頁巖氣及其勘探開發(fā)

1、報(bào)告人：報(bào)告人：XXXXXX20152015、6 6、1818主要內(nèi)容主要內(nèi)容頁巖氣的概述頁巖氣的成藏機(jī)理頁巖氣的勘探和開發(fā)1.頁巖氣的定義天然氣包括常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣。常規(guī)天然氣是指采自氣田的天然氣和油田伴生氣；非常規(guī)天然氣是相對(duì)“常規(guī)”而言的，特指成因來源、地質(zhì)過程、賦存特征、化學(xué)特點(diǎn)、分布規(guī)律、開發(fā)方式以及地域分布等方面與常規(guī)天然不同的天然氣。非常規(guī)天然氣主要包括深盆氣( deep gas ) 、致密砂巖氣(tight gas）、煤層氣( coalbed methane ) 、天然氣水合物(Arctic and subsea hydrates) 以及頁巖氣( shale gas )

2、 。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中、以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。（張金川等，2003）為什么要進(jìn)行頁巖氣的勘探開發(fā)？為什么要進(jìn)行頁巖氣的勘探開發(fā)？ 1.資源利用大背景：隨著石油儲(chǔ)量的減少和環(huán)保問題的嚴(yán)重，近年來，世界天然氣的產(chǎn)量和消費(fèi)量都逐年增加，據(jù)專家估計(jì)，數(shù)年后人類對(duì)天然氣的消費(fèi)將超過石油。 2.頁巖氣豐富的可采儲(chǔ)量：天然氣包括常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣，其中后者是前者資源量的1.65倍，而非常規(guī)天然氣中以頁巖氣所占比例最大為49%。 3. .開采技術(shù)的支持：美國和加拿大是目前世界上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的國家。尤其是美國，由于技術(shù)的進(jìn)步，其頁巖氣勘探開發(fā)取得了巨

3、大成功，頁巖氣年產(chǎn)量穩(wěn)步上升，為其他國家涉足頁巖氣樹立了榜樣。2.頁巖氣的分布據(jù)2005年RHS的統(tǒng)計(jì)，全球頁巖氣資源量為456萬億立方米，主要分布在北美（最多）、亞洲、歐洲和非洲等地。圖2-6 頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量全球分布圖（2011年路透社引用）中國主要盆地頁巖氣分布圖(已修改)3.頁巖氣及頁巖氣藏的特點(diǎn)一、頁巖氣特點(diǎn)1.巖性：富含有機(jī)質(zhì)的暗色和黑色頁巖、高碳泥頁巖及其間夾層狀的粉砂質(zhì)泥巖等。2.礦物成分：30-50% 粘土礦物+15-25% 粉砂質(zhì)+2-25% 有機(jī)質(zhì)。3.氣源：干酪根、瀝青裂解、油裂解、生物成因。4.既是氣源巖也是儲(chǔ)氣層。5.總有機(jī)碳總量一般2%，鏡質(zhì)體反射率Ro介于0.4-

4、2%。6、孔隙度一般10%，含氣有效孔隙度1-5%。7.具廣泛的飽含氣性，賦存狀態(tài)多變，以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，溶解態(tài)少量存在。8.頁巖氣勘探具隱蔽性特點(diǎn)。1.成藏時(shí)間早（頁巖集“生、儲(chǔ)、蓋”三位一體）2.自身自儲(chǔ)3.無明顯圈閉，不受構(gòu)造因素控制。4.儲(chǔ)層超致密（原始孔隙35%變?yōu)?0%）5.氣體賦存狀態(tài)多樣（吸附態(tài)、游離態(tài)及溶解態(tài)）6.頁巖氣藏較易保存（地層沉積特征、連續(xù)氣藏、20-90%為吸附態(tài)）7.與常規(guī)油氣共生共存（凹陷或盆地中心）8.生產(chǎn)周期長9.自然產(chǎn)能極低（90%的頁巖氣井需經(jīng)儲(chǔ)層改造）10.采收率變化大（美國頁巖氣藏證實(shí)：5-60%）二、頁巖氣藏的特點(diǎn)4.頁巖氣形成條件頁巖氣形成

