頁巖氣藏壓裂工藝技術研究

頁巖氣藏壓裂工藝技術研究

在許多含油氣的盆地中，巖漿巖用作泉巖產(chǎn)生油氣，或作為地質(zhì)覆蓋層，以將油氣儲存在生產(chǎn)和儲存層中，以防止有機碳在表面發(fā)生變化。然而在一些盆地中,具有幾十到幾百米厚、分布幾千至幾萬平方公里的富含有機質(zhì)頁巖層可以同時作為天然氣的源巖和儲層,形成并儲集大量的天然氣(頁巖氣)。天然氣可以在頁巖的天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。我們把這些儲存在頁巖層中的天然氣稱為頁巖氣(Shalegas)。大多數(shù)產(chǎn)氣頁巖具有分布范圍廣、層厚、普遍含氣等特點,這使得頁巖氣井能夠長期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣。1巖氣井開發(fā)的意義頁巖氣勘探生產(chǎn)和開發(fā)研究最早開始于美國,1821年第一口頁巖氣井鉆于紐約Chautauga縣泥盆系Dunkirk頁巖,雖然只有8.2m深,但也產(chǎn)出了能夠用于照明的天然氣。目前,美國已經(jīng)擁有超過39500口頁巖氣井,到2005年年底頁巖氣總產(chǎn)量大約是6000×108ft3/年,占美國總天然氣產(chǎn)量的8%,而美國頁巖氣總資源量估計在(500～600)×1012ft3范圍內(nèi)。全球有許多盆地都具有生產(chǎn)頁巖氣的潛力,但除了美國以外還沒有見到有關頁巖氣商業(yè)化開采的報道,目前人們對于頁巖氣勘探開發(fā)理論的了解僅限于美國幾大頁巖氣井的成功開采經(jīng)驗。但隨著世界能源消費量的猛增和供需矛盾的日益突出,頁巖氣潛在的巨大資源已引起了許多國家地質(zhì)學者的普遍重視。我國在許多地區(qū)有巨厚的泥頁巖沉積并有良好的生油條件,是具有形成頁巖氣藏的條件的,因此在泥頁巖中尋找油氣資源應引起足夠的重視。本文主要以美國頁巖氣的勘探開發(fā)資料為依據(jù),探討了頁巖氣成藏的基本地質(zhì)條件。2標準的測定頁巖氣的工業(yè)聚集需要豐富的氣源物質(zhì)基礎,要求生烴有機質(zhì)含量達到一定標準。那些“肥沃”的黑色泥頁巖通常是頁巖氣成藏的最好巖性,一般情況下,頁巖氣的生成主要與含氣頁巖的地球化學特征有關,如干酪根類型、總有機碳、氣體含量、烴的相態(tài)、成熟度和埋藏史、演化程度等。2.1機質(zhì)條件氧背景黑色頁巖的形成需要大量的有機質(zhì)供給、較快速的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境。大量的有機質(zhì)是烴類生成必需的物源基礎;快速的沉積速率使得富含有機質(zhì)頁巖在被氧化剝蝕等破壞之前能夠大量沉積下來;缺氧抑制了微生物的活動性,減小了對有機質(zhì)的破壞作用。在沉積埋藏后控制甲烷產(chǎn)量的因素是缺氧環(huán)境、缺硫酸鹽環(huán)境、低溫、富含有機物質(zhì)和充足的儲存氣體的空間。2.2巖石學和礦物學特征頁巖是主要由固結的粘土顆粒組成的片狀巖石,是地球上最普遍的沉積巖石。盡管含氣頁巖通常被稱作“黑色頁巖”,其實并不僅僅是指單純的頁巖,它也包括細粒的粉砂巖、細砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r、白云巖等。在礦物組成上,主要包括一定數(shù)量的碳酸鹽、黃鐵礦、粘土質(zhì)、石英和有機碳。頁巖作為巖層,為不同顆粒大小和不同巖性的混合。礦物成分對于成功的完井是非常重要的。頁巖氣的產(chǎn)出依賴于制造裂縫的能力、天然裂縫的存在或是可滲透巖相的互層的存在。根據(jù)頁巖氣工作者的經(jīng)驗,含氣頁巖作為細粒致密砂巖儲層,富含硅質(zhì)的頁巖要比富含粘土質(zhì)頁巖在人工壓裂中起到更好的作用。