页岩气及其研究方法-张金川

Complex transition migration in shale Natural gas Basement
Tight sands
Conventional reservoir
Shale
Gas-bearing fracture
①
页岩 Shale 致密砂岩
②
Tight sands 常规砂岩 Conventional sandstone
有勘探价值， 但开发困难 具一定的 现实意义
（ 狭 义 ） 页 岩 油 富 集 类 型
夹 层 富 集
裂 缝 性 甜 点
裂缝含油
具较强的 现实意义
复合含油
断裂系统含油
富有机质泥页岩
0 0.5
Ⅰ型
Ⅱ 1型
Ⅱ 2型
Ⅲ型 生气量
生物 成因
0.5% 0.7% 0.9%-1.0%
1.0
1.2%-1.3%
1.5 2.0
含气性分析 含气量测定 岩-电实验
地球化学测试
岩石学分析
岩石力学性质
含气量分析
岩石力学测试仪器 中国地质大学
岩石力学测试仪器 德国GFZ
氩离子抛光技术
抛 光 前
抛 光 后
氩离子光束抛光页岩样品表面后，结合扫描电镜、薄片岩相鉴定 和X-衍射仪等分析，可定量观察微孔隙结构，确定孔隙度，分析 矿物成分。
0.51
0.36 0.24 0.52 0.59
0.37
0.01 0.01 0.62 0.45
0.02
0.04 0.03 0.04 0.04
0.90
0.41 0.28 1.18 1.08 0.73
0.404
0.652 0.376 0.472 0.218
0.45
0.412 0.345 0.574 0.316
Drake,2007
页岩气的聚集至少存在两种机理
(A)游离相态的天然气聚集，其中天然气的分布受控于
页岩中孔隙空间的发育，受控于其中裂缝的分布。
(B)吸附作用机理，页岩气的赋存聚集机理在吸附作用
特征上与煤层气具有相似之处，即受控于页岩颗粒 表面物质的吸附作用。
（after Martin）
bitumen
球化学
地球化学 分析
学
水分析
页岩水阴阳离子及微量元素分析
岩石成 泥页岩中碳酸盐岩含量 分分析 页岩元素化学分析
致密岩石专项分析
测试内容
参考测试项目 脉冲式岩石孔隙度、渗透率测试
致密岩石专项分析
（氩离子抛光）扫描电镜 比表面测定 放射性测定
含气性分析
测试内容
参考测试项目 现场解吸 等温吸附实验
希
托逆 冲
褶
黑勇士: Floyd/Neal
皱
带
阿
巴
图
例
拉
拉顿盆地 圣胡安盆地: Lewis & Mancos
勒
阿纳达科 : Woodford & Caney 帕洛杜罗 盆地: Bend
石等矿物含量大于30%～ 40%
产气区：盆地中心区、斜坡区，即优质烃源岩发育区 产液特点：部分页岩产轻质油，生物成因页岩气可产水
页岩气富集影响因素
温度
环境
深度
压力
孔隙
储集
裂缝
比表面
页岩 规模 分布
气源
有机质类型及含量
有机 质成 熟度
吸 5.0 附 含 气 4.0 量 /m3
3.0
2.0
1.0
0.0 0 5 10 15 20
经济性
Effecacy
环境评价
Environmental evaluation

勘探评价
Exploration 北美页岩气地质评价主要开展12个方面工作
Geologic condition appraisal in America is focused on 12 factors.



