页岩气藏压裂工艺技术研究

页岩气藏压裂工艺技术研究

在许多含油气的盆地中，岩浆岩用作泉岩产生油气，或作为地质覆盖层，以将油气储存在生产和储存层中，以防止有机碳在表面发生变化。然而在一些盆地中,具有几十到几百米厚、分布几千至几万平方公里的富含有机质页岩层可以同时作为天然气的源岩和储层,形成并储集大量的天然气(页岩气)。天然气可以在页岩的天然裂缝和孔隙中以游离方式存在、在干酪根和粘土颗粒表面以吸附状态存在,甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。我们把这些储存在页岩层中的天然气称为页岩气(Shalegas)。大多数产气页岩具有分布范围广、层厚、普遍含气等特点,这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。1岩气井开发的意义页岩气勘探生产和开发研究最早开始于美国,1821年第一口页岩气井钻于纽约Chautauga县泥盆系Dunkirk页岩,虽然只有8.2m深,但也产出了能够用于照明的天然气。目前,美国已经拥有超过39500口页岩气井,到2005年年底页岩气总产量大约是6000×108ft3/年,占美国总天然气产量的8%,而美国页岩气总资源量估计在(500～600)×1012ft3范围内。全球有许多盆地都具有生产页岩气的潜力,但除了美国以外还没有见到有关页岩气商业化开采的报道,目前人们对于页岩气勘探开发理论的了解仅限于美国几大页岩气井的成功开采经验。但随着世界能源消费量的猛增和供需矛盾的日益突出,页岩气潜在的巨大资源已引起了许多国家地质学者的普遍重视。我国在许多地区有巨厚的泥页岩沉积并有良好的生油条件,是具有形成页岩气藏的条件的,因此在泥页岩中寻找油气资源应引起足够的重视。本文主要以美国页岩气的勘探开发资料为依据,探讨了页岩气成藏的基本地质条件。2标准的测定页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础,要求生烃有机质含量达到一定标准。那些“肥沃”的黑色泥页岩通常是页岩气成藏的最好岩性,一般情况下,页岩气的生成主要与含气页岩的地球化学特征有关,如干酪根类型、总有机碳、气体含量、烃的相态、成熟度和埋藏史、演化程度等。2.1机质条件氧背景黑色页岩的形成需要大量的有机质供给、较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。大量的有机质是烃类生成必需的物源基础;快速的沉积速率使得富含有机质页岩在被氧化剥蚀等破坏之前能够大量沉积下来;缺氧抑制了微生物的活动性,减小了对有机质的破坏作用。在沉积埋藏后控制甲烷产量的因素是缺氧环境、缺硫酸盐环境、低温、富含有机物质和充足的储存气体的空间。2.2岩石学和矿物学特征页岩是主要由固结的粘土颗粒组成的片状岩石,是地球上最普遍的沉积岩石。尽管含气页岩通常被称作“黑色页岩”,其实并不仅仅是指单纯的页岩,它也包括细粒的粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及灰岩、白云岩等。在矿物组成上,主要包括一定数量的碳酸盐、黄铁矿、粘土质、石英和有机碳。页岩作为岩层,为不同颗粒大小和不同岩性的混合。矿物成分对于成功的完井是非常重要的。页岩气的产出依赖于制造裂缝的能力、天然裂缝的存在或是可渗透岩相的互层的存在。根据页岩气工作者的经验,含气页岩作为细粒致密砂岩储层,富含硅质的页岩要比富含粘土质页岩在人工压裂中起到更好的作用。2.3有机地化特征2.3.1有机质含量高与常规气藏相同,不管是生成生物成因气还是热成因气,源岩都需要充足的有机质。含气页岩中的有机质含量很高,美国五大页岩中的总有机碳含量一般在1.5%～20%,通常总有机碳含量在0.5%以上的页岩可认为是有潜力的源岩。有机质含量随岩性而变化,富含粘土质的地层最高,成熟的地下样品与未成熟的露头样品也有显著区别。2.3.2型干结构根美国页岩气盆地的页岩中的干酪根主要以Ⅰ型与Ⅱ型干酪根为主,也有部分Ⅲ型干酪根。不同的干酪根类型的页岩中都生成了大量的气,干酪根的类型并不影响源岩层的产气数量,它只影响天然气吸附率和扩散率,有机质的总量和热成熟度才是决定源岩产气能力的重要变量。2.3.3页岩气储层的有机成因气在热成因的页岩气储层中,烃类是在时间、温度和压力的共同作用下生成。干酪根的成熟度不仅可以用来预测源岩中生烃的潜能,还可以用于高变质地区寻找裂缝性页岩气储层的潜能,作为页岩储层系统有机成因气研究的指标。