页岩气的形成与开发.doc
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1、新 能 源 天 然 气 工 业 2009 年 1 月 页岩气的形成与开发 张林晔 李 政 朱日房 中国石化胜利油田有限公司地质科学 研究院 张林晔等 . 页岩气的形成与开发 . 天然气工业 , 2009, 29( 1) : 124 128. 摘 要 以自给系统为特征的页岩气藏的勘探开发在北美获得了巨大成功 , 拓宽 了天然气勘 探的空间 。 页 岩 气形 成的成熟度较宽 , 在页岩演化的各个阶段均发 现了页 岩气藏 , 处于 高演化 阶段的 页岩成 藏的规 模更大 。 页 岩 中有机碳含量 、 有机质类型 、 矿物组成 、 孔隙含 水量 、 可诱导 的裂缝 发育程度 等均与 页岩气 的产能 密
2、切 相关 。 Bar nett 页 岩气的生产历史表明 , 页岩气地质储量 评价方 法的进步 、 针 对页岩 储层的 有效压 裂方式和 水平井 钻井技 术 的应用在页岩气的有效开发中起着关键作用 。 关键词 页岩气 有机质 矿物组成 裂缝 压裂技术 水平井钻井 DOI: 10. 3787/ j. issn. 1000 0976. 2009. 01. 036 0 引言 页岩气是指以吸附、游离或溶解状态赋存于泥 1 1. 1 页岩 气形成的基本地质条件 页岩气的热成熟度 据 Curt is 对 美国 五大 页岩气 系统 的分 析发 页岩中的天然气 , 它与常规天然气藏最显著的区别 是 : 它是一个
3、自给的系统。页岩既是气源岩 , 又是储 层和封盖层 。 1976 年美国能源部启动了东部页岩 气项目 , 对页岩气地质、地球化学和石油工程开始进 行系统研究 , 分别发现了 M ichigan 盆地泥盆系 A nt r im 页岩、 A ppalachian 盆地泥盆 系 O hio 页岩、 Illi nois 盆地的 泥盆系 N ew A lbany 页 岩、 F or t Wort h 盆地密西西比系 Barnet t 页岩和 San Juan 盆地白垩 系 L ew is 页岩等五大页岩气系统 , 地质资源量达 14 10 22 10 m , 技术可采储量 0. 88 10 2. 15
4、10 m 。截止到 2002 年 , 在美国按照年产 量排名的最大 12 个气田中 , 有 4 个气田的产层为页 岩。 F ort Wort h 盆地以密西西比系 Barnet t 页岩为 储层的 N ew ark East 页岩气田的年产量在 2005 年 接近 141. 6 10 m , 已成为美国第二大气田 。美 国页岩气勘探的巨大成功 , 极大地鼓舞了在世界范 围内类似的页 岩层序中 寻找天然 气资源 的勘探热 情。页岩气作为一 种非常规含气系统在国内也逐步 受到关注 。 现 , 页岩气形成的成熟度范围较宽 , 既有生物气、未 熟 低熟气、热解气 , 又有原油、沥青裂解气。 但美国最大
5、的页 岩气田 N ew wark East 气田 , Barnet t 页岩演化程度较高。 Jarvie 等系统地分析了 Barnet t 页 岩 的成 熟 度 , 认 为 它 已进 入 生 气 窗 。 Barnet t 页岩含有 大量 天然气 , 其原 因在 于生 烃量 大、热成熟度高以及所保留的部分液态烃裂解生成 了天 然气。在 Bar net t 页岩成熟度较低的地区 , 气井 的产量也较低 , 而许多高成熟度的 Bar net t 页岩气井 的产量也较高。 Jarvie 认为这是石油和干酪根同时 裂解生气的结果。 R onald J H ill 等利用化学生烃动 力学模型计算了 Bar
6、net t 页岩中液态烃开始裂解的 成熟度 ( Ro ) 大于 1. 1% 。 总的来看 , 页岩层在各个演化阶段都有气体的 保存 , 但演化程度高 , 更具有开采价值。 1. 2 有机组分与页岩产气潜力的关系 通过镜下对页岩中有机显微组分的观察发 现 , 页岩中的有机质富氢显微组分丰富。 F ort W ort h 盆 地 Barnett 页岩 中无 定型 有机质 占 95% 100% , A ppalachian 盆地 O hio 页岩中保存了丰富的藻类物 * 本文受到国家自然科学基金 ( 项目编号 : 40673041) 的资助。 作者简介 : 张林晔 , 女 , 1955 年生 , 教
