页岩气储层岩石物理性质

页岩气储层岩石物理性质
董丙响;程远方;刘钰川;易新斌;杨柳;吴玲妍;王蓓
【摘要】在查阅国内外文献的基础上,介绍了页岩气储层评价标准,概括了页岩矿物组成研究方法及测井响应特征,详细分析了页岩气储层岩石物理性质,给出了页岩孔隙度计算公式,提出了页岩气赋存流动新模型及运动机理,并给出了页岩脆性计算方法,将页岩划分为脆性页岩和塑性页岩,为水力压裂设计提供依据.%On the basis of studying the literatures at home and abroad,the concept and the evaluation criterion of shale gas reservoirs are introduced according to research methods of conventional reservoirs, and the petrophysical properties of shale gas reservoirs are studied deeply. The formulas to calculate the porosity of shale gas reservoirs and a new shale gas storage and movement model are presented. The method for calculating the brittleness of shale gas reservoirs is also presented, and the shale gas reservoirs are divided into brittle shale and ductile shale,which can provide the foundation for the hydraulic fracturing design of shale gas reservoirs.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(028)001
【总页数】5页(P25-28,36)
【关键词】页岩气储层;岩石物理性质;孔隙度;脆性;水力压裂
【作者】董丙响;程远方;刘钰川;易新斌;杨柳;吴玲妍;王蓓
【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安 710018
【正文语种】中文
【中图分类】TE348
自1821年美国第一口页岩气井商业开采以来，页岩气开发已有190 a的历史［1］.特别是近些年来由于水平井钻井技术及水平井多级压裂技术的突破，页岩气开发在北美地区取得了巨大成功.美国能源署(EIA)［2-3］数据显示，2011年美国页岩气产量达1 800×108 m3，占其天然气总产量的34%，深刻地改变了美国的能源结构.
我国页岩气资源非常丰富，初步估计可采资源量约为(15 ～30)×1012 m3［4］，但对页岩气的勘探开发正处于起步阶段.与常规油气藏相比，页岩气赋存状态独特，国内对页岩气储层性质研究相对较少，还无法做到对储层性质的精确评估.为加深
对页岩气储层性质及气体赋存流动状态的认识，笔者在查阅国内外文献的基础上，从常规储层研究思路入手，介绍了页岩气储层评价标准，概括了页岩矿物组成及研究方法，对页岩气储层岩石物理性质进行了详细分析.
1 页岩气储层评价
1.1 页岩气藏基本概念
非常规油气藏与常规油气藏类似，具有非常复杂的地质特征、岩石物理性质和很强的非均质性.所不同的是，非常规油气储层岩石颗粒和层理结构精细，气体储集流
动特征独特:孔隙吼道尺寸分布在纳米级，有机质和黏土成分为气体吸附提供条件，且其各向异性影响力学特征和流动性质.致密气藏孔隙尺寸一般为微米级甚至更大，而页岩气藏孔隙为纳米到微米范围，二者在基质的孔隙中都有游离气存在，不同的是页岩气具有吸附特征，且与吸附表面的有机成分和黏土含量有关.Bustin［5］认为:吸附气与游离气之比反应了有机质含量、孔隙分布、矿物组成、成岩作用、岩
石结构以及储藏压力与温度的关系.因此，非常规油气藏指含有吸附气成分的油气藏，包括页岩气、煤层气和天然气水合物，而把致密砂岩气藏划为常规油气藏.页
岩气藏作为非常规油气藏的典型代表，具有非常规天然气藏的基本特征.
1.2 页岩气储层评价标准
页岩气藏开采首先要对其进行评价，充分考虑其储层性质和开采能力.储层性质主
要通过储层参数来描述，通过对相关参数的分析评价储层的生产能力，制定相应的增产措施和开采方案.目前国内外对页岩气藏进行评价尚无统一标准，主要通过岩
心实验、测井数据和压力测试(微压裂测试)等方法来获得页岩储层物性参数，借鉴煤层气和常规油气藏的评价方法来对页岩气藏进行评价［6-7］.笔者结合美国页岩气勘探开发的成功经验和世界各大石油天然气公司对页岩气商业性开采的评价，列举页岩气储层主要评价标准，其中包括储层物性及岩石物理性质参数(表1).