页岩的热成熟度可以从0.4%～0.6%(临界值)到0.6%～2.0%(成熟),页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。不同类型的有机质在不同演化阶段生气量不同,但在有机质演化初期即R。大于0.4,页岩中只要有烃类气体生成,它们就有可能在页岩中聚集起来形成气藏。五大页岩的Ro值均大于0.4%。2.4页岩气为热成因气页岩气主要通过两种途径从源岩中生成:作为生物成因气,通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入作用中厌氧微生物的活动形成;作为热成因气,通过在埋藏比较深或温度较高时干酪根的热降解或是低熟生物气再次裂解形成,及油和沥青达到高成熟时二次裂解生成。页岩气既可以是生物成因气也可以是热成因气,或是生物成因气与热成因气的混合气,这与页岩中有机质演化程度有关。Barnett页岩气为热成因气,页岩中的有机质还生成了液态烃,这些石油经裂解构成了该区的部分天然气资源。而在密歇根盆地的Antrim页岩,具有双重成因,即为热成因气和生物成因气的混合气。3岩浆岩气储层特性3.1圈闭和盖层与常规气藏的成藏规律不同,页岩既可以是源岩也可以是储层,甚至可以充当圈闭和盖层。烃类气体在页岩层中生成后,会在页岩自身储集成藏,属于“连续型”聚集,“连续型”聚集这个概念是由美国地质调查所在1995年美国全国油气资源评价中提出。3.1.1游离孔隙复合吸附法气体在页岩储层中主要以两种主要的方式储集:在天然裂缝及有效的大孔隙中以游离状态存在;在有机质或矿物固体颗粒表面以吸附状态存在。页岩吸附能力的多少通常与页岩的许多特征有关,如总有机碳含量、干酪根成熟度、储层温度、压力、页岩原始含水量和天然气组分。3.1.2储存大量气体作为储层,含气页岩大多显示出低的孔隙度(小于10%)。页岩中一般具有双重孔隙性质(原生孔隙和次生孔隙同时存在)。气藏中的原生孔隙系统由十分微细的孔隙组成,在原生孔隙中存在大量的内表面积。内表面积拥有许多潜在的吸附地方,它可储存大量气体。Antrim页岩中大约70%～75%的产出气是来自页岩内的有机质和粘土析出的,其余则来自页岩内的裂缝。页岩可以有很大的孔隙度,并在这些孔隙里储存大量的油气。即便在老的页岩中,例如阿巴拉契亚盆地的Ohio页岩和密歇根盆地的Antrim页岩,孔隙度平均在5%～6%,可达到15%,游离气可以充满孔隙中的50%。页岩具有极低的渗透率,其渗透率甚至比含气致密砂岩还要低很多(远小于0.001μm2)。而在圣胡安盆地的Lewis页岩中,虽然基岩的孔隙度和渗透率只有1.72%和1×10-7μm2,但页岩中的一些天然裂缝及粉砂岩和砂岩的互层会提高渗透率,在开采过程当中,人们通过人工压裂来提高页岩的渗透性能而得到工业气流。3.1.3热成因气页岩气藏成气页岩气藏中通常具有异常压力,热成因的页岩气藏一般以高压为主要特征,而生物成因的页岩气藏则一般为低压为主要特征。热成因气是在足够的埋深下,在温度和压力的共同作用下生成,具有热成因气的页岩气藏通常都是在经历过足够的埋藏作用,压实作用、上覆地层压力的作用、流体热增压及有机质向烃类转化过程中由于体积的膨大等引起了高异常地层压力;而生物成因气埋藏深度比较浅,易形成异常低压,如密执安盆地的Antrim页岩。3.2盆地发育过程中-高成熟阶段的页岩盖层页岩超低的孔渗性使得页岩气对于盖层的要求不像常规气藏那么苛刻,由于页岩的颗粒比较致密,它本身就可以作为页岩气的盖层。在盆地发育过程中,页岩盖层的质量极不稳定。页岩在中-高成熟阶段显示为渗漏的,并且有石油和热成因气生成,排驱到周围地层中遇到其它合适的盖层重新聚集。所以,页岩气的盖层多变,既包含页岩本身(阿巴拉契亚盆地和福特沃斯盆地),也包括页岩周围的细粒致密岩层,如斑脱岩(圣胡安盆地)、冰碛物(密歇根盆地)和页岩/碳酸盐岩(伊利诺斯盆地)。3.3影响岩气集中的地质因素3.3.1总有机碳的吸附能力有机质含量是生烃强度的主要影响因素,它决定着生烃的多少。页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源,也可以像是海绵一样将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在线性关系。在相同压力下,总有机碳含量较高的页岩比其含量较低的页岩的甲烷吸附量明显要高。在对Antrim页岩总有机碳含量与含气量关系的研究中发现,二者呈密切的正相关关系(图1),说明含气量主要取决于其总有机碳含量。