頁巖氣儲層的特殊性與評價方法

頁巖氣儲層的特殊性與評價方法

在富有酸鹽的巖石中補充天然氣，即棕櫚氣，是世界上非常常見的天然氣資源。2000年以來,由于相關(guān)勘探開發(fā)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,頁巖氣的年產(chǎn)量和經(jīng)濟、技術(shù)可采儲量迅速攀升。至2010年,美國頁巖氣年產(chǎn)量快速攀升至超過1379×108m3,占全國天然氣年總產(chǎn)量的23%?？梢婍搸r氣在美國天然氣工業(yè)中所占的重要地位。2012年3月1日,國土資源部召開新聞發(fā)布會,首次公布了我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×1012m3,可采資源潛力為25.08×1012m3(不含青藏區(qū)),展示了我國巨大的頁巖氣資源潛力。從美國的非常規(guī)天然氣勘探研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢分析可以預(yù)測,頁巖氣不久也將會成為我國能源地質(zhì)領(lǐng)域中的熱點?，F(xiàn)代概念的頁巖氣是主體上以吸附和游離狀態(tài)同時賦存于具有生烴能力泥巖及頁巖等地層中的天然氣聚集,具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質(zhì)特點。細粒泥頁巖的成分和結(jié)構(gòu)決定了其一個顯著特點是孔隙結(jié)構(gòu)細小,主體以微孔隙和中孔隙為主,這也決定了頁巖氣的賦存狀態(tài)以吸附作用為主,因此,頁巖氣的賦存狀態(tài)與頁巖的顯微孔隙結(jié)構(gòu)具有密切的聯(lián)系。然而,目前缺少關(guān)于頁巖中孔隙度、孔隙大小分布與總儲氣量之間關(guān)系的研究。由于頁巖儲層特殊的孔隙結(jié)構(gòu)以及其中天然氣特殊的賦存狀態(tài),導(dǎo)致常規(guī)油氣儲層的評價方法體系難以適用于特殊的頁巖氣儲層。然而,目前對于頁巖氣儲層的評價尚沒有統(tǒng)一的規(guī)范和方法,這必然會影響對我國頁巖氣資源的勘探與評價。本文試圖從頁巖氣儲層的特殊性入手,探討頁巖氣儲層評價的思路、方法和內(nèi)容,以期盡快促進頁巖氣儲層地質(zhì)評價的規(guī)范化和科學(xué)化。1巖漿巖氣儲層的特殊性1.1不同地區(qū)罪犯toc含量比較由于頁巖氣具有自生自儲特點,故有機質(zhì)含量高是頁巖氣儲層的基本特征。美國福特沃斯盆地Barnett頁巖的殘余有機碳(TOC)含量一般為3%~13%,平均為3.9%;德拉華盆地Barnett頁巖的TOC含量也比較高,其中較高的層段平均為4.4%;密歇根盆地Antrim頁巖TOC含量為0.5%~24.0%;加拿大西部盆地的Muskwa組和上BesaRiver組頁巖層的TOC含量大部分在2.0%之上,最高達到5.7%。不難看出,北美典型頁巖氣發(fā)育區(qū)泥頁巖有機碳含量均相對較高。筆者近年通過資料總結(jié)和樣品測試,對四川、滇東、黔北、渝東南、湘西和鄂西等地下古生界牛蹄塘組(及相當(dāng)層位)和龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖中TOC含量進行統(tǒng)計,結(jié)果發(fā)現(xiàn),下寒武統(tǒng)TOC含量較高,普遍大于1%,但變化范圍大,一般為0.04%~14.3%,平均為3.42%,TOC含量大于1%的樣品數(shù)占分析總數(shù)的92.3%,TOC含量大于3%的樣品數(shù)占分析總數(shù)的36.92%;下志留統(tǒng)TOC含量普遍大于1%,各地區(qū)有機碳含量變化范圍很大,一般為0.07%~7.94%,平均為2.54%。TOC含量大于1%的樣品數(shù)占分析總數(shù)的78.75%,TOC含量大于2%的樣品數(shù)占分析總數(shù)的52.5%。1.2ohio、wodford/barnett頁巖粘土粘土礦物含量高是富有機質(zhì)頁巖的另一特點。如美國Bossier頁巖粘土礦物含量可高達70%;Ohio、Woodford/Barnett頁巖粘土含量在15%~65%,其中Barnett硅質(zhì)頁巖粘土礦物通常小于50%。