页岩气研究几个问题探讨

1、中国页岩气研究程克明中国石油勘探开发研究院2011.5月入主要内容一 页岩气藏的地质评价二 页岩气藏储层有效厚度及系统厚度划分三 页岩气勘探水平钻井导向四 页岩有机质成熟度对勘探开发影响五 页岩气藏的储集条件研究六 中国页岩气勘探开发层次一 页岩气藏的地质评价 页岩气藏的地质评价研究最核心问题是页岩的含气性和页岩的储集特征 含气性主要在现场利用岩芯在等温吸附仪中分别进行测试 页岩的储集特征比较复，由于其孔隙度和渗透性特低，目前孔隙度一般在超微电子显微条件下，用亚离子抛光技术观察N米级微孔。l有效页岩的生烃条件、沉积条件、厚度分布、TOC含量及热成熟度是基本条件u 生烃条件中最本质的是TOC含量

2、2.0%u Ro分布于1.2%3.0%u 沉积环境为深水陆棚u 有效黑色页岩一般厚度30m一 页岩气藏地质评价l页岩的储集条件，包括基质孔隙度、渗透率、页理及微裂隙的发育、矿物组成（特别是石英含量）、等温吸附曲线所显示该页岩的最大吸附气含量等l页岩的保存条件，主要是生烃和储集条件的保存页岩气生产能力关键要素页岩气生产能力关键要素 龙卷风图龙卷风图 包括敏感性包括敏感性页岩含气量（scf/ton）0246810120200400600800页岩含气量有机碳含量（wt,%）二 页岩气藏勘探开发有效页岩厚度及页岩系统厚度 有效页岩厚度及页岩系统厚度划分是页岩气勘探开发的地质研究中核心问题之一。它既涉

3、及开发层系划分和储集特征研究，又涉及水平井的导向方位及深度分布，同时还涉及资源潜力估算和页岩气开发主要目的层系的确定等基本地质问题。 根据文献调研，特别是J.B.Curtis（2002）的研究，并结合中国扬子地台下古生界筇竹寺组及龙马溪组两套黑色页岩的纵向变化及区域分布特征以及四川盆地威远（筇竹寺组）及川南（龙马溪组）的地质实践，提出有效页岩厚度系指该层组中单层厚度在3m以上，TOC含量2.0%黑色页岩的累计厚度谓之有效页岩厚度。TOC2%层段层段40-50m,GR高高 二 页岩气藏勘探开发有效页岩厚度及页岩系统厚度页岩气藏有效度及系统厚度划分既涉及资源评价和资源潜力计算，又涉及开发技术特别是

4、水平井钻探技术的导向。因此，页岩气藏有效厚度及系统厚度划分必需结合地质实际做精细工作。三 水平钻井的水平导向应以有效页岩分布的延长方向为导向 水平钻井及多段压裂是扩大吸气面积最有效手段。显然，水平钻井的导向应以有效黑色页岩分布的延长方向为导向方能实现最大限度增加吸气面积，实现高产和稳产。这是因为页岩中气体的赋存状态以干酪根的吸附、基质孔隙和微裂缝等储集空间的游离和沥青中的溶解等方式决定的。工四 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响 有机质热成熟度是判别源岩不同演化阶段产物特征的关键因素。从页岩气的观点出发，有机质成熟度越高，越有利于页岩气的生成和聚集。成熟度越高，由于页岩中各种赋存形态的有

5、机质发生降解和热裂解生烃并运移离开母体，从而增大了固体空间并导致页岩的基质孔隙度增大（据张同伟及Dan的研究页岩基质孔隙可增大3.74.2%）。因此，页岩有机质的热成熟度对页岩含气性的影响是一个值得进一步研究的问题。4 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响在一定成熟度范围内，页岩有机质成熟度越高，有机固体颗粒微孔愈发育，其吸附性越强。以煤的演化为例： 4 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响2) 通过页岩生烃过程了解成熟度过高的页岩对其含气性的影响 (1) 几种典型源岩成熟度与烃转化率关系 a 海相源岩（环14井中奥陶统泥灰岩，Ro0.6%,TOC0.49%,I型母质） b 湖相泥岩（