7、授级高级工程师 ; 从 事油气地球化学研究工作。地址 : ( 257015) 山东省 东营市胜利 油 田地质 科学研究院。电话 : ( 0546) 8715487。 E mail: zhang liny e2006 163. co m ! 124 ! * 2 1 12 12 3 12 12 3 2 8 3 3 4 7 8 第 29 卷第 1 期 天 然 气 工 业 新 能 源 质 , 从而使有机质大量富集。加拿大西部盆地侏罗 系 Go rdo ndale 页岩中 占优势的是藻类 体和基质沥 青质富氢类脂组显微组分 。总体来看 , 页岩的有 机显微组分以腐泥型 混合型为主。 多数盆地研究发现页岩
8、中有机碳的含量 ( T O C) 与页岩产气率之间有良好的线性关系 , 并把 T OC 作为评价页岩气的重要参数 , 原因有两方面 : 其一由 于页岩气运移距离短 , 含气面积常常与页岩的分布 面积相当 ; T OC 高 , 生气潜力 大 , 由于运 移不出去 , 其单位面积页岩的含气率也高。其二 由于有机质含 有大量微孔隙 , 它对气体有较强的吸附能 , 同时烃类 气体在无定形和无结构基质沥青质体中的溶解作用 也对增加气体的吸 附能力作出了贡 献。 R oss 等在 对加拿大大不列颠东北部侏罗系 G ordo ndale M em ber 页岩研究过程发现 , 有机碳与甲烷吸附能力具有 一定
9、关系 ( 图 1) , 但是相关系数较低 ( R2 = 0. 39) , 见 图 2。他认为在这个地区影响有机碳与吸附气量关 系的还有其他因素 。 图 1 Go rdondale 组页岩在不同压力下甲烷吸附等温线与 有 机碳含量的关系图 ( 据 Daniel J K Ro ss, 2007 年 ) 图 2 在 6 M Pa 压力下甲烷吸附量与有机碳含量的关系图 ( 据 Daniel J K R oss, 2007 年 ) 1. 3 无机组分与页岩产气率的关系 Ross 等研究发现孔隙度中的含水 量对页岩吸 附烃类气体的能力有重要影响 。由于水占据了孔 隙空间 , 减少了烃类气体的吸附位置 ,
10、尽管在含水量 和气体吸附能力之间没有一个确定的关系 , 但是相 对于具有较低含水量的样品 , 含水量高 的页岩气体 吸附能力低 ( 见图 3) 。 图 3 吸附气量 、 有机碳与含水量三维关系图 ( 据 D aniel J K Ro ss, 2007 年 ) 页岩中的无机矿物成分主要是黏土、石英、方解 石 , 其相对组成的变化影响了页岩的岩石力学性质、 孔隙结构和对气体的吸附能力。黏土矿物与石英和 方解石相比 , 由于前者有较多的微孔隙和较大的表 面积 , 因此对气量有较强的吸附能力 , 但是当水饱和 的情况下 , 对气体的吸附能力要大大降低。石英含 量的增 加 将提 高 岩石 的 脆 性。
11、Bow ker 认为 F ort Wort h 盆地的 Bar net t 页岩之所以能产出大量的天 然气 , 其原因在于它的脆性及其对增产措施的良好 响应 , 这种脆性与矿物成分有关 , Barnett 页岩的 石英含量 可达 45% 。石 英和碳酸盐矿 物含量的增 加 , 将降低页岩的孔隙 , 使游离气的储集空间减少 , 特别是方解石在埋藏过程的胶结作用 , 将进一步减 少孔隙 , 因此对页 岩气储层的评 价 , 必须 在黏土矿 物、含水、石英、碳酸盐含量之间 寻找一种平衡。由 于页岩相对孔隙度和渗透率较低 , 有利目标的选择 必须考虑储层的潜量 ( 游离气 + 吸附气 ) 与易压裂性 的