表1 页岩气储层评价参数Tab.1 Evaluation parameters of shale gas reservoir?
2 页岩矿物组成
2.1 矿物组成及测定方法
页岩矿物组成非常复杂［8］，主要分为石英类、碳酸盐岩类和黏土类3种，除了常见的伊利石、蒙皂石、高岭石等黏土类矿物，还混杂有石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、磷灰石、云母等.
由于页岩矿物成分复杂，且富含有机质，对页岩矿物组成的测定非常困难.矿物组
成的测定方法主要有以下几种［9］:X—射线衍射、红外光谱分析(FTIR)、通过X
射线荧光分析或元素捕获设备获得基本矿物元素丰度来进行矿物重构.实验室常用
色谱仪或生油岩评价分析仪来测定有机质含量，而在现场则根据测井数据进行分析. X射线衍射可用于确定主要矿物，但是在黏土含量高时测定的石英含量偏低，因此，需要将黏土成分分离出来;红外光谱分析能够弥补X射线衍射方法的不足，它不需
要将黏土分离出来，但需要将有机成分分开单独进行分析.
页岩矿物组成和有机质分布决定着岩石物理性质以及天然气赋存和流动性质.矿物
组成影响岩石断裂能力和脆性指数;有机含量和热成熟度则对游离气和吸附气含量
的分析非常重要.
2.2 矿物组成对岩石物理性质的影响
页岩矿物组成主要分石英、碳酸盐岩和黏土3类，其相对含量对页岩岩石物理性
质(如页岩脆性、酸敏性以及流体敏感性等)影响很大，是进行水力压裂设计的基本资料.根据岩心矿物分析可以确定其脆性指数(Brit)，计算方法如下:
脆性指数=石英含量/(石英含量+碳酸盐岩含量+黏土含量)×100%.
由上式可知，页岩脆性随石英含量增加而增大，随黏土比例上升而减小.因此，石
英含量高的地层是页岩气开发的有利选区.
2.3 页岩气储层测井响应特征
页岩气储层识别所利用的常规测井方法有:自然伽马测井、声波时差测井、体密度
测井、中子密度测井、岩性密度测井、电阻率测井、井径测井等［10］.根据测井
资料可以定量分析页岩储层的岩性，确定孔隙度、渗透率及饱和度等基本物性参数.分析页岩矿物组成及储层性质可得到各种测井方法的页岩气藏测井响应特征(表2). 表2 页岩气藏测井响应特征Tab.2 Logging response attribute of shale gas reservoir?
3 页岩气储层岩石物理性质
3.1 页岩气藏孔隙度
通过岩性密度测井方法能够获取孔隙度，但是由于页岩气储层极为复杂，有机质密度低，页岩密度变化大，流体分布不均，通过密度测井很难准确求取页岩气藏孔隙度.C.H.Sondergeld［11］等提出根据页岩矿物组成来求孔隙度的方法，计算公式如下:
将式(2)和式(3)代入式(1)可得页岩总孔隙度计算公式:
式中:φTOC为总有机质体积分数;w TOC为有机碳质量分数;ΦT为岩石总孔隙
度;ρb为地层条件下岩石密度，g/cm3;ρg为气体密度，g/cm3;S wT为含水饱和度;ρw为地层水密度，g/cm3;ρm为岩石骨架密度，g/cm3;ρTOC为有机质密度，g/cm3;ρfl为流体(水和气体)的密度，g/cm3.
页岩气储层有效孔隙度可根据以下公式得到［12］:
式中:ΦTClay为黏土束缚水孔隙度;φcl为黏土体积分数;ρDryCla y为干黏土密度，g/cm3;ρWetClay为湿黏土密度，g/cm3.ρDryClay和ρWetClay可由 X —射线衍射、红外光谱分析以及经典的中子密度交会图得到.