6、泌80井，Eh，Ro0.27%，TOC 4.63%，I型母质） c 湖相泥岩（杜6-11井，K1，Ro0.43%，TOC 3.11%，II型母质）d 碳质泥岩（乌苏电厂，J2x，Ro0.42%， TOC 22.7%， III型母质）4 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响 (2)各类母质源岩热成熟度与烃产率关系4 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响 上述各类源岩不同成熟阶段的产物组成变化及总烃产率百分组成变化清楚说明：l 任何源岩其生烃过程均经历了生烃门限、生烃高峰、液态窗结束和气态烃沽竭阶段l 各类源岩生烃沽竭时的热成熟度一般RO值为3.03.2%。所谓生径沽竭即是该源岩的生烃量已

7、接近于零，亦即现今源岩的残余生烃潜力（S1+S2）接近于零l 上述实验说明：页岩有机质成熟度超过3.03.2%后，页岩的生烃潜力亦趋近于零，这一认识已为实验模拟和自然演化规律所证实。因此，页岩有机质成熟度过高（Ro3.2%），这类页岩对其吸附气含量的影响是我国页岩气勘探开发中值得重视的研究问题4 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响3) 关于成熟度Ro3.03.2%以上的页岩对含气量的影响的初步认识, 页岩有机质成熟度对其含气性的影响可从两个方面认识：00 5.1 0.1 5.2 0.2 5.Ro(%)510152025孔隙度（%）煤孔隙度与成熟度的关系（据李明潮等，1996）l 页岩的含

8、气性必需具备一定的热成熟度，即Ro值必需1.2%，此时页岩中的液态烃开始热裂解出现部份气态烃，随着成熟度增高，源岩演化进入湿气-凝析油（Ro1.32.0%）和干气阶段（Ro2.0%）。此阶段不仅有机质大量热降解生烃，其液态有机质也随着热成熟度增高而发生热裂解而大量生成气态烃l 与此同时，随着页岩中固体有机质的热降解和热裂解生烃并运移，从而导致页岩的基质孔隙增加（3.74.2%），增大了页岩中游离气的储集空间；除此之外，页岩中的残余固体有机质的微孔愈发育，对烃类气体的吸附力增强，有利于页岩的含气性增大少Ro0.5%Ro0.52%粒间微孔Ro1.35%Ro1.6%Ro%（据Loucks, Reed

9、, and Jarvie, 2009）Barnett页岩热演化过程中的孔隙变化4 页岩有机质的热演化程度及其对含气性的影响l 当页岩成熟度过高（Ro3.2%），页岩有机质的生烃潜力已接近或达到沽竭，页岩中只是现有微裂隙及基质孔隙中的游离气和有机颗粒及细颗粒对烃类气体的吸附以及基质孔隙及自然裂隙中以游离态储集的天然气。除此以外，再无生烃潜力的后续补给。因此，页岩中这种气还能称“根源气”和“连续型”聚气吗？这些问题都值得进一步研究。 更为重要的是，成熟度过高（Ro3.2%）的页岩气其开发寿命如何？这更是一个急待研究的问题。由此出发，我们研究中国海相页岩气过程中，除解剖高过成熟度页岩的先导试验之外，

10、还应在热成熟度Ro为1.52.5%区间的页岩进行比较性的实验研究，以期进一步明确上述问题。 五 关于页岩气储集特征研究 页岩储集条件（主要指页岩基质孔隙度、渗透率和天然裂隙的发育等）是页岩气成藏地质评价的重要组成部份。由于页岩矿物组成多以细粒硅、铝泥质为主，结构致密，原生基质孔隙一般为13%，后经不断发生的生烃和排烃作用，从而使固体有机物质的不断紧缩和源岩的储集空间有所增大（3.74.2%），进而使页岩基质孔隙度可达58%。另外页岩由于层理结构发育，自然微层理裂隙亦十分普见，这些因素都页岩的储集特征密切相关，而页岩储集条件不仅与其含气性戚切相关，且与其增产改造紧密相连 页岩吸附气含量的影响因素

