頁巖氣研究幾個(gè)問題探討

1、中國頁巖氣研究程克明中國石油勘探開發(fā)研究院2011.5月入主要內(nèi)容一 頁巖氣藏的地質(zhì)評價(jià)二 頁巖氣藏儲層有效厚度及系統(tǒng)厚度劃分三 頁巖氣勘探水平鉆井導(dǎo)向四 頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度對勘探開發(fā)影響五 頁巖氣藏的儲集條件研究六 中國頁巖氣勘探開發(fā)層次一 頁巖氣藏的地質(zhì)評價(jià) 頁巖氣藏的地質(zhì)評價(jià)研究最核心問題是頁巖的含氣性和頁巖的儲集特征 含氣性主要在現(xiàn)場利用巖芯在等溫吸附儀中分別進(jìn)行測試 頁巖的儲集特征比較復(fù)，由于其孔隙度和滲透性特低，目前孔隙度一般在超微電子顯微條件下，用亞離子拋光技術(shù)觀察N米級微孔。l有效頁巖的生烴條件、沉積條件、厚度分布、TOC含量及熱成熟度是基本條件u 生烴條件中最本質(zhì)的是TOC含量

2、2.0%u Ro分布于1.2%3.0%u 沉積環(huán)境為深水陸棚u 有效黑色頁巖一般厚度30m一 頁巖氣藏地質(zhì)評價(jià)l頁巖的儲集條件，包括基質(zhì)孔隙度、滲透率、頁理及微裂隙的發(fā)育、礦物組成（特別是石英含量）、等溫吸附曲線所顯示該頁巖的最大吸附氣含量等l頁巖的保存條件，主要是生烴和儲集條件的保存頁巖氣生產(chǎn)能力關(guān)鍵要素頁巖氣生產(chǎn)能力關(guān)鍵要素 龍卷風(fēng)圖龍卷風(fēng)圖 包括敏感性包括敏感性頁巖含氣量（scf/ton）0246810120200400600800頁巖含氣量有機(jī)碳含量（wt,%）二 頁巖氣藏勘探開發(fā)有效頁巖厚度及頁巖系統(tǒng)厚度 有效頁巖厚度及頁巖系統(tǒng)厚度劃分是頁巖氣勘探開發(fā)的地質(zhì)研究中核心問題之一。它既涉

3、及開發(fā)層系劃分和儲集特征研究，又涉及水平井的導(dǎo)向方位及深度分布，同時(shí)還涉及資源潛力估算和頁巖氣開發(fā)主要目的層系的確定等基本地質(zhì)問題。 根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，特別是J.B.Curtis（2002）的研究，并結(jié)合中國揚(yáng)子地臺下古生界筇竹寺組及龍馬溪組兩套黑色頁巖的縱向變化及區(qū)域分布特征以及四川盆地威遠(yuǎn)（筇竹寺組）及川南（龍馬溪組）的地質(zhì)實(shí)踐，提出有效頁巖厚度系指該層組中單層厚度在3m以上，TOC含量2.0%黑色頁巖的累計(jì)厚度謂之有效頁巖厚度。TOC2%層段層段40-50m,GR高高 二 頁巖氣藏勘探開發(fā)有效頁巖厚度及頁巖系統(tǒng)厚度頁巖氣藏有效度及系統(tǒng)厚度劃分既涉及資源評價(jià)和資源潛力計(jì)算，又涉及開發(fā)技術(shù)特別是

4、水平井鉆探技術(shù)的導(dǎo)向。因此，頁巖氣藏有效厚度及系統(tǒng)厚度劃分必需結(jié)合地質(zhì)實(shí)際做精細(xì)工作。三 水平鉆井的水平導(dǎo)向應(yīng)以有效頁巖分布的延長方向?yàn)閷?dǎo)向 水平鉆井及多段壓裂是擴(kuò)大吸氣面積最有效手段。顯然，水平鉆井的導(dǎo)向應(yīng)以有效黑色頁巖分布的延長方向?yàn)閷?dǎo)向方能實(shí)現(xiàn)最大限度增加吸氣面積，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。這是因?yàn)轫搸r中氣體的賦存狀態(tài)以干酪根的吸附、基質(zhì)孔隙和微裂縫等儲集空間的游離和瀝青中的溶解等方式?jīng)Q定的。工四 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響 有機(jī)質(zhì)熱成熟度是判別源巖不同演化階段產(chǎn)物特征的關(guān)鍵因素。從頁巖氣的觀點(diǎn)出發(fā)，有機(jī)質(zhì)成熟度越高，越有利于頁巖氣的生成和聚集。成熟度越高，由于頁巖中各種賦存形態(tài)的有