2.3有機地化特征2.3.1有機質(zhì)含量高與常規(guī)氣藏相同,不管是生成生物成因氣還是熱成因氣,源巖都需要充足的有機質(zhì)。含氣頁巖中的有機質(zhì)含量很高,美國五大頁巖中的總有機碳含量一般在1.5%～20%,通?？傆袡C碳含量在0.5%以上的頁巖可認為是有潛力的源巖。有機質(zhì)含量隨巖性而變化,富含粘土質(zhì)的地層最高,成熟的地下樣品與未成熟的露頭樣品也有顯著區(qū)別。2.3.2型干結構根美國頁巖氣盆地的頁巖中的干酪根主要以Ⅰ型與Ⅱ型干酪根為主,也有部分Ⅲ型干酪根。不同的干酪根類型的頁巖中都生成了大量的氣,干酪根的類型并不影響源巖層的產(chǎn)氣數(shù)量,它只影響天然氣吸附率和擴散率,有機質(zhì)的總量和熱成熟度才是決定源巖產(chǎn)氣能力的重要變量。2.3.3頁巖氣儲層的有機成因氣在熱成因的頁巖氣儲層中,烴類是在時間、溫度和壓力的共同作用下生成。干酪根的成熟度不僅可以用來預測源巖中生烴的潛能,還可以用于高變質(zhì)地區(qū)尋找裂縫性頁巖氣儲層的潛能,作為頁巖儲層系統(tǒng)有機成因氣研究的指標。頁巖的熱成熟度可以從0.4%～0.6%(臨界值)到0.6%～2.0%(成熟),頁巖氣的生成貫穿于有機質(zhì)向烴類演化的整個過程。不同類型的有機質(zhì)在不同演化階段生氣量不同,但在有機質(zhì)演化初期即R。大于0.4,頁巖中只要有烴類氣體生成,它們就有可能在頁巖中聚集起來形成氣藏。五大頁巖的Ro值均大于0.4%。2.4頁巖氣為熱成因氣頁巖氣主要通過兩種途徑從源巖中生成:作為生物成因氣,通過在埋藏階段的早期成巖作用或近代富含細菌的大氣降水的侵入作用中厭氧微生物的活動形成;作為熱成因氣,通過在埋藏比較深或溫度較高時干酪根的熱降解或是低熟生物氣再次裂解形成,及油和瀝青達到高成熟時二次裂解生成。頁巖氣既可以是生物成因氣也可以是熱成因氣,或是生物成因氣與熱成因氣的混合氣,這與頁巖中有機質(zhì)演化程度有關。Barnett頁巖氣為熱成因氣,頁巖中的有機質(zhì)還生成了液態(tài)烴,這些石油經(jīng)裂解構成了該區(qū)的部分天然氣資源。而在密歇根盆地的Antrim頁巖,具有雙重成因,即為熱成因氣和生物成因氣的混合氣。3巖漿巖氣儲層特性3.1圈閉和蓋層與常規(guī)氣藏的成藏規(guī)律不同,頁巖既可以是源巖也可以是儲層,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,屬于“連續(xù)型”聚集,“連續(xù)型”聚集這個概念是由美國地質(zhì)調(diào)查所在1995年美國全國油氣資源評價中提出。3.1.1游離孔隙復合吸附法氣體在頁巖儲層中主要以兩種主要的方式儲集:在天然裂縫及有效的大孔隙中以游離狀態(tài)存在;在有機質(zhì)或礦物固體顆粒表面以吸附狀態(tài)存在。頁巖吸附能力的多少通常與頁巖的許多特征有關,如總有機碳含量、干酪根成熟度、儲層溫度、壓力、頁巖原始含水量和天然氣組分。3.1.2儲存大量氣體作為儲層,含氣頁巖大多顯示出低的孔隙度(小于10%)。頁巖中一般具有雙重孔隙性質(zhì)(原生孔隙和次生孔隙同時存在)。氣藏中的原生孔隙系統(tǒng)由十分微細的孔隙組成,在原生孔隙中存在大量的內(nèi)表面積。內(nèi)表面積擁有許多潛在的吸附地方,它可儲存大量氣體。Antrim頁巖中大約70%～75%的產(chǎn)出氣是來自頁巖內(nèi)的有機質(zhì)和粘土析出的,其余則來自頁巖內(nèi)的裂縫。頁巖可以有很大的孔隙度,并在這些孔隙里儲存大量的油氣。即便在老的頁巖中,例如阿巴拉契亞盆地的Ohio頁巖和密歇根盆地的Antrim頁巖,孔隙度平均在5%～6%,可達到15%,游離氣可以充滿孔隙中的50%。