岩气及其勘探开发

2.页岩气的分布
图2-6 页岩气地质储量全球分布图（2011年路透社引用） 据2005年RHS的统计，全球页岩气资源量为456万亿立方 米，主要分布在北美（最多）、亚洲、欧洲和非洲等地。
中国主要盆地页岩气分布图(已修改)
3.页岩气及页岩气藏的特点
一、页岩气特点
1.岩性：富含有机质的暗色和黑色页岩、高碳泥页岩及其间夹层 状的粉砂质泥岩等。
1.吸附机理
• 吸附机理是通过吸附作用实现的，可分 为物理吸附（主要方式）和化学吸附。
• 物理吸附作用一般认为是由范德华分子 力引起的，它具有吸附时间短、可逆性、 普遍性、无选择性等特点。它能发生多级 吸附，但总优先选择能量最小一个能级范 围内的分子吸附，接着进行下一能级的分 子吸附（能量最小原理）。
3、页岩实验分析技术
是页岩气勘探开发评价中的重要环节。测试项目主要有以下六 个：①气体组分分析，评价储层的产气来源；②含气量测试， 预测储层的地质储量；③等温吸附试验，评价储层的吸附能力； ④岩石学特征，通过扫描电镜、薄片鉴定、 以及X射线衍射实 验分析页岩的层理产状、孔隙结构及矿物组成；⑤烃源岩分析， 通过岩石的热解实验和镜质体反射率R0的测定分析有机质丰度、 成熟度和有机碳含量；⑥致密岩石专项分析，主要是通过压力 脉冲衰减法测定致密页岩的渗透率、孔隙度及压汞毛管力曲线、 相对渗透率、储层敏感性、压裂液伤害评价等。
溶解态少量存在。 8.页岩气勘探具隐蔽性特点。
二、页岩气藏的特点
1.成藏时间早（页岩集“生、储、盖”三位 一体）
2.自身自储 3.无明显圈闭，不受构造因素控制。 4.储层超致密（原始孔隙35%＋变为≤10%） 5.气体赋存状态多样（吸附态、游离态及溶
解态） 6.页岩气藏较易保存（地层沉积特征、连续
为什么要进行页岩气的勘探开发？
• 1.资源利用大背景：随着石油储量的减少和环保问题的严
重，近年来，世界天然气的产量和消费量都逐年增加，据 专家估计，数年后人类对天然气的消费将超过石油。 • 2.页岩气丰富的可采储量：天然气包括常规天然气和非常 规天然气，其中后者是前者资源量的1.65倍，而非常规天 然气中以页岩气所占比例最大为49%。 • 3.开采技术的支持：美国和加拿大是目前世界上已经实现 页岩气商业开发的国家。尤其是美国，由于技术的进步， 其页岩气勘探开发取得了巨大成功，页岩气年产量稳步上 升，为其他国家涉足页岩气树立了榜样。
三、页岩气的勘探和开发
1、页岩气的勘探
通过对页岩气成藏的分析，影响页岩气资源的地质条件 主要包括: 资源丰度、页岩单层厚度、页岩厚度/地层厚 度、母质类型、有机碳含量、热演化程度、含气量、吸 附气含量、裂缝发育程度和构造强度( 下表2) 。综合考 虑地质状况、经济效益、环境影响等多方面的因素，建 立了页岩气勘探开发的选区指标(范柏江、师良、庞雄奇， 2011 ) 。
• 非常规天然气 主要包括深盆气 ( deep gas ) 、致密砂岩气 (tight gas）、煤层气( coalbed methane ) 、天然气水合物 (Arctic and subsea hydrates) 以及页岩气( shale gas ) 。
• 页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中、以吸附或游 离状态为主要存在方式的天然气聚集。（张金川等，2003）
（二）页岩气赋存机理
• 页岩气是典型的自生自储模式，因而无运移或极短距离运移， 就导致了其就近赋存的特点。页岩气主体上表现为吸附（干酪根 和粘土颗粒表面）或游离（天然裂缝和粒间孔隙）状态，甚至在 干酪根和沥青质中以溶解状态存在。 • 页岩气赋存机理
1、吸附机理 2、游离机理 3、溶解机理 4、综合机理
主要的勘探技术
1、地震勘探技术
获得页岩储层的关键参数：深度、岩性、岩相、厚度、 孔隙度、压力、总有机碳含量、古应变、断裂分布等。
2、井测井评价技术
是页岩气开发常用的技术之一，主要用于各种裂缝、孔洞、 以及黄铁矿等的识别，储层有效性的评价，页岩储层的裂缝 参数、孔隙度、渗透率、含气饱和度的计算以及矿物成分等 物性参数的计算；另外，井测井评价技术在烃源岩的评价方 面不可或缺，利用测井资料可以计算地层总有机碳含量、游 离气和吸附气含量，地层储量等参数。
2.热成因
• 热成因：指随着埋深的增加，温度、压力增大，泥页岩中 大量的有机质由产甲烷菌的代谢发生的化学降解和热裂解 作用。
与生物成因气相比，热成因气生成于较高的温度和压力 下，因此，在干酪根热成熟度（镜煤反射率Ro）增加的 方向上，热成因气在盆地地层中的体积含量呈增大趋势。
3.混合成因
• 混合成因：不同成因类型的天然气在页岩中共存，表现为 高成熟度和低成熟度同时共存的页岩气藏.
