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        頁(yè)巖氣可采性參數(shù)研究

        2015-11-01 01:04:14宋益滔
        復(fù)雜油氣藏 2015年3期

        甘 輝,張 虎,宋益滔

        (1.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì),四川 達(dá)州 635000;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500)

        頁(yè)巖氣可采性參數(shù)研究

        甘 輝1,張 虎1,宋益滔2

        (1.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì),四川 達(dá)州 635000;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500)

        基于我國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件和近年來(lái)頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐,對(duì)比國(guó)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)盆地的地質(zhì)條件,研究了埋深及厚度、TOC含量、礦物組成、物性、儲(chǔ)滲空間、孔隙結(jié)構(gòu)、含氣量、巖石力學(xué)、資源豐度及資源量、地面條件、斷層、壓力系數(shù)、地應(yīng)力等影響頁(yè)巖氣可采性的主要參數(shù)。根據(jù)國(guó)外頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)成功經(jīng)驗(yàn),結(jié)合四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際情況,提出了關(guān)鍵參數(shù)門(mén)限值,建議對(duì)不滿(mǎn)足這些門(mén)限值的頁(yè)巖地層進(jìn)行開(kāi)采時(shí)應(yīng)慎重,指出單一因素對(duì)某一地區(qū)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)所起的作用也許是至關(guān)重要的,但對(duì)大多數(shù)地區(qū)來(lái)說(shuō),頁(yè)巖氣的可采性取決于各種地質(zhì)因素的有效配置,參數(shù)之間存在一定的互補(bǔ)性。

        頁(yè)巖氣 可采性 參數(shù) 有效配置

        頁(yè)巖氣藏的特殊孔隙結(jié)構(gòu)決定了其具有特殊的滲流方式,孔隙結(jié)構(gòu)的多尺度決定了滲流方式的多尺度,從分子尺度到宏觀尺度都由頁(yè)巖氣滲流發(fā)生。頁(yè)巖氣的滲流主要是在壓降作用、濃度差作用、地層流動(dòng)勢(shì)綜合作用下發(fā)生解吸,解吸氣體與基質(zhì)孔隙混合后一并擴(kuò)散到裂縫,最終流入井筒的復(fù)雜過(guò)程[1-3]。頁(yè)巖氣的產(chǎn)出受地質(zhì)條件、開(kāi)發(fā)技術(shù)等多種因素的影響。根據(jù)頁(yè)巖氣產(chǎn)出機(jī)理,地質(zhì)因素及開(kāi)采條件對(duì)可采性的影響可系統(tǒng)地歸結(jié)為埋深及厚度、TOC含量、礦物組成、物性、儲(chǔ)滲空間、孔隙結(jié)構(gòu)、含氣量、巖石力學(xué)、資源豐度及資源量、地面條件、斷層、壓力系數(shù)、地應(yīng)力等13個(gè)方面[4-9]。

        美國(guó)是世界上頁(yè)巖氣開(kāi)采利用最好的國(guó)家,已經(jīng)在圣胡安(Lewis頁(yè)巖)、沃思堡(Barnett頁(yè)巖)、密歇根(Antrim頁(yè)巖)、阿帕拉契亞(Ohio頁(yè)巖)、 伊利諾依(New Albany頁(yè)巖)等多個(gè)盆地投入大規(guī)模開(kāi)發(fā),并形成工業(yè)產(chǎn)能。近年來(lái)美國(guó)主產(chǎn)頁(yè)巖氣層系為Antrim、Barnett、 Fayetteville、 Woodford、 Haynesville、Marcellus、Eagle Ford、Bakken[10]。中國(guó)已進(jìn)行了十多年的頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)發(fā)工作,在全國(guó)主要盆地都進(jìn)行過(guò)頁(yè)巖氣勘探,建立了四川盆地海相、鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)化示范區(qū),現(xiàn)已在四川盆地長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、富順—永川、涪陵等地區(qū)獲得海相頁(yè)巖氣重大突破。為更加深入地認(rèn)識(shí)我國(guó)頁(yè)巖氣的地質(zhì)條件及開(kāi)發(fā)前景,根據(jù)美國(guó)及近年來(lái)四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐,對(duì)頁(yè)巖氣可采性評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行了綜合分析。