5、條件 1. 較快的沉積速率及封閉性較好的還原環(huán)境 2.廣泛分布且具有有效厚度的泥頁巖 3.足夠的有機(jī)碳含量 4.干酪根的類型和有機(jī)質(zhì)成熟度 5.礦物組成（一般以石英和粘土礦物為主） 6.裂縫的存在生烴條件儲(chǔ)層條件二、頁巖氣的成藏機(jī)理二、頁巖氣的成藏機(jī)理根據(jù)不同的成藏條件，頁巖氣藏生成機(jī)理有：生物成因、熱成因、混合成因；頁巖氣賦存方式表現(xiàn)為：吸附方式、游離方式、溶解方式、綜合方式；成藏機(jī)理表現(xiàn)為典型的吸附機(jī)理、活塞運(yùn)聚機(jī)理及置換運(yùn)聚機(jī)理；在成藏特征上介于煤層氣、深盆氣和常規(guī)天然氣三大類氣藏之間。因此，頁巖氣成藏體現(xiàn)出非常復(fù)雜的多機(jī)理多階段過程，是天然氣成藏機(jī)理序列中的重要組成（據(jù)張金川等，200

6、3）。頁巖氣成藏機(jī)理按成藏機(jī)理主要包括： （一）、（一）、頁巖氣的生成機(jī)理生成機(jī)理 （二）、（二）、頁巖氣的賦存機(jī)理賦存機(jī)理 （三）、（三）、頁巖氣的運(yùn)聚機(jī)理運(yùn)聚機(jī)理 （四）、）、頁巖氣的產(chǎn)出機(jī)理產(chǎn)出機(jī)理 通過對(duì)頁巖氣組分特征、成熟度特征分析，可知道頁巖氣是連續(xù)生成的生物成因氣、熱成因氣或兩者的混合。 頁巖氣生成機(jī)理：生物成因、熱成因、混合成因（一）頁巖氣生成機(jī)理在埋藏階段的早期成巖作用或近代，在低溫條件下經(jīng)厭氧微生物分解作用形成的天然氣。最普遍的標(biāo)志是甲烷的13C值很低（-55）。1）生物成因作用方式：、二氧化碳的還原作用、醋酸鹽的發(fā)酵作用 醋酸鹽發(fā)酵作用：CH3COOHCH4 +CO2 C

7、O2還原作用：CO2+4H2CH4+2H2O （主要方式）2）頁巖氣生物成因作用的條件：a、富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖-物質(zhì)基礎(chǔ)b、缺氧環(huán)境、低硫酸鹽環(huán)境、低溫環(huán)境是-必要外部條件c、足夠的埋藏時(shí)間前提保證1.生物成因 熱成因熱成因：指隨著埋深的增加，溫度、壓力增大，泥頁巖中大量的有機(jī)質(zhì)由產(chǎn)甲烷菌的代謝發(fā)生的化學(xué)降解和熱裂解作用。2.熱成因與生物成因氣相比，熱成因氣生成于較高的溫度和壓力下，因此，在干酪根熱成熟度（鏡煤反射率Ro）增加的方向上，熱成因氣在盆地地層中的體積含量呈增大趨勢(shì)。 混合成因：不同成因類型的天然氣在頁巖中共存，表現(xiàn)為高成熟度和低成熟度同時(shí)共存的頁巖氣藏.3.混合成因 頁巖氣是典型的

8、自生自儲(chǔ)模式，因而無運(yùn)移或極短距離運(yùn)移，就導(dǎo)致了其就近賦存的特點(diǎn)。頁巖氣主體上表現(xiàn)為吸附（干酪根和粘土顆粒表面）或游離（天然裂縫和粒間孔隙）狀態(tài)，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。 頁巖氣賦存機(jī)理 1、吸附機(jī)理 2、游離機(jī)理3、溶解機(jī)理4、綜合機(jī)理（二）頁巖氣賦存機(jī)理 吸附機(jī)理是通過吸附作用實(shí)現(xiàn)的，可分為物理吸附（主要方式）和化學(xué)吸附。 物理吸附作用一般認(rèn)為是由范德華分子力引起的，它具有吸附時(shí)間短、可逆性、普遍性、無選擇性等特點(diǎn)。它能發(fā)生多級(jí)吸附，但總優(yōu)先選擇能量最小一個(gè)能級(jí)范圍內(nèi)的分子吸附，接著進(jìn)行下一能級(jí)的分子吸附（能量最小原理）。 化學(xué)吸附作用是物理吸附作用的繼續(xù)，當(dāng)達(dá)到某一條件是就

