頁巖氣成藏的主要特征

頁巖氣成藏的主要特征

0巖石氣勘探實(shí)踐巖氣是指以吸附、分離或溶解為條件的天然氣。與傳統(tǒng)天然氣儲存系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，它是一個(gè)自給自足的系統(tǒng)。頁巖既是氣源巖,又是儲層和封蓋層。1976年美國能源部啟動了東部頁巖氣項(xiàng)目,對頁巖氣地質(zhì)、地球化學(xué)和石油工程開始進(jìn)行系統(tǒng)研究,分別發(fā)現(xiàn)了Michigan盆地泥盆系A(chǔ)ntrim頁巖、Appalachian盆地泥盆系Ohio頁巖、Illinois盆地的泥盆系NewAlbany頁巖、FortWorth盆地密西西比系Barnett頁巖和SanJuan盆地白堊系Lewis頁巖等五大頁巖氣系統(tǒng),地質(zhì)資源量達(dá)14×1012~22×1012m3,技術(shù)可采儲量0.88×1012~2.15×1012m3。截止到2002年,在美國按照年產(chǎn)量排名的最大12個(gè)氣田中,有4個(gè)氣田的產(chǎn)層為頁巖。FortWorth盆地以密西西比系Barnett頁巖為儲層的NewarkEast頁巖氣田的年產(chǎn)量在2005年接近141.6×108m3,已成為美國第二大氣田。美國頁巖氣勘探的巨大成功,極大地鼓舞了在世界范圍內(nèi)類似的頁巖層序中尋找天然氣資源的勘探熱情。頁巖氣作為一種非常規(guī)含氣系統(tǒng)在國內(nèi)也逐步受到關(guān)注。1巖氣形成的基本地質(zhì)條件1.1barnett頁巖發(fā)育據(jù)Curtis對美國五大頁巖氣系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn),頁巖氣形成的成熟度范圍較寬,既有生物氣、未熟—低熟氣、熱解氣,又有原油、瀝青裂解氣。但美國最大的頁巖氣田NewwarkEast氣田,Barnett頁巖演化程度較高。Jarvie等系統(tǒng)地分析了Barnett頁巖的成熟度,認(rèn)為它已進(jìn)入生氣窗。Barnett頁巖含有大量天然氣,其原因在于生烴量大、熱成熟度高以及所保留的部分液態(tài)烴裂解生成了天然氣。在Barnett頁巖成熟度較低的地區(qū),氣井的產(chǎn)量也較低,而許多高成熟度的Barnett頁巖氣井的產(chǎn)量也較高。Jarvie認(rèn)為這是石油和干酪根同時(shí)裂解生氣的結(jié)果。RonaldJHill等利用化學(xué)生烴動力學(xué)模型計(jì)算了Barnett頁巖中液態(tài)烴開始裂解的成熟度(Ro)大于1.1%?？偟膩砜?頁巖層在各個(gè)演化階段都有氣體的保存,但演化程度高,更具有開采價(jià)值。1.2go監(jiān)主系統(tǒng)與頁巖有機(jī)碳的關(guān)系通過鏡下對頁巖中有機(jī)顯微組分的觀察發(fā)現(xiàn),頁巖中的有機(jī)質(zhì)富氫顯微組分豐富。FortWorth盆地Barnett頁巖中無定型有機(jī)質(zhì)占95%~100%,Appalachian盆地Ohio頁巖中保存了豐富的藻類物質(zhì),從而使有機(jī)質(zhì)大量富集。加拿大西部盆地侏羅系Gordondale頁巖中占優(yōu)勢的是藻類體和基質(zhì)瀝青質(zhì)富氫類脂組顯微組分。總體來看,頁巖的有機(jī)顯微組分以腐泥型—混合型為主。多數(shù)盆地研究發(fā)現(xiàn)頁巖中有機(jī)碳的含量(TOC)與頁巖產(chǎn)氣率之間有良好的線性關(guān)系,并把TOC作為評價(jià)頁巖氣的重要參數(shù),原因有兩方面:其一由于頁巖氣運(yùn)移距離短,含氣面積常常與頁巖的分布面積相當(dāng);TOC高,生氣潛力大,由于運(yùn)移不出去,其單位面積頁巖的含氣率也高。其二由于有機(jī)質(zhì)含有大量微孔隙,它對氣體有較強(qiáng)的吸附能,同時(shí)烴類氣體在無定形和無結(jié)構(gòu)基質(zhì)瀝青質(zhì)體中的溶解作用也對增加氣體的吸附能力作出了貢獻(xiàn)。Ross等在對加拿大大不列顛東北部侏羅系GordondaleMember頁巖研究過程發(fā)現(xiàn),有機(jī)碳與甲烷吸附能力具有一定關(guān)系(圖1),但是相關(guān)系數(shù)較低(R2=0.39),見圖2。