页岩气分析测试技术

1、页岩气实验测试技术一、页岩气富集机理及实验测试的特殊性页岩气是指天然气在泥页岩(部分粉砂岩)地层中以吸附和游离状态在主体上的聚集。张金川和金志军在研究吐哈盆地天然气问题时注意到了页岩气，进而讨论了页岩气的特征和成藏机理，并对页岩气进行了界定。他们认为页岩气是指天然气主要聚集在暗色页岩或高碳页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式。在页岩气藏中，天然气也存在于粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中，这些地层在天然气生成后靠近烃源岩。张金川等(2006)进一步阐明页岩气具有煤层气和根气的双重聚集特征，吸附机制的存在增加了页岩气资源，扩大了勘探领域，页岩气可能是中国南方进一步油气勘探的重要突破；

2、薛辉等(2006)从天然气成因机制和成藏机制两个方面划分了天然气类型，并对页岩气进行了研究。孙超等(2007)通过对页岩气藏和深盆气藏的对比研究，认为页岩气藏的形成需要大面积厚页岩，裂缝是其重要的储集空间，排烃方式主要是扩散、短距离运移、低孔低渗储层形成的隐蔽圈闭聚集，气藏中常存在异常地层压力。1.页岩气富集机制页岩气是一种重要的非常规天然气类型。与常规天然气相比，天然气的生成、运移、赋存、聚集、保存和成藏机理有许多相似之处，也有一些不同之处。页岩气成藏的生烃条件和过程与常规天然气成藏相同。页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定了其生烃能力和生烃时间。在油气运移方面，页岩气成藏表现出不运

3、移或短距离运移的特征，页岩中的裂缝和微孔成为主要运移通道。除了油气在页岩中的初次运移，常规天然气聚集还需要通过裂缝和孔隙等传输系统在储层中进行二次运移；它们在发生方式上有很大的不同。首先，储层和储存空间不同(常规天然气储存在碎屑岩或碳酸盐岩的孔隙、裂缝、溶解孔隙和洞穴中，页岩气储存在页岩中粘土矿物和有机物的表面和微孔中)。其次，常规天然气主要是游离的，页岩气主要是吸附和游离的；就盖层条件而言，从页岩气的赋存方式来看，其对上覆岩层条件的要求低于常规天然气；地层压力的降低会导致页岩气的解吸和损失。页岩气的成藏过程和机理与煤层气非常相似。吸附聚气机理、活塞气水驱替机理和驱替运聚机理都反映在页岩气的成

4、藏过程中。页岩气的勘探开发可以在基本地质条件的基础上，借助煤层气研究方法，解释页岩气的聚集特征和规律。页岩气不仅指存在于裂缝中的自由相天然气，也指遵循常规成藏机制的天然气聚集。根据不同的成藏条件，页岩气可以表现为典型的吸附机制、活塞运聚机制或驱替运聚机制。成藏机制以三种气藏为特征：煤层气、源气和常规天然气。因此，页岩气成藏反映了一个非常复杂的多机制过程，是天然气成藏机制序列的重要组成部分(根据张金川等人，2003年)。根据成藏过程，页岩气成藏机制可分为生成机制(主导地位是成因机制)、产状机制、运移机制和产出机制页岩气是一种非常规天然气类型，具有“自生自储”的特点。从实验上看，它既是烃源岩又是储

5、层，因此有必要测试同一个样品的生烃能力和储层能力，也有必要测试开发参数，以备后期开发。在常规天然气勘探实验中，对应于生烃能力的实验已经非常成熟。作为油藏实验，有必要进行特殊实验或改进常规测试方法，这是本文的主要研究重点。首先，阐述了页岩气聚集的机理，以便于下文对页岩特殊性的理解。页岩气的聚集和富集是一个极其复杂的地质过程，页岩气主要被吸附和解离，在聚集过程中没有或只有很短的距离运移。因此，从某种意义上说，页岩气藏具有典型的双重机制。它可分为三个主要作用过程：天然气生成箱吸附、膨胀造缝富集、活塞推进和驱替运移，每个过程产生各具特色的气藏类型。第一阶段是天然气在页岩中的生成、吸附和溶解，其机理与煤

6、层气成藏过程相同。在天然气的初始生成阶段，主要由生物作用产生的天然气首先满足吸附有机物和岩石颗粒的需要。当吸附气体积和溶解逸出气体积达到饱和时，富天然气以自由相或溶解相迁移逸出，在条件适宜时，可为水溶性气藏的形成提供丰富的气源。此时，页岩气藏分布仅限于页岩，以吸附为主，整体含气量有限。第二阶段：在产生大量热解气体的过程中，由于天然气的产生主要来自热化学能量的转化，它将密度较高的有机母质转化为密度较低的天然气。在一个相对封闭的系统中，物质密度的降低导致体积的膨胀和压力的增加，大量的天然气使原始地层压力不断增加，从而产生原始的高异常压力，即“压力锅”原理。由于压力上升，页岩中沿应力集中面、岩性接触

