页岩气储层的特殊性与评价方法

页岩气储层的特殊性与评价方法

在富有酸盐的岩石中补充天然气，即棕榈气，是世界上非常常见的天然气资源。2000年以来,由于相关勘探开发技术得到了广泛应用,页岩气的年产量和经济、技术可采储量迅速攀升。至2010年,美国页岩气年产量快速攀升至超过1379×108m3,占全国天然气年总产量的23%。可见页岩气在美国天然气工业中所占的重要地位。2012年3月1日,国土资源部召开新闻发布会,首次公布了我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42×1012m3,可采资源潜力为25.08×1012m3(不含青藏区),展示了我国巨大的页岩气资源潜力。从美国的非常规天然气勘探研究现状及其发展趋势分析可以预测,页岩气不久也将会成为我国能源地质领域中的热点。现代概念的页岩气是主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力泥岩及页岩等地层中的天然气聚集,具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点。细粒泥页岩的成分和结构决定了其一个显著特点是孔隙结构细小,主体以微孔隙和中孔隙为主,这也决定了页岩气的赋存状态以吸附作用为主,因此,页岩气的赋存状态与页岩的显微孔隙结构具有密切的联系。然而,目前缺少关于页岩中孔隙度、孔隙大小分布与总储气量之间关系的研究。由于页岩储层特殊的孔隙结构以及其中天然气特殊的赋存状态,导致常规油气储层的评价方法体系难以适用于特殊的页岩气储层。然而,目前对于页岩气储层的评价尚没有统一的规范和方法,这必然会影响对我国页岩气资源的勘探与评价。本文试图从页岩气储层的特殊性入手,探讨页岩气储层评价的思路、方法和内容,以期尽快促进页岩气储层地质评价的规范化和科学化。1岩浆岩气储层的特殊性1.1不同地区罪犯toc含量比较由于页岩气具有自生自储特点,故有机质含量高是页岩气储层的基本特征。美国福特沃斯盆地Barnett页岩的残余有机碳(TOC)含量一般为3%~13%,平均为3.9%;德拉华盆地Barnett页岩的TOC含量也比较高,其中较高的层段平均为4.4%;密歇根盆地Antrim页岩TOC含量为0.5%~24.0%;加拿大西部盆地的Muskwa组和上BesaRiver组页岩层的TOC含量大部分在2.0%之上,最高达到5.7%。不难看出,北美典型页岩气发育区泥页岩有机碳含量均相对较高。笔者近年通过资料总结和样品测试,对四川、滇东、黔北、渝东南、湘西和鄂西等地下古生界牛蹄塘组(及相当层位)和龙马溪组富有机质页岩中TOC含量进行统计,结果发现,下寒武统TOC含量较高,普遍大于1%,但变化范围大,一般为0.04%~14.3%,平均为3.42%,TOC含量大于1%的样品数占分析总数的92.3%,TOC含量大于3%的样品数占分析总数的36.92%;下志留统TOC含量普遍大于1%,各地区有机碳含量变化范围很大,一般为0.07%~7.94%,平均为2.54%。TOC含量大于1%的样品数占分析总数的78.75%,TOC含量大于2%的样品数占分析总数的52.5%。1.2ohio、wodford/barnett页岩粘土粘土矿物含量高是富有机质页岩的另一特点。如美国Bossier页岩粘土矿物含量可高达70%;Ohio、Woodford/Barnett页岩粘土含量在15%~65%,其中Barnett硅质页岩粘土矿物通常小于50%。笔者对上扬子地区下古生界富有机质页岩的研究发现,其粘土矿物含量在20%~65%(图1)。由此可见,富有机质页岩中粘土矿物含量通常在50%左右。1.3富有机质页岩岩石学特性富有机质页岩从岩石结构上属于泥质结构(粒度<0.0039mm),组成岩石的矿物粒度细小是其显著特征。从前述可知,富有机质页岩的矿物组成中,粘土矿物的含量高。由于粘土矿物晶体非常细小,这从一定程度上决定了岩石结构的粒度。同时,富有机质页岩一般沉积在远离物源的相对深水和静水环境中,故搬运到这样环境中的碎屑矿物也是经历了长距离搬运的细粒组分,通常也是泥级的碎屑颗粒。