他認(rèn)為在這個(gè)地區(qū)影響有機(jī)碳與吸附氣量關(guān)系的還有其他因素。1.3巖石礦物組成Ross等研究發(fā)現(xiàn)孔隙度中的含水量對頁巖吸附烴類氣體的能力有重要影響。由于水占據(jù)了孔隙空間,減少了烴類氣體的吸附位置,盡管在含水量和氣體吸附能力之間沒有一個(gè)確定的關(guān)系,但是相對于具有較低含水量的樣品,含水量高的頁巖氣體吸附能力低(見圖3)。頁巖中的無機(jī)礦物成分主要是黏土、石英、方解石,其相對組成的變化影響了頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)和對氣體的吸附能力。黏土礦物與石英和方解石相比,由于前者有較多的微孔隙和較大的表面積,因此對氣量有較強(qiáng)的吸附能力,但是當(dāng)水飽和的情況下,對氣體的吸附能力要大大降低。石英含量的增加將提高巖石的脆性。Bowker認(rèn)為FortWorth盆地的Barnett頁巖之所以能產(chǎn)出大量的天然氣,其原因在于它的脆性及其對增產(chǎn)措施的良好響應(yīng),這種脆性與礦物成分有關(guān),Barnett頁巖的石英含量可達(dá)45%。石英和碳酸鹽礦物含量的增加,將降低頁巖的孔隙,使游離氣的儲集空間減少,特別是方解石在埋藏過程的膠結(jié)作用,將進(jìn)一步減少孔隙,因此對頁巖氣儲層的評價(jià),必須在黏土礦物、含水、石英、碳酸鹽含量之間尋找一種平衡。由于頁巖相對孔隙度和滲透率較低,有利目標(biāo)的選擇必須考慮儲層的潛量(游離氣+吸附氣)與易壓裂性的匹配關(guān)系,因此,必須對頁巖的無機(jī)礦物組成和成巖作用開展更寬范圍和更深入的研究工作。1.4barnett頁巖氣勘探的關(guān)鍵Curtis對美國五大頁巖氣系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),頁巖的滲透率很低(見表1),只有存在天然裂縫網(wǎng)絡(luò)才能增加頁巖極低的基質(zhì)滲透率。Michigan盆地北部Antrim頁巖氣生產(chǎn)與北西向和北東向發(fā)育的兩組斷裂有關(guān),Illinois盆地的NewAlbanty頁巖氣為裂縫和基質(zhì)孔隙中的游離氣以及干酪根和黏土顆粒表面的吸附氣。Hassenmueller等認(rèn)為商業(yè)性頁巖氣產(chǎn)出與斷裂和褶皺引起的破裂作用以及碳酸鹽構(gòu)造上的頁巖披覆作用相關(guān)。然而,近來Bowker在FortWorth盆地的Barnett頁巖的研究工作,對天然和誘導(dǎo)裂縫與頁巖氣生產(chǎn)之間的關(guān)系有了新的認(rèn)識:天然開啟的裂縫是Barnett頁巖研究者中最有爭議的問題,在開始研究Barnett頁巖時(shí),許多人包括Boewker本人,都認(rèn)為開啟的天然裂縫對Barnett頁巖氣的生產(chǎn)是關(guān)鍵的,事實(shí)上,假如在Barnett頁巖中存在大量開啟的裂縫,目前在這套儲層中被保存的天然氣的規(guī)模要小得多。天然裂縫的存在會導(dǎo)致大量天然氣排出并運(yùn)移至上覆巖層,這將減少Barnett頁巖的孔隙壓力和天然氣的儲量,如果存在大量開啟的天然裂縫,Barnett頁巖就不會有超壓。最初進(jìn)入Barnett頁巖勘探的許多經(jīng)營公司(包括Mitchell公司和雪佛龍公司)勘探開發(fā)的策略都是測試斷層附近的Barnett頁巖,他們認(rèn)為在斷層附近,天然裂縫的密度高,地層的滲透性也高,的確如此,但是這些裂縫統(tǒng)統(tǒng)被膠結(jié)物(通常是方解石)封堵。在Barnett頁巖氣的勘探中,地質(zhì)學(xué)家和工程師花了2~3a的時(shí)間認(rèn)識到開啟的裂縫對Barnett頁巖氣的產(chǎn)能是無關(guān)緊要的,之所以無關(guān)緊要,是因?yàn)椴淮嬖陂_啟的天然裂縫,這并不是說Barnett頁巖中天然裂縫不發(fā)育,它們的數(shù)量還是比較多的,只是因膠結(jié)而被封堵。Bowker認(rèn)為,因膠結(jié)而封閉的裂縫是力學(xué)上的薄弱環(huán)節(jié),它增加了壓裂處理的有效性。因此他認(rèn)為,擴(kuò)散作用和巖石破裂能力的共同作用是Barnett頁巖成藏帶成功儲集天然氣的關(guān)鍵。Barnett頁巖不是裂縫性頁巖層帶,而是一個(gè)能夠壓裂的頁巖層帶。