5、機(jī)質(zhì)發(fā)生降解和熱裂解生烴并運(yùn)移離開母體，從而增大了固體空間并導(dǎo)致頁巖的基質(zhì)孔隙度增大（據(jù)張同偉及Dan的研究頁巖基質(zhì)孔隙可增大3.74.2%）。因此，頁巖有機(jī)質(zhì)的熱成熟度對頁巖含氣性的影響是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問題。4 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響在一定成熟度范圍內(nèi)，頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度越高，有機(jī)固體顆粒微孔愈發(fā)育，其吸附性越強(qiáng)。以煤的演化為例： 4 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響2) 通過頁巖生烴過程了解成熟度過高的頁巖對其含氣性的影響 (1) 幾種典型源巖成熟度與烴轉(zhuǎn)化率關(guān)系 a 海相源巖（環(huán)14井中奧陶統(tǒng)泥灰?guī)r，Ro0.6%,TOC0.49%,I型母質(zhì)） b 湖相泥巖（

6、泌80井，Eh，Ro0.27%，TOC 4.63%，I型母質(zhì)） c 湖相泥巖（杜6-11井，K1，Ro0.43%，TOC 3.11%，II型母質(zhì)）d 碳質(zhì)泥巖（烏蘇電廠，J2x，Ro0.42%， TOC 22.7%， III型母質(zhì)）4 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響 (2)各類母質(zhì)源巖熱成熟度與烴產(chǎn)率關(guān)系4 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響 上述各類源巖不同成熟階段的產(chǎn)物組成變化及總烴產(chǎn)率百分組成變化清楚說明：l 任何源巖其生烴過程均經(jīng)歷了生烴門限、生烴高峰、液態(tài)窗結(jié)束和氣態(tài)烴沽竭階段l 各類源巖生烴沽竭時(shí)的熱成熟度一般RO值為3.03.2%。所謂生徑沽竭即是該源巖的生烴量已

7、接近于零，亦即現(xiàn)今源巖的殘余生烴潛力（S1+S2）接近于零l 上述實(shí)驗(yàn)說明：頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度超過3.03.2%后，頁巖的生烴潛力亦趨近于零，這一認(rèn)識已為實(shí)驗(yàn)?zāi)M和自然演化規(guī)律所證實(shí)。因此，頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度過高（Ro3.2%），這類頁巖對其吸附氣含量的影響是我國頁巖氣勘探開發(fā)中值得重視的研究問題4 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響3) 關(guān)于成熟度Ro3.03.2%以上的頁巖對含氣量的影響的初步認(rèn)識, 頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度對其含氣性的影響可從兩個(gè)方面認(rèn)識：00 5.1 0.1 5.2 0.2 5.Ro(%)510152025孔隙度（%）煤孔隙度與成熟度的關(guān)系（據(jù)李明潮等，1996）l 頁巖的含

8、氣性必需具備一定的熱成熟度，即Ro值必需1.2%，此時(shí)頁巖中的液態(tài)烴開始熱裂解出現(xiàn)部份氣態(tài)烴，隨著成熟度增高，源巖演化進(jìn)入濕氣-凝析油（Ro1.32.0%）和干氣階段（Ro2.0%）。此階段不僅有機(jī)質(zhì)大量熱降解生烴，其液態(tài)有機(jī)質(zhì)也隨著熱成熟度增高而發(fā)生熱裂解而大量生成氣態(tài)烴l 與此同時(shí)，隨著頁巖中固體有機(jī)質(zhì)的熱降解和熱裂解生烴并運(yùn)移，從而導(dǎo)致頁巖的基質(zhì)孔隙增加（3.74.2%），增大了頁巖中游離氣的儲集空間；除此之外，頁巖中的殘余固體有機(jī)質(zhì)的微孔愈發(fā)育，對烴類氣體的吸附力增強(qiáng)，有利于頁巖的含氣性增大少Ro0.5%Ro0.52%粒間微孔Ro1.35%Ro1.6%Ro%（據(jù)Loucks, Reed

