非常規(guī)油氣儲層研究進展和展望教學內容

非常規(guī)油氣(yóuqì)儲層研究進展與展望中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質實驗研究中心(zhōngxīn)中國石油油氣儲層重點實驗室二0一三年六月朱如凱白斌第一頁，共47頁。提綱一、非常規(guī)油氣儲層概況(gàikuàng)二、非常規(guī)油氣儲層研究進展三、非常規(guī)油氣儲層未來研究展望第二頁，共47頁。1.什么(shénme)是非常規(guī)油氣儲層？概念作者年代定義判別標準UnconventionalReservoirRocksJanetK.Pitman1982低孔滲致密儲層物性差異ConventionalReservoirsStephenA.Holditch2001未用特殊工藝，有經(jīng)濟流量經(jīng)濟因素UnconventionalreservoirsHolditch2003,06未用特殊工藝，無經(jīng)濟流量經(jīng)濟因素unconventionalreservoirEtherington2005不經(jīng)過特殊開采不能獲取經(jīng)濟油流經(jīng)濟因素UnconventionalReservoirRodneyGeneBlackford2006極低滲透率物性差異UnconventionalReservoirTexasA&MUniversity2008技術與經(jīng)濟決定是否是非常規(guī)儲層經(jīng)濟與技術unconventionalreservoirrocksSilin,

D2009低孔滲致密儲層物性差異UnconventionalresourcesCGGVeritas2010低孔滲難于開采的油氣儲層經(jīng)濟、技術與儲層本身UnconventionalReservoirsObjectReservoir,Inc.2011低孔滲致密儲層（頁巖致密砂巖等）物性差異UnconventionalReservoirJimBray2011巖石自身物性差物性差異第三頁，共47頁。①強調(qiángdiào)非經(jīng)濟效益（Stephen，2001；Etherington，2005；Holditch，2006）自然條件下無效益油氣采出速度的儲層，需大型改造措施或特殊開采(kāicǎi)流程②強調(qiángdiào)形成條件（Smoker,1999；Stabell，2005；Haskett，2005；Brown，2009）烴類大面積彌散式充注的儲層，其內的油氣聚集不受浮力作用控制指儲層結構復雜、低-特低滲透性或由于裂縫造成滲透性異常、埋藏較深、油氣勘探開發(fā)難度較大的一類地下油氣儲層，是隨著常規(guī)油氣資源逐漸減少，油氣勘探開發(fā)程度不斷增強，人們不得不面對的新儲層類型③強調勘探難度大（樊中海，2008）一般空氣滲透率小于1.0mD，孔隙度小于10%，納米級孔喉系統(tǒng)發(fā)育④強調儲層物性差（鄒才能等，2011）1.什么是非常規(guī)油氣儲層？第四頁，共47頁。致密(zhìmì)砂巖泥頁巖致密(zhìmì)灰?guī)r煤層天然氣水合物儲層油砂……非常規(guī)儲層類型(lèixíng)儲層基本特征物性差Φ<10%K<0.1md孔喉半徑一般小于1μm微孔(wēikǒnɡ)、納米孔為主孔喉結構復雜廣安126井，未見可視孔合川1井，晶間孔2.非常規(guī)油氣儲層類型與基本特征第五頁，共47頁。