3.3.2热成因气储集空间含气页岩的热成熟度越高表明页岩生气量越大,页岩中赋存的气体也越多。研究发现,低成熟Barnett页岩的地方,产气速率就比较低,这可能是由于生成的天然气的量少以及残留的液态烃堵塞喉道造成的。在许多Barnett页岩高成熟的井当中,产气速率比较高,这是因为干酪根和石油裂解产生的气量迅速增加。在密歇根盆地的Antrim页岩中,热成因气含量在向盆方向,即向干酪根热成熟度增加的方向不断增加。干酪根的热成熟度也影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气量。此外,随着演化程度的增高,由于烃类气体生成引起的地层压力增大也可以提高页岩对气体的吸附性能,在压力升高到一定程度时,在地层中产生的微裂缝也是页岩气赋存的良好储集空间。因此,热成熟度是评价可能的高产页岩气的关键地球化学参数。3.3.3主项目期产气率及有机质成气率众所周知,Ⅰ型与Ⅱ型干酪根主要以生油为主,Ⅲ型干酪根主要以生气为主。由于不同干酪根的化学组成和结构特征不同,因而不同阶段产气率会有较大变化。在实验条件下(据赵文智等,2006),不同升温速率有机质的成气转化基本一致,但主生气期(天然气的生成量占总生气量的70%～80%)对应的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储层压力对储藏压力的影响地层压力的大小也影响页岩层中吸附气量的大小。在Barnett页岩岩心甲烷等温吸附关系曲线中发现,吸附气量与地层压力成正比关系,页岩中的地层压力越大,其吸附能力越强。许多学者认为,不同地区有机质含量、产气量及周围页岩封存能力的不同会引起压力梯度的差异;有些地质学家还认为,天然裂缝也可能会是原因之一。3.3.5泥盆纪页岩及更老的岩石埋深一般页岩气的工业聚集需要足够的厚度及埋深,沉积厚度是保证足够的有机质及充足的储集空间的前提条件。厚度越大,也越能增强页岩的封盖能力,有利于气体的保存。一般地,页岩的厚度在91.5～183.0ml。研究表明,泥盆纪页岩及更老的岩石在抬升到现在的海拔之前经历过很深的埋藏。这个构造历史创造了有机质大量生成的环境和能够储集经济可采的油气的圈闭机理。从美国的有关资料考察,页岩气储层的埋藏深度范围比较广泛。埋深从最浅的76m到最深的2439m,主要介于762～1372m。美国正在开采的页岩气盆地的埋深都不是很大,大多都是以浅层开采为主,这是由于过高的埋深会加大勘探的难度及成本。但随着埋深的增大,温度压力不断升高,有机质的演化程度也会随之变大,会更有利于页岩的生气与吸附。随着技术进步及对能源的不断需求,人们现在越来越把目光关注在深部埋藏的页岩气。3.4岩相压裂发育的裂缝系统构造作用对页岩气的生成和聚集有重要的影响,其影响作用主要体现在以下几个方面:首先,构造作用能够直接影响泥页岩的沉积作用和成岩作用,进而对泥页岩的生烃过程和储集性能产生影响;构造作用还会造成泥页岩层的抬升和下降,从而控制页岩气的成藏过程;构造作用可以产生裂缝,可以有效改善泥页岩的储集性能,对储层渗透率的改善尤其明显。在美国正在进行商业开采的页岩气盆地,一般是在经历了区域地质构造运动后,在岩石表面形成褶皱、裂缝或是被挤压,并且经历多次的海平面变化形成有效的不整合。这些裂缝和不整合面为页岩气提供了聚集空间,也为页岩气的生产提供运移通道。由于页岩中极低的基岩渗透率,开启的、相互垂直的或多套天然裂缝能增加页岩气储层的产量(Hill,2000)。美国东部地区产气量高的井,都处在裂缝发育带内,而裂缝不发育地区的井,则产量低或不产气,说明天然气生产与裂缝密切相关。导致产能系数和渗透率升高的破裂作用,可能是由干酪根向沥青转化的热成熟作用(内因)或者构造作用力(外因),或者这两者产生的压力引起。控制页岩气产能的主要地质因素为裂缝的密度及其走向的分散性(图2),裂缝条数越多,走向越分散,气产量越高。目前,只有少数天然裂缝十分发育的页岩并不采取增产措施便可进行天然气商业性生产。在其它的大多数情况下,成功的页岩气井需要进行水力压裂。人工激发裂缝可以为页岩气提供储集空间、提高渗透率,同时人工裂缝可以将原本孤立的孔隙、裂缝连通起来。一个页岩气井的成功与否,不仅与气藏中页岩气的丰度有关,也与页岩层中足够的渗透率及有效的完井和人工裂缝有关。天然裂缝系统可以有利于页岩气产出,但是有时会阻碍人工裂缝,减少页岩气的产出。一些近期的研究发现,Barnett页岩中天然裂缝的存在阻碍了人工裂缝。Barnett页岩中的断裂被碳酸钙完全封闭且不易被压裂,同时,断层还将增产措施的能量传导出去而不是使坚硬的页岩发生破裂,这样的增产措