9、, and Jarvie, 2009）Barnett頁巖熱演化過程中的孔隙變化4 頁巖有機(jī)質(zhì)的熱演化程度及其對含氣性的影響l 當(dāng)頁巖成熟度過高（Ro3.2%），頁巖有機(jī)質(zhì)的生烴潛力已接近或達(dá)到沽竭，頁巖中只是現(xiàn)有微裂隙及基質(zhì)孔隙中的游離氣和有機(jī)顆粒及細(xì)顆粒對烴類氣體的吸附以及基質(zhì)孔隙及自然裂隙中以游離態(tài)儲集的天然氣。除此以外，再無生烴潛力的后續(xù)補(bǔ)給。因此，頁巖中這種氣還能稱“根源氣”和“連續(xù)型”聚氣嗎？這些問題都值得進(jìn)一步研究。 更為重要的是，成熟度過高（Ro3.2%）的頁巖氣其開發(fā)壽命如何？這更是一個(gè)急待研究的問題。由此出發(fā)，我們研究中國海相頁巖氣過程中，除解剖高過成熟度頁巖的先導(dǎo)試驗(yàn)之外，

10、還應(yīng)在熱成熟度Ro為1.52.5%區(qū)間的頁巖進(jìn)行比較性的實(shí)驗(yàn)研究，以期進(jìn)一步明確上述問題。 五 關(guān)于頁巖氣儲集特征研究 頁巖儲集條件（主要指頁巖基質(zhì)孔隙度、滲透率和天然裂隙的發(fā)育等）是頁巖氣成藏地質(zhì)評價(jià)的重要組成部份。由于頁巖礦物組成多以細(xì)粒硅、鋁泥質(zhì)為主，結(jié)構(gòu)致密，原生基質(zhì)孔隙一般為13%，后經(jīng)不斷發(fā)生的生烴和排烴作用，從而使固體有機(jī)物質(zhì)的不斷緊縮和源巖的儲集空間有所增大（3.74.2%），進(jìn)而使頁巖基質(zhì)孔隙度可達(dá)58%。另外頁巖由于層理結(jié)構(gòu)發(fā)育，自然微層理裂隙亦十分普見，這些因素都頁巖的儲集特征密切相關(guān)，而頁巖儲集條件不僅與其含氣性戚切相關(guān)，且與其增產(chǎn)改造緊密相連 頁巖吸附氣含量的影響因素

11、分析 （單因素分析） l 頁巖TOC含量對其吸附能力的分析l 干酪根類型及其轉(zhuǎn)化程度對吸附能力（以單位重量中含氣量表征）的分析l 頁巖的礦物組成對吸附能力的分析l 溫度、壓力對頁巖吸附能力的分析l 頁巖孔隙度對吸附能力的分析l 頁巖含水飽和度對吸附能力的分析頁巖吸附氣影影因素分析（多因素分析）l 頁巖TOC-Ro-吸附能力分析l 頁巖TOC-孔隙度-吸附能力分析l 頁巖TOC-礦物組成（主要是粘土含量）-吸附能力分析l 頁巖熱演化程度與礦物組成變化分析l 頁巖吸附能力與溫壓敏感性分析l 頁巖吸附能力與TOC和含水飽和度變化分析頁巖氣藏的成藏機(jī)理 頁巖氣藏的成藏機(jī)理是原位“滯留成藏” ，連續(xù)型分