頁巖具有極低的滲透率,其滲透率甚至比含氣致密砂巖還要低很多(遠小于0.001μm2)。而在圣胡安盆地的Lewis頁巖中,雖然基巖的孔隙度和滲透率只有1.72%和1×10-7μm2,但頁巖中的一些天然裂縫及粉砂巖和砂巖的互層會提高滲透率,在開采過程當中,人們通過人工壓裂來提高頁巖的滲透性能而得到工業(yè)氣流。3.1.3熱成因氣頁巖氣藏成氣頁巖氣藏中通常具有異常壓力,熱成因的頁巖氣藏一般以高壓為主要特征,而生物成因的頁巖氣藏則一般為低壓為主要特征。熱成因氣是在足夠的埋深下,在溫度和壓力的共同作用下生成,具有熱成因氣的頁巖氣藏通常都是在經(jīng)歷過足夠的埋藏作用,壓實作用、上覆地層壓力的作用、流體熱增壓及有機質(zhì)向烴類轉化過程中由于體積的膨大等引起了高異常地層壓力;而生物成因氣埋藏深度比較淺,易形成異常低壓,如密執(zhí)安盆地的Antrim頁巖。3.2盆地發(fā)育過程中-高成熟階段的頁巖蓋層頁巖超低的孔滲性使得頁巖氣對于蓋層的要求不像常規(guī)氣藏那么苛刻,由于頁巖的顆粒比較致密,它本身就可以作為頁巖氣的蓋層。在盆地發(fā)育過程中,頁巖蓋層的質(zhì)量極不穩(wěn)定。頁巖在中-高成熟階段顯示為滲漏的,并且有石油和熱成因氣生成,排驅(qū)到周圍地層中遇到其它合適的蓋層重新聚集。所以,頁巖氣的蓋層多變,既包含頁巖本身(阿巴拉契亞盆地和福特沃斯盆地),也包括頁巖周圍的細粒致密巖層,如斑脫巖(圣胡安盆地)、冰磧物(密歇根盆地)和頁巖/碳酸鹽巖(伊利諾斯盆地)。3.3影響巖氣集中的地質(zhì)因素3.3.1總有機碳的吸附能力有機質(zhì)含量是生烴強度的主要影響因素,它決定著生烴的多少。頁巖中的有機物質(zhì)不僅是作為氣體的母源,也可以像是海綿一樣將氣體吸附在其表面。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系。在相同壓力下,總有機碳含量較高的頁巖比其含量較低的頁巖的甲烷吸附量明顯要高。在對Antrim頁巖總有機碳含量與含氣量關系的研究中發(fā)現(xiàn),二者呈密切的正相關關系(圖1),說明含氣量主要取決于其總有機碳含量。3.3.2熱成因氣儲集空間含氣頁巖的熱成熟度越高表明頁巖生氣量越大,頁巖中賦存的氣體也越多。研究發(fā)現(xiàn),低成熟Barnett頁巖的地方,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Barnett頁巖高成熟的井當中,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。在密歇根盆地的Antrim頁巖中,熱成因氣含量在向盆方向,即向干酪根熱成熟度增加的方向不斷增加。干酪根的熱成熟度也影響頁巖中能夠被吸附在有機物質(zhì)表面的天然氣量。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)頁巖氣的關鍵地球化學參數(shù)。3.3.3主項目期產(chǎn)氣率及有機質(zhì)成氣率眾所周知,Ⅰ型與Ⅱ型干酪根主要以生油為主,Ⅲ型干酪根主要以生氣為主。由于不同干酪根的化學組成和結構特征不同,因而不同階段產(chǎn)氣率會有較大變化。在實驗條件下(據(jù)趙文智等,2006),不同升溫速率有機質(zhì)的成氣轉化基本一致,但主生氣期(天然氣的生成量占總生氣量的70%～80%)對應的iR。值不同。Ⅰ型干酪根1.2%～2.3%,Ⅱ型干酪根1.1%～2.6%,Ⅲ型干酪根0.7%～2.0%,海相石油1.5%～3.5%。3.3.4儲層壓力對儲藏壓力的影響地層壓力的大小也影響頁巖層中吸附氣量的大小。在Barnett頁巖巖心甲烷等溫吸附關系曲線中發(fā)現(xiàn),吸附氣量與地層壓力成正比關系,頁巖中的地層壓力越大,其吸附能力越強。