儲層精細研究是非常規(guī)油氣(yóuqì)勘探核心問題之一非常規(guī)油氣(yóuqì)3.非常規(guī)油氣(yóuqì)儲層研究內容常規(guī)油氣成藏機理生儲蓋圈運保儲集空間賦存狀態(tài)礦物有機質豐度厚度成熟度壓力第六頁，共47頁。提綱一、非常規(guī)油氣儲層概況(gàikuàng)二、非常規(guī)油氣儲層研究進展三、非常規(guī)油氣儲層未來研究展望第七頁，共47頁。薄片(báopiàn)元素(yuánsù)地球化學同位素地球化學X衍射(yǎnshè)巖石學儲集空間儲層形成機理及控制因素儲集性能顯微熒光陰極發(fā)光包裹體成巖作用沉積相與巖相古地理層序地層學微觀微區(qū)-成份SEM探針儲集巖主要研究內容非常規(guī)油氣儲集空間精細表征第八頁，共47頁。BarnettShale,Ro1.7%,2167m全球(quánqiú)第一張頁巖有機質納米孔圖像Reed，R.M.，andLoucks，Robert，2007，AAPG存在(cúnzài)問題：致密儲層微觀結構復雜，如何精確表征？研究內容：孔隙類型與連通性、孔喉形成機制、油氣賦存狀態(tài)研究方法：壓汞法、場發(fā)射掃描電鏡、X-rayCT、成巖物理模擬等Ro%0.51.01.52.02.53.0有機質納米孔方式1方式2?泥頁巖納米孔形成機制不清（一）非常規(guī)油氣(yóuqì)致密儲層研究技術方法進展第九頁，共47頁。砂體透鏡狀？連續(xù)狀，物性變化(biànhuà)特征？儲集體成因、砂體形態(tài)(xíngtài)、變化特征方案(fāngàn)1方案2關鍵問題：儲集砂體空間展布、規(guī)模不清，淺水三角洲沉積模式不清解決方案：建立三角洲平原露頭砂體模型（卾爾多斯）分析方法：探地雷達技術、三維地面激光掃描儀等系列數(shù)字露頭技術1.非常規(guī)致密儲層三維模型定量刻畫第十頁，共47頁。伽瑪儀元素(yuánsù)捕獲儀探地雷達(léidá)連續(xù)(liánxù)采樣激光雷達：定量刻畫儲集體規(guī)模，提取表征參數(shù)探地雷達：三維刻畫砂體形態(tài)1.非常規(guī)致密儲層三維模型定量刻畫第十一頁，共47頁?？紫抖葯M向剖面滲透率橫向剖面1.非常規(guī)致密(zhìmì)儲層三維模型定量刻畫第十二頁，共47頁。對巖屑樣品進行(jìnxíng)背散色圖掃描對樣品(yàngpǐn)背散色圖進行顆?；幚韺r屑顆粒進行(jìnxíng)網(wǎng)絡式掃描對巖屑顆粒上的每一點進行能譜分析得到巖屑顆粒能譜分析點的譜圖對譜圖進行礦物元素分析礦物分類含礦物成分信息的巖屑顆粒圖確認巖屑顆粒分析點的礦物成分含礦物成分信息巖屑樣品檢測圖2.非常規(guī)儲層成份分析系統(tǒng)（QEMScan）QEMScan是一種自動圖像分析系統(tǒng),應用電子顯微技術來確定試樣的化學組分。礦物由快速散能光譜儀來鑒別。其光譜經(jīng)分析后,與儲存于在線計算機內的礦物鑒別信息庫進行對比?？焖龠M行礦物分析,統(tǒng)計出所含各種礦物的比例、礦物粒度和礦物解離度第十三頁，共47頁。經(jīng)QEMSCAN軟件(ruǎnjiàn)若干次分組簡化，得到樣品的礦物組成（包括泥類礦物）背散色圖原始(yuánshǐ)礦物分類礦物組成圖第一次分組礦物(kuàngwù)組成圖第二次分組礦物組成圖2.非常規(guī)儲層成份分析系統(tǒng)（QEMScan）第十四頁，共47頁。2.非常規(guī)儲層成份(chéngfèn)分析系統(tǒng)（QEMScan）第十五頁，共47頁?？