9、可以發(fā)生化學(xué)作用（包括化學(xué)鍵的形成和斷裂），它具有吸附時(shí)間長、不可逆性、不連續(xù)性、有選擇性等特點(diǎn)。由于所需的活化能也比較大，所以在常溫下吸附速度比較慢（據(jù)張開，1996）。 1.吸附機(jī)理 頁巖完成對(duì)天然氣的吸附是通過物理和化學(xué)的共同作用完成的，但兩者所處占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的地位隨成藏條件以及頁巖和氣體分子等改變而發(fā)生變化。吸附作用開始很快，越后越慢，由于是表面作用，被吸附到的氣體分子容易從頁巖顆粒表面解吸下來，進(jìn)入溶解相和游離相，在吸附和解吸速度達(dá)到相等時(shí)，吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。1.吸附機(jī)理吸附于巖石表面的天然氣1、頁巖組成 ：礦物質(zhì)含量、粘土礦物、總有機(jī)質(zhì)含量。2、孔隙結(jié)構(gòu)：巖石的孔隙結(jié)構(gòu)3、溫度：氣體

10、吸附是放熱過程，需要控制并降低溫度吸附能力的控制因素吸附能力的控制因素圖圖1 13 3 吸附氣含量與總有機(jī)碳含量的關(guān)系吸附氣含量與總有機(jī)碳含量的關(guān)系4、裂縫、孔隙：裂縫、孔隙會(huì)使孔隙度增高，增大頁巖中顆粒的比表面積。5、壓力：從吸附等吸附等溫線溫線上可以看出，巖石中的吸附氣含量隨壓力的增加而增大?？偧淄楹俊⑽郊淄楹颗c壓力的關(guān)系圖 游離狀態(tài)的頁巖氣存在于頁巖的孔隙或裂隙中，氣體可以自由流動(dòng)，其數(shù)量的多少?zèng)Q定于頁巖內(nèi)自由的空間（當(dāng)氣體分子滿足了吸附后，多余的氣體分子一部分就以游離狀態(tài)進(jìn)入巖石孔隙和裂隙中）。2.游離機(jī)理游離氣量數(shù)學(xué)表示： 式中：V氣體體積；M氣體質(zhì)量；摩爾質(zhì)量；T絕對(duì)溫度；P

11、氣體壓力;Z氣體壓縮系數(shù)V=nRTZ/p 游離氣體的含量的大小取決于孔隙體積、溫度、氣體壓力和氣體壓縮系數(shù)。對(duì)理想氣體狀態(tài)方程為：PV=M/ RT當(dāng)天然氣分子從滿足吸附后很可能進(jìn)入液態(tài)物質(zhì)中發(fā)生溶解作用。頁巖氣一部分以溶解態(tài)存在于干酪根、瀝青和水中。溶解度取決于液體的溫度、礦化度、環(huán)境壓力和氣體成分等。溶解機(jī)理主要有間隙充填和水合作用。間隙充填: 頁巖氣體分子和液態(tài)烴類接觸，由于分子的擴(kuò)散作用進(jìn)入干酪根和瀝青等烴類分子間的空隙中的作用，稱為間隙充填。間隙充填主要受溫度和壓力影響較大。水合作用: 頁巖中氣體分子和水分子相互作用結(jié)合或分解的過程為水合作用。這是一個(gè)可逆過程當(dāng)結(jié)合和分解的速度相等時(shí)它

12、們的達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡。3.溶解機(jī)理 頁巖氣以上述三種機(jī)理賦存并不是相互獨(dú)立的，一成不變的，當(dāng)頁巖生烴量發(fā)生變化或外界條件改變時(shí)，三種賦存機(jī)理的表現(xiàn)形式可以相互轉(zhuǎn)化。4.綜合機(jī)理 頁巖氣的運(yùn)移距離短,在頁巖中生成的天然氣一部分將賦存在頁巖層表現(xiàn)出典型的吸附機(jī)理，當(dāng)生氣量達(dá)到一定規(guī)模的調(diào)整運(yùn)移時(shí)表現(xiàn)出典型的活塞式運(yùn)聚機(jī)理，同時(shí)有一部分天然氣運(yùn)移出頁巖表現(xiàn)出典型的置換式運(yùn)聚機(jī)理。 置換式運(yùn)聚機(jī)理：若天然氣的生存量不斷增加，則彼此連通性較差的裂隙網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成較大的裂縫（運(yùn)移高速通道），浮力作用促使天然氣以置換式向泥頁巖層外運(yùn)移，為常規(guī)圈閉氣的氣藏打開了通道（據(jù)張金川等，2003）。該階段孔隙度比以前