0.753
0.838 0.712 0.659 0.710
1.606
1.902 1.433 1.704 1.243 1.572
1200.00 1100.00 1000.00 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 -100.00 -200.00 -20 -300.00 -400.00 -500.00 -600.00 -700.00 -800.00 -900.00 -1000.00
热 成 因
2.5
Ro（%）
页岩油与页岩气
比较 页岩气 页岩油
沉积相类型 相对广泛 有机质类型 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型 热成熟度 可高或低
有机质丰度 可高或低 埋藏深度 可深或浅
较为有限 Ⅰ、Ⅱ型有利 适中
较高 适中
地层时代 有利区
前震旦-新生界 裂缝及非裂缝发育区
中新生界为主 裂缝发育区
美国页岩气分布图（据EIA，2010有改）
背散射扫描电镜
结合能谱仪，对暗区元素 全分析，检测出有机质元素 的存在，确定有机质的存在 形式和分布。
脉冲式岩石渗透率测试
页岩渗透率低，用常规方法难以准确测定 切萨皮克公司:速度快，仅需10分钟，精度可达10-3-10-9 md
常规渗透率测试 恒定高压 10-2md
瞬时脉冲渗透率 瞬时超高压 10-9nd
矿物颗粒
小 一般大于12% 宏-中孔为主 游离 含气饱和度变化较大 运移成藏
天然或人工裂隙
勘探目标
开发必要条件
有效页岩
开发非必要条件
圈闭
页岩油内涵
现状：概念不明确；规律不清楚；典型实例缺乏。 美国地质调查局(USGS，2011):
Shale oil reservoirs are those in which oil remains in the shale matrix rather than gas ;the oil not having been thermally cracked to gas.
多种测试条件
页岩吸附气含量测量仪发明专利（ZL：2010201470938 ）
总含气量
q
总含气量=损失气量+解析气量+残余气量
损失气
解吸气
残余气
t
国内X井部分含气量分析结果
国内 损失 解析气 深度（m） 气 (m3/t) 3 (m /t) 2417.852418.13 2423.072423.37 2427.072427.37 2431.002431.30 2435.612435.90 2440.902441.20 平均值 0.45 0.22 威德福公司 残余气 总含气 损失气 解析气 深度 (m) (m3/t) 量(m3/t) (m3/t) (m3/t) 0.03 0.70 2418.452418.5 2422.622422.92 2426.622426.92 2431.302431.60 2435.912436.21 2441.202441.50 0.57 0.251 残余气 总含气 (m3/t) 量(m3/t) 0.725 1.545
含气量分析
游离气
+
=
吸附气 页岩 含气量 解吸气
+
=
溶解气
损失气
+
+
残余气
吸附气：是指吸附在干酪根和粘土颗粒表面的天然气； 游离气：主要指储存在天然裂缝和粒间孔隙中的天然气；
溶解气：是指溶解在页岩有机质、液态烃和沥青等物质中的天然气
现场解吸实测法
解吸实验装置基本模式图 a.Bertard，1970 b. Camp，1992 c. TRW，1981
地质露头和钻井岩心
outcrop and core
内容提要
页岩气


实验测试技术
野外分析技术 井位优选技术 测井评价技术
页岩岩心室内评价具有两个难点：
岩心致密（最低可达10－9md），含气量、渗透率测
定困难
硅质含量高（>35％），易破碎、制样难度大
岩石学分析
测试内容 测试类别 参考测试项目
贵州省页岩气资源调查评价
页岩气及其研究方法
张金川
中国地质大学（北京）
二○一二年八月
内容提要


页岩气
实验测试技术 野外分析技术 井位优选技术 测井评价技术
深盆气
常规气
游离状态 页岩气 天然气 吸附状态 煤层气 溶解状态 水溶气 油溶气 水合物
页岩气：主体上以吸附和游离状态赋存于泥、页岩 地层层系中的天然气聚集。
异，页岩吸附气含量低于煤岩；
P（MPa）
• 样品预处理； • Langmuir模型为统计模型， 可能存在一定缺陷； • 样品取到地面后，岩石物性
正常吸附曲线
和物理结构发生改变，难以反映 地下真实吸附状态。
应用于页岩气时出现的问题
内容提要
页岩气 实验测试技术