        1 頁(yè)巖氣可采性參數(shù)分析

        1.1埋深及厚度

        頁(yè)巖氣層的埋深是頁(yè)巖氣藏規(guī)模開(kāi)發(fā)的主要控制因素之一。埋深太淺,不利于頁(yè)巖氣的保存;埋深太大,對(duì)開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)技術(shù)均會(huì)提出更高的要求[11],主要表現(xiàn)在:①鉆井、壓裂及排采等作業(yè)成本增高;②排水的難度增大;③頁(yè)巖滲透性降低,氣井產(chǎn)能低。中國(guó)頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層與美國(guó)相比有所差異,四川盆地南部的頁(yè)巖氣層埋深要比美國(guó)大,美國(guó)的頁(yè)巖氣層深度為800~2 600 m,而四川盆地南部頁(yè)巖氣層埋深埋深普遍大于2 000 m。目前美國(guó)極個(gè)別案例能夠在埋深6 000 m左右對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行開(kāi)發(fā),而四川盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明,頁(yè)巖層埋深為1 500~4 000 m應(yīng)在頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的埋深范圍之內(nèi)。

        與常規(guī)油氣一樣,要形成工業(yè)性的頁(yè)巖氣藏,頁(yè)巖有效厚度需達(dá)到一定界限,才能提供足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間[12]。一般情況下,海相有效頁(yè)巖是指有機(jī)碳含量大于2%、處于生氣窗以上演化階段的頁(yè)巖。有效頁(yè)巖厚度愈大,有機(jī)質(zhì)含量愈大,頁(yè)巖生氣能力愈高,頁(yè)巖氣富集程度愈高??碧綄?shí)踐與統(tǒng)計(jì)表明,具有商業(yè)性開(kāi)采價(jià)值頁(yè)巖有效厚度一般大于30 m。

        1.2 TOC含量

        有機(jī)質(zhì)豐度一般用有機(jī)碳(TOC)來(lái)衡量。有機(jī)質(zhì)豐度決定頁(yè)巖地層的生氣能力,研究表明頁(yè)巖TOC與含氣量具有正相關(guān)性[13],在一定程度上決定了是否有可供開(kāi)采的足夠的頁(yè)巖氣。美國(guó)產(chǎn)氣頁(yè)巖TOC含量介于0.45%~25%,具有開(kāi)采價(jià)值的頁(yè)巖氣區(qū)TOC含量普遍大于2%,平均3%~8%。因此,勘探的首要任務(wù)是尋找富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。實(shí)測(cè)四川盆地川南龍馬溪組頁(yè)巖TOC含量為0.04%~8.79%,通常選取TOC含量大于2%的頁(yè)巖段作為有利開(kāi)發(fā)層段。

        1.3礦物組成

        礦物成分研究是頁(yè)巖氣吸附儲(chǔ)存、裂縫評(píng)價(jià)、滲流運(yùn)移、壓裂造縫和工藝性能等研究的重要基礎(chǔ)。石英長(zhǎng)石等脆性礦物含量是影響頁(yè)巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素[14]。Barnett頁(yè)巖若沒(méi)有高脆性礦物含量的特征,其頁(yè)巖氣儲(chǔ)層完井和壓裂增產(chǎn)措施不會(huì)像目前這樣成功。殼牌Shell公司在富順—永川區(qū)塊的勘探實(shí)踐表明粘土礦物小于40%為可作業(yè)區(qū),介于40%~60%之間為危險(xiǎn)地區(qū)——低最終可采儲(chǔ)量區(qū),粘土礦物大于60%為無(wú)法作業(yè)區(qū)。四川盆地蜀南地區(qū)實(shí)測(cè)礦物組成以粘土、石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽為主,分析樣品礦物成分主要靠近石英+長(zhǎng)石端元,同樣具有高脆性特征,脆性礦物(石英+長(zhǎng)石)含量一般大于40%才有利于壓裂開(kāi)采(圖1)。

        圖1 川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成

        1.4物性

        頁(yè)巖作為一種非常規(guī)儲(chǔ)層,具有低孔、特低滲特征。頁(yè)巖作為儲(chǔ)層要有一定的物性條件,美國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度一般在3%~5%,高者可達(dá)10%~15%。頁(yè)巖氣的產(chǎn)出一般是儲(chǔ)集在基質(zhì)孔隙和裂縫中的游離氣優(yōu)先被采出,其后才是吸附氣??紫抖瓤梢院饬繋r石中孔隙的發(fā)育程度,孔隙度與TOC含量成正相關(guān)關(guān)系,含氣飽和度是決定游離氣含量的關(guān)鍵參數(shù)。滲透率是判斷頁(yè)巖氣藏是否具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值的重要參數(shù),頁(yè)巖滲透率由基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率構(gòu)成,滲透率與孔隙度具有一定的正相關(guān)性,有效的微裂縫對(duì)滲透率起著重要作用[15]。