筆者對上揚子地區(qū)下古生界富有機質(zhì)頁巖的研究發(fā)現(xiàn),其粘土礦物含量在20%~65%(圖1)。由此可見,富有機質(zhì)頁巖中粘土礦物含量通常在50%左右。1.3富有機質(zhì)頁巖巖石學(xué)特性富有機質(zhì)頁巖從巖石結(jié)構(gòu)上屬于泥質(zhì)結(jié)構(gòu)(粒度<0.0039mm),組成巖石的礦物粒度細小是其顯著特征。從前述可知,富有機質(zhì)頁巖的礦物組成中,粘土礦物的含量高。由于粘土礦物晶體非常細小,這從一定程度上決定了巖石結(jié)構(gòu)的粒度。同時,富有機質(zhì)頁巖一般沉積在遠離物源的相對深水和靜水環(huán)境中,故搬運到這樣環(huán)境中的碎屑礦物也是經(jīng)歷了長距離搬運的細粒組分,通常也是泥級的碎屑顆粒。即使有粉砂級的碎屑礦物存在,也是少量的。如果當(dāng)粉砂級的碎屑顆粒達到較高比例(>50%),則該巖石就已經(jīng)是(泥質(zhì))粉砂巖,而不屬于泥頁巖范疇了。1.4富有機質(zhì)頁巖孔隙度頁巖氣儲層具低孔、特低滲致密的物性特征。美國主要產(chǎn)氣頁巖儲層巖心分析總孔隙度分布在2.0%~14.00%,平均為4.22%~6.51%;測井孔隙度分布在4.0%~12.00%,平均為5.2%。滲透率一般小于0.1mD,平均喉道半徑不到0.005mm。筆者在對上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖孔隙度測定顯示,其大小為0.7%~25.6%,平均6.96%,其中孔隙度小于2%的占16.1%,分布在2%~7%的占全部樣品的48.4%,滲透率主要分布在0.0018~0.056mD,平均0.0102mD,滲透率小于0.01mD的樣品占總數(shù)的61%;下志留統(tǒng)富有機質(zhì)頁巖孔隙度在0.77%~19.5%,平均5.05%,其中孔隙度小于2%的占13.9%,分布在2%~7%的占全部樣品的69.4%,滲透率主要分布在0.0013~0.058mD,平均0.0102mD,滲透率小于0.01mD的樣品占全部樣品的31.3%。1.5巖石孔徑分布根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)的孔隙分類,將孔隙直徑<2nm的稱為微孔隙(micropores),2~50nm的為中孔隙(mesopores,有人譯為介孔),>50nm的為宏孔隙(macropores,有人譯為大孔)。細粒泥頁巖的一個顯著特點是孔隙結(jié)構(gòu)細小,主體以微孔隙和中孔隙為主。筆者對渝東南渝頁1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的巖心進行了系統(tǒng)的采樣,并進行了比表面和孔徑分析。結(jié)果顯示,黑色頁巖的平均孔徑分布在3.51~6.76nm,大多數(shù)的孔徑分布在2~5nm,即以中孔隙為主;中孔體積占到了總體積的70%左右(圖2)。1.6型金相結(jié)構(gòu)層內(nèi)的表面積泥頁巖由于粒度細,孔喉小,從而導(dǎo)致其相對于固相巖石中的大孔隙具有更大的內(nèi)表面積。泥頁巖中粘土礦物含量高。粘土礦物由于粒度細小而具有較大比表面積。尤其是蒙脫石礦物,其外表面積類似于其他粘土礦物和細粒礦物,但是其特殊的2∶1型層狀結(jié)構(gòu)層內(nèi)的表面積可比外表面積高1到2個數(shù)量級。高嶺石通常有<10m2·g-1的比表面積,而蒙脫石可達到900m2·g-1的比表面積。因此,若沉積物中含有中等含量的蒙脫石,其總的礦物比表面積中蒙脫石的內(nèi)表面積將是主要貢獻者。1.7埋深對巖石破裂作用的影響含氣頁巖中,有機質(zhì)的成熟度都比較高,反映其經(jīng)歷了較深的埋藏過程。富有機質(zhì)頁巖在埋藏過程中,隨著埋深的增加,溫度的升高,伴隨著巖石體積的縮小、孔隙減少,還發(fā)生成巖礦物相的轉(zhuǎn)變(蒙脫石/伊-蒙混層礦物/伊利石)和成巖裂縫的產(chǎn)生,有時還受構(gòu)造應(yīng)力作用導(dǎo)致巖石發(fā)生破裂作用。這些成巖作用都在一定程度上影響著頁巖的孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu),從而影響著其中頁巖氣的賦存狀態(tài)和含氣量。1.8頁巖吸附態(tài)巖石氣已有研究初步認為,賦存于中-微孔隙中的頁巖氣主要以吸附態(tài)存在,而賦存于宏孔隙和微裂縫中的頁巖氣則主要以游離態(tài)存在。