007 年产量(330亿m。)的4倍①,美国的页岩气主要产自 7个区带,包括泥盆系一石炭系5个海相页岩气区带 (侏罗系~白垩系2 个海相页岩气区带()。随着美国页岩气资源量的不断增加和产量在近 年来的飞速发展,页岩气不仅已成为天然气勘探和开 发领域的热点,而且改变了全球能源经济的格局。我 国页岩气资源调查与勘探开发仍处于起步阶段,目前 对中国页岩气资源潜力作了初步估算,并在中国南方 以下寒武统和()。一S 黑色页岩为目标,开始了页岩 气勘探和开发工作 ]。页岩气资源评价和勘探目标 优选的关键是确定页岩初始原地气量(空间分布,认识页岩中原地气量的 控制因素[7 。 本文以美国6个典型页岩气盆地(、数据为基 础(图1),并结合中国海相和湖相泥页岩具体数据, 讨论了页岩气中天然气的赋存形式和控制因素,目 的是建立页岩中游离气量、吸附气量、溶解气量和初 始原地气量(()计算方法,更合理地评价页岩 气页岩气勘探区带评价提供 工具。 1 页岩气系统的含义 页岩气的工业开发最早在海相石炭系岩中取得成功,(目前初始/6) 页岩。北美不同页岩气区带特征存在很大差别,近 年来在有机质含量中等(2 之间) 收稿日期:201回日期:201l 04 基金项目:国家油气专项(编号:200801);国家自然科学基金(编号:40772087)联合资助. 作者简介:王飞字(1963一),男,浙江黄岩人,教授,从事油气地质和地球化学及油气系统定量模拟分析工作.E—①.010中美页岩气资源评价工作会议. 5 然 气地球科 学 2 1 美国页岩气盆地分布特征0 其中6个典型页岩气盆地数据用于建立页岩气初始原地气量(0算模型:①②s;@页岩层段页岩气开发也取得成功(如上白垩统 页岩气的含义随着页岩气工业的快 速发展经历了变化,早期页岩气一般指富有机质 (源岩层段中商业性产出的 天然气,而目前普遍将页岩气定义为细粒低渗透地 层单元(主体为源岩层)中自生自储的天然气 ,对 页岩气系统观念上的改变表现为2个方面: (1)页岩气的储集并不局限于严格意义上的泥 页岩层段:页岩气保存在泥页岩中,同时也有一部分 可能赋存在这一地层单元的薄层状的粉砂岩甚至砂 岩和碳酸盐岩层中,这是由地层单元非均质性特点 决定的,在主体为泥页岩的地层中也含有粉砂岩甚 至砂岩和碳酸盐岩层。目前页岩气指主体为泥页岩 层段自生自储的天然气,同时也包括了泥页岩层段 中其他致密岩层中天然气,关键在于页岩气的开发 必须要用水力压裂技术增加储集层的渗透率,页岩 气方能成功开发。 (2)页岩气的源岩范围更广泛:页岩气包括了热 裂解成因的热解气和细菌降解成因的生物气。热解 气源岩不仅包括了海相倾油型源岩,而且也包括了有 机质含量中等(2 之间),初 始氢指数并不很高(00 mg/g 之 间)的泥页岩。以前认为页岩气主要是源岩残余油 的热裂解形成,目前认为只要每吨岩石生成天然气 量大于2.83 m。(相当于J 值为 225 mg/g 。源岩生气量),便可形成有勘探经济价 值的页岩气区带。因此,页岩气源岩的关键在于认 识单位体积源岩的生气量。 2 泥页岩中天然气的数量和赋存形式 图2说明了页岩、煤层和致密砂岩中天然气赋 存形式上的相互关系,煤层气在地下条件下几乎全 部为吸附气,并且在地下条件下煤层中天然气多呈 不饱和状态,因此,只有排水降压,压力降低到对应 的天然气饱和压力,方能有煤层气从煤层中脱附排 出。致密砂岩中天然气全部为游离气。泥页岩中天 然气赋存形式介于致密砂岩气与煤层气之间,三者 之间并不存在截然的界线,而是存在过渡关系。页 岩气包括了孑体有机质吸附气、油和 水中溶解气,不同地区页岩气不仅初始原地气量有 很大的变化范围,而且游离气、吸附气和溶解气的相 ①/ 王飞宇等:页岩气赋存形式和初始原地气量(测技术 503 对比例也不同,如],而 上_l 。