2barnett頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)和勘探技術(shù)研究進(jìn)展圖4展示了NeworkEast(Barnett頁巖氣)氣田生產(chǎn)歷史。該氣田是美國第二大氣田,受到世界的廣泛關(guān)注。從圖中可以看出,在1999年,該氣田產(chǎn)量大幅度增長,為什么天然氣的產(chǎn)量在開采了17a之后又突然大幅度上升?原因有兩個(gè):其一是人們發(fā)現(xiàn)實(shí)際的天然氣地質(zhì)儲量是以前估計(jì)的4倍,其二是水力壓裂技術(shù)在這個(gè)成藏層帶得到了成功應(yīng)用(壓裂液為水、降阻劑、殺菌劑、防垢劑和低含量支撐劑),大大降低了生產(chǎn)成本。在20世紀(jì)80年代以前,Fortworth盆地的Barnett頁巖并不是勘探目的層。相反,勘探主要集中在賓夕法尼亞系的碎屑巖和碳酸鹽巖等常規(guī)儲層,Barnett頁巖的大量天然氣顯示和意外的小規(guī)模產(chǎn)量,引起了Mitchell公司的勘探興趣,尤其是雪弗龍公司在煤層甲烷氣評價(jià)技術(shù)的基礎(chǔ)上,在該區(qū)進(jìn)行罐解吸和吸附等溫線的研究工作,重新評估了該區(qū)的天然氣地質(zhì)儲量,堅(jiān)定了Mitchell能源公司在頁巖層中尋找非常規(guī)天然氣的信心。開始的氣井產(chǎn)量大多數(shù)不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,在1981~1990年期間僅完鉆了100口井,該公司將主要的精力集中在如何更有效地在Barnett頁巖中完井,以及如何提高采收率。到1998年在完井技術(shù)上取得了重大突破,用水基液壓裂代替了凝膠壓裂,在采用水基壓裂液技術(shù)后,對該氣田較老的Barnett頁巖氣井(特別是1990年底以前完成的氣井)重新實(shí)施了增產(chǎn)措施。因此極大地提高了采收率,增幅有時(shí)可達(dá)2倍或更高,在很多情況下對老井重新采取增產(chǎn)措施可使產(chǎn)量超過初始產(chǎn)量,增產(chǎn)措施在某些不具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的井也獲得了成功。目前所有的Barnett氣井在生產(chǎn)幾年后都要進(jìn)行例行的重新處理,多次重新完井的情況也很普遍。從2002年開始,Devon能源公司開始鉆探實(shí)驗(yàn)水平井。這些井都獲得了極大成功,這促使人們改變了鉆井方式,即水平井技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使Barnett頁巖氣產(chǎn)量出現(xiàn)了穩(wěn)步增長的大好局面(見圖4)。同時(shí)他們開始實(shí)驗(yàn)一種新的稱為“simo-frac”的鉆井模式,即鉆探2口水平井,間隔152~305m,并且同時(shí)壓裂兩口井。Barnett頁巖氣生產(chǎn)歷史給我們的啟示是:頁巖氣作為一種非常規(guī)氣藏是客觀存在的,其能否合理地開發(fā)利用,很大程度上取決于技術(shù)的進(jìn)步:一方面評價(jià)技術(shù)的發(fā)展使人們更加了解Barnett頁巖的儲集特征,從而對于頁巖氣的地質(zhì)儲量的評估更客觀,另一方面鉆井技術(shù)的進(jìn)步在開采Barnett頁巖氣的歷史中起到了關(guān)鍵作用。針對頁巖的儲層特征采取壓裂和鉆井方式在該區(qū)獲得良好的效果。3頁巖氣藏成藏帶以吸附、游離和溶解狀態(tài)賦存于泥頁巖中的天然氣與常規(guī)天然氣相比,其氣藏的特點(diǎn)是頁巖既是源巖,又是儲層和封蓋層。美國頁巖氣勘探的巨大成功,大大地拓寬了天然氣勘探的空間。勘探目標(biāo)的選擇不僅僅局限在常規(guī)的砂巖和碳酸鹽地層,在泥頁巖地層中也展現(xiàn)了廣闊的勘探前景。頁巖氣有機(jī)成因來源種類多,即有生物氣、未熟—低熟氣、熱解氣,又有原油、瀝青裂解氣。頁巖演化和各個(gè)階段均有可能形成具備商業(yè)價(jià)值的頁巖氣藏,但高演化階段頁巖氣藏的規(guī)模更大。目前發(fā)現(xiàn)的具有商業(yè)價(jià)值的頁巖氣藏有機(jī)質(zhì)類型以I—II型為主,頁巖中有機(jī)質(zhì)豐度與頁巖氣產(chǎn)能之間有著良好的線性關(guān)系。但是頁巖孔隙中的含水量和礦物組成的變化會影響這種線性關(guān)系。頁