即使有粉砂级的碎屑矿物存在,也是少量的。如果当粉砂级的碎屑颗粒达到较高比例(>50%),则该岩石就已经是(泥质)粉砂岩,而不属于泥页岩范畴了。1.4富有机质页岩孔隙度页岩气储层具低孔、特低渗致密的物性特征。美国主要产气页岩储层岩心分析总孔隙度分布在2.0%~14.00%,平均为4.22%~6.51%;测井孔隙度分布在4.0%~12.00%,平均为5.2%。渗透率一般小于0.1mD,平均喉道半径不到0.005mm。笔者在对上扬子地区下寒武统富有机质页岩孔隙度测定显示,其大小为0.7%~25.6%,平均6.96%,其中孔隙度小于2%的占16.1%,分布在2%~7%的占全部样品的48.4%,渗透率主要分布在0.0018~0.056mD,平均0.0102mD,渗透率小于0.01mD的样品占总数的61%;下志留统富有机质页岩孔隙度在0.77%~19.5%,平均5.05%,其中孔隙度小于2%的占13.9%,分布在2%~7%的占全部样品的69.4%,渗透率主要分布在0.0013~0.058mD,平均0.0102mD,渗透率小于0.01mD的样品占全部样品的31.3%。1.5岩石孔径分布根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类,将孔隙直径<2nm的称为微孔隙(micropores),2~50nm的为中孔隙(mesopores,有人译为介孔),>50nm的为宏孔隙(macropores,有人译为大孔)。细粒泥页岩的一个显著特点是孔隙结构细小,主体以微孔隙和中孔隙为主。笔者对渝东南渝页1井下志留统龙马溪组页岩的岩心进行了系统的采样,并进行了比表面和孔径分析。结果显示,黑色页岩的平均孔径分布在3.51~6.76nm,大多数的孔径分布在2~5nm,即以中孔隙为主;中孔体积占到了总体积的70%左右(图2)。1.6型金相结构层内的表面积泥页岩由于粒度细,孔喉小,从而导致其相对于固相岩石中的大孔隙具有更大的内表面积。泥页岩中粘土矿物含量高。粘土矿物由于粒度细小而具有较大比表面积。尤其是蒙脱石矿物,其外表面积类似于其他粘土矿物和细粒矿物,但是其特殊的2∶1型层状结构层内的表面积可比外表面积高1到2个数量级。高岭石通常有<10m2·g-1的比表面积,而蒙脱石可达到900m2·g-1的比表面积。因此,若沉积物中含有中等含量的蒙脱石,其总的矿物比表面积中蒙脱石的内表面积将是主要贡献者。1.7埋深对岩石破裂作用的影响含气页岩中,有机质的成熟度都比较高,反映其经历了较深的埋藏过程。富有机质页岩在埋藏过程中,随着埋深的增加,温度的升高,伴随着岩石体积的缩小、孔隙减少,还发生成岩矿物相的转变(蒙脱石/伊-蒙混层矿物/伊利石)和成岩裂缝的产生,有时还受构造应力作用导致岩石发生破裂作用。这些成岩作用都在一定程度上影响着页岩的孔隙体积和孔隙结构,从而影响着其中页岩气的赋存状态和含气量。1.8页岩吸附态岩石气已有研究初步认为,赋存于中-微孔隙中的页岩气主要以吸附态存在,而赋存于宏孔隙和微裂缝中的页岩气则主要以游离态存在。细粒泥页岩的一个显著特点是孔隙结构细小,主体以微孔隙和中孔隙为主,这也决定了页岩气的赋存状态以吸附作用为主。据Curtis统计,吸附态页岩气含量占页岩气总含量的20%~85%。Mavor指出Barnett组页岩吸附态页岩气应占原始页岩气地质储量的61%。李新景等认为吸附态页岩气的含量可能至少占页岩气总量的40%。聂海宽等总结分析了Barnett页岩的大量研究资料,认为40%~60%的天然气以吸附态赋存于页岩中。目前已有越来越多的研究者认同Curtis和Martini等提出的观点,即吸附作用是页岩气聚集的基本属性之一,如Michigan盆地的Antrim页岩,其吸附态页岩气占气体总量的70%~75%。国内许多研究者也注意到了泥页岩中天然气存在的吸附性问题。如张金川等指出,页岩中可能有较大一部分天然气是以气体分子形式吸附于页岩表面或溶解于页岩内部的流体之中;樊明珠等进一步指出,页岩中存在大量吸附状天然气。2储层储气特征与孔隙结构的关系就常规储层而言,储层评价的核心是其孔隙度和渗透率。