頁巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)

頁巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)董丙響;程遠(yuǎn)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，概括了頁巖礦物組成研究方法及測井響應(yīng)特征，詳細(xì)分析了頁巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)，給出了頁巖孔隙度計(jì)算公式，提出了頁巖氣賦存流動(dòng)新模型及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并給出了頁巖脆性計(jì)算方法，將頁巖劃分為脆性頁巖和塑性頁巖，為水力壓裂設(shè)計(jì)提供依據(jù).％Onthebasisofstudyingtheliteraturesathomeandabroad,theconceptandtheevaluationcriterionofshalegasreservoirsareintroducedaccordingtoresearchmethodsofconventionalreservoirs,andthepetrophysicalpropertiesofshalegasreservoirsarestudieddeeply.Theformulastocalculatetheporosityofshalegasreservoirsandanewshalegasstorageandmovementmodelarepresented.Themethodforcalculatingthebrittlenessofshalegasreservoirsisalsopresented,andtheshalegasreservoirsaredividedintobrittleshaleandductileshale,whichcanprovidethefoundationforthehydraulicfracturingdesignofshalegasreservoirs.【期刊名稱】《西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》【年(卷)，期】2013(028)001【總頁數(shù)】5頁(P25-28,36)【關(guān)鍵詞】頁巖氣儲(chǔ)層;巖石物理性質(zhì);孔隙度;脆性;水力壓裂【作者】董丙響;程遠(yuǎn)方瀏鈺川;易新斌;楊柳;吳玲妍;王蓓【作者單位】中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院,山東青島266580;中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院,山東青島266580;中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)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(xué)（華東）石油工程學(xué)院,山東青島266580;中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)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(shù)及水平井多級壓裂技術(shù)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(dá)1800x108m3,占其天然氣總產(chǎn)量的34%，深刻地改變了美國的能源結(jié)構(gòu).我國頁巖氣資源非常豐富，初步估計(jì)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(dú)特，國內(nèi)對頁巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)研究相對較少，還無法做到對儲(chǔ)層性質(zhì)的精確評估.為加深對頁巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)及氣體賦存流動(dòng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，筆者在查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從常規(guī)儲(chǔ)層研究思路入手，介紹了頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，概括了頁巖礦物組成及研究方法，對頁巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析.1頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)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(fù)雜的地質(zhì)特征、巖石物理性質(zhì)和很強(qiáng)的非均質(zhì)性.所不同的是，非常規(guī)油氣儲(chǔ)層巖石顆粒和層理結(jié)構(gòu)精細(xì)，氣體儲(chǔ)集流動(dòng)特征獨(dú)特:孔隙吼道尺寸分布在納米級，有機(jī)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(xué)特征和流動(dòng)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(jī)成分和黏土含量有關(guān).Bustin[5]認(rèn)為:吸附氣與游離氣之比反應(yīng)了有機(jī)質(zhì)含量、孔隙分布、礦物組成、成巖作用、巖石結(jié)構(gòu)以及儲(chǔ)藏壓力與溫度的關(guān)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(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)頁巖氣藏開采首先要對其進(jìn)行評價(jià)，充分考慮其儲(chǔ)層性質(zhì)和開采能力.儲(chǔ)層性質(zhì)主要通過儲(chǔ)層參數(shù)來描述，通過對相關(guān)參數(shù)的分析評價(jià)儲(chǔ)層的生產(chǎn)能力，制定相應(yīng)的增產(chǎn)措施和開采方案.目前國內(nèi)外對頁巖氣藏進(jìn)行評價(jià)尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要通過巖心實(shí)驗(yàn)、測井?dāng)?shù)據(jù)和壓力測試（微壓裂測試）等方法來獲得頁巖儲(chǔ)層物性參數(shù)，借鑒煤層氣和常規(guī)油氣藏的評價(jià)方法來對頁巖氣藏進(jìn)行評價(jià)[6-7].筆者結(jié)合美國頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)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(jià)，列舉頁巖氣儲(chǔ)層主要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括儲(chǔ)層物性及巖石物理性質(zhì)參數(shù)（表1）.表1頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)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(fù)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(fù)雜，且富含有機(jī)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(shè)備獲得基本礦物元素豐度來進(jìn)行礦物重構(gòu).實(shí)驗(yàn)室常用色譜儀或生油巖評價(jià)分析儀來測定有機(jī)質(zhì)含量，而在現(xiàn)場則根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(bǔ)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(jī)成分分開單獨(dú)進(jìn)行分析.