        已有大量研究認(rèn)為海相頁(yè)巖TOC含量大于2%為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖,川南和涪陵地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣的成功開(kāi)發(fā)證實(shí)了這一觀點(diǎn)。依據(jù)川南地區(qū)龍馬溪組大量分析樣品做TOC與孔隙度、滲透率和含氣飽和度的相關(guān)性,表明TOC與孔隙度、滲透率、含氣飽和度均呈正相關(guān)。當(dāng)TOC大于2%時(shí),孔隙度、滲透率、含氣量分別大于4%、20 nd、50%,因此孔隙度下限為4%,滲透率下限為20 nd,含氣飽和度下限為50%(圖2)。

        圖2 川南龍馬溪組TOC與孔隙度、滲透率、含氣飽和度相關(guān)性

        a:TOC:2.44%;孔隙度:6.73%;b:TOC:2.93%;孔隙度:6.8% c:TOC:2.95%;孔隙度:8.52%;d:TOC:4.33%;孔隙度:8.59%

        圖3 川南地區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔隙場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡照片

        1.5儲(chǔ)滲空間

        頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁(yè)巖中,吸附相頁(yè)巖氣賦存于粘土礦物、有機(jī)質(zhì)、干酪根顆粒及孔隙表面上,游離相賦存于頁(yè)巖孔隙和裂縫中,儲(chǔ)滲空間的類(lèi)型及發(fā)育程度決定頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力,進(jìn)而影響可采資源量的大小。研究發(fā)現(xiàn),高TOC含量的頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育,有機(jī)質(zhì)不僅具有生氣能力,并且具有儲(chǔ)氣能力。有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中產(chǎn)生的大量烴類(lèi)的同時(shí)可以產(chǎn)生大量的有機(jī)質(zhì)微孔,并產(chǎn)生異常高壓,形成微裂縫,增加了頁(yè)巖孔隙度并提高滲流能力。目前已經(jīng)用SEM-FIB分析技術(shù)闡明(Ambrose等2010;Sondergeld等2010),在單個(gè)樣品中有機(jī)質(zhì)顆粒中的孔隙度從0%到40%不等。Curtis等證實(shí)有機(jī)質(zhì)中含有高達(dá)50%的孔隙度[16]。通過(guò)氬離子拋光+場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)認(rèn)為四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖具有有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔、粒間孔、微裂縫等。其中,有機(jī)質(zhì)含量越高,有機(jī)質(zhì)孔越發(fā)育,孔隙度越大(圖3)。宏觀縫主要影響滲流能力,水平井軌跡設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)盡量讓井筒與天然裂縫發(fā)育方向垂直,微觀縫主要為游離氣量提供儲(chǔ)集空間,并作為聯(lián)通宏觀縫和孔隙的橋梁。因此,有機(jī)質(zhì)孔和裂縫越發(fā)育,頁(yè)巖氣的可采性越高。

        1.6孔隙結(jié)構(gòu)

        孔隙結(jié)構(gòu)主要用比表面積、總孔隙體積、孔徑等3個(gè)參數(shù)表征。比表面積、總孔隙體積、孔徑主要決定頁(yè)巖儲(chǔ)集能力,進(jìn)而影響可采性。通過(guò)川南地區(qū)龍馬溪組8個(gè)頁(yè)巖樣品氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)分析表明,TOC與總孔隙體積、比表面積具有很好的正相關(guān)性(圖4),其原因是有機(jī)質(zhì)中發(fā)育納米級(jí)孔隙,這些孔隙增大了比表面積和孔隙體積。薛華慶等研究認(rèn)為頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔徑主要分布在2~60 nm,以中孔、大孔為主,而頁(yè)巖孔徑主要分布在2~10 nm,以中孔為主[17],有機(jī)質(zhì)平均孔徑大于其它孔徑,頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量越高,其對(duì)應(yīng)的孔徑越大。因此,頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的含量對(duì)比表面積、總孔隙體積、孔徑有著至關(guān)重要的作用。只有足夠的有機(jī)質(zhì),在一定的演化過(guò)程中,才會(huì)形成較大的比表面積吸附頁(yè)巖氣和較大的孔隙體積儲(chǔ)集可供開(kāi)采的天然氣,以提高頁(yè)巖氣的可采性。

