頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)

頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)董丙響;程遠方瀏鈺川;易新斌;楊柳;吳玲妍;王蓓【摘要】在查閱國內(nèi)外文獻的基礎上，介紹了頁巖氣儲層評價標準，概括了頁巖礦物組成研究方法及測井響應特征，詳細分析了頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)，給出了頁巖孔隙度計算公式，提出了頁巖氣賦存流動新模型及運動機理，并給出了頁巖脆性計算方法，將頁巖劃分為脆性頁巖和塑性頁巖，為水力壓裂設計提供依據(jù).％Onthebasisofstudyingtheliteraturesathomeandabroad,theconceptandtheevaluationcriterionofshalegasreservoirsareintroducedaccordingtoresearchmethodsofconventionalreservoirs,andthepetrophysicalpropertiesofshalegasreservoirsarestudieddeeply.Theformulastocalculatetheporosityofshalegasreservoirsandanewshalegasstorageandmovementmodelarepresented.Themethodforcalculatingthebrittlenessofshalegasreservoirsisalsopresented,andtheshalegasreservoirsaredividedintobrittleshaleandductileshale,whichcanprovidethefoundationforthehydraulicfracturingdesignofshalegasreservoirs.【期刊名稱】《西安石油大學學報（自然科學版）》【年(卷)，期】2013(028)001【總頁數(shù)】5頁(P25-28,36)【關鍵詞】頁巖氣儲層;巖石物理性質(zhì);孔隙度;脆性;水力壓裂【作者】董丙響;程遠方瀏鈺川;易新斌;楊柳;吳玲妍;王蓓【作者單位】中國石油大學（華東）石油工程學院,山東青島266580;中國石油大學（華東）石油工程學院,山東青島266580;中國石油大學（華東）石油工程學院,山東青島266580;中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007;中國石油大學（華東）石油工程學院,山東青島266580;中國石油大學（華東）石油工程學院,山東青島266580;長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018【正文語種】中文【中圖分類】TE348自1821年美國第一口頁巖氣井商業(yè)開采以來，頁巖氣開發(fā)已有190a的歷史[1].特別是近些年來由于水平井鉆井技術及水平井多級壓裂技術的突破，頁巖氣開發(fā)在北美地區(qū)取得了巨大成功.美國能源署（EIA）[2-3]數(shù)據(jù)顯示，2011年美國頁巖氣產(chǎn)量達1800x108m3,占其天然氣總產(chǎn)量的34%，深刻地改變了美國的能源結構.我國頁巖氣資源非常豐富，初步估計可采資源量約為（15-30）x1012m3[4],但對頁巖氣的勘探開發(fā)正處于起步階段.與常規(guī)油氣藏相比，頁巖氣賦存狀態(tài)獨特，國內(nèi)對頁巖氣儲層性質(zhì)研究相對較少，還無法做到對儲層性質(zhì)的精確評估.為加深對頁巖氣儲層性質(zhì)及氣體賦存流動狀態(tài)的認識，筆者在查閱國內(nèi)外文獻的基礎上，從常規(guī)儲層研究思路入手，介紹了頁巖氣儲層評價標準，概括了頁巖礦物組成及研究方法，對頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)進行了詳細分析.1頁巖氣儲層評價1.1頁巖氣藏基本概念非常規(guī)油氣藏與常規(guī)油氣藏類似，具有非常復雜的地質(zhì)特征、巖石物理性質(zhì)和很強的非均質(zhì)性.所不同的是，非常規(guī)油氣儲層巖石顆粒和層理結構精細，氣體儲集流動特征獨特:孔隙吼道尺寸分布在納米級，有機質(zhì)和黏土成分為氣體吸附提供條件，且其各向異性影響力學特征和流動性質(zhì).