頁巖礦物組成和有機(jī)質(zhì)分布決定著巖石物理性質(zhì)以及天然氣賦存和流動(dòng)性質(zhì).礦物組成影響巖石斷裂能力和脆性指數(shù);有機(jī)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(jìn)行水力壓裂設(shè)計(jì)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(jì)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(chǔ)層測井響應(yīng)特征頁巖氣儲(chǔ)層識(shí)別所利用的常規(guī)測井方法有:自然伽馬測井、聲波時(shí)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(chǔ)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(chǔ)層性質(zhì)可得到各種測井方法的頁巖氣藏測井響應(yīng)特征（表2）.表2頁巖氣藏測井響應(yīng)特征Tab.2Loggingresponseattributeofshalegasreservoir?3頁巖氣儲(chǔ)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(chǔ)層極為復(fù)雜，有機(jī)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(zhǔn)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(jì)算公式如下：將式(2)和式(3)代入式(1)可得頁巖總孔隙度計(jì)算公式：式中qTOC為總有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù);wTOC為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)質(zhì)密度，g/cm3;pfl為流體(水和氣體)的密度，g/cm3.頁巖氣儲(chǔ)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?jǐn)?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(huì)圖得到.3.2頁巖氣儲(chǔ)層流體儲(chǔ)存流動(dòng)特征頁巖氣儲(chǔ)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(dòng)受孔隙和裂縫尺寸及連通狀態(tài)的控制.頁巖氣的儲(chǔ)存形式主要有3種:連通微孔隙裂縫中的游離氣、有機(jī)質(zhì)和泥巖黏土表面的吸附氣以及固體有機(jī)質(zhì)中的溶解氣［13］.頁巖氣儲(chǔ)層非常復(fù)雜，孔隙裂縫分布在10—6~10—10m.氣體流動(dòng)狀態(tài)主要分為2種:在較大的連通孔隙中流動(dòng)為連續(xù)流，符合達(dá)西定律;在納米級孔隙中為非連續(xù)流動(dòng)且有滑脫效應(yīng)，受表面擴(kuò)散作用的影響.有學(xué)者［14］將頁巖氣儲(chǔ)層空隙結(jié)構(gòu)劃分為4級，并將流動(dòng)狀態(tài)分為5種類型，提出了頁巖氣賦存流動(dòng)模型及運(yùn)動(dòng)機(jī)理（圖1）.圖1頁巖氣賦存和流動(dòng)模型Fig.1Modelforshalegasstorageandflow在低壓條件下，氣體滑移現(xiàn)象和擴(kuò)散作用非常明顯.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)［15］表明:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下，當(dāng)巖樣孔隙直徑為1pm時(shí)，流體主要是瞬變不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)采用分子直徑更小的氣體（如氦氣）時(shí)不穩(wěn)定流動(dòng)更容易發(fā)生.且試驗(yàn)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(dòng)和擴(kuò)散作用影響更明顯.吸附作用對儲(chǔ)層滲透率影響很大，儲(chǔ)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(huì)被嚴(yán)重低估［16］.干酪根對氣體吸附得到了廣泛的認(rèn)可，但黏土吸附氣體的研究卻不是很多，國外學(xué)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(shí)驗(yàn)研究表明，壓力越低有效吸附孔隙度越大，同時(shí)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(dá)60%.因此可以看出，若采用不完整的流動(dòng)模型或不考慮擴(kuò)散或吸附的影響，則會(huì)產(chǎn)生很大誤差.3.3頁巖氣儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)掌握頁巖氣儲(chǔ)層的巖石力學(xué)性質(zhì)是對儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，楊氏模量（Eb）和泊松比（PRb）是2個(gè)基本的巖石力學(xué)參數(shù).通過巖心礦物分析可以對巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定性描述，而根據(jù)測井資料獲得巖石力學(xué)參數(shù)來分析巖石的力學(xué)性質(zhì)更為普遍.國外卜學(xué)者［17］給出了利用多種常規(guī)測井資料計(jì)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(jì)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(luò)，脆性越強(qiáng)裂縫系統(tǒng)越復(fù)雜.塑性頁巖不是氣體良好的儲(chǔ)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(huì)圖Fig.2CrossplotofPossion1sratioandYong1smodulus4結(jié)論與認(rèn)識(shí)頁巖礦物組成非常復(fù)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(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造時(shí)越易形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，有利于開采頁巖氣.頁巖氣藏孔隙類型分布廣泛，儲(chǔ)層中氣體賦存流動(dòng)機(jī)理非常復(fù)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(kuò)散到孔隙及微裂縫中，又以達(dá)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(xiàn)：[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(qiáng)，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(jià)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(xué)，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(jià)方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(qiáng)，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評價(jià)[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(huì)，張金川，劉麗芳，等.天然氣機(jī)理類型及其分布[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，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