紫?kǒngxì)形貌與連通性孔徑(kǒngjìng)分布二維光學顯微鏡激光共聚焦(jùjiāo)顯微鏡場發(fā)射掃描電鏡三維微米CT納米CT聚焦離子束掃描電鏡+高壓壓汞實驗：n×nm~950μm氣體吸附實驗：1nm~n×100nm小角散射實驗：1nm~100nm3.非常規(guī)油氣致密儲層微觀孔喉表征方法致密儲層孔隙分析2個關鍵技術（孔隙形貌、大小與連通性）第十六頁，共47頁。四川志留系龍馬(lónɡm(xù)ǎ)溪組海相頁巖粒內有機質孔（20~890nm）我國海-陸相頁巖納米(nàmǐ)微孔特征（1）致密(zhìmì)儲層納米孔喉系統(tǒng)二維形貌刻畫技術-場發(fā)射孔隙類型：有機質孔，基質孔孔隙大?。褐黧w介于30~200nm綠泥石粒內孔，孔喉直徑40～300nm300nm40nm張2井，960m陸相泥頁巖第十七頁，共47頁。致密砂巖(shāyán)儲層發(fā)育微米孔、納米孔、微縫致密砂巖(shāyán)儲層高分辨率三維組構與孔隙度模型GuillaumeDesbois，2012（1）致密儲層納米孔喉系統(tǒng)(xìtǒng)二維形貌刻畫技術-場發(fā)射第十八頁，共47頁。特色技術：超大幅圖像分析系統(tǒng)(xìtǒng)，擴大觀察視域，提高準確性分辨率常規(guī)SEM最大觀察視域面積超大幅圖像分析最大觀察視域面積1nm4096nm2

無限倍×單幅常規(guī)SEM圖像視域1um4096um21mm4096mm2實例(shílì)：準噶爾盆地二疊系云質泥巖（寬500μm）（1）致密儲層納米(nàmǐ)孔喉系統(tǒng)二維形貌刻畫技術-場發(fā)射第十九頁，共47頁。方法名稱儀器技術方法探索內容三維孔喉結構刻畫納米/微米/工業(yè)-CT樣品制備光源能量圖像重構多尺度巖心掃描FIB-SEM樣品制備與實驗流程（2）致密儲層納米孔喉系統(tǒng)三維空間刻畫(kèhuà)技術-XrayCT三維立體模擬法：CT、FIB及數(shù)值(shùzí)模擬FIB微米(wēimǐ)CT納米CT第二十頁，共47頁。NanoCTXradiananoXCT-200SynchrotronsourceIngrain.Inc,2010中石油勘探院-中國科技大學-2010.9中石油勘探院-2010.12同步(tóngbù)加速器建立了不同巖性非常規(guī)儲層三維孔喉系統(tǒng)(xìtǒng)精細表征方法頁巖(yèyán)致密砂巖（2）致密儲層納米孔喉系統(tǒng)三維空間刻畫技術-X-rayCT第二十一頁，共47頁。直徑(zhíjìng)65um樣品直徑2.54cm巖心(yánxīn)樣品特色(tèsè)技術方法：多尺度致密儲層孔喉表征技術ABC工業(yè)CT微米CT納米CTABC研究思路（2）致密儲層納米孔喉系統(tǒng)三維空間刻畫技術-X-rayCT第二十二頁，共47頁。環(huán)境(huánjìng)掃描電鏡場發(fā)射(fāshè)掃描電鏡納米(nàmǐ)CT成巖物理模擬系統(tǒng)精細孔隙表征三維孔喉結構重構石油賦存狀態(tài)孔喉演化規(guī)律(3)建立非常規(guī)致密儲層微孔-納米孔喉觀測技術系列第二十三頁，共47頁。4.