3、水平井分段压裂技术
分段压裂利用封隔器或其它材料段塞，在 水平井筒内一次压裂一个井段，逐段压裂， 压开多条裂缝。通常情况下分为三个阶段， 第一阶段，将前置液泵入储层。前置液是一 种没有支撑剂的压裂液；第二阶段，将含有 一定浓度支撑剂的压裂液泵入储层；第三阶 段，使用含有更高浓度支撑剂的压裂液。随
2、页岩气的开采技术
页岩气开采技术，主要有水平井钻探技术、水力压裂技术、 水平井+多段压裂技术、页岩气井压裂监测技术等，这些先进 技术不断提高页岩气井产量。虽然有吸附与游离相天然气的同 时存在，但页岩气的开发并不需要排水降压。页岩中游离相天 然气的采出，能够自然达到降压目的，并导致吸附相及少量溶 解相天然气游离化，进一步提高了天然气的产能，实现长期稳 产目的。由于孔隙度和渗透率较低，页岩天然气的生产率和采 收率亦低，页岩气的最终采收率依赖有效的压裂措施。因此， 压裂技术和开采工艺直接影响页岩气井的经济效益。
5、压力：从吸附等 温线上可以看出， 岩石中的吸附气 含量随压力的增 加而增大。
总甲烷含量、吸附甲烷含量与压力的关系图
2.游离机理
• 游离状态的页岩气存在于页岩的孔隙或裂隙中，气体可以自由 流动，其数量的多少决定于页岩内自由的空间（当气体分子满 足了吸附后，多余的气体分子一部分就以游离状态进入岩石孔 隙和裂隙中）。
间隙充填: 页岩气体分子和液态烃类接触，由于分子的扩 散作用进入干酪根和沥青等烃类分子间的空隙中的作用，称 为间隙充填。间隙充填主要受温度和压力影响较大。
水合作用: 页岩中气体分子和水分子相互作用结合或分解 的过程为水合作用。这是一个可逆过程当结合和分解的速度 相等时它们的达到了一种动态平衡。
4.综合机理
页岩气及其勘探开发
报告人：XXX 2015、6、18
主要内容
1.页岩气的定义
• 天然气包括常规天然气和非常规天然气。常规天然气是指采自 气田的天然气和油田伴生气；非常规天然气是相对“常规”而 言的，特指成因来源、地质过程、赋存特征、化学特点、分布 规律、开发方式以及地域分布等方面与常规天然不同的天然气。
吸附于岩石表面的天然气
吸附能力的控制因素
1、页岩组成 ：矿物 质含量、粘土矿物、 总有机质含量。
2、孔隙结构：岩石 的孔隙结构
3、温度：气体吸附 是放热过程，需要 控制并降低温度
图1－3 吸附气含量与总有机碳含量的关系
4、裂缝、孔隙：裂 缝、孔隙会使孔 隙度增高，增大 页岩中颗粒的比 表面积。
1.吸附机理
• 页岩完成对天然气的吸附是通过物理和化学的共同作用完 成的，但两者所处占主导优势的地位随成藏条件以及页岩 和气体分子等改变而发生变化。吸附作用开始很快，越后 越慢，由于是表面作用，被吸附到的气体分子容易从页岩 颗粒表面解吸下来，进入溶解相和游离相，在吸附和解吸 速度达到相等时，吸附达到动态平衡。
（四）页岩气产出机理
当页岩层压力降到一定程度时，页岩中被吸附的气体开始 从裂隙表面分离下来，成为页岩气的解析，解析出的气体和游 离态、溶解态天然气混合通过基质孔隙和裂隙扩散进入裂隙网 络中，再经裂缝网络等输导系统流向井筒。
压力下降 页岩层
产出单 压力继续 相的水
下降
部分甲烷 和天然气 混合形成 气泡
• 置换式运聚机理：若天然气的生存量不断增加，则彼此连 通性较差的裂隙网络组合构成较大的裂缝（运移高速通 道），浮力作用促使天然气以置换式向泥页岩层外运移， 为常规圈闭气的气藏打开了通道（据张金川等，2003）。 该阶段孔隙度比以前明显增大，游离态的天然气占优势地 位，同时扩散作用也有很大的提高，表现为常规天然气运
水的流 动受阻
水的相 对渗透 率下降
气量增 加，为 两相状 态
随着压力 下降，饱 和度降低
气的相 对渗透 率增大
导致
水达到饱 和，气泡 连成线状
压力进一 非饱和 单相流
步降低
页岩气成藏的阶段
成藏机理小结：