北美的一些 页岩气实例表明,页岩气并非完全赋存于泥页岩层段 中,用致密气(合表达更为合理。 已有的页岩气开发生产的探井数据说明生产的 最初阶段主要是游离气和溶解气 ],近年来 了游离气和溶解气对页岩气开发的重要意 义[1 。 ,这也是页岩气开发较煤层气更具经济效益 的主要原因。 图3显示了页岩气与煤层气吸附曲线的差别, 吸附气量是压力的函数,在页岩气开发生产的典型 地下深度的压力条件下,吸附量与压力之间并没有 强烈的函数相关性,天然气脱附比较困难。 全部为 全部为游离气 游离气+吸附气+溶解气 吸附气 : E — Z : 1 致益 沙岩气 001 O.1 1 1O 图2 页岩气、煤层气和致密砂岩气在赋存形式上的关系 b 20 Z U 55 4U 4 U 力/—煤层气,3O℃,0%——页岩气,60% 图3 页岩气(有机相B)和煤层气(有机相F) 甲烷吸附曲线的差别(2.0%) (有机相定义据1) 图4列出了美国若干典型页岩气盆地页岩初始 原地气量(0埋藏生物成因的 ],其页岩初始原地气量(有机质含量 1 始原地气量约为0.20 m。/t。热成因的岩和于其中游离气和溶解气 贡献更为重要,其页岩初始原地气量( 大量的页岩气原地气量数据给出了源岩残余气 量的实际值范围(图4),目前已证实海相源岩中原 地气量可高达100mg/g 大高于石油工业界广 泛应用的删提出的源岩排烃模型中残 余气量值(约为20 mg/g 出源 岩残余气量模型主要是根据煤吸附气量数据建立 的,没有综合考虑源岩中游离气、吸附气和溶解气的 数量。因此,源岩生烃、排烃量计算时必须修正源岩 排烃模型中残余气量,这样才能得出符合目前地质 事实的常规和非常规天然气资源量及相对比例。 2.1游离气 孔隙中游离气对页岩气区带和目标来说最为重 要,所占比例一般在40 ~50 以上(图5)(图中列 出了数据控制点,右上方红色线圈为开发的核心区),地气中所占比例在6O 以上游离气含量受 页岩孑据研究建立的泥岩压 实曲线,从最大埋藏深度可大致计算出页岩的孔隙 度,另一方面,页岩中天然气饱和度与孔隙度呈现明 显负相关关系,较低孔隙度下天然气饱和度较高, 5 的页岩孑天然气饱和度, 10 的页岩孔隙度约对应5O 的天然气饱和度。 从泥页岩孑考温压条件可 计算出游离气含量。若埋深3 000 220 kg/m。,若天然气饱和度为6O ,则1 岩石 孑6 m。/t。 泥页岩孔隙度是页岩气储层评价的关键参数, 。。建立了泥页岩孔隙度测定的实验室方 ÷ 彗 舶 m 5 0 ^\ 莲 504 天 然 气地球科 学 3 彻 爰 露 j 0 2 4 6 8 10 12 】4 16 18 ——20 mg/c——30 mg/40 mg/0 mg/g【0c——1()()mg/ 4美国典型页岩初始原地气盆地页岩气量(.~ 啊 :—H 、 。 。 ● \/ 。 I / f I l 游离气比伊 _{、 O()】().2()3(】 4()5 .80 )() 500 600 70() l 000) 图5 初始原地气量(的比例 法(并进一步用测井数据外推到整个泥页 岩层段,方法的要点是选取破碎的岩样用氦置换法 和汞置换法测定泥页岩孔隙度。图6列出了美国典 型页岩气盆地页岩的孔隙度和渗透率数值分布,目 前较好开发的北美海相页岩气,其页岩孔隙度多在 3 ~10 之间。泥页岩孔隙可分为无机孔隙和有 机质中孑者随压实作用加大指数式降低,后者 在有机质热裂解过程中有机质中微孔隙会增加[2 。 泥页岩的埋深一般大于3 000 m,孔隙度一般小于 1O ,超压带泥页岩孔隙度相对较高。中国南方寒 武系和志留系页岩因为经历过高温深埋,其孔隙度 多在5 以下,较低孑宴 b 一 斛 整 =日}】 泥页岩孑 6 美国典型页岩气盆地页岩的孔隙度和渗透率 (据010,数据,样品数为3 051个,样品破碎到2O~35目,样品不包括 古生代以前页岩(2.0 ),这一阶段溶解气对初始原地气量(贡献很少。 