美国页岩气资源概况
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“中扬子非常规油气资源潜力分析研讨会”, 咸宁, 湖北
美国页岩气资源概况及 气页岩预测启示
徐思煌
中国地质大学（武汉）资源学院石油系 2010.11.22
诚心前来学习、虚心接受指正； 知识不足、兴趣有加。
• 美国页岩气资源概况 • 页岩气地质及成藏特点 • 气页岩岩石物理特征 • 气页岩预测方法初探
结论
• 烃源岩排烃、成藏低效，意味残留烃高效，页 岩气潜在资源量十分丰富；
• 常规油气的生、储、盖、运、圈、保成藏条件 相互配置关系复杂，勘探难度大；页岩气藏基 本无需运、圈、1/2保，勘探难度相对“小”； 但开发技术含量高。
• 以烃源岩TOC体预测为基础，页岩气地球物理 综合预测值得探讨。
致谢：
• 蒙脱石－绿色
• 伊利石能够使孔 隙度增加 4%
与砂岩储层不完全相同，页岩中Sw阿尔奇公式需要校正： 粘土矿物校正可通过铀含量校正进行
阿尔奇公式： 页岩含水饱和度阿尔奇公式：
Sw= 含水饱和度 Swu=页岩含水饱和度 Rw= 水的电阻率 Rt= 真电阻率 U = 铀含量 ppm Φ = 孔隙度
铀含量由Gr测井获得
Significant increase in gas reserves and production from shales starts in 1999
Source: EIA
美国页岩盆地：本土的48个州页岩盆地含有巨 大的页岩气资源。2009年，美国页岩气年产量达878亿方，
页岩气生产井数逾50000余口。
Simandoux
Simandoux using Vuran
Archie (Sw) Light Blue – Water Light Green- Gas Archie with Uran(Swu) Dark Blue – Water Dark Green- Gas Simandoux (Sw) Light Brown – Water Light Red- Gas Simandoux with Uran (Swu) Dark Brown- Water Dark Red - Gas
岩；
• 美国最主要的 含气页岩特征
Haynesville页岩:
• LA+TX, 北Louisiana盆地 • 上侏罗统； • 上覆为砂岩、下伏为灰岩；
• 美国最主要的 含气页岩特征
Marcellus页岩:
• 美国东北部6个州, • 中泥盆； • 上覆为页岩、下伏为灰岩； • 面积最大； • 可采资源量最大
感谢西弗吉尼亚大学教授Tim Carr 给予的交流、访问与合作。
谢谢大家！
西弗吉尼亚州的Marcellus页岩， Tim，2009
• Harrell Shale:黑色,富含 有机质页岩，
• Tully Limestone: 灰色， 层理发育, 细粒灰岩.
• Mahantango 页岩: 含化 石泥岩、砂岩及石英砾 石，向上变粗.
• Marcellus Shale: 黑色,富 含有机质，黄铁矿210%，含铁质结核，含灰 岩层.
➢ 页岩含气率与TOC、Ro正相关，不同于非烃源岩的 裂缝型泥页岩气藏。
• 页岩气地质及成藏特点
－－页岩气成藏的“微观”机理还有待深入研究：
➢ 页岩中天然气有多种赋存相态：吸附态、游离态、 溶解态，不同相态的形成条件、阶段不同，可能相 互转化。
➢ 气源岩生成的天然气分子，优先满足吸附、其次满 足溶解，二者都过饱和的天然气才能呈游离气态。
为便于预测
3D: 岩性、 物性、 电性、 含气性
地震属性
烃源岩有机碳含量TOC体地球物理预测的启示
• 烃源岩有机质含量的多少，在伽玛测井、密度测 井、声波时差测井、中子测井、电阻率测井等各种 测井曲线上都有一定的响应关系。
• 这些响应特征是烃源岩有机碳含量测井预测的理 论基础； 而烃源岩TOC测井预测曲线又作为地震预测的桥 梁。
应用于TOC测井预测
烃源岩TOC纵向分布测井预测
地震数据体
实测TOC点
测井资料
钻井TOC曲线
属性参数
预测TOC曲线
递归统计关系 单属性预测 多属性预测 概率性神经网络预测
沉积相 3D地震资料
烃源岩TOC体 3D空间分布 定量预测
交互验证 应用于地震数据体
三维TOC体
预测TOC体
烃源岩3D空间分布预测—TOC体
Barnett页岩:
• TX, FortWorth盆地； • Mississippian 系； • 上、下为灰岩； • 目前产量最高； • 含气率高
• 研究程度最高，文献最 多。
Fayetteville页岩:
• AR+OK, Arkoma盆地 • Mississippian 系； • 上覆为灰岩、下伏为砂
Purcell Limestone
Onondຫໍສະໝຸດ Baiduga Limestone
Huntersville Chert Needmore Shale Oriskany Sandstone
Middle
Th/U
• Th/U 可确定 氧化还原环境
Th/K
• 根据 Th/K 可确定粘土矿 物成分：
• 伊利石－品红色
• 页岩气产区主要分布在美 国中、东部地区；
目前美国最主要含气页岩：
• Barnett 页岩
• Haynesville/Bossier页岩 • Antrim页岩 • Fayetteville 页岩 • Marcellus页岩 • New Albany页岩 • Woodford 页岩
Haynesville Bakken Arkoma Woodford Antrim Fayetteville Fort Worth Barnett
根据含水饱和度， 获得含气饱和度。
岩性分析：
• Marcellus 页岩其 实不纯 • 石英可达 65% • 粘土矿物仅 25% • 高有机质含量导致 低密度
• 铀含量与密度孔隙度正相关
伽玛测井、 放射性测井、 密度测井、 电阻率测井
页岩含气性
• 气页岩预测方法初探
1D:
岩性、 物性、 电性、 含气性
• Onondaga Limestone: 深灰色－灰色细粒石灰岩.
