頁巖氣成藏特征及識別方法

頁巖氣成藏特征及識別方法

1頁巖氣儲層與儲層巖氣是指天然巖脈裂縫和裂縫之間的分離，干酪根和粘土表面也存在吸附性，甚至天然氣和干酪根和瀝青路。頁巖組成一般為30%~50%的黏土礦物、15%~25%的粉砂質(zhì)和1%~20%的有機質(zhì)。含有較豐富的有機質(zhì)的暗色頁巖具備更大的生油氣潛力。有機質(zhì)、石英含量都很高的頁巖脆性較強,容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫,有利于天然氣滲流。頁巖的總孔隙度一般小于10%,而含氣的有效孔隙度一般不及總孔隙度的一半。滲透率則隨裂縫的發(fā)育程度不同而有較大變化,如果天然裂縫不發(fā)育,滲透率則可能小于1mD。頁巖既可以是烴源巖也可以是儲層,甚至可以充當圈閉和蓋層。烴類氣體在頁巖層中生成后會在頁巖自身儲集成藏,即自生自儲。頁巖氣按成因劃分為熱成因氣和生物成因氣。熱成因氣是巖石中的有機質(zhì)在地層高溫情況下分解產(chǎn)生的,這些天然氣在產(chǎn)生后主要被有機質(zhì)吸附,然后通過頁巖中的裂縫被排出,或是占據(jù)頁巖中的孔隙空間。另外,在一定條件下,滲入地層的地下水以及細菌將促使地層中的生物降解形成生物成因的天然氣。受地熱和地層壓力的作用,熱成熟度高的頁巖有足夠的成熟度和壓力生烴,大多數(shù)這樣的頁巖中只含有干氣。成熟度較低的頁巖則產(chǎn)濕氣,成熟度更低的則可能只含有油而不含氣。在極少數(shù)情況下,頁巖氣中含有很少比例的二氧化碳、氮氣、乙烷,甚至丙烷。由于頁巖的滲透率很低,導(dǎo)致天然氣在其間的滲流速度非常慢,這也是頁巖作為較晚投入開發(fā)的氣源巖的原因。頁巖作為儲層是因為頁巖內(nèi)可以賦存大量的天然氣,產(chǎn)量較高的頁巖一般產(chǎn)狀較平,厚度較大。具有可預(yù)測性的、巨大的儲層使得氣井可以在數(shù)十年的時間里穩(wěn)定地產(chǎn)出?？傆袡C碳含量(TOC)、成熟度、干酪根類型、氣體含量、烴的相態(tài)、埋藏史和演化程度作為表征頁巖氣的重要地化指標而備受關(guān)注。其中總有機碳含量、成熟度更是決定性要素,這從北美目前所開發(fā)的頁巖氣層的資料可見一斑(表1)。暗色頁巖在中國分布廣泛,中國南方、西北及華北地區(qū)中、古生界等都是頁巖氣藏發(fā)育的有利地區(qū)。有機碳含量大于2%,鏡質(zhì)組反射率大于0.4%的泥巖或頁巖均具有形成工業(yè)價值氣藏的基礎(chǔ)條件。對這幾個地區(qū)的老井測井資料復(fù)查是找到有利頁巖氣藏的重要途徑之一,綜合測井資料分析可以在測井曲線上辨別有利的頁巖氣儲層。對頁巖氣儲層有效的測井曲線及對應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系如表2所示。2有機質(zhì)豐度的求取產(chǎn)氣頁巖中的總有機碳含量一般為1%~20%,而0.5%認為是有潛力的頁巖氣源巖的下限,較高的TOC值往往代表更高的產(chǎn)氣能力。TOC不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù),而且有機質(zhì)可以作為吸附氣的核心載體,其值的大小直接影響吸附氣數(shù)量的變化。圖1中表示TOC與沉積物的關(guān)系,S1為游離態(tài)的碳組分,可以認為是有機質(zhì)中已轉(zhuǎn)化為油氣的部分,而S2+S3為仍存在于干酪根中的碳組分。不同干酪根類型的頁巖中都可以生成天然氣,干酪根的類型并不影響烴源巖層的產(chǎn)氣數(shù)量,它只影響天然氣吸附率和擴散率。有機質(zhì)含量是生烴強度的主要影響因素,它決定著生烴的多少。如圖2所示,在相同壓力下頁巖對氣的吸附能力與頁巖的總有機碳含量之間存在線性關(guān)系,說明含氣量主要取決于其總有機碳含量。利用測井資料解釋求取烴源巖的有機質(zhì)豐度有很多種方法,在這里介紹一種利用聲波時差—電阻率疊合法求取有機質(zhì)豐度的方法。電阻率—孔隙度曲線交會法識別、評價烴源巖的有效方法是重疊法,把刻度合適的孔隙度曲線疊加在電阻率曲線上,在缺乏有機質(zhì)的巖石中,這兩條測井曲線彼此平行,并重合在一起。而當測量地層為儲層或富含有機質(zhì)的烴源巖時,這兩條曲線之間便存在差異。結(jié)合聲波時差值,根據(jù)Δt/R重疊關(guān)系推導(dǎo)出ΔlgR的數(shù)學(xué)表達式為:實際上,利用聲波時差—電阻率測井曲線疊合時,在烴源巖、含油層段、蒸發(fā)巖等層段都有ΔlgR存在。因此,在連續(xù)處理TOC剖面時,還需要參考自然伽馬和井徑曲線等測井曲線以排除其他巖石干擾,找到成熟的頁巖氣烴源巖。