页岩气成藏作用使页岩中的天然气赋存相态本身构成了从 典型吸附到常规游离之间的序列过渡，具有典型煤层气、深 盆气和常规圈闭气成藏的多重机理，经历了吸附气成藏过程 (煤层气) 、活塞式气水排驱过程（深盆气) 和典型的置换 式运聚过程(常规气) ，因而可以在基础地质条件研究的基 础上，借助煤层气、深盆气、常规气的综合研究手段，解释 页岩气成藏的特点及规律，为页岩气的勘探开发提供帮助。
2.矿物成分：30-50% 粘土矿物+15-25% 粉砂质+2-25% 有机质。 3.气源：干酪根、沥青裂解、油裂解、生物成因。 4.既是气源岩也是储气层。 5.总有机碳总量一般＜2%，镜质体反射率Ro介于0.4-2%。 6、孔隙度一般＜10%，含气有效孔隙度1-5%。 7.具广泛的饱含气性，赋存状态多变，以吸附态和游离态为主，
气藏、20-90%为吸附态） 7.与常规油气共生共存（凹陷或盆地中心）
4.页岩气形成条件
1. 较快的沉积速率及封闭性较好的还原环境
生 2.广泛分布且具有有效厚度的泥页岩
烃
条 件
3.足够的有机碳含量
4.干酪根的类型和有机质成熟度
5.矿物组成（一般以石英和粘土矿物为主）储 层
6.裂缝的存在
条
件
二、页岩气的成藏机理
浮力作用无法产生，出现天然气位于地层水之下的气水倒置分
规圈布闭关气系藏 （图1－4），典型的深盆气根缘 藏气形藏成机理。
Trapped Gas
Source-Contacting Gas
h
来自百度文库
水层
hw
hg
气源岩 Source Rock
气藏 Gas Accumulation
盖层 Cap Rock
图1－4 典型活塞式机理（据张金川等，1997）
活塞式运聚机理：若地层岩石足够致密，储层孔隙半径足够
狭小，当天然气压力较大时，天然气与孔隙壁之间的束缚水膜
厚度也就足够薄，阻断了地层水穿越天然气所在孔隙段的流
动，运移过程中天然气顶、底界的地层水之间无法通过自由流
动来实现势能交换，则气水排驱过程服从活塞式原理，表现为
天然气从底部对地层水的整体推移作用，边、底水无以存在，
1）生物成因作用方式：
Ⅰ、二氧化碳的还原作用 Ⅱ、醋酸盐的发酵作用
醋酸盐发酵作用：CH3COOH→CH4 +CO2 CO2还原作用：CO2+4H2→CH4+2H2O （主要方式）
2）页岩气生物成因作用的条件： a、富含有机质的泥页岩--物质基础 b、缺氧环境、低硫酸盐环境、低温环境是--必要外部条件
游离气量数学表示： PV=M/ μRT
对理想气体状态方程为：V=nRTZ/p 式中：V—气体体积；M—气体质量；μ—摩尔质量；T—绝 对温度；P—气体压力;Z—气体压缩系数
游离气体的含量的大小取决于孔隙体积、温度、气体压力和 气体压缩系数。
3.溶解机理
当天然气分子从满足吸附后很可能进入液态物质中发生溶 解作用。页岩气一部分以溶解态存在于干酪根、沥青和水中。 溶解度取决于液体的温度、矿化度、环境压力和气体成分等。 溶解机理主要有间隙充填和水合作用。
•根据不同的成藏条 件，页岩气藏生成 机理有：生物成因、
（一）页岩气生成机理
• 通过对页岩气组分特征、成熟度特征分析，可知道页岩气 是连续生成的生物成因气、热成因气或两者的混合。
• 页岩气生成机理：生物成因、热成因、混合成因
1.生物成因
• 在埋藏阶段的早期成岩作用或近代，在低温条件下经厌氧 微生物分解作用形成的天然气。最普遍的标志是甲烷的 σ13C值很低（<-55‰）。
• 页岩气以上述三种机理赋存并不是相互独立的，一成不变 的，当页岩生烃量发生变化或外界条件改变时，三种赋存 机理的表现形式可以相互转化。
（三）页岩气运聚机理
• 页岩气的运移距离短,在页岩中生成的天然气一部分将赋存 在页岩层表现出典型的吸附机理，当生气量达到一定规模 的调整运移时表现出典型的活塞式运聚机理，同时有一部 分天然气运移出页岩表现出典型的置换式运聚机理。