非常規(guī)致密儲層孔喉演化(yǎnhuà)特征分析方法目標：探討(tàntǎo)致密儲層孔隙演化規(guī)律儲層成巖模擬系統(tǒng)六個反應(fǎnyìng)爐體壓力供給部分計算機控制總成部分技術參數(shù)最高溫度：550℃最大靜巖壓力：275MPa最大流體壓力：120MPa連續(xù)100天以上模擬實驗一次性完成橫向或縱向地質體系成巖演化過程的模擬實驗獲取系統(tǒng)的溫度、壓力及流體實驗參數(shù)完成氣、液、固體樣品的系統(tǒng)分析化驗工作技術優(yōu)勢流體供給與采集開放、半封閉、全封閉式成巖環(huán)境第二十四頁，共47頁。實例:泥頁巖孔隙分布(fēnbù)與有機質演化存在著相關性低熟泥巖與現(xiàn)代湖泥加熱溫度≥370℃后，納米孔大量發(fā)育，孔隙演化總體隨熱演化程度增高呈先減少(jiǎnshǎo)后增加趨勢370℃500℃500℃，干化的油滴（瀝青(lìqīng)球）納米孔演化特征第二十五頁，共47頁。5.非常規(guī)致密儲層油氣(yóuqì)賦存狀態(tài)分析方法基于環(huán)境掃描電鏡直接(zhíjiē)觀察孔喉原油賦存狀態(tài)存在問題：致密儲層微觀孔喉系統(tǒng)中油氣如何賦存？如何研究？解決思路：直接觀察(guānchá)、成巖物理模擬、原位CT等ElementWt%At%CK40.8954.86OK25.7325.91NaK03.2802.30AlK08.5505.11SiK18.3310.51KK02.0100.83CaK01.2200.4902ElementWt%At%CK16.0726.88OK31.9540.13MgK03.3702.78AlK16.9012.59SiK14.9410.69CaK01.3100.66FeK14.1005.070102判斷方法：能譜數(shù)據(jù)驗證，是否具備明顯碳峰特征第二十六頁，共47頁。實例：致密砂巖孔喉油氣(yóuqì)賦存狀態(tài)環(huán)境掃描電鏡+能譜分析：石油在孔隙中共(zhōnɡɡònɡ)有4種賦存狀態(tài)形態(tài)1：薄膜狀充填于孔隙與顆粒表面，相互(xiānghù)粘連形態(tài)3：短柱狀集合體發(fā)育于粒間孔內，相互粘連形態(tài)2：薄膜狀均勻覆蓋顆粒表面形態(tài)4：粘結于裂縫兩壁，相互或獨立，或連接第二十七頁，共47頁。(a)實驗室光源(guāngyuán)獲得的CT二維圖像(b)同步輻射光源(guāngyuán)獲得的CT二維圖像圖像(túxiànɡ)分辨率明顯提高孔隙率隨溫度提高(tígāo)而上升溫度室溫120oC370oC孔隙率1.72%3.25%3.79%(a)(b)分辨率50nm分辨率17nm

三維原位揭示納米孔隙隨溫度、壓力變化的規(guī)律更高分辨率的的加溫加壓原位實驗申請已向美國APS同步輻射光源中心遞交基于原位溫-壓條件下泥頁巖CT掃描觀察原油賦存解決思路：泥巖樣品在加溫壓條件下原位CT觀測第二十八頁，共47頁。技術方法國外研究內容勘探院研究內容時間頁巖頁巖、致密砂巖、致密灰?guī)r壓汞法物性與微孔分布

傳統(tǒng)方法氣體吸附法微孔喉分布,2011核磁共振微孔喉分布,2011普通顯微鏡微米-毫米級孔喉觀察鎢絲掃描電鏡微米級孔喉觀察小角散射用于材料化學泥頁巖微孔大小,2011同步場發(fā)射掃描電鏡微孔識別,2007納米級微孔觀察統(tǒng)計,2010晚于國外環(huán)境掃描電鏡原油賦存狀態(tài),2011同步Nano-CT儲層三維結構,2010同步并開發(fā)聚焦離子束儲層微孔三維重構,2011稍晚國外成巖物理模擬儲層成巖作用泥頁巖儲層微孔演化,2010領先國外非常規(guī)油氣儲層研究方法(fāngfǎ)小結第二十九頁，共47頁。