孔隙度大小决定了储层储集油气的数量,而渗透率则决定了开发过程中油气的产量。然而,对于页岩气储层而言,不仅其孔隙度低,而且其孔隙结构反映出孔喉半径极小,以纳米级大小为主,从而决定了其中的天然气以吸附赋存为主,游离相赋存的相对较少,且渗透率极低。因此,原始富有机质页岩中的天然气是不能通过流体相在储层中的渗流作用而得以开发的,必须对其进行人工改造,如水力压裂,对其孔缝系统进行改造,使得原呈吸附态的天然气得以解吸,进入到人工改造后的大型孔缝系统中呈游离态发生迁移而得到开发。由此可见,页岩的孔隙体积和孔隙结构决定了其储气能力的大小和天然气的赋存状态,页岩储层的后期压裂可改造性则决定了其开发的效率,而原始渗透率在页岩气储层中均极低,故在评价中不是关键因素。页岩气储层由于其孔隙结构的特殊性,使得常规的储层物性分析测试手段,如铸体薄片、孔渗测定、压汞等在页岩气储层测试中难以奏效。因此,在评价其孔隙体积和孔隙结构过程中,必须采用特殊的分析测试方法和手段,如利用低压N2比表面测定研究中孔隙(mesopores)和宏孔隙的孔隙大小分布;利用低压CO2方法测定中孔隙和微孔隙(micropores)的体积和大小分布;利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观察黑色页岩显微孔隙形态与分布等。由于这些方法相对比较特殊,故不易大批量进行。不过,已有研究充分证明,富有机质页岩的显微孔隙体积和孔隙结构与页岩组成(粘土矿物种类和含量、碎屑矿物含量、有机质含量、有机质类型、有机质成熟度等)之间存在着密切的相关关系。我们在对渝东南渝页1井志留系龙马溪组富有机质页岩的研究发现,粘土矿物含量与中孔体积呈正相关,碎屑矿物的含量与宏孔体积呈正相关,有机质成熟度(Ro)的增高与宏孔体积的增加相一致,高成熟度有机碳(TOC)含量与宏孔隙体积也呈正相关,粘土矿物含量与微孔体积具有负相关(图3),因此我们认为粘土矿物是中孔体积的主要贡献者,对微孔体积贡献不大,碎屑矿物的增加有助于宏孔体积的增加,Ro和高成熟度TOC含量与宏孔体积呈正相关,可能是由于高成熟有机组分中微裂缝导致的。富有机质页岩物质组成与孔隙体积和孔隙结构之间的内在联系,为我们利用页岩组成的这些常规参数定性地评价其显微孔隙体积和孔隙结构奠定了良好的基础。页岩储层中的天然气赋存状态明显不同于常规储层,它们主体以吸附态赋存于页岩的显微孔隙中,仅在大的孔隙和微裂缝中以游离态存在。因此,对页岩储层储气性能的评价,除了其孔隙体积和孔隙结构外,其对天然气的吸附能力也是评价的一个重要指标之一。综上所述,页岩储层性质的特殊性决定了其评价手段和评价内容不同于常规油气储层,因此,在评价思路和方法上,也就有别于常规储层。概括地说,应遵循评价参数的直接测定与间接计算相结合、分析测试的常规手段与特殊方法相结合、评价对象的孔隙特征与吸附能力相结合。所谓的直接测定与间接计算相结合,是指对于诸如孔隙体积、孔隙结构、甲烷吸附量等评价参数,除了部分通过样品直接测试获得外,其他未进行直接测定的样品,可通过上述已测定样品的评价参数与页岩组成特征之间的内在联系,建立它们之间的数学关系,利用页岩组成特征的各种数据,间接地推算未测样品的评价参数。分析测试的常规手段与特殊方法相结合,指的是页岩气储层评价参数的测定过程中,除了利用常规的孔渗测定、压汞等方法外,对于显微孔隙体积和孔隙结构,还需借助于低压N2比表面测定、低压CO2方法测定各种孔隙体积和分布,利用原子力显微镜(AFM)和核磁共振(NMR)技术,观察和描述显微孔隙的结构和分布。至于评价对象的孔隙特征与吸附能力相结合,是由于页岩气特殊的吸附赋存状态,使得对其储气性能的评价,除了评价其孔隙体积和孔隙结构的分布外,还必须评价其吸附天然气的能力。因为即使后期解吸到裂缝中的游离态天然气,其原始状态也是被吸附在页岩中,故吸附能力是评价页岩气储层储气性能的重要指标之一。3常规储层与岩石学风险页岩气储层的特殊性、页岩中天然气赋存状态以及页岩气的连续聚集等特征决定了其评价思路和方法与常规储层的有较大区别,相应地,对其评价内容也就有别于常规储层。