許曉宏等(1998)在已知Δt基線值為96.32μs/ft,對應(yīng)的R基線值為13Ω.m的情況下,根據(jù)實際測井資料計算TOC值,并與地化樣品分析的結(jié)果進行對比,顯示兩者具有很好的一致性(表3)。說明利用測井方法求取TOC值具有很好的可信性。3儲集空間的把握在熱成因的頁巖儲氣層中,烴類是在時間、溫度和壓力的共同作用下生成的。當頁巖中TOC達到一定指標后,有機質(zhì)的成熟度則成為頁巖氣源巖生烴潛力的重要預(yù)測指標,含氣頁巖的成熟度越高表明頁巖生氣量越大,頁巖中可能賦存的氣體也越多。低成熟頁巖產(chǎn)氣速率就比較低,這可能是由于生成的天然氣的量少以及殘留的液態(tài)烴堵塞喉道造成的。在許多頁巖高成熟的井中,產(chǎn)氣速率比較高,這是因為干酪根和石油裂解產(chǎn)生的氣量迅速增加。頁巖氣藏的熱演化成熟度(鏡質(zhì)組反射率)可以為0.6%~2.0%,臨界值為0.4%~0.6%,頁巖氣的生成從有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化開始,并伴隨整個演化過程。在不同演化階段不同類型的有機質(zhì)產(chǎn)氣量不同,所有類型的干酪根在高成熟度條件下都可以產(chǎn)氣。當有機質(zhì)的Ro大于0.4%,頁巖中即有烴類氣體產(chǎn)生,也就有可能在頁巖中聚集形成氣藏。干酪根的熱成熟度影響頁巖中能夠被吸附在有機物質(zhì)表面的天然氣數(shù)量。此外,隨著演化程度的增高,由于烴類氣體生成引起的地層壓力增大也可以提高頁巖對氣體的吸附性能,在壓力升高到一定程度時,在地層中產(chǎn)生的微裂縫也是頁巖氣賦存的良好儲集空間。因此,熱成熟度是評價可能的高產(chǎn)頁巖氣的關(guān)鍵地球化學(xué)參數(shù)。頁巖氣層的成熟度指數(shù)MI可以由測井方法獲取,其計算方法為:式中N——取樣深度處密度孔隙度大于或等于9%、含水飽和度小于或等于75%的數(shù)據(jù)樣本總數(shù);φn9i——每個取樣深度的密度孔隙度都大于或等于9%時的中子孔隙度Sw75i——每個取樣深度的密度孔隙度都大于或等于9%、含水飽和度小于等于75%時的含水飽和度。式中Swi——含水飽和度,%;Rw——地層水電阻率,Ω.m;m——膠結(jié)系數(shù),在泥巖或頁巖中m=2;φd——由密度孔隙度測井估算的基巖孔隙度;Rt——深地層電阻率,Ω.m。此公式求出的成熟度指數(shù)是綜合有效層井眼測井數(shù)據(jù)計算出來的一個平均值。公式中的數(shù)據(jù)來自于每個取樣深度的密度孔隙度都大于最低值9%、含烴飽和度大于最低值25%時測井資料。有機質(zhì)是頁巖的生氣之源,有機質(zhì)豐度過低(小于25%),頁巖氣吸附氣含量將大大減少。而密度孔隙度過低(小于9%),不利于氣體成藏。作為好的烴源巖和儲層,頁巖必須滿足密度孔隙度大于最低值9%,含烴飽和度大于最低值25%,這樣的頁巖層段被視為有效層。實測中,中子值與MI呈逆相關(guān)。低中子值代表高含氣量,在孔隙度大于9%的基礎(chǔ)上,當中子值顯示低值,這代表高的含氣量、短鏈碳氫化合物豐富。這是由于氣體或者是短鏈碳氫化合物密度很小,導(dǎo)致孔隙中氫原子反而更稀松,使探測到的孔隙度變小。而地層含水少,反映了高成熟度。因為對含氫飽和度求平方根,中子孔隙度對于成熟度的影響會大于含氫飽和度。測井資料解釋中,高含烴飽和度(1-Sw75i)、低中子值表示高含氣飽和度和高熱成熟度;高含烴飽和度(1-Sw75i)、高中子值表示低含氣飽和度和低熱成熟度。成熟度越高,頁巖中的氣油比越高(圖3)。用計算出的成熟度指數(shù)MI與氣油比GOR交會和擬合,得出MI=0.373lgGOR+4.45。將MI值在井位上進行標定,并以MI值作等值線圖,MI<5為產(chǎn)油區(qū)域,MI為5~7時為主要產(chǎn)濕氣和凝析油的區(qū)域,MI>7的區(qū)域則只產(chǎn)干氣(圖3)。4頁巖氣藏勘探評價的必要性傳統(tǒng)的常規(guī)天然氣藏的認識方法約束了我國對頁巖氣的勘探研究,常規(guī)天然氣藏往往和圈閉相聯(lián)系。而頁巖氣藏的非常規(guī)特性決定了其不同于常規(guī)氣藏的聚集模式,導(dǎo)致了頁巖氣藏在更廣闊的空間和時間內(nèi)聚集成藏。目前對頁巖氣的研究工作還比較薄弱,且針對砂巖儲層的勘探幾乎對頁巖層段不進行任何解釋工作的情況下,通過對頁巖氣藏地球化學(xué)機理和氣藏評價方法的研究,確定頁巖中總有機碳含量和成熟度指標為頁巖氣評價的主要參數(shù),且這兩個參數(shù)可以通過測井資料確定。這就為后續(xù)頁巖氣的勘探提供了技術(shù)的保障。TOC大