Miss.
Lower
Upper
Devonian
Sunbury
Berea
Gordon Alexander
Huron Rhinestreet Shale
Harrell Shale Tully Limestone
Mahantango Shale Marcellus Shale
• 岩石露头颜色深、 • 宏观上，水平层理与垂向裂缝发育、 • 露头张性垂向裂缝，应与地下水力压裂产生的垂向裂缝类似
Tim,2009 Nanopores
Darker Areas – Higher TOC
~10 µm
• 微观上，纳米级微孔隙发育，有机质含量越 高，微孔隙越发育。
岩性、物性、电性、含气性之间的关系
TOC 0.156R 0.157N 0.104t 0.055 6.019 2.182
文昌组泥岩 n=158 r=0.751
6.5m 5.5m
3m 4m 3m
12m
分析样品
测井资料
烃源岩TOC体定量预测技术
（国家专项研究 2008ZX05023-01阶段成果）
实测TOC点
测井参数
预测模型
➢ 游离态的气受浮力驱使形成“常规气藏”，以吸附 态、水溶态为主不受浮力驱使，形成“非常规气 藏”。
➢ ∴ “常规气”是“非常规气”的特例，“常规气成 藏”是相对的、小概率事件，“非常规气成藏”是 绝对的、大概率事件。
➢ 非常规与常规之间也存在相互转化。
• 气页岩岩石物理特征
－－以Marcellus页岩为例
• 美国最主要的 含气页岩特征
Wordford页岩:
• OK, • 泥盆系； • 上覆为灰岩、下伏为页岩；
Antrim页岩:
• MI, • 上泥盆统； • 上覆为页岩、下伏为灰岩；
New Albany 页岩:
• IL,IN,KY • 泥盆－密西西比系； • 上、下为灰岩；
• 页岩气地质及成藏特点
25 -
20 Unconventional
15 -
10 Conventional 5-
0-
Net Imports
Alaska
1995 2005 2015 2025
美国非常规天然气产量增加，主要依赖于致密砂岩气 （Tight gas）、页岩气（Shale gas）和煤层气（Coalbed gas）
1999年以来页岩气储量、产量显著增加，导致天然 气总量增加。
r=-
0.474,n=158
文昌组烃源岩TOC与密度的负相关关系
r=0.569,n=158
r=0.502,n=158
文昌组烃源岩TOC与电阻率的正相关关系 文昌组烃源岩TOC与中子孔隙度的正相关关系
r=0.470,n=158
文昌组烃源岩TOC与自然伽玛的正相关关系
r=0.293,n=158
文昌组烃源岩TOC与声波时差的正相关关系
• 美国页岩气资源概况
美国的燃料能源消费结构中，天然气占23%
Biofuels 1%
Renewables 8%
Coal 23%
Nuclear 8%
Liquids 37%
Gas 23%
Source: EIA,2009
美国天然气年产量：常规天然气产量逐渐减少，
非常规天然气产量逐渐增加， 1998年5.4 tcf, 2007年8.9 tcf
－－页岩气地质基本特点：
➢ 页岩气（shale gas）：生成并储存于泥页岩中的天 然气。
➢ 页岩气主要为干气，但有的也为湿气，与生气母质类 型及成熟度有关。
➢ 气页岩（gas shale）：含有一定量天然气的高碳页 岩。
➢ 页岩气藏宏观特征：页岩聚生、储、盖于一体，属于 典型的自生、自储、自盖；一般不受浮力驱使，没有 边水、底水，因此属于非常规气藏；
美国页岩气资源概况及 气页岩预测启示
徐思煌
中国地质大学（武汉）资源学院石油系 2010.11.22
诚心前来学习、虚心接受指正； 知识不足、兴趣有加。
• 美国页岩气资源概况 • 页岩气地质及成藏特点 • 气页岩岩石物理特征 • 气页岩预测方法初探
结论
• 烃源岩排烃、成藏低效，意味残留烃高效，页 岩气潜在资源量十分丰富；
• 常规油气的生、储、盖、运、圈、保成藏条件 相互配置关系复杂，勘探难度大；页岩气藏基 本无需运、圈、1/2保，勘探难度相对“小”； 但开发技术含量高。
• 以烃源岩TOC体预测为基础，页岩气地球物理 综合预测值得探讨。
致谢：
• 蒙脱石－绿色
• 伊利石能够使孔 隙度增加 4%
与砂岩储层不完全相同，页岩中Sw阿尔奇公式需要校正： 粘土矿物校正可通过铀含量校正进行
阿尔奇公式： 页岩含水饱和度阿尔奇公式：
Sw= 含水饱和度 Swu=页岩含水饱和度 Rw= 水的电阻率 Rt= 真电阻率 U = 铀含量 ppm Φ = 孔隙度
铀含量由Gr测井获得
Significant increase in gas reserves and production from shales starts in 1999