12、匹配关系 , 因此 , 必须对页岩的无机矿物组成和成 岩作用开展更宽范围和更深入的研究工作。 1. 4 天然和诱导裂缝与页岩气产能的关系 Curt is 对美国五大页岩气系统研究发现 , 页岩 的渗透率很低 ( 见表 1) , 只有存在天然裂缝网络才能 增加页岩极低的基质渗透率 。 M ichigan 盆地北部 A nt rim 页岩气生产与北西向和北东向 发育的两组 断裂有关 , Illinois 盆地的 N ew A lbant y 页岩气为裂 缝和基质孔隙中的游离气以及干酪根 和黏土颗粒表 面的吸附气。 H assenmuel ler 等认为商业性页岩气 产出与断裂和褶皱引起的破裂作用以
13、及碳酸盐构造 ! 125 ! 10 11 12 12 新 能 源 天 然 气 工 业 2009 年 1 月 参 数 表 1 5 套页 岩气系统的地质 、 地球化学和储层参数表 ( 据 Curtis, A ntrim O hio New A lbany 2002 年 ) Bar nett L ew is 深度 ( m) 总厚度 ( m) 有效厚度 ( m) 井底温度 ( ) 总有机碳含量 ( % ) 镜质体反射率 ( % ) 总孔隙度 ( % ) 充气孔隙度 ( % ) 充水孔 隙度 ( % ) 储能系数 ( 10- 3 m2 ! m) 含气量 ( 标准 m / t) 吸附气含量 ( % ) 储
14、层压力 ( psi) 压力梯度 ( psi/ m) 钻井成本 ( 1 000 美元 ) 完井费用 ( 1 000 美元 ) 水产量 ( m / d)3 气产量 ( 10 m / d) 井距 ( km )2 采收率 ( % ) 9 3 2 183 730 49 21 37 23. 9 0. 3 24 0. 4 0. 6 9 4 4 0. 30 1 524 1. 13 2. 83 70 400 1. 15 180 250 25 50 0. 79 79. 49 1. 13 14. 16 0. 16 0. 24 20 60 610 1 524 91 305 9 31 37. 8 0 4. 7 0. 4
15、 1. 3 4. 7 2 2. 5 3. 0 0. 05 15. 24 1. 69 2. 83 50 500 2 000 0. 49 1. 31 200 300 25 50 0 0. 85 14. 16 0. 16 0. 64 10 20 183 1 494 31 122 15 30 26. 7 40. 6 1 25 0. 4 1. 0 10 14 5 4 8 无 1. 13 2. 26 40 60 300 600 1. 41 125 150 25 0. 79 79. 49 0. 28 1. 42 0. 32 10 20 1 981 2 591 61 91 15 60 93. 3 4. 5 1
16、. 0 1. 3 4 5 2. 5 1. 9 0. 003 0. 61 8. 50 9. 91 20 3 000 4 000 1. 41 1. 44 450 600 100 150 0 100 1 000 0. 32 0. 64 8 15 914 1 829 152 579 61 91 54. 4 76. 7 0. 45 2. 5 1. 6 1. 88 3 53. 5 1 3. 5 1 2 1. 83 121. 92 0. 42 1. 27 60 85 1 000 1 500 0. 66 0. 82 250 300 100 300 0 2. 83 28. 31 0. 32 1. 28 5 15
17、 天然气地质储量 ( 10 6 3 m / km ) 0. 07 0. 16 0. 05 0. 11 0. 08 0. 11 0. 33 0. 44 0. 09 0. 55 储量 (10 m / 井 ) 5. 66 33. 98 密歇根州 4. 25 16. 99 肯塔基州 4. 25 16. 99 印地安纳州 14. 16 42. 48 得克萨斯州 16. 99 56. 63 新墨西哥州 生产区 注 : 1 psi= 6. 895 kPa。 O tseg o 郡 P ike 郡 Har riso n 郡 Wise 郡 San 和 Rio Aeeiba 郡 上的页岩披覆作用 相关 。然而 ,