細粒泥頁巖的一個顯著特點是孔隙結(jié)構(gòu)細小,主體以微孔隙和中孔隙為主,這也決定了頁巖氣的賦存狀態(tài)以吸附作用為主。據(jù)Curtis統(tǒng)計,吸附態(tài)頁巖氣含量占頁巖氣總含量的20%~85%。Mavor指出Barnett組頁巖吸附態(tài)頁巖氣應(yīng)占原始頁巖氣地質(zhì)儲量的61%。李新景等認為吸附態(tài)頁巖氣的含量可能至少占頁巖氣總量的40%。聶海寬等總結(jié)分析了Barnett頁巖的大量研究資料,認為40%~60%的天然氣以吸附態(tài)賦存于頁巖中。目前已有越來越多的研究者認同Curtis和Martini等提出的觀點,即吸附作用是頁巖氣聚集的基本屬性之一,如Michigan盆地的Antrim頁巖,其吸附態(tài)頁巖氣占氣體總量的70%~75%。國內(nèi)許多研究者也注意到了泥頁巖中天然氣存在的吸附性問題。如張金川等指出,頁巖中可能有較大一部分天然氣是以氣體分子形式吸附于頁巖表面或溶解于頁巖內(nèi)部的流體之中;樊明珠等進一步指出,頁巖中存在大量吸附狀天然氣。2儲層儲氣特征與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系就常規(guī)儲層而言,儲層評價的核心是其孔隙度和滲透率?？紫抖却笮Q定了儲層儲集油氣的數(shù)量,而滲透率則決定了開發(fā)過程中油氣的產(chǎn)量。然而,對于頁巖氣儲層而言,不僅其孔隙度低,而且其孔隙結(jié)構(gòu)反映出孔喉半徑極小,以納米級大小為主,從而決定了其中的天然氣以吸附賦存為主,游離相賦存的相對較少,且滲透率極低。因此,原始富有機質(zhì)頁巖中的天然氣是不能通過流體相在儲層中的滲流作用而得以開發(fā)的,必須對其進行人工改造,如水力壓裂,對其孔縫系統(tǒng)進行改造,使得原呈吸附態(tài)的天然氣得以解吸,進入到人工改造后的大型孔縫系統(tǒng)中呈游離態(tài)發(fā)生遷移而得到開發(fā)。由此可見,頁巖的孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)決定了其儲氣能力的大小和天然氣的賦存狀態(tài),頁巖儲層的后期壓裂可改造性則決定了其開發(fā)的效率,而原始滲透率在頁巖氣儲層中均極低,故在評價中不是關(guān)鍵因素。頁巖氣儲層由于其孔隙結(jié)構(gòu)的特殊性,使得常規(guī)的儲層物性分析測試手段,如鑄體薄片、孔滲測定、壓汞等在頁巖氣儲層測試中難以奏效。因此,在評價其孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)過程中,必須采用特殊的分析測試方法和手段,如利用低壓N2比表面測定研究中孔隙(mesopores)和宏孔隙的孔隙大小分布;利用低壓CO2方法測定中孔隙和微孔隙(micropores)的體積和大小分布;利用掃描電鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)觀察黑色頁巖顯微孔隙形態(tài)與分布等。由于這些方法相對比較特殊,故不易大批量進行。不過,已有研究充分證明,富有機質(zhì)頁巖的顯微孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖組成(粘土礦物種類和含量、碎屑礦物含量、有機質(zhì)含量、有機質(zhì)類型、有機質(zhì)成熟度等)之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系。我們在對渝東南渝頁1井志留系龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖的研究發(fā)現(xiàn),粘土礦物含量與中孔體積呈正相關(guān),碎屑礦物的含量與宏孔體積呈正相關(guān),有機質(zhì)成熟度(Ro)的增高與宏孔體積的增加相一致,高成熟度有機碳(TOC)含量與宏孔隙體積也呈正相關(guān),粘土礦物含量與微孔體積具有負相關(guān)(圖3),因此我們認為粘土礦物是中孔體積的主要貢獻者,對微孔體積貢獻不大,碎屑礦物的增加有助于宏孔體積的增加,Ro和高成熟度TOC含量與宏孔體積呈正相關(guān),可能是由于高成熟有機組分中微裂縫導(dǎo)致的。