野外分析技术
井位优选技术 测井评价技术
地层、沉积和构造特征 页岩层系厚度、埋深 岩石和矿物成分 储集空间类型、储集物性 泥页岩储层的非均质性 岩石力学参数 有机地球化学 页岩的吸附特征和聚气机理 区域现今应力场特征 流体压力和储层温度 流体饱和度及流体性质 开发区基本条件等
勘探评价主要方法和技术
地质分析
Major methods
Geology analysis
可采条件：TOC>2%; Ro<1.1%
页岩油气分类
（依据勘探开发特点）
页岩油气 页岩气 生化型 热裂解型 原 生 型 再 生 型 直 接 型 间 接 型 页岩油 油页岩 页岩油 露 天 型 浅 埋 型 粘 稠 型 凝 析 型
基质 含油
基质微孔微缝含油 砂质透镜体夹层含油 砂质夹层含油 碳酸盐岩夹层含油
③
含 气 裂 缝 带 Gas-bearing fracture 天然气 Natural gas
辽宁省抚顺市青西县侏罗系页岩
贵州省沿河县县城志留系页岩
湖北省吉首市默荣镇寒武系页岩
重庆市秀山县溶溪镇震旦系页岩
产气页岩特点
TOC：一般＞2%，最好在2.5 ～ 3.0%以上 Ro：一般＞0.5%（Ⅲ型）或1.2% （Ⅰ型） 厚度：一般＞ 10m 页岩特点：脆性矿物含量高、微裂缝发育，其中石英、长
500km 威利斯顿: Bakken shale
皱
带
风河盆地
拉
迪
科
盆地 页岩气生产区 逆冲褶皱带 美国页岩发育带 密执安盆地: Antrim 盆地名称: 页岩名称
二叠盆地: Barnett & Woodford
瓦尔贝尔德盆地
马
马尔法盆地: Barnett & Woodford
克尔盆地
拉
松
-沃
福特沃斯: Barnett
0
20
40
60
80
100
ml
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Mins
等温吸附法
5 4.5 4 3.5
3 V（m /t）
原因分析
• 页岩气与煤层气存在机理差
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
钻井工程评价
开发评价
Development
Drilling engineering
储层改造评价
Reservoir stimulation
压裂效果
Postfracture response
产能评价
经济评价
Deliverability appraisal
经济评价
Economic Assessment
Economic assessment
美国页岩油分布图（EIA，2010）
地质评价
Geologic condition appraisal
选区评价 勘探评价
Exploration
含气量
Range of profitability selection Gas concentration 资源评价 Resource assessment
传统解吸设备特点
• 能够较好的满足煤层气解
吸、收集及测定的基本要求 • 无法满足页岩气测量精确要求 • 体积大
煤层气测定方法( 解吸法) MT/T 77-94
技术改进
改浮力法为表面张力法 • 去导管化、提高精度
• 可在同一罐中连续完成损失
气恢复数据测试、解吸气测定 及残余气测定
• 结构紧凑，体积小，适合于
有机碳含量/%
5 4.5 4 3.5
3 V（m /t）
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
P（MPa）
储层
对比项目 生气能力 页岩储层 有 常规砂岩储层 无
岩石成分
比表面积 孔隙度 孔隙大小 储气方式 含气性 运聚特点
矿物颗粒、有机质
大 基质孔隙度1%-3％ 微孔-纳米孔为主 吸附+游离 吸附含气量高 原地自生自储
岩石制片
矿物学分析 （微观结构） 岩石学分析 薄片鉴定 扫描电镜分析
岩石结构特征测定
泥页岩样品电子探针分析 X衍射全岩分析和粘土矿物测定
岩石力学性质分析 综合
应力-应变特征测试 声发射测试 岩芯描述

测试内容
地球化学分析
测试类别 参考测试项目
有机碳含量（TOC）
源岩地 有机成熟度或镜质体反射率(Ro) 有机地 球化学 干酪根显微组分及类型 岩石热解、热模拟 天然气组分分析 同位素分析 球化学 微量油分析 油气地 定年 无机化 页岩粘土矿物K-Ar同位素测年 页岩矿物流体包裹体中的铷锶同位素地质年龄测定 泥页岩含水率测定