13、明顯增大，游離態(tài)的天然氣占優(yōu)勢(shì)地位，同時(shí)擴(kuò)散作用也有很大的提高，表現(xiàn)為常規(guī)天然氣運(yùn)聚機(jī)理。（三）頁巖氣運(yùn)聚機(jī)理圖14 典型活塞式機(jī)理（據(jù)張金川等，1997）水水 層層 活塞式運(yùn)聚機(jī)理：若地層巖石足夠致密，儲(chǔ)層孔隙半徑足夠狹小，當(dāng)天然氣壓力較大時(shí)，天然氣與孔隙壁之間的束縛水膜厚度也就足夠薄，阻斷了地層水穿越天然氣所在孔隙段的流動(dòng)，運(yùn)移過程中天然氣頂、底界的地層水之間無法通過自由流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)勢(shì)能交換，則氣水排驅(qū)過程服從活塞式原理，表現(xiàn)為天然氣從底部對(duì)地層水的整體推移作用，邊、底水無以存在，浮力作用無法產(chǎn)生，出現(xiàn)天然氣位于地層水之下的氣水倒置分布關(guān)系（圖14），典型的深盆氣藏形成機(jī)理。 當(dāng)頁巖層壓力降

14、到一定程度時(shí)，頁巖中被吸附的氣體開始從裂隙表面分離下來，成為頁巖氣的解析，解析出的氣體和游離態(tài)、溶解態(tài)天然氣混合通過基質(zhì)孔隙和裂隙擴(kuò)散進(jìn)入裂隙網(wǎng)絡(luò)中，再經(jīng)裂縫網(wǎng)絡(luò)等輸導(dǎo)系統(tǒng)流向井筒。頁巖層非飽和單相流產(chǎn)出單相的水部分甲烷和天然氣混合形成氣泡水的相對(duì)滲透率下降水達(dá)到飽和，氣泡連成線狀氣的相對(duì)滲透率增大氣量增加，為兩相狀態(tài)壓力下降壓力繼續(xù) 下降水的流動(dòng)受阻壓力進(jìn)一步降低導(dǎo)致隨著壓力下降，飽和度降低（四）頁巖氣產(chǎn)出機(jī)理頁巖氣成藏的階段頁巖氣成藏的階段頁巖氣成藏作用使頁巖中的天然氣賦存相態(tài)本身構(gòu)成了從典型吸附到常規(guī)游離之間的序列過渡，具有典型煤層氣、深盆氣和常規(guī)圈閉氣成藏的多重機(jī)理，經(jīng)歷了吸附氣成藏過

15、程(煤層氣) 、活塞式氣水排驅(qū)過程（深盆氣) 和典型的置換式運(yùn)聚過程(常規(guī)氣) ，因而可以在基礎(chǔ)地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)上，借助煤層氣、深盆氣、常規(guī)氣的綜合研究手段，解釋頁巖氣成藏的特點(diǎn)及規(guī)律，為頁巖氣的勘探開發(fā)提供幫助。成藏機(jī)理小結(jié)：三、頁巖氣的勘探和開發(fā) 1 1、頁巖氣的勘探頁巖氣的勘探 通過對(duì)頁巖氣成藏的分析，影響頁巖氣資源的地質(zhì)條件主要包括: 資源豐度、頁巖單層厚度、頁巖厚度/地層厚度、母質(zhì)類型、有機(jī)碳含量、熱演化程度、含氣量、吸附氣含量、裂縫發(fā)育程度和構(gòu)造強(qiáng)度( 下表2) 。綜合考慮地質(zhì)狀況、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境影響等多方面的因素，建立了頁巖氣勘探開發(fā)的選區(qū)指標(biāo)(范柏江、師良、龐雄奇，2011