我们认为中国东部高有机质丰度湖相源岩初始 氢指数高( , >600 mg/g ),成熟度 R <1.4 在地下源岩中难以形成游离相天然气, 这一成熟阶段生成的天然气溶解于油之中,只有在 抬升或压力降低条件下天然气才能出溶。中国南方 过成熟页岩中氯仿沥青“A”含量一般介于0.1~ l mg/ 000~3 000 0.05~O.5 m。/因此过成熟页岩中溶解气量 在不同地区页岩气量和天然气赋存形式上存在差 别,后者表现为游离气量、吸附气量、溶解气量和相 对比例上。另一方面,同一页岩气区带,开发的不同 阶段,特别是早期和晚期,产出天然气的来源也不 同。国内已有一些文献对页岩气赋存形式存在一些 的误导,表现在2个方面:一是认为页岩气主体是吸 附气[6],甚至采用类似于煤层含气量测试的方法测 定页岩气原地气量,实际上这只能反映页岩中吸附 气量,可能大大低于页岩的原地气量;二是过于强调 高有机质丰度,认为只有T()岩层段才 会有页岩气勘探价值。前已述及,若页岩气主体是 游离气,则孔隙度是关键因素,典型如岩;若页岩气主体是吸附气,则有机质丰度是关键 性因素,典型如得重视的是有机 质在高过成熟阶段演化导致次生微孔隙的发育,高 过成熟的,页岩无机孔隙已很低,有机质演化贡献了次生孔 隙, 指示高孔隙度,高比表面积和吸附气量。 3 产页岩气岩石页岩气岩石这可以 从岩石)估算,每吨岩石 要生成2.83 m。天然气,需要源岩l 和J 一225 mg/g )r,简单计算如下: ——1 kg/—它生成2.25 —天然气密度0.8 kg/m。,生成天然气2.83 我们对全球典型源岩的统计分析表明:无论是海 相泥页岩还是湖相泥页岩,抑或煤系源岩,未熟和低 熟阶段有机质丰度(有机质类型( )呈现明 显相关性,海相源岩在未熟低熟阶段, 9/6,源岩 值一般小于200 mg/g ,湖相源岩T()C 值小于1 ,, 值一般小于160 mg/g 。只有高丰 度源岩(,其I 才大丁500~ 600 mg/g 、。从以上简单计算说明产页岩气岩石 4 页岩气初始原地气量(( P)分析技术 在油气系统分析软件(D)上,目前已 实现页岩气原地气量定量评价。根据源岩生烃动力 学、源岩残留油量和气量、有机质吸附模型、相态 过分析源岩特征(有机 质丰度和J 、页岩厚度)、有机质成熟度和埋藏热历 史,可获得初始原地气量(游离气量、溶解 气量和吸附气量的空问分布(图10),从而实现页岩 气区带和目标优选。我们在气分析工具①,具体说明如下: 吸附气:改进的温吸 附),基于吸附容量模型,建立 了地质条件有机质吸附模型,考虑了温度、有机质成 熟度和水因素。 溶解气:应用,原地天然气密度和气油比变化。 游离气:根据实测泥页岩孔隙度数据,或泥岩孔 隙度随深度或成熟度的变化关系,来定义泥页岩的 }Ⅻw . 王飞宇等:页岩气赋存形式和初始原地气量(测技术 507 孑地质格架演化和P—质模型,埋藏热历史(抬升和剥蚀),定义烃源岩, P—校正:根据美国6个典型页岩气盆地(图1所示 的、)于地理和地质图 形),用等温吸附数据和岩心脱附数据,检验模型的 准确性。 页岩气初始原地气量(价时,游离气量 主控因素是页岩孔隙度和气体饱和度,吸附气量主 控因素是有机质数量和有机质成熟度,溶解气量的 主控因素是页岩中残留油的数量。 应用典型地区实测数据校定模型和地质参数, 应用盆地和油气系统分析软件(D)通过分 3 700 3 6 温度/℃ 析页岩中3种状态天然气(孔隙中游离气、固体有机 质吸附气、油和水中溶解气)量,最终获得页岩气初 始原地气量(分布图。