致密氣藏孔隙尺寸一般為微米級甚至更大，而頁巖氣藏孔隙為納米到微米范圍，二者在基質(zhì)的孔隙中都有游離氣存在，不同的是頁巖氣具有吸附特征，且與吸附表面的有機成分和黏土含量有關.Bustin[5]認為:吸附氣與游離氣之比反應了有機質(zhì)含量、孔隙分布、礦物組成、成巖作用、巖石結構以及儲藏壓力與溫度的關系.因此，非常規(guī)油氣藏指含有吸附氣成分的油氣藏，包括頁巖氣、煤層氣和天然氣水合物，而把致密砂巖氣藏劃為常規(guī)油氣藏.頁巖氣藏作為非常規(guī)油氣藏的典型代表，具有非常規(guī)天然氣藏的基本特征.1.2頁巖氣儲層評價標準頁巖氣藏開采首先要對其進行評價，充分考慮其儲層性質(zhì)和開采能力.儲層性質(zhì)主要通過儲層參數(shù)來描述，通過對相關參數(shù)的分析評價儲層的生產(chǎn)能力，制定相應的增產(chǎn)措施和開采方案.目前國內(nèi)外對頁巖氣藏進行評價尚無統(tǒng)一標準，主要通過巖心實驗、測井數(shù)據(jù)和壓力測試（微壓裂測試）等方法來獲得頁巖儲層物性參數(shù)，借鑒煤層氣和常規(guī)油氣藏的評價方法來對頁巖氣藏進行評價[6-7].筆者結合美國頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗和世界各大石油天然氣公司對頁巖氣商業(yè)性開采的評價，列舉頁巖氣儲層主要評價標準，其中包括儲層物性及巖石物理性質(zhì)參數(shù)（表1）.表1頁巖氣儲層評價參數(shù)Tab.1Evaluationparametersofshalegasreservoir?2頁巖礦物組成2.1礦物組成及測定方法頁巖礦物組成非常復雜[8],主要分為石英類、碳酸鹽巖類和黏土類3種，除了常見的伊利石、蒙皂石、高嶺石等黏土類礦物，還混雜有石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石、云母等.由于頁巖礦物成分復雜，且富含有機質(zhì)，對頁巖礦物組成的測定非常困難.礦物組成的測定方法主要有以下幾種[9]:X—射線衍射、紅外光譜分析（FTIR）、通過X射線熒光分析或元素捕獲設備獲得基本礦物元素豐度來進行礦物重構.實驗室常用色譜儀或生油巖評價分析儀來測定有機質(zhì)含量，而在現(xiàn)場則根據(jù)測井數(shù)據(jù)進行分析.X射線衍射可用于確定主要礦物，但是在黏土含量高時測定的石英含量偏低，因此，需要將黏土成分分離出來;紅外光譜分析能夠彌補X射線衍射方法的不足，它不需要將黏土分離出來，但需要將有機成分分開單獨進行分析.頁巖礦物組成和有機質(zhì)分布決定著巖石物理性質(zhì)以及天然氣賦存和流動性質(zhì).礦物組成影響巖石斷裂能力和脆性指數(shù);有機含量和熱成熟度則對游離氣和吸附氣含量的分析非常重要.2.2礦物組成對巖石物理性質(zhì)的影響頁巖礦物組成主要分石英、碳酸鹽巖和黏土3類，其相對含量對頁巖巖石物理性質(zhì)（如頁巖脆性、酸敏性以及流體敏感性等）影響很大，是進行水力壓裂設計的基本資料.根據(jù)巖心礦物分析可以確定其脆性指數(shù)（Brit），計算方法如下：脆性指數(shù)=石英含量/（石英含量+碳酸鹽巖含量+黏土含量）x100%.由上式可知，頁巖脆性隨石英含量增加而增大，隨黏土比例上升而減小.因此，石英含量高的地層是頁巖氣開發(fā)的有利選區(qū).2.3頁巖氣儲層測井響應特征頁巖氣儲層識別所利用的常規(guī)測井方法有:自然伽馬測井、聲波時差測井、體密度測井、中子密度測井、巖性密度測井、電阻率測井、井徑測井等[10].根據(jù)測井資料可以定量分析頁巖儲層的巖性，確定孔隙度、滲透率及飽和度等基本物性參數(shù).分析頁巖礦物組成及儲層性質(zhì)可得到各種測井方法的頁巖氣藏測井響應特征（表2）.表2頁巖氣藏測井響應特征Tab.2Loggingresponseattributeofshalegasreservoir?3頁巖氣儲層巖石物理性質(zhì)3.1頁巖氣藏孔隙度通過巖性密度測井方法能夠獲取孔隙度，但是由于頁巖氣儲層極為復雜，有機質(zhì)密度低，頁巖密度變化大，流體分布不均，通過密度測井很難準確求取頁巖氣藏孔隙度.C.H.Sondergeld［11］等提出根據(jù)頁巖礦物組成來求孔隙度的方法，計算公式如下：將式(2)和式(3)代入式(1)可得頁巖總孔隙度計算公式：式中qTOC為總有機質(zhì)體積分數(shù);wTOC為有機碳質(zhì)量分數(shù);饑為巖石總孔隙度;pb為地層條件下巖石密度，g/cm3;pg為氣體密度，g/cm3;SwT為含水飽和度;pw為地層水密度，g/cm3;pm為巖石骨架密度，g/cm3;pTOC為有機質(zhì)密度，g/cm3;pfl為流體(水和氣體)的密度，g/cm3.