16、) 。主要的勘探技術(shù)主要的勘探技術(shù)1、地震勘探技術(shù) 獲得頁巖儲(chǔ)層的關(guān)鍵參數(shù)：深度、巖性、巖相、厚度、孔隙度、壓力、總有機(jī)碳含量、古應(yīng)變、斷裂分布等。2、井測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù) 是頁巖氣開發(fā)常用的技術(shù)之一，主要用于各種裂縫、孔洞、以及黃鐵礦等的識(shí)別，儲(chǔ)層有效性的評(píng)價(jià)，頁巖儲(chǔ)層的裂縫參數(shù)、孔隙度、滲透率、含氣飽和度的計(jì)算以及礦物成分等物性參數(shù)的計(jì)算；另外，井測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)在烴源巖的評(píng)價(jià)方面不可或缺，利用測(cè)井資料可以計(jì)算地層總有機(jī)碳含量、游離氣和吸附氣含量，地層儲(chǔ)量等參數(shù)。 是頁巖氣勘探開發(fā)評(píng)價(jià)中的重要環(huán)節(jié)。測(cè)試項(xiàng)目主要有以下六個(gè)：氣體組分分析，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的產(chǎn)氣來源；含氣量測(cè)試，預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的地質(zhì)儲(chǔ)量；等溫吸附試驗(yàn)

17、，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的吸附能力；巖石學(xué)特征，通過掃描電鏡、薄片鑒定、 以及X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析頁巖的層理產(chǎn)狀、孔隙結(jié)構(gòu)及礦物組成；烴源巖分析，通過巖石的熱解實(shí)驗(yàn)和鏡質(zhì)體反射率R0的測(cè)定分析有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度和有機(jī)碳含量；致密巖石專項(xiàng)分析，主要是通過壓力脈沖衰減法測(cè)定致密頁巖的滲透率、孔隙度及壓汞毛管力曲線、相對(duì)滲透率、儲(chǔ)層敏感性、壓裂液傷害評(píng)價(jià)等。3、頁巖實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)頁巖氣開采技術(shù)，主要有水平井鉆探技術(shù)、水力壓裂技術(shù)、水平井+多段壓裂技術(shù)、頁巖氣井壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)等，這些先進(jìn)技術(shù)不斷提高頁巖氣井產(chǎn)量。雖然有吸附與游離相天然氣的同時(shí)存在，但頁巖氣的開發(fā)并不需要排水降壓。頁巖中游離相天然氣的采出，能夠自然達(dá)到降壓

18、目的，并導(dǎo)致吸附相及少量溶解相天然氣游離化，進(jìn)一步提高了天然氣的產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)目的。由于孔隙度和滲透率較低，頁巖天然氣的生產(chǎn)率和采收率亦低，頁巖氣的最終采收率依賴有效的壓裂措施。因此，壓裂技術(shù)和開采工藝直接影響頁巖氣井的經(jīng)濟(jì)效益。2 2、頁巖氣的開采技術(shù)頁巖氣的開采技術(shù)分段壓裂利用封隔器或其它材料段塞，在水平井筒內(nèi)一次壓裂一個(gè)井段，逐段壓裂，壓開多條裂縫。通常情況下分為三個(gè)階段，第一階段，將前置液泵入儲(chǔ)層。前置液是一種沒有支撐劑的壓裂液；第二階段，將含有一定濃度支撐劑的壓裂液泵入儲(chǔ)層；第三階段，使用含有更高濃度支撐劑的壓裂液。隨后，數(shù)量不定的壓裂液泵入儲(chǔ)層，且相繼處理措施要比之前支撐劑濃度高。該技術(shù)即可用于單一儲(chǔ)層區(qū)域，也可用于儲(chǔ)層中幾個(gè)不相連區(qū)域。其常被應(yīng)用于垂直堆疊的致密氣地層的增產(chǎn)。作業(yè)者可以使用橋塞、連續(xù)油管、封隔器以及整體隔離系統(tǒng)，從而達(dá)到短生產(chǎn)時(shí)間和低成本的要求。3、水平井分段壓裂技術(shù)水平井分段壓裂示意圖 在頁巖氣氣井壓裂過程中，通常要使