页岩气开发最初产 出的气体产量受游离气和溶解气含量的控制,较高 成熟度的页岩虽然生成的天然气量更多,并且随有 机质成熟度增高天然气吸附量增大,但是高成熟度 在另一方面意味着更高的压实作用程度和更高的温 度,对应较低的泥页岩孔隙度和残留油量,导致较低 的游离气量和溶解气量。溶解气在中等成熟度阶段 意义重大,能够帮助提高最初的气体产生率。随着 开发过程孔隙压力和游离气含量降低,吸附气体能 够扩散进入孔隙空间而有助于维持页岩气产率。页 岩气勘探的甜点位于最高总天然气量和具有相对较 高游离气量的地区,从页岩气初始原地气量(和游离气量的分布图,可以圈定出页岩气开发的核 [ 区 温度/2 0%一 =1.2%一.8% 计算值/(fo/t) ~质模型和成熟模型 然气吸附模型 实际数据校准 450 500 550 600 游离气 450 500 550 600 吸附气 溶解气 3 750 500 550 600 初始原地气10应用油气系统分析软件(D)分析页岩气产量方法。分别计算 游离气量,吸附气量和溶解气量,得出页岩气初始原地气量(508 2 图l】 附气量、溶解气量和 应用实例 探和开发的典范,并已成为目前美国最大的天然气 田,目前已有超过14 400口页岩气生产井,2000年以 来,累计生产的天然气已达到2 260亿1地地质格架和度和地球化 学特征已在o.3 王飞宇等:页岩气赋存形式和初始原地气量(测技术 509 [25 27],源岩,平均初始有 机碳含量约为7 ,初始生烃潜力约在500~ 600 mg/,页岩气源岩干酪根初次裂解和源岩中 残余油的次生裂解,页岩中孔隙度主要源于有机质 的热裂解。 用数据,可以用于检验我们建立的页岩气分析技术的可靠性。图1岩游离气量、吸附气量、溶解气量和布和数据控制点,右上方红色线圈为气开发的核心区。 计算值与实测数据(图11中黑圈黄点)基本相 似,说明我们可以通过模拟分析技术,结合有限的实 际数据标定,得出页岩气游离气量、吸附气量、溶解 气量和()结论 (1)页岩气气体赋存形式介于致密砂岩气与煤 层气之间,页岩气初始原地气量(括了游离 气量、吸附气量和溶解气量3个部分,热成因页岩气 中游离气和热成因的页岩气原地气量则大大高于有 机质吸附容量,游离气量和溶解气量所占比例一般 大于5O ,吸附气仅占原地气量的1/2~1/5,只有 生物成因的页岩气主体为吸附气,页岩原地气量几 乎等同于吸附气量。 (2)游离气量主控因素是页岩孔隙度和气体饱 和度,吸附气量主控因素是有机质数量和有机质成 熟度,溶解气量的主控因素是页岩中残留油的数量, 温度和压力条件控制3种状态气体的量和相互转 化。目前已基本建立泥页岩中游离气量、吸附气量 和溶解气量算法,并实现在油气系统模拟分析软件 中计算游离气量、吸附气量、溶解气量和() 而更好地认识页岩气资源量空间分布规律,为页岩 气勘探目标优选,圈定页岩气勘探核心区提供基础。 (3)以 示页岩气初始原地气量(及游离气量、吸附 气量和溶解气量分析技术的实际应用。 参考文献 [1] et of 009,29(5):11李建忠,董大 忠,陈更生,等.中国页岩气资源前景与战略地位[J].天然气 工业,2009,29(5):11 16.] [2] [3] [4] [52 [6] [7] [8] [9] [1o] [[12] [132 [14] et of ].010,31(4):689 690.[陈尚斌,朱炎铭,王红岩,等.中国 页岩气研究现状与发展趋势[J].石油学报,2010,31(4):689 690.] in,et of eo 010,21(2):350—356.[王祥,刘玉华,张敏,等.页岩 气形成条件及成藏影响因素研究[J].天然气地球科学,221(2):350—356.] et n of in ].009,29(5):33—39. 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