鄂爾多斯盆地三疊系泥頁巖三疊系致密(zhìmì)砂巖塔里木盆地寒武系海相(hǎixiàng)泥巖渤海灣盆地(péndì)第三系泥巖致密砂巖吐哈-三塘湖盆地侏羅系湖相泥巖侏羅系致密砂巖四川盆地三疊系泥頁巖寒武系海相泥頁巖須家河致密砂巖準噶爾盆地二疊系蘆草溝組平地泉泥灰?guī)r柴達木盆地侏羅系湖相泥巖柴達木盆地白堊系湖相泥巖華北地臺前寒武海相泥巖華北致密灰?guī)r（二）非常規(guī)致密儲層研究主要進展開展全國非常規(guī)致密儲層研究，取得初步研究進展第三十頁，共47頁。致密儲層標準微孔-納米孔劃分標準致密砂巖(shāyán)儲層特征致密砂巖(shāyán)儲層孔隙演化特征致密砂巖(shāyán)儲層評價方法頁巖孔隙類型、發(fā)育機制與控制因素(yīnsù)頁巖儲層中的裂縫系統(tǒng)頁巖儲層評價、預測目前研究中存在的主要問題頁巖(yèyán)儲層致密砂巖儲層（二）非常規(guī)致密儲層研究主要進展第三十一頁，共47頁。問題：由于不同國家和地區(qū)(dìqū)的資源狀況、技術經(jīng)濟條件不同，致密氣藏的界定尚未形成統(tǒng)一標準（1）美國FERC確定致密氣藏的注冊標準(biāozhǔn)是儲層滲透率<0.1×10-3μm2（2）Elkins（1980）以地下滲透率<0.1(×10-3μm2）為界（3）Spencer(1985,1989)對致密天然氣儲層的定義為天然氣原地滲透率<0.1(×10-3μm2）（4）R.C.Surdam等（1995）提出“致密氣”滲透率≤1×10-3μm2（5）IEA(2009)確定“致密氣”滲透率≤0.1×10-3μm2（6）USGS(2009)將致密砂巖儲層標準(biāozhǔn)定為孔喉直徑2-0.03μm國外標準中強調原地(yuándì)或地下滲透率1.致密砂巖儲層分類評價標準第三十二頁，共47頁。樣品(yàngpǐn)數(shù)：52435個樣品(yàngpǐn)數(shù)：43839個均值(jūnzhí)Φ：5.86%均值K：0.537mD1.致密砂巖儲層分類評價標準大量統(tǒng)計分析典型低滲-致密砂巖儲層儲集性特征第三十三頁，共47頁。致密砂巖氣：覆壓基質滲透率小于或等于0.1×10-3μm2的砂巖氣層，單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)氣流下限(xiàxiàn)，但在一定經(jīng)濟條件和技術措施下可獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量。通常情況下，這些措施包括壓裂、水平井、多分枝井等致密油：是儲集在覆壓基質滲透率小于或等于0.2×10-3μm2（空氣滲透率小于2×10-3μm2）的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集層中的石油；單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油流下限(xiàxiàn)，但在一定經(jīng)濟條件和技術措施下可獲得工業(yè)石油產(chǎn)量。通常情況下，這些措施包括酸化壓裂、多級壓裂、水平井、多分枝井等。1.建立致密砂巖(shāyán)儲層分類評價標準第三十四頁，共47頁。微孔(wēikǒnɡ)上限：62.5μm、10μm、5μm、1μm、0.5μm、2nm問題：不同行業(yè)存在微米孔、納米孔劃分標準差異？思路：孔徑數(shù)據(jù)：壓汞、氣體吸附、掃錨電鏡等大量數(shù)據(jù)分析進展：提出(tíchū)非常規(guī)儲層微孔-納米孔劃分標準2.