7、面或脆性弱面出现裂缝，天然气在其中聚集时容易形成以自由相为主的工业页岩气藏。此时，页岩气藏的形成主要是一个受气体膨胀力驱动的成藏过程，天然气在原地或附近分布，通过挤压和造缝形成运移、聚集和成藏特征。在此阶段，游离相天然气主要通过裂缝聚集，页岩地层的平均天然气丰度达到较高水平。第三阶段：随着更多天然气的不断生成，越来越多的自由相天然气不能完全保留在页岩中，从而产生由碳氢化合物生成和膨胀驱动的天然气“逃逸”作用。正常情况下，与页岩互见的储层主要为粉细砂岩，具有低孔隙度、低渗透率的特点，这决定了天然气的运移模式为活塞排水。这种气水驱替模式从页岩开始，通过活塞推进在页岩边缘产生根气聚集。此时，天然气的

8、聚集已经超过了页岩本身，表现出无边界、底水和浮力的地层含气特征。因此，根据对整个页岩系列的调查，无论是页岩地层还是薄互层分布的砂岩储层，一般都是水饱和的。2.页岩气的地质特殊性富含有机质的页岩既可作为气源岩，也可作为储层。页岩气的赋存方式、成藏机理和成藏过程与常规天然气有很大不同。因此，页岩气藏具有独特的地质特征。(1)页岩是自生自储的在页岩气聚集中，富含有机质的页岩是良好的烃源岩，页岩中的有机质、粘土矿物、沥青质、裂缝系统和粉砂岩夹层也可作为气藏，而泥质页岩孔隙度极低烃源岩：有机质含量大、分布广、厚度大的页岩，可产生大量天然气，具有长期稳定、连续供气的特点。储层：页岩作为一种储层，具有以下主

9、要特征：储层为页岩及其粉砂岩夹层；微孔和裂缝是页岩气的主要储集空间，裂缝的发育程度和趋势复杂。页岩裂缝宽度一般在2 mm以内，裂缝密度一般较大；天然气赋存状态的多边性(根据张金川等，2003)。吸附和解离是页岩气的主要赋存形式，少量以溶解形式存在；岩石物理性质差。由于页岩致密，其孔隙度和渗透率低于常规储集岩。只有在裂缝发育的地方，渗透率才能得到改善，但孔隙度的改善并不明显。盖层：在常规天然气储层中，由于页岩致密且渗透率低，通常可用作盖层。尽管页岩气的赋存方式不同于常规天然气，但致密页岩仍能封闭页岩气藏。(2)页岩气藏隐蔽，圈闭类型为裂缝圈闭。页岩气赋存方式和空间的特殊性决定了页岩气藏具有隐蔽性

10、和裂缝性圈闭。构造圈闭在页岩气藏的形成中不起主导作用，但长期稳定的构造背景可能对页岩气的聚集起积极作用。页岩孔隙小且不发育，游离状态的页岩气主要存在于裂缝系统中。页岩裂缝发育带往往是页岩气的有利聚集带，因此裂缝圈闭是页岩气藏的主要圈闭类型。(3)页岩一般以含气量为特征，但含气量和大分子烃饱和度较低因为页岩既是源岩又是储层，页岩气可以通过吸附存在。因此，页岩具有广泛的含气性质，并且在大面积内被页岩气饱和。与根气藏的一般含气机制不同，页岩气藏具有广泛的内涵，岩性上包括页岩、致密砂岩或砂质细粒岩，包括赋存状态下的吸附、解离和溶解，成藏机制上包括吸附与扩散、溶解与沉淀、活塞与位移等运聚过程。正常情况下

11、，页岩和致密砂岩(泥质粉砂岩和粉砂质泥岩等。)相互影响(4)页岩气富集带以裂缝发育为特征大多数页岩都有裂缝，其特征是具有不同成因(压差、裂缝、层理等)的网状裂缝系统。)。在页岩中，裂缝和溶解解理裂缝是主要的储集空间。次生储集空间：钙质条带中的溶孔、生物洞孔、粒间孔、粒间孔等。粒间孔隙主要指砂质和泥质双重孔隙。在钙质页岩与薄砂岩互层的地层中，存在页岩裂缝、层理裂缝和薄砂岩孔隙等储集空间。裂缝开发区不仅为游离页岩气的赋存提供了空间，也为页岩气的运移和聚集提供了运输通道，非常有利于页岩气的开发。美国页岩气的开发实践证明，只有裂缝发育的页岩气储层才能获得不压裂的工业气流，大多数页岩气储层必须压裂才能满