富有機質(zhì)頁巖物質(zhì)組成與孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系,為我們利用頁巖組成的這些常規(guī)參數(shù)定性地評價其顯微孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)奠定了良好的基礎(chǔ)。頁巖儲層中的天然氣賦存狀態(tài)明顯不同于常規(guī)儲層,它們主體以吸附態(tài)賦存于頁巖的顯微孔隙中,僅在大的孔隙和微裂縫中以游離態(tài)存在。因此,對頁巖儲層儲氣性能的評價,除了其孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)外,其對天然氣的吸附能力也是評價的一個重要指標(biāo)之一。綜上所述,頁巖儲層性質(zhì)的特殊性決定了其評價手段和評價內(nèi)容不同于常規(guī)油氣儲層,因此,在評價思路和方法上,也就有別于常規(guī)儲層。概括地說,應(yīng)遵循評價參數(shù)的直接測定與間接計算相結(jié)合、分析測試的常規(guī)手段與特殊方法相結(jié)合、評價對象的孔隙特征與吸附能力相結(jié)合。所謂的直接測定與間接計算相結(jié)合,是指對于諸如孔隙體積、孔隙結(jié)構(gòu)、甲烷吸附量等評價參數(shù),除了部分通過樣品直接測試獲得外,其他未進行直接測定的樣品,可通過上述已測定樣品的評價參數(shù)與頁巖組成特征之間的內(nèi)在聯(lián)系,建立它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,利用頁巖組成特征的各種數(shù)據(jù),間接地推算未測樣品的評價參數(shù)。分析測試的常規(guī)手段與特殊方法相結(jié)合,指的是頁巖氣儲層評價參數(shù)的測定過程中,除了利用常規(guī)的孔滲測定、壓汞等方法外,對于顯微孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu),還需借助于低壓N2比表面測定、低壓CO2方法測定各種孔隙體積和分布,利用原子力顯微鏡(AFM)和核磁共振(NMR)技術(shù),觀察和描述顯微孔隙的結(jié)構(gòu)和分布。至于評價對象的孔隙特征與吸附能力相結(jié)合,是由于頁巖氣特殊的吸附賦存狀態(tài),使得對其儲氣性能的評價,除了評價其孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)的分布外,還必須評價其吸附天然氣的能力。因為即使后期解吸到裂縫中的游離態(tài)天然氣,其原始狀態(tài)也是被吸附在頁巖中,故吸附能力是評價頁巖氣儲層儲氣性能的重要指標(biāo)之一。3常規(guī)儲層與巖石學(xué)風(fēng)險頁巖氣儲層的特殊性、頁巖中天然氣賦存狀態(tài)以及頁巖氣的連續(xù)聚集等特征決定了其評價思路和方法與常規(guī)儲層的有較大區(qū)別,相應(yīng)地,對其評價內(nèi)容也就有別于常規(guī)儲層。除了與常規(guī)儲層相同的儲層巖石學(xué)特征和物性特征外,還應(yīng)考慮其吸附天然氣的能力及其壓裂改造的難易程度。本文根據(jù)國際上的評價經(jīng)驗和我們近期的評價實踐,將頁巖氣儲層的評價內(nèi)容總結(jié)為以下幾個方面。3.1儲層精細評價指標(biāo)含氣頁巖的巖石組成是儲層評價的基礎(chǔ)。對其巖石組成的評價,包括了以下內(nèi)容。(1)礦物組成。重點是粘土礦物的種類(伊利石、蒙脫石、伊-蒙混層礦物、高嶺石、綠泥石等)和含量、碎屑礦物(石英、長石等)的含量、化學(xué)沉淀礦物(方解石等)和成巖自生礦物(黃鐵礦等)的含量等。(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)造。由于粘土礦物的粒度都比較細小,故這里的結(jié)構(gòu)特征主要是指陸源碎屑礦物的粒度及其多少。陸源碎屑礦物的粒度和含量直接影響著頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)和儲氣性能。構(gòu)造主要是指由頁巖成分或結(jié)構(gòu)變化所引起的紋層構(gòu)造。這些紋層構(gòu)造對儲層孔隙結(jié)構(gòu)和儲氣能力的縱向和橫向非均質(zhì)性具有重要影響。(3)有機質(zhì)含量和成熟度。