非常規(guī)儲層微孔-納米(nàmǐ)孔劃分標準第三十五頁，共47頁。鄂爾多斯四川準噶爾2.非常規(guī)儲層微孔(wēikǒnɡ)-納米孔劃分標準開展不同(bùtónɡ)巖性微觀孔喉結構系統(tǒng)分析第三十六頁，共47頁。2.非常規(guī)儲層微孔(wēikǒnɡ)-納米孔劃分標準頁巖(yèyán)氣儲層：5～200nm頁巖(yèyán)油儲層：30～400nm致密灰?guī)r油儲層：50～500nm致密砂巖油儲層：60～900nm致密砂巖氣儲層：25～700nm不同類型致密(zhìmì)儲層納米級孔徑分布第三十七頁，共47頁。致密儲層微觀孔喉成因(chéngyīn)分類方案：2大類5小類孔隙大小分類方案(fāngàn)（建議）大孔<2000μm中孔<100μm微孔(wēikǒnɡ)<10μm納米孔<1μm埃米孔<1nm2.提出非常規(guī)儲層微孔-納米孔劃分標準第三十八頁，共47頁。溫度(wēndù)、壓力654321慢速壓實快速(kuàisù)壓實200℃，82.5MPa300℃，110MPa350℃，137.5MPa400℃，165MPa450℃，220MPa500℃，275MPa泥巖(níyán)砂巖填樣示意圖3.致密砂巖儲層孔隙演化特征問題：非常規(guī)砂巖儲層孔喉致密化形成機理？思路：物理模擬實驗正演孔隙演化過程進展：揭示致密砂巖孔隙先減小后增大的演化特征第三十九頁，共47頁。定量(dìngliàng)揭示出前陸盆地深部儲層砂巖面孔率變化的4段性特征長期(chángqī)淺埋，面孔率由40%→18%長期淺埋-后期快速深埋，18%→13%，原生孔快速減小、溶蝕(rónɡshí)孔快速增加深部儲層孔隙演化曲線①②③④快速埋藏后早期階段，13%→11%，原生孔隙持續(xù)降低，溶蝕孔發(fā)育，面孔率變化較小，是有利儲層形成關鍵時期晚成巖階段，溶蝕孔、原生孔含量持續(xù)降低，總面孔率<10%3.致密砂巖儲層孔隙演化特征第四十頁，共47頁。面孔率25.4%，最大孔徑(kǒngjìng)88.5μm，最小孔徑(kǒngjìng)2.56μm，平均孔徑(kǒngjìng)11.76μm200℃,82.5MPa,1000m面孔率14.23%，最大孔徑(kǒngjìng)49.84μm，最小孔徑(kǒngjìng)2.51μm，平均孔徑(kǒngjìng)9.76μm400℃,165MPa,5000m面孔率11.47%，最大孔徑(kǒngjìng)124.69μm，最小孔徑(kǒngjìng)5.13μm，平均孔徑(kǒngjìng)21.91μm450℃,220MPa,7000m面孔率10.32%，最大孔徑187.68μm，最小孔徑5.13μm，平均孔徑34.92μm500℃,275MPa,9000m

砂巖面孔率持續(xù)降低，孔徑的最大、最小及平均值先降低后增大，埋深5000m是轉折點3.致密砂巖儲層孔隙演化特征第四十一頁，共47頁。大北地區(qū)5500-5800m儲層孔隙度為5-11%，與深部溶蝕、微裂縫大量出現(xiàn)(chūxiàn)有關孔隙(kǒngxì)減孔率與減孔率增量前陸盆地在埋深5000m-7000m是孔徑(kǒngjìng)、喉徑快速增大的層段，為深部儲層最有利的發(fā)育層段3.致密砂巖儲層孔隙呈先減小后增大的演化特征第四十二頁，共47頁。提綱一、非常規(guī)油氣儲層概況二、非常規(guī)油氣儲層研究(yánjiū)進展三、非常規(guī)油氣儲層未來研究(yánjiū)展望第四十三頁，共47頁。美國E