12、足工业生产要求。虽然页岩气具有一般地层含气特征，但目前具有工业价值的页岩气藏主要依赖于页岩地层中具有一定规模的裂缝系统。除页岩地层中的自生裂缝系统外，构造裂缝系统的大规模开发为页岩气丰度的提高提供了条件。因此，构造转折带、地应力相对集中带和褶皱断层发育带通常是页岩气富集的重要场所。(5)页岩气由生物气和热气体组成页岩气可分为生物气和热成因气。两种来源的页岩气可以同时存在于页岩气藏中，但由于成藏条件不同，它们表现出不同的优势地位。随着不同时期条件的变化，二者的含量比例可以相互变化。(6)页岩气藏具有产量低、生产周期长的特点由于岩性致密、孔隙度低、渗透率低、页岩气赋存方式多样，页岩气产量具有产量低

13、、生产周期长的特点，并呈现负递减曲线，天然气产量先从低到高，达到峰值后缓慢递减。(7)页岩气、煤层气和常规天然气的异同与其他天然气成藏类型相比，页岩天然气具有成藏机制多样的特点，天然气在附近聚集，成藏机制复杂，不同程度地发生吸附、溶解、活塞推进和驱替运移，但页岩中聚集的天然气只经历一次运移(在页岩中)和非常有限的二次运移(在砂岩夹层中)，因此页岩既是烃源岩又是储层。它具有典型的过渡性成藏机制和“自生、自储、自封闭”的成藏模式，弱化了天然气二次运移的影响，简化了页岩气勘探的研究方法和过程。页岩气的分布具有地质影响因素多样性的特点，其变化特征受多种因素影响，如天然气的生成、吸附特征和赋存条件，如构

14、造背景和沉积条件、页岩厚度和体积、有机质类型和丰度、热历史和有机质成熟度、孔隙度和渗透率、断层和裂缝、构造运动和现今埋藏深度等，这些都是影响页岩气分布并决定其是否具有工业勘探开发价值的重要因素。这种影响因素的多样性导致页岩气勘探的隐蔽性。图表：页岩气、煤层气和常规天然气的异同特征页岩气煤层气常规水库定义天然气主要以吸附和游离状态聚集在泥页岩系统中天然气主要以吸附状态聚集在煤系地层中在浮力的影响下，天然气聚集在储层顶部天然气源沼气或热成熟气体沼气或热成熟气体变化储层介质页面/它们之间的泥岩和砂岩夹层煤层及其中的碎屑岩夹层孔隙砂岩、裂缝性碳酸盐岩等。天然气产出20%-85%为吸附，其余为游离态和水

15、溶性超过85%被吸附，其余是游离的和水溶性的各种陷阱的最高点不考虑吸附的影响因素成藏的主要驱动力分子间力、气体膨胀力、毛细管力等分子间吸附力等。浮力、毛细力、流体动力等成藏机理特征吸附平衡和自由平衡吸附平衡浮力和毛细力成藏条件工业规模的集气条件，如产气页/泥岩裂缝等。气煤岩等形成产业集聚的条件运输系统、陷阱等。迁移和聚集特征初次运移是主要的储层形成初级迁移和积累二次迁移和积累成藏条件和特征自我生成和自我存储自我生成和自我存储迁移路径中的陷阱主要控制地质因素成分、成熟度、裂缝等煤级、成分、埋深等气源、运输、捕集器等。累积时间天然气开始生产后，煤成气开始生成后，圈闭形成和天然气运移后，分布特征古沉

16、降-沉积中心与盆地斜坡煤和岩石内部具有产气能力结构较高部分的各种陷阱油气聚集和勘探的有利地区深度为4000米的页岩断裂带煤岩体成熟区和高渗透带，深度3000米正结构的高部分(陷阱)3.页岩含气量及相关实验测试的特殊性页岩气含量指的是总a游离页岩存在于页岩的孔隙或裂缝中，其储存能力取决于页岩中孔隙或裂缝所占据的空间成分。页岩生产天然气时，气体分子首先满足在源岩(页岩)中的吸附，然后部分过剩的气体分子以自由状态进入页岩的孔隙或裂缝，然后迁移到其他地方形成常规气藏或消散。页岩气测井评价主要包括岩性识别、孔隙度预测、含气饱和度计算和游离气含量测定。也可以使用常规的储层含气量计算方法，页岩游离气含量也可以通过气体饱和度和孔隙度来计算，因此储层物性是页岩游离气含量最重要的控制因素。(2)吸附气体页岩中吸附天然气和游离天然气的含量呈增长和下降的关系，其中吸附天然气的含量约占50%。因此，从赋存状态观察，页岩气介于煤层吸附气(吸附气含量超过85%)和常规封闭气(吸附气含量通常忽略为零)之间。改进后的煤层气测试方法主要用于吸附气体的现场解吸法，但页岩气含量小于煤层的含量，因此在测量页岩气含量时需要分辨率高于煤层的设备，特别是当被测