3.2 页岩气储层流体储存流动特征
页岩气储层基质的渗透率极低，一般小于10—7 μm2，页岩气的赋存和流动受孔隙和裂缝尺寸及连通状态的控制.页岩气的储存形式主要有3种:连通微孔隙裂缝中的游离气、有机质和泥岩黏土表面的吸附气以及固体有机质中的溶解气［13］.页
岩气储层非常复杂，孔隙裂缝分布在10—6～10—10 m.气体流动状态主要分为2种:在较大的连通孔隙中流动为连续流，符合达西定律;在纳米级孔隙中为非连续流
动且有滑脱效应，受表面扩散作用的影响.有学者［14］将页岩气储层空隙结构划
分为4级，并将流动状态分为5种类型，提出了页岩气赋存流动模型及运动机理
(图1).
图1 页岩气赋存和流动模型Fig.1 Model for shale gas storage and flow
在低压条件下，气体滑移现象和扩散作用非常明显.室内实验［15］表明:标准状态条件下，当岩样孔隙直径为1μm时，流体主要是瞬变不稳定状态;当采用分子直径更小的气体(如氦气)时不稳定流动更容易发生.且试验使用的气体密度或浓度越小，气体渗透率的变化越大，受滑移流动和扩散作用影响更明显.
吸附作用对储层渗透率影响很大，储层条件下若不考虑干酪根和黏土表面吸附的影响，渗透率将会被严重低估［16］.干酪根对气体吸附得到了广泛的认可，但黏土吸附气体的研究却不是很多，国外学者基于等温吸附理论，提出了有效吸附孔隙度的概念，考虑了吸附作用对渗透率的影响.通过实验研究表明，压力越低有效吸附孔隙度越大，同时若不考虑吸附作用影响也就越低估了渗透率，相对误差可达60%.因此可以看出，若采用不完整的流动模型或不考虑扩散或吸附的影响，则会产生很大误差.
3.3 页岩气储层岩石力学性质
掌握页岩气储层的岩石力学性质是对储层进行压裂设计的基础，杨氏模量(E b)和泊松比(P Rb)是2个基本的岩石力学参数.通过岩心矿物分析可以对岩石力学性质进行定性描述，而根据测井资料获得岩石力学参数来分析岩石的力学性质更为普遍.国外学者［17］给出了利用多种常规测井资料计算综合弹性模量E c和泊松比P Rc的方法，该方法可以在缺少偶极子声波测井资料的情况下使用.
通过杨氏模量和泊松比可以定量地表征页岩的脆性［18］，其计算公式如下:
式中:E c为综合测定的杨氏模量，MPa;P Rc为综合测定的泊松比.
根据杨氏模量和泊松比可以将页岩划分为脆性页岩和塑性页岩(如图2)［19］.脆性页岩有利于天然裂缝发育和水力压裂形成裂缝网络，脆性越强裂缝系统越复杂.塑
性页岩不是气体良好的储层，其中含有的天然裂缝或水力裂缝容易闭合，但密封性很好，能将气体封闭在脆性岩层中，可以作为良好的盖层.
图2 杨氏模量与泊松比交会图Fig.2 Cross plot of Possion＇s ratio and Yong＇s modulus
4 结论与认识
(1)页岩矿物组成非常复杂，主要分为石英类、碳酸盐岩类和黏土类3类矿物.石英含量越高岩石脆性指数越大，对储层进行压裂改造时越易形成复杂的裂缝网络，有利于开采页岩气.
(2)页岩气藏孔隙类型分布广泛，储层中气体赋存流动机理非常复杂.页岩气主要以
吸附气、游离气和溶解气存在，从纳米级孔隙到天然微裂缝和人工裂缝系统，气体首先由基质表面解析扩散到孔隙及微裂缝中，又以达西渗流的方式在大尺寸裂缝和水力裂缝中流向井筒.
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