Source: EIA
美国页岩盆地：本土的48个州页岩盆地含有巨 大的页岩气资源。2009年，美国页岩气年产量达878亿方，
页岩气生产井数逾50000余口。
Simandoux
Simandoux using Vuran
Archie (Sw) Light Blue – Water Light Green- Gas Archie with Uran(Swu) Dark Blue – Water Dark Green- Gas Simandoux (Sw) Light Brown – Water Light Red- Gas Simandoux with Uran (Swu) Dark Brown- Water Dark Red - Gas
岩；
• 美国最主要的 含气页岩特征
Haynesville页岩:
• LA+TX, 北Louisiana盆地 • 上侏罗统； • 上覆为砂岩、下伏为灰岩；
• 美国最主要的 含气页岩特征
Marcellus页岩:
• 美国东北部6个州, • 中泥盆； • 上覆为页岩、下伏为灰岩； • 面积最大； • 可采资源量最大
感谢西弗吉尼亚大学教授Tim Carr 给予的交流、访问与合作。
谢谢大家！
西弗吉尼亚州的Marcellus页岩， Tim，2009
• Harrell Shale:黑色,富含 有机质页岩，
• Tully Limestone: 灰色， 层理发育, 细粒灰岩.
• Mahantango 页岩: 含化 石泥岩、砂岩及石英砾 石，向上变粗.
• Marcellus Shale: 黑色,富 含有机质，黄铁矿210%，含铁质结核，含灰 岩层.
➢ 页岩含气率与TOC、Ro正相关，不同于非烃源岩的 裂缝型泥页岩气藏。
• 页岩气地质及成藏特点
－－页岩气成藏的“微观”机理还有待深入研究：
➢ 页岩中天然气有多种赋存相态：吸附态、游离态、 溶解态，不同相态的形成条件、阶段不同，可能相 互转化。
➢ 气源岩生成的天然气分子，优先满足吸附、其次满 足溶解，二者都过饱和的天然气才能呈游离气态。
为便于预测
3D: 岩性、 物性、 电性、 含气性
地震属性
烃源岩有机碳含量TOC体地球物理预测的启示
• 烃源岩有机质含量的多少，在伽玛测井、密度测 井、声波时差测井、中子测井、电阻率测井等各种 测井曲线上都有一定的响应关系。
• 这些响应特征是烃源岩有机碳含量测井预测的理 论基础； 而烃源岩TOC测井预测曲线又作为地震预测的桥 梁。
应用于TOC测井预测
烃源岩TOC纵向分布测井预测
地震数据体
实测TOC点
测井资料
钻井TOC曲线
属性参数
预测TOC曲线
递归统计关系 单属性预测 多属性预测 概率性神经网络预测
沉积相 3D地震资料
烃源岩TOC体 3D空间分布 定量预测
交互验证 应用于地震数据体
三维TOC体
预测TOC体
烃源岩3D空间分布预测—TOC体
Barnett页岩:
• TX, FortWorth盆地； • Mississippian 系； • 上、下为灰岩； • 目前产量最高； • 含气率高
• 研究程度最高，文献最 多。
Fayetteville页岩:
• AR+OK, Arkoma盆地 • Mississippian 系； • 上覆为灰岩、下伏为砂
Purcell Limestone
Onondຫໍສະໝຸດ Baiduga Limestone
Huntersville Chert Needmore Shale Oriskany Sandstone
Middle
Th/U
• Th/U 可确定 氧化还原环境
Th/K
• 根据 Th/K 可确定粘土矿 物成分：
• 伊利石－品红色
• 页岩气产区主要分布在美 国中、东部地区；
目前美国最主要含气页岩：
• Barnett 页岩
• Haynesville/Bossier页岩 • Antrim页岩 • Fayetteville 页岩 • Marcellus页岩 • New Albany页岩 • Woodford 页岩
Haynesville Bakken Arkoma Woodford Antrim Fayetteville Fort Worth Barnett
根据含水饱和度， 获得含气饱和度。
岩性分析：
• Marcellus 页岩其 实不纯 • 石英可达 65% • 粘土矿物仅 25% • 高有机质含量导致 低密度
• 铀含量与密度孔隙度正相关
伽玛测井、 放射性测井、 密度测井、 电阻率测井
页岩含气性
• 气页岩预测方法初探
1D:
岩性、 物性、 电性、 含气性
• Onondaga Limestone: 深灰色－灰色细粒石灰岩.