除了与常规储层相同的储层岩石学特征和物性特征外,还应考虑其吸附天然气的能力及其压裂改造的难易程度。本文根据国际上的评价经验和我们近期的评价实践,将页岩气储层的评价内容总结为以下几个方面。3.1储层精细评价指标含气页岩的岩石组成是储层评价的基础。对其岩石组成的评价,包括了以下内容。(1)矿物组成。重点是粘土矿物的种类(伊利石、蒙脱石、伊-蒙混层矿物、高岭石、绿泥石等)和含量、碎屑矿物(石英、长石等)的含量、化学沉淀矿物(方解石等)和成岩自生矿物(黄铁矿等)的含量等。(2)结构构造。由于粘土矿物的粒度都比较细小,故这里的结构特征主要是指陆源碎屑矿物的粒度及其多少。陆源碎屑矿物的粒度和含量直接影响着页岩储层的孔隙结构和储气性能。构造主要是指由页岩成分或结构变化所引起的纹层构造。这些纹层构造对储层孔隙结构和储气能力的纵向和横向非均质性具有重要影响。(3)有机质含量和成熟度。这是页岩气储层评价中最主要的参数之一。它不仅影响页岩储层的质量,还决定着页岩的生气潜力。(4)有机质类型与有机显微组分。对于页岩中的有机质,应分析其干酪根类型,同时,还要对其有机显微组分如镜质组、壳质组、丝质组等进行鉴定,以评价不同类型有机质和不同显微组分对页岩气储层的影响。(5)成岩作用。利用有机质成熟度、成岩自生矿物组合、岩石压实固结程度和改造破裂程度等,分析其成岩阶段和成岩强度。(6)空间分布。分析上述岩石组成各参数在纵向上和平面上的分布特征,总结其变化规律。3.2显微孔隙度的表征页岩储层的孔隙度很低,渗透率极低。在页岩气储层评价中,除了运用常规的孔渗测定评价其孔隙度和渗透率外,还需借助低压N2、低压CO2等方法,分析和测定其显微孔隙体积的大小和分布(微孔、中孔、宏孔),并探索其与岩石组成各参数之间的内在联系。3.3储层结构类型页岩气的储集空间主要包括显微孔隙和裂缝两大类。(1)孔隙。(1)孔隙类型:页岩中的孔隙,从其成因看,主要有矿物粒间孔、粘土矿物晶体结构层间微孔(主要是蒙脱石)、有机微孔、次生溶蚀孔等;(2)孔隙结构:页岩孔隙结构的最主要特征是孔喉细小,以显微孔隙为主,按其孔隙大小,可将其分为微孔(<2nm)、中孔(2~50nm)和宏孔(>50nm)。(2)裂缝。裂缝是页岩气储层中重要的储集空间类型,按其成因可分为构造缝和成岩缝。前者是与构造应力有关的裂缝,通常规模相对较大,以宏观裂缝为主。后者是在成岩过程中形成,一般规模较小,以微裂缝为主,主要有以下几种类型:一是蒙脱石向伊利石转化的体积缩小而形成的微裂缝;二是有机质生烃形成的微环境局部超压引起的微裂缝;三是有机质高过成熟阶段的体积收缩形成的微裂缝。3.4地震勘探主要储层气水的分类页岩气赋存形式具有多样性。游离态页岩气大量存在于岩石大孔隙与裂隙中,吸附态页岩气主要吸附于有机质颗粒、粘土矿物颗粒、干酪根颗粒以及孔隙表面之上,而溶解态页岩气溶解于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中。页岩气的上述3种赋存形式中以游离态和吸附态为主,溶解态仅少量存在,因此,评价时可重点考虑游离气和吸附气。(1)游离气。游离态页岩气主要存在于宏孔和裂缝中,孔隙容积越大,则所含游离态气体含量就越高。Ross等发现当孔隙度从0.5%增大到4.2%时,游离态气体的含量从原来的5%上升到50%。由于游离态页岩气主要储存于岩石孔隙与裂隙之中,可发生层流渗透,故其含量的高低与构造保存条件密切相关。(2)吸附气。吸附气主要赋存于中孔、微孔中,同时,在宏孔隙和裂缝的孔壁上也是吸附气赋存的主要场所。对于吸附态页岩气,在储层评价时需要确定的是页岩的气体吸附能力,往往是通过等温吸附实验得到,但是它通常受到多种因素的影响,如有机碳含量、矿物成分、含水量、孔隙结构、温度和压力等。通过研究页岩气在粘土矿物、有机质表面的赋存形式和纳米孔隙的孔径分布对页岩吸附性能的影响,建立它们之间内在联系的数学关系,可以间接地确定大量未进行等温吸附实验测定页岩的气体吸附能力,计算吸附态页岩气的含量。3.5《理想国》2号由于页岩气很大部分以吸附态存在,故在开发过程中均要对储层进行压裂改造,因此