        圖4 川南地區(qū)龍馬溪組TOC與孔隙體積和比表面積關(guān)系

        1.7含氣量

        圖5 川南地區(qū)龍馬溪組TOC與總含氣量關(guān)系

        2 頁(yè)巖氣可采性參數(shù)綜合評(píng)價(jià)

        影響頁(yè)巖氣可采性的參數(shù)主要包括:頁(yè)巖氣層埋深及厚度、TOC含量、礦物組成、物性、儲(chǔ)滲空間、孔隙結(jié)構(gòu)、含氣量、巖石力學(xué)、資源豐度及資源量、地面條件、斷層、壓力系數(shù)、地應(yīng)力等13個(gè)參數(shù)。在我國(guó)不同的盆地,或是同一個(gè)盆地的不同地區(qū),這些參數(shù)的差別都非常顯著。頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明,頁(yè)巖氣的可采性通常都是這些因素有效配制的結(jié)果,單一因素在某一地區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)所起的作用也許是至關(guān)重要的,但對(duì)大多數(shù)地區(qū)來(lái)說(shuō),頁(yè)巖氣的可采性取決于各種地質(zhì)因素的有效配置,比如TOC的略微不足可以通過(guò)厚度來(lái)彌補(bǔ)。因此,對(duì)某一地區(qū)頁(yè)巖氣可采性研究,需要在多種地質(zhì)因素綜合分析的基礎(chǔ)上,研究適合本地區(qū)的主控地質(zhì)因素以及這些因素間的有效配置關(guān)系。

        3 結(jié)論

        (1)影響頁(yè)巖氣可采性的因素較多,關(guān)鍵因素是有生成足夠頁(yè)巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)(TOC含量、厚度),有足夠可供開(kāi)采的頁(yè)巖氣(資源量及資源豐度),以及能夠開(kāi)采到足夠的頁(yè)巖氣(礦物組成、滲透率、巖石力學(xué)、地應(yīng)力等)。

        (2)單一因素在某一地區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)所起的作用也許是至關(guān)重要的,但對(duì)大多數(shù)地區(qū)來(lái)說(shuō),頁(yè)巖氣的可采性取決于各種地質(zhì)因素的有效配置,比如TOC的略微不足可以通過(guò)厚度來(lái)彌補(bǔ)。

        (3)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)配套技術(shù)的完善可以降低影響可采性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。因此,參數(shù)的影響是一定的,界限的標(biāo)準(zhǔn)是可變的。

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        (編輯 曹征遠(yuǎn))

        Research on parameters of shale gas recoverability

        Gan Hui1,Zhang Hu1,Song Yitao2

        (1.137team,CoalfieldGeologyBureauofSichuanProvince,Dazhou635000,China; 2.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

        Based on the geological conditions and exploration practices of shale-gas in recent years in China,compared with foreign shale-gas geological conditions of developed basins,it was studied on the main parameters affecting shale-gas recoverability,including buried depth,thickness,TOC content,mineral composition,pore structure,physical property,reservoir space,gas content,rock mechanics,resources abundance and resources,ground conditions,fault,pressure factor,geostress,and so on.According to the successful experiences of shale-gas exploration and development,combining with the practical situation of shale-gas in Sichuan Basin,we put forward the threshold values of key parameters and suggested that it should be careful to exploit shale which can not meet these threshold values.It is pointed out that for one certain region,single factor may play a vital role in exploration and development of shale-gas,but for most areas,the shale-gas recoverability depends on the efficient allocation of various geological factors and there is certain mutual supplement between parameters.

        shale gas;recoverability;parameters;efficient allocation

        TE122.1

        A

        2014-12-27;改回日期2015-06-21。

        甘輝(1989—),女,助理工程師,碩士研究生,主要從事頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)研究。電話(huà):13693418476,E-mail:799358034@qq.com。

        國(guó)家大型油氣田與煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2011ZX05018001)資助。

        10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.03.005

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