11、分析 （单因素分析） l 页岩TOC含量对其吸附能力的分析l 干酪根类型及其转化程度对吸附能力（以单位重量中含气量表征）的分析l 页岩的矿物组成对吸附能力的分析l 温度、压力对页岩吸附能力的分析l 页岩孔隙度对吸附能力的分析l 页岩含水饱和度对吸附能力的分析页岩吸附气影影因素分析（多因素分析）l 页岩TOC-Ro-吸附能力分析l 页岩TOC-孔隙度-吸附能力分析l 页岩TOC-矿物组成（主要是粘土含量）-吸附能力分析l 页岩热演化程度与矿物组成变化分析l 页岩吸附能力与温压敏感性分析l 页岩吸附能力与TOC和含水饱和度变化分析页岩气藏的成藏机理 页岩气藏的成藏机理是原位“滞留成藏” ，连续型分

12、布。甲烷在页岩微孔（孔径小于2nm）中顺序充填，在介孔（孔径为250nm）中多层吸附至毛细管凝聚，在大孔中（孔径大于50nm）甲烷以压缩或溶解态赋存。成藏中经过吸收、解析、扩散等作用。页岩有机质直接生气或原油裂解成气，天然气首先在页岩有机质的孔内表面饱和吸附;之后解析扩散至基质孔隙中，以吸附或游离相原位饱和聚集。页岩气的成藏机理及过程从页岩气的成藏过程分析页岩储集空间研究对页岩气开发的重要性有机质和粘土颗粒表面吸附与解吸有机质和粘土颗粒表面吸附与解吸1-1-吸附阶段吸附阶段气体进入天然裂缝网络气体进入天然裂缝网络气体流入页岩基质孔隙气体流入页岩基质孔隙最终形成页岩气藏最终形成页岩气藏2-2-孔

13、隙充填阶段孔隙充填阶段3-3-裂缝充填阶段裂缝充填阶段4-4-页岩气藏阶段页岩气藏阶段集集l 微孔（0.75m）：与微体化石、化石碎片物质、黄铁矿莓状体等有关l 微孔（0.75m):主要类型，分布于有机质上，主要为有机质粒内和粒间孔硅质化石碎片中的粒间微孔基质颗粒内微孔粒间微孔（据Loucks, Reed, and Jarvie, 2009）l 由于页岩的特殊组成结构决定其孔隙分布需在不同尺度下进行研究，目前已进入纳米（nm）级别的研究（1nm= 10-9m)，一般原子直径为0.10.3nm，甲烷的分子直径为0.34nmTOC棱角状微孔直角状微孔与分散有机质相关的微孔球形微孔据Loucks,

14、Reed, and Jarvie, 2009据Loucks, Reed, and Jarvie, 2009球形微孔：18-46nm；面孔隙度：5.2%柱状内表结构：550nm；镜下孔隙度：5.2%管状孔吼（20nm)管状孔吼（20nm)页岩含气性及其与微孔比表面积关于页岩关系据统计目前世界上页岩含气性分布如下： 富含气：每吨页岩69方; 一般含气：每吨页岩25方; 工业下限：每吨页岩含气大于0.5方。 据统计1克致密砂岩比高面积达1平方公里;1克煤的比表面积相当于一个足球场大。由此可见，页岩的含气与微孔分布关系密切。六 中国页岩气研究的层次 根椐中国地质条件及现有勘探技术，中国页岩气研究应分为三个层次：根椐中国地质条件及现有勘探技术，中国页岩气研究应分为三个层次： 第一层次：以中国杨子地台下古生界为主的海相页岩气藏的勘探开发; 第二层次：中国华北陆相石炭-二叠系海陆过渡相页岩; 第三层次：中国中新生代泥页岩(此阶段的泥页岩勘探应油气并举) 。吐哈盆地吐哈盆地 P-J鄂尔多斯盆地鄂尔多斯盆地 T塔里木盆地塔里木盆地 南方地区南方地区 Z-P松辽盆地松辽盆地 K华北地区华北地区 Pt-O准噶尔盆地准噶尔盆地 P-J渤海湾盆地渤海湾盆地E中国页岩气有利勘探领域分布图6 中国的海陆过渡相及陆相泥页岩 从中国石