這是頁巖氣儲層評價中最主要的參數(shù)之一。它不僅影響頁巖儲層的質(zhì)量,還決定著頁巖的生氣潛力。(4)有機質(zhì)類型與有機顯微組分。對于頁巖中的有機質(zhì),應(yīng)分析其干酪根類型,同時,還要對其有機顯微組分如鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、絲質(zhì)組等進行鑒定,以評價不同類型有機質(zhì)和不同顯微組分對頁巖氣儲層的影響。(5)成巖作用。利用有機質(zhì)成熟度、成巖自生礦物組合、巖石壓實固結(jié)程度和改造破裂程度等,分析其成巖階段和成巖強度。(6)空間分布。分析上述巖石組成各參數(shù)在縱向上和平面上的分布特征,總結(jié)其變化規(guī)律。3.2顯微孔隙度的表征頁巖儲層的孔隙度很低,滲透率極低。在頁巖氣儲層評價中,除了運用常規(guī)的孔滲測定評價其孔隙度和滲透率外,還需借助低壓N2、低壓CO2等方法,分析和測定其顯微孔隙體積的大小和分布(微孔、中孔、宏孔),并探索其與巖石組成各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。3.3儲層結(jié)構(gòu)類型頁巖氣的儲集空間主要包括顯微孔隙和裂縫兩大類。(1)孔隙。(1)孔隙類型:頁巖中的孔隙,從其成因看,主要有礦物粒間孔、粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)層間微孔(主要是蒙脫石)、有機微孔、次生溶蝕孔等;(2)孔隙結(jié)構(gòu):頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的最主要特征是孔喉細小,以顯微孔隙為主,按其孔隙大小,可將其分為微孔(<2nm)、中孔(2~50nm)和宏孔(>50nm)。(2)裂縫。裂縫是頁巖氣儲層中重要的儲集空間類型,按其成因可分為構(gòu)造縫和成巖縫。前者是與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)的裂縫,通常規(guī)模相對較大,以宏觀裂縫為主。后者是在成巖過程中形成,一般規(guī)模較小,以微裂縫為主,主要有以下幾種類型:一是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的體積縮小而形成的微裂縫;二是有機質(zhì)生烴形成的微環(huán)境局部超壓引起的微裂縫;三是有機質(zhì)高過成熟階段的體積收縮形成的微裂縫。3.4地震勘探主要儲層氣水的分類頁巖氣賦存形式具有多樣性。游離態(tài)頁巖氣大量存在于巖石大孔隙與裂隙中,吸附態(tài)頁巖氣主要吸附于有機質(zhì)顆粒、粘土礦物顆粒、干酪根顆粒以及孔隙表面之上,而溶解態(tài)頁巖氣溶解于干酪根、瀝青質(zhì)、殘留水以及液態(tài)原油中。頁巖氣的上述3種賦存形式中以游離態(tài)和吸附態(tài)為主,溶解態(tài)僅少量存在,因此,評價時可重點考慮游離氣和吸附氣。(1)游離氣。游離態(tài)頁巖氣主要存在于宏孔和裂縫中,孔隙容積越大,則所含游離態(tài)氣體含量就越高。Ross等發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙度從0.5%增大到4.2%時,游離態(tài)氣體的含量從原來的5%上升到50%。由于游離態(tài)頁巖氣主要儲存于巖石孔隙與裂隙之中,可發(fā)生層流滲透,故其含量的高低與構(gòu)造保存條件密切相關(guān)。(2)吸附氣。吸附氣主要賦存于中孔、微孔中,同時,在宏孔隙和裂縫的孔壁上也是吸附氣賦存的主要場所。對于吸附態(tài)頁巖氣,在儲層評價時需要確定的是頁巖的氣體吸附能力,往往是通過等溫吸附實驗得到,但是它通常受到多種因素的影響,如有機碳含量、礦物成分、含水量、孔隙結(jié)構(gòu)、溫度和壓力等。通過研究頁巖氣在粘土礦物、有機質(zhì)表面的賦存形式和納米孔隙的孔徑分布對頁巖吸附性能的影響,建立它們之間內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)關(guān)系,可以間接地確定大量未進行等溫吸附實驗測定頁巖的氣體吸附能力,計算吸附態(tài)頁巖氣的含量。3.5《理想國》2號由于頁巖氣很大部分以吸附態(tài)存在,故在開發(fā)過程中均要對儲層進行壓裂改造,因此