許多學者認為,不同地區(qū)有機質(zhì)含量、產(chǎn)氣量及周圍頁巖封存能力的不同會引起壓力梯度的差異;有些地質(zhì)學家還認為,天然裂縫也可能會是原因之一。3.3.5泥盆紀頁巖及更老的巖石埋深一般頁巖氣的工業(yè)聚集需要足夠的厚度及埋深,沉積厚度是保證足夠的有機質(zhì)及充足的儲集空間的前提條件。厚度越大,也越能增強頁巖的封蓋能力,有利于氣體的保存。一般地,頁巖的厚度在91.5～183.0ml。研究表明,泥盆紀頁巖及更老的巖石在抬升到現(xiàn)在的海拔之前經(jīng)歷過很深的埋藏。這個構造歷史創(chuàng)造了有機質(zhì)大量生成的環(huán)境和能夠儲集經(jīng)濟可采的油氣的圈閉機理。從美國的有關資料考察,頁巖氣儲層的埋藏深度范圍比較廣泛。埋深從最淺的76m到最深的2439m,主要介于762～1372m。美國正在開采的頁巖氣盆地的埋深都不是很大,大多都是以淺層開采為主,這是由于過高的埋深會加大勘探的難度及成本。但隨著埋深的增大,溫度壓力不斷升高,有機質(zhì)的演化程度也會隨之變大,會更有利于頁巖的生氣與吸附。隨著技術進步及對能源的不斷需求,人們現(xiàn)在越來越把目光關注在深部埋藏的頁巖氣。3.4巖相壓裂發(fā)育的裂縫系統(tǒng)構造作用對頁巖氣的生成和聚集有重要的影響,其影響作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,構造作用能夠直接影響泥頁巖的沉積作用和成巖作用,進而對泥頁巖的生烴過程和儲集性能產(chǎn)生影響;構造作用還會造成泥頁巖層的抬升和下降,從而控制頁巖氣的成藏過程;構造作用可以產(chǎn)生裂縫,可以有效改善泥頁巖的儲集性能,對儲層滲透率的改善尤其明顯。在美國正在進行商業(yè)開采的頁巖氣盆地,一般是在經(jīng)歷了區(qū)域地質(zhì)構造運動后,在巖石表面形成褶皺、裂縫或是被擠壓,并且經(jīng)歷多次的海平面變化形成有效的不整合。這些裂縫和不整合面為頁巖氣提供了聚集空間,也為頁巖氣的生產(chǎn)提供運移通道。由于頁巖中極低的基巖滲透率,開啟的、相互垂直的或多套天然裂縫能增加頁巖氣儲層的產(chǎn)量(Hill,2000)。美國東部地區(qū)產(chǎn)氣量高的井,都處在裂縫發(fā)育帶內(nèi),而裂縫不發(fā)育地區(qū)的井,則產(chǎn)量低或不產(chǎn)氣,說明天然氣生產(chǎn)與裂縫密切相關。導致產(chǎn)能系數(shù)和滲透率升高的破裂作用,可能是由干酪根向瀝青轉化的熱成熟作用(內(nèi)因)或者構造作用力(外因),或者這兩者產(chǎn)生的壓力引起。控制頁巖氣產(chǎn)能的主要地質(zhì)因素為裂縫的密度及其走向的分散性(圖2),裂縫條數(shù)越多,走向越分散,氣產(chǎn)量越高。目前,只有少數(shù)天然裂縫十分發(fā)育的頁巖并不采取增產(chǎn)措施便可進行天然氣商業(yè)性生產(chǎn)。在其它的大多數(shù)情況下,成功的頁巖氣井需要進行水力壓裂。人工激發(fā)裂縫可以為頁巖氣提供儲集空間、提高滲透率,同時人工裂縫可以將原本孤立的孔隙、裂縫連通起來。一個頁巖氣井的成功與否,不僅與氣藏中頁巖氣的豐度有關,也與頁巖層中足夠的滲透率及有效的完井和人工裂縫有關。天然裂縫系統(tǒng)可以有利于頁巖氣產(chǎn)出,但是有時會阻礙人工裂縫,減少頁巖氣的產(chǎn)出。一些近期的研究發(fā)現(xiàn),Barnett頁巖中天然裂縫的存在阻礙了人工裂縫。Barnett頁巖中的斷裂被碳酸鈣完全封閉且不易被壓裂,同時,斷層還將增產(chǎn)措施的能量傳導出去而不是使堅硬的頁巖發(fā)生破裂,這樣的增產(chǎn)措