18、近来 Bow ker 在 花了 2 3 a 的时间认识到开启的裂缝对 Bar net t 页 For t Wort h 盆地的 Bar net t 页岩的研究工 作 , 对天 然和诱导裂缝与页岩气生产之 间的关系有了新的认 识 : 天然开启的裂缝是 Barnett 页岩研究者中最有争 议的问题 , 在开始研究 Barnett 页岩时 , 许多人包括 Boew ker 本人 , 都认为开启的天然裂缝对 Bar net t 页 岩气的生产是关键的 , 事实上 , 假如在 Barnett 页岩 中存在大量开启的裂缝 , 目前在这套储层中被保存 的天然气的规模要小得多。天然裂缝的存在会导致 大量天然气
19、排出并运移至上覆岩层 , 这将减少 Bar nett 页岩的孔隙压力和天然气 的储量 , 如果存在大 量开启的天然裂缝 , Barnet t 页岩就不会有超压 。 最初进入 Bar net t 页岩勘探的许多经营公司 ( 包 括 Mit chell 公司和雪佛龙公司 ) 勘探开发的策略都 是测试断层附近的 Bar net t 页岩 , 他们认为在断层附 近 , 天然裂缝的密度高 , 地层的渗透性也高 , 的确如 此 , 但是这些裂缝统统被胶结物 ( 通常是方解石 ) 封 堵。在 Barnet t 页岩气的勘探中 , 地质学家和工程师 ! 126 ! 岩气的产能是无关紧要的 , 之所以无关紧要
20、, 是因为 不存在开启的天然裂缝 , 这并不是说 Barnett 页岩中 天然裂缝不发育 , 它们的数量还是比较多的 , 只是因 胶结而被封堵。 Bow ker 认为 , 因胶结而封闭的裂缝 是力学上的薄弱环节 , 它增加了压裂处理的有效性。 因此他认为 , 扩散作用和岩石破裂能力的共同作用 是 Barnet t 页 岩 成 藏 带成 功 储 集 天 然气 的 关 键。 Barnet t 页岩不是裂缝性页岩层带 , 而是一个能够压 裂的页岩层带 。 2 Bar net t 页岩气生产史的启示 图 4 展示了 N ew ork East ( Bar net t 页 岩气 ) 气田 生产历史。该气
21、田是美国第二大气田 , 受到世界的 广泛关注。从图中可以看出 , 在 1999 年 , 该气田产 量大幅度增长 , 为什么天然气的产量在开采了 17 a 之后又突然大幅度上升 ? 原因有两个 : 其一是人们 发 现实际的天然气地质储量是以 前估计的 4 倍 , 其 3 3 3 14 15 第 29 卷第 1 期 天 然 气 工 业 新 能 源 图 4 N ewo rk East( Barnett 页岩气 ) 气田产量曲线图 ( 数据截 至 2005 年 9 月 ) 的钻井模式 , 即钻探 2 口水平井 , 间隔 152 305 m, 并且同时压裂两口井 。 Barnet t 页岩气生产历史给我
22、们的启示是 : 页岩 气作为一种非常规气藏是客观存在的 , 其能否 合理 地开发利用 , 很大程度上取决于技术的进步 : 一方面 评价技术的发展使人们更加了解 Barnett 页岩的储 集特征 , 从而对于页岩气的地质储量的评估更客观 , 另一方面钻井技术的进步在开采 Barnett 页岩气的 历史中起到了关键作用。针对页岩的储层特征采取 压裂和钻井方式在该区获得良好的效果。 3 结论 ( 数据来自 t he T ex as Railro ad Commission, 2005 年 ) 注 : 不同颜色表示在不同年份完成气井的产量 二是水力压裂技术在这个成藏层带得到了成功应用 ( 压裂液为水、
23、降阻剂、杀菌剂、防垢剂和低含量支撑 剂 ) , 大大降低了生产成本。 在 20 世 纪 80 年 代 以前 , F or t w or th 盆 地的 Barnet t 页岩并不是勘探目的层。相反 , 勘探主要集 中在宾夕法尼 亚系的碎 屑岩和碳 酸盐岩 等常规储 层 , Barnet t 页岩的大量天然气显示和意外的小规模 产量 , 引起了 M it chell 公司的勘探兴趣 , 尤其是雪弗 龙公司在煤层甲烷气评价技术的基础上 , 在该区进 行罐解吸和吸附等温线的研究工作 , 重新评估了该 区的天然气地质储量 , 坚定了 M it chell 能源公司 在页岩层中寻找非常规天然气的信心。开
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