Miss.
Lower
Upper
Devonian
Sunbury
Berea
Gordon Alexander
Huron Rhinestreet Shale
Harrell Shale Tully Limestone
Mahantango Shale Marcellus Shale
• 岩石露头颜色深、 • 宏观上，水平层理与垂向裂缝发育、 • 露头张性垂向裂缝，应与地下水力压裂产生的垂向裂缝类似
Tim,2009 Nanopores
Darker Areas – Higher TOC
~10 µm
• 微观上，纳米级微孔隙发育，有机质含量越 高，微孔隙越发育。
岩性、物性、电性、含气性之间的关系
TOC 0.156R 0.157N 0.104t 0.055 6.019 2.182
文昌组泥岩 n=158 r=0.751
6.5m 5.5m
3m 4m 3m
12m
分析样品
测井资料
烃源岩TOC体定量预测技术
（国家专项研究 2008ZX05023-01阶段成果）
实测TOC点
测井参数
预测模型
➢ 游离态的气受浮力驱使形成“常规气藏”，以吸附 态、水溶态为主不受浮力驱使，形成“非常规气 藏”。
➢ ∴ “常规气”是“非常规气”的特例，“常规气成 藏”是相对的、小概率事件，“非常规气成藏”是 绝对的、大概率事件。
➢ 非常规与常规之间也存在相互转化。
• 气页岩岩石物理特征
－－以Marcellus页岩为例
• 美国最主要的 含气页岩特征
Wordford页岩:
• OK, • 泥盆系； • 上覆为灰岩、下伏为页岩；
Antrim页岩:
• MI, • 上泥盆统； • 上覆为页岩、下伏为灰岩；
New Albany 页岩:
• IL,IN,KY • 泥盆－密西西比系； • 上、下为灰岩；
• 页岩气地质及成藏特点
25 -
20 Unconventional
15 -
10 Conventional 5-
0-
Net Imports
Alaska
1995 2005 2015 2025
美国非常规天然气产量增加，主要依赖于致密砂岩气 （Tight gas）、页岩气（Shale gas）和煤层气（Coalbed gas）
1999年以来页岩气储量、产量显著增加，导致天然 气总量增加。
r=-
0.474,n=158
文昌组烃源岩TOC与密度的负相关关系
r=0.569,n=158
r=0.502,n=158
文昌组烃源岩TOC与电阻率的正相关关系 文昌组烃源岩TOC与中子孔隙度的正相关关系
r=0.470,n=158
文昌组烃源岩TOC与自然伽玛的正相关关系
r=0.293,n=158
文昌组烃源岩TOC与声波时差的正相关关系
• 美国页岩气资源概况
美国的燃料能源消费结构中，天然气占23%
Biofuels 1%
Renewables 8%
Coal 23%
Nuclear 8%
Liquids 37%
Gas 23%
Source: EIA,2009
美国天然气年产量：常规天然气产量逐渐减少，
非常规天然气产量逐渐增加， 1998年5.4 tcf, 2007年8.9 tcf
－－页岩气地质基本特点：
➢ 页岩气（shale gas）：生成并储存于泥页岩中的天 然气。
➢ 页岩气主要为干气，但有的也为湿气，与生气母质类 型及成熟度有关。
➢ 气页岩（gas shale）：含有一定量天然气的高碳页 岩。
➢ 页岩气藏宏观特征：页岩聚生、储、盖于一体，属于 典型的自生、自储、自盖；一般不受浮力驱使，没有 边水、底水，因此属于非常规气藏；