頁巖氣儲層有效孔隙度可根據(jù)以下公式得到［12］:式中STClay為黏土束縛水孔隙度沖cl為黏土體積分數(shù);pDryClay為干黏土密度，g/cm3;pWetClay為濕黏土密度，g/cm3.pDryClay和pWetClay可由X—射線衍射、紅外光譜分析以及經(jīng)典的中子密度交會圖得到.3.2頁巖氣儲層流體儲存流動特征頁巖氣儲層基質(zhì)的滲透率極低，一般小于10—7pm2，頁巖氣的賦存和流動受孔隙和裂縫尺寸及連通狀態(tài)的控制.頁巖氣的儲存形式主要有3種:連通微孔隙裂縫中的游離氣、有機質(zhì)和泥巖黏土表面的吸附氣以及固體有機質(zhì)中的溶解氣［13］.頁巖氣儲層非常復雜，孔隙裂縫分布在10—6~10—10m.氣體流動狀態(tài)主要分為2種:在較大的連通孔隙中流動為連續(xù)流，符合達西定律;在納米級孔隙中為非連續(xù)流動且有滑脫效應，受表面擴散作用的影響.有學者［14］將頁巖氣儲層空隙結構劃分為4級，并將流動狀態(tài)分為5種類型，提出了頁巖氣賦存流動模型及運動機理（圖1）.圖1頁巖氣賦存和流動模型Fig.1Modelforshalegasstorageandflow在低壓條件下，氣體滑移現(xiàn)象和擴散作用非常明顯.室內(nèi)實驗［15］表明:標準狀態(tài)條件下，當巖樣孔隙直徑為1pm時，流體主要是瞬變不穩(wěn)定狀態(tài);當采用分子直徑更小的氣體（如氦氣）時不穩(wěn)定流動更容易發(fā)生.且試驗使用的氣體密度或濃度越小，氣體滲透率的變化越大，受滑移流動和擴散作用影響更明顯.吸附作用對儲層滲透率影響很大，儲層條件下若不考慮干酪根和黏土表面吸附的影響，滲透率將會被嚴重低估［16］.干酪根對氣體吸附得到了廣泛的認可，但黏土吸附氣體的研究卻不是很多，國外學者基于等溫吸附理論，提出了有效吸附孔隙度的概念，考慮了吸附作用對滲透率的影響.通過實驗研究表明，壓力越低有效吸附孔隙度越大，同時若不考慮吸附作用影響也就越低估了滲透率，相對誤差可達60%.因此可以看出，若采用不完整的流動模型或不考慮擴散或吸附的影響，則會產(chǎn)生很大誤差.3.3頁巖氣儲層巖石力學性質(zhì)掌握頁巖氣儲層的巖石力學性質(zhì)是對儲層進行壓裂設計的基礎，楊氏模量（Eb）和泊松比（PRb）是2個基本的巖石力學參數(shù).通過巖心礦物分析可以對巖石力學性質(zhì)進行定性描述，而根據(jù)測井資料獲得巖石力學參數(shù)來分析巖石的力學性質(zhì)更為普遍.國外卜學者［17］給出了利用多種常規(guī)測井資料計算綜合彈性模量Ec和泊松比PRc的方法，該方法可以在缺少偶極子聲波測井資料的情況下使用.通過楊氏模量和泊松比可以定量地表征頁巖的脆性［18］,其計算公式如下：式中:Ec為綜合測定的楊氏模量，MPa;PRc為綜合測定的泊松比.根據(jù)楊氏模量和泊松比可以將頁巖劃分為脆性頁巖和塑性頁巖（如圖2）［19］.脆性頁巖有利于天然裂縫發(fā)育和水力壓裂形成裂縫網(wǎng)絡，脆性越強裂縫系統(tǒng)越復雜.塑性頁巖不是氣體良好的儲層，其中含有的天然裂縫或水力裂縫容易閉合，但密封性很好，能將氣體封閉在脆性巖層中，可以作為良好的蓋層.圖2楊氏模量與泊松比交會圖Fig.2CrossplotofPossion1sratioandYong1smodulus4結論與認識頁巖礦物組成非常復雜，主要分為石英類、碳酸鹽巖類和黏土類3類礦物.石英含量越高巖石脆性指數(shù)越大，對儲層進行壓裂改造時越易形成復雜的裂縫網(wǎng)絡，有利于開采頁巖氣.頁巖氣藏孔隙類型分布廣泛，儲層中氣體賦存流動機理非常復雜.頁巖氣主要以吸附氣、游離氣和溶解氣存在，從納米級孔隙到天然微裂縫和人工裂縫系統(tǒng)，氣體首先由基質(zhì)表面解析擴散到孔隙及微裂縫中，又以達西滲流的方式在大尺寸裂縫和水力裂縫中流向井筒.參考文獻：[1]CurtisBJ.Fracturedshale-gassystems[J].AAPGBulletin,2002,86(11):1921-1938.[2]EIA.Annualenergyoutlook2009-withprojectionsto2030,DOE/EIA-0383[R].2009:221.[3]趙靖舟，方朝強，張潔，等.由北美頁巖氣勘探開發(fā)看我國頁巖氣選區(qū)評價[J].