12、布。甲烷在頁巖微孔（孔徑小于2nm）中順序充填，在介孔（孔徑為250nm）中多層吸附至毛細(xì)管凝聚，在大孔中（孔徑大于50nm）甲烷以壓縮或溶解態(tài)賦存。成藏中經(jīng)過吸收、解析、擴(kuò)散等作用。頁巖有機(jī)質(zhì)直接生氣或原油裂解成氣，天然氣首先在頁巖有機(jī)質(zhì)的孔內(nèi)表面飽和吸附;之后解析擴(kuò)散至基質(zhì)孔隙中，以吸附或游離相原位飽和聚集。頁巖氣的成藏機(jī)理及過程從頁巖氣的成藏過程分析頁巖儲集空間研究對頁巖氣開發(fā)的重要性有機(jī)質(zhì)和粘土顆粒表面吸附與解吸有機(jī)質(zhì)和粘土顆粒表面吸附與解吸1-1-吸附階段吸附階段氣體進(jìn)入天然裂縫網(wǎng)絡(luò)氣體進(jìn)入天然裂縫網(wǎng)絡(luò)氣體流入頁巖基質(zhì)孔隙氣體流入頁巖基質(zhì)孔隙最終形成頁巖氣藏最終形成頁巖氣藏2-2-孔

13、隙充填階段孔隙充填階段3-3-裂縫充填階段裂縫充填階段4-4-頁巖氣藏階段頁巖氣藏階段集集l 微孔（0.75m）：與微體化石、化石碎片物質(zhì)、黃鐵礦莓狀體等有關(guān)l 微孔（0.75m):主要類型，分布于有機(jī)質(zhì)上，主要為有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)和粒間孔硅質(zhì)化石碎片中的粒間微孔基質(zhì)顆粒內(nèi)微孔粒間微孔（據(jù)Loucks, Reed, and Jarvie, 2009）l 由于頁巖的特殊組成結(jié)構(gòu)決定其孔隙分布需在不同尺度下進(jìn)行研究，目前已進(jìn)入納米（nm）級別的研究（1nm= 10-9m)，一般原子直徑為0.10.3nm，甲烷的分子直徑為0.34nmTOC棱角狀微孔直角狀微孔與分散有機(jī)質(zhì)相關(guān)的微孔球形微孔據(jù)Loucks,

14、Reed, and Jarvie, 2009據(jù)Loucks, Reed, and Jarvie, 2009球形微孔：18-46nm；面孔隙度：5.2%柱狀內(nèi)表結(jié)構(gòu)：550nm；鏡下孔隙度：5.2%管狀孔吼（20nm)管狀孔吼（20nm)頁巖含氣性及其與微孔比表面積關(guān)于頁巖關(guān)系據(jù)統(tǒng)計(jì)目前世界上頁巖含氣性分布如下： 富含氣：每噸頁巖69方; 一般含氣：每噸頁巖25方; 工業(yè)下限：每噸頁巖含氣大于0.5方。 據(jù)統(tǒng)計(jì)1克致密砂巖比高面積達(dá)1平方公里;1克煤的比表面積相當(dāng)于一個(gè)足球場大。由此可見，頁巖的含氣與微孔分布關(guān)系密切。六 中國頁巖氣研究的層次 根椐中國地質(zhì)條件及現(xiàn)有勘探技術(shù)，中國頁巖氣研究應(yīng)分為三個(gè)層次：根椐中國地質(zhì)條件及現(xiàn)有勘探技術(shù)，中國頁巖氣研究應(yīng)分為三個(gè)層次： 第一層次：以中國楊子地臺下古生界為主的海相頁巖氣藏的勘探開發(fā); 第二層次：中國華北陸相石炭-二疊系海陸過渡相頁巖; 第三層次：中國中新生代泥頁巖(此階段的泥頁巖勘探應(yīng)油氣并舉) 。吐哈盆地吐哈盆地 P-J鄂爾多斯盆地鄂爾多斯盆地 T塔里木盆地塔里木盆地 南方地區(qū)南方地區(qū) Z-P松遼盆地松遼盆地 K華北地區(qū)華北地區(qū) Pt-O準(zhǔn)噶爾盆地準(zhǔn)噶爾盆地 P-J渤海灣盆地渤海灣盆地E中國頁巖氣有利勘探領(lǐng)域分布圖6 中國的海陸過渡相及陸相泥頁巖 從中國石