西安石油大學學報:自然科學版，2011,26(2):1-7.ZHAOJing-zhou,FANGChao-qiang,ZHANGJie,etal.EvaluationofChinashalegasfromtheexplorationanddevelopmentofNorthAmericashalegas[J].JournalofXi1anShiyouUniversity:NaturalScienceEdition,2011,26(2):1-7.[4]胡文瑞，翟光明，李景明.中國非常規(guī)油氣的潛力和發(fā)展[J].中國工程科學，2010,1(5):25-29.HUWen-rui,ZHAIGuang-ming,LIJing-ming.PotentialanddevelopmentofunconventionalhydrocarbonresourcesinChina[J].EngineeringScience,2010,1(5):25-29.[5]BustinMR,BustinA,RossD,etal.Shalegasopportunitiesandchallenges[C]//SanAntonio.SearchandDiscoveryArticles#40382(2009).AdaptedfromoralpresentationatAAPGAnnualConvention.Texas:2008:20-23.[6]BustinAMM,BustinRM,CuiX.ImportanceofFabriconProductionofGasShale[C].SPE114167,2008.[7]李延鈞，劉歡，劉家霞，等.頁巖氣地質(zhì)選區(qū)及資源潛力評價方法[J].西南石油大學學報:自然科學版，2011,33(2):28-34.LIYan-jun,LIUHuan,LIUJia-xia,etal.Geologicalregionalslectionandanevaluationmethodofresourcepotentialofshalegas[J].JournalofSouthwestPetroleumInstitute:ScienceTechnologEdition,2011,33(2):28-34.[8]蔣裕強，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價[J].天然氣工業(yè)，2010,30(10):7-12.JIANGYu-qiang,DONGDa-zhong,QILin,etal.Basicfeaturesandevaluationofshalegasreservoirs[J].NaturalGasIndustry,2010,30(10):7-12.[9]BallardBD.QuantitativeMineralogyofReservoirRocksUsingFourierTransformInfraredSpectroscopy[C].SPE113023,2007.[10]FertlWH,ChilingarGV.TotalOrganicCarbonContentDeterminedFromWelllogs[C].SPE15812,1988.[11]SondergeldCH,NewshamKE,RiceMC,etal.PetrophysicalConsiderationsinEvaluatingandProducingShaleGasResources[C].SPE131768,2010.[12]JuhaszI.Normalizedqv-thekeytoshalysandevaluationusingthewaxman-smitsequationintheabsenceofcoredata[C].PaperZpresentedattheSPWLATwentySecondAnnualLoggingSymposium,2326June,1981.[13]薛會，張金川，劉麗芳，等.天然氣機理類型及其分布[J].地球科學與環(huán)境學報，2006,28(2):53-57.XUEHui,ZHANGJin-chuan,LIULi-fang,etal.Distributionandmechanicclassificationofgas[J].JournalofEarthSciencesandEnvironment,2006,28(2):53-57.[14]JavadpourF.Nanoporesandapparentpermeabilityofgasflowinmudrocks(shalesandsiltstone)[J].JournalofCanadianPetroleumTechnology,2009,48(8):16-21.[1