页岩油气勘探研究中的一些基本问题

气源
有机质类型及含量
有机 质成 熟度
美国页岩油勘探开发区分布示意图
美国页岩气分布图（据EIA，2010有改）
Marcellus 页岩
Williston盆地地层剖面图
After Stephen A. Sonnenberg，2009
概率体积法计算页岩气资源量 原理
Q总= Q吸+Q游+ Q溶
Q总≈ Q吸+Q游 Q总=0.01· A· h· ρ· q / Bg q≈ q吸+q游
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
有勘探价值， 但开发困难 具一定的 现实意义
页 岩 油 富 集 类 型
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
0.3
油气排驱压力差(MPa)
0.2
0.1
0 0 5 10 15 孔隙度（%） 20 25 30
概率（%）
100 90
50
0
1
2
孔隙度（%）
3
4
5
0
1
2
3 孔隙度（%）
4
5
概率密度分布
概率分布
条件 概率 P5 P25
参数条件及页岩气聚集的可能性
非常不利，机会较小 不利，但有一定可能
把握程度
基本没把握 把握程度低
赋值参考
勉强 宽松 乐 观 倾 向
P50
P75 P95
一般，页岩气聚集或不聚集
有利，但仍有较大的不确定性 非常有利，但仍不排除小概率事件 概 率 密 度
页岩油气勘探研究中的
一些基本技术问题讨论
张金川
中国地质大学（北京）
二零一二年五月十九日 郑州
提要
1 非常规天然气-共伴生致密气
2 页岩油气资源评价-关键参数 3 页岩油气地质评价-有利选区 4 相关方法和技术-综合研究
非常规天然气：所有在机理上不服从浮 力作用原理，在分布上不符合常规地质 逻辑的油气聚集类型。
岩、碳酸盐岩、火山岩等夹层）。
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
含气页岩层段：有直接或间接证据表明页岩含气，并可能
具有工业价值页岩气聚集的页岩层段，包括页岩、泥岩及其 夹层。
（2）类比方法；
（3）中国页岩气特点。
川东
8
总含气量 吸附气量
6
4.81–7.08
含 气 量
(m3/t)
4
1.70－3.54 2
0
0
10
压力(Mpa)
20
30
福特沃斯Barnett（Montgomery，2005）
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
2 页岩油气资源评价-关键参数
3 页岩油气地质评价-有利选区 4 相关方法和技术-综合研究
页岩气：主体以吸附和游离方式赋存于暗色泥页岩地
层层系中的天然气，也包括粉、细砂岩及其它岩性夹
层。 页岩油：有效生烃泥页岩层系中具有勘探开发意义的 液态烃，主要以游离态（含部分溶解态或凝析态）方
式赋存于泥页岩层系中（包括泥页岩孔隙、裂缝及砂
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
页岩油气富集影响因素
温度
环境
深度
压力
孔隙
储集
裂缝
比表面
页岩 规模 分布
P a
x
概率分布
b
b
参数正态分布公式：P(a x b)
a
1 2 2 ( x )2 f ( x)dx e dx a 2
b
1
密度：正态分布概率统计
概率密度 0.7 0.6 80 0.5 0.4 0.3 40 0.2 0.1 0 30 20 10 5 70 60
0-5 5-10
10-20 15-20 15-25 20-25
0-5 5-10
Baidu Nhomakorabea10-20 15-25 20-30 25-30
提要
1 非常规天然气-共伴生致密气
2 页岩油气资源评价-关键参数
3 页岩油气地质评价-有利选区
4 相关方法和技术-综合研究
底图选自EIA
准噶尔盆地
塔里木 塔里木盆地 板块
静态观点的压力特点不能作为识别根缘气的重要指标
4.55
西海岸区
0.05 0 0
洛基山区 东北区
0.31 0.080 0.55 1.19 0.11 0.36 0.08 1.27
中陆区
0.62 0.06 0
0.23
西南区
湾岸区
据USGS,1996;ARI,1997;AEO,2000编
提要
1 非常规天然气-共伴生致密气
b

1 2
2
( x )2
dx
可采系数参考取值
地表条件 前寒武、寒武系 志留系 上古生界
（单位：%） 中新生界
高山 中山
沙漠、戈壁 黄土塬、 高原(除青藏外) 低山 丘陵、平原
0-5 5-10
5-15 10-15 10-15 10-15
0-5 5-10
10-15 10-15 10-20 10-25
Q
t 或√t
结果分析
通过特尔斐等方法进行资源量计算结果分析， 形成页岩气资源量的概率分布。
概率 % 概 率 密 度
Pa x b f ( x)dx ?
b a
95 75
50
25 5
期望值
资源量
资源量
P(a x b)
b
a
1 f ( x)dx e a 2
页岩气常规解吸3个月，快速解吸仅需2-3天。
发明专利：吸附气含量测量仪及其实验方法
ml
1600 1400
1200
1000 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Mins
总含气量=损失气量+解析气量+残余气量
q
LG DG RG
t
K1 K2 K3
有把握
把握程度高 非常有把握
中值
严格 苛刻 保 守 倾 向
P50 P25 P5 P75
P95
参数
游离含气饱和度
• 直接获取较困难，但可通过测井解释等方法间接获取。 •浅埋时该值通常<100%；可依据埋深、保存条件等给
适当估计值。
结合统计分析对游离气饱和度值进行概率赋值
吸附含气量
• • • • 统计拟合法 等温吸附实验法 现场解析法 测井解释法
质资源量的比例。
页岩气可采资源：在现行的经济和技术条件下，预期从某
一具有明确物理边界的页岩范围内（最终）可能采出并具有经 济意义的天然气数量。
页岩气有利区：主要依据页岩分布、评价参数、页岩气显
示以及少量含气性参数优选出来、经过进一步钻探能够或可能 获得页岩气工业气流的区域。
基质 含油 夹 层 富 集
Q总：页岩气资源量，108m3; A：页岩含气面积，km2；h：有效页岩厚度，m； ρ：页岩密度，t/m3；q: 总含气量,m3/t； Z:天然气体积系数
Q总≈Q吸+Q游
Q总：页岩气资源量; Q吸：吸附气资源量; Q游：游离气资源量。
Q总=0.01· A· h· （ρ·q吸 + Φg· Sg / Bg）
0 2.5 1
R25 AC (Ω ·m) (μ s/m) 深度 3340 90 125 50 65 (m)
3350
次 深 海 深 海 盆 地 相
3360
3370
3380
3390
3400
3410
3420
3430
3440
3450
3460
3470
3480
3490
3500
（1）中国与美国具有非常相似 的页岩气发育条件； 等温吸附实验法
P（MPa）
现场解析法
煤层气测定方法( 解吸法) MT/T 77-94
目前常用的页岩含气量测试仪
煤层气测定方法( 解吸法) MT/T 77-94
在中国，一系列技术革新正在取得成果 In China, serial inventions are producting.
高精度含气量测试技术
快速解吸法
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
钻井工程评价
开发评价
Development
将吸附气含气量进行概率统计分析
统计拟合法
吸 5.0 附 含 气 4.0 量 /m3 /t
3.0
2.0
1.0
0.0 0 5 10 15 20
有机碳含量/%
Q=f(TOC)
测井解释法
SP (mv)
15 60
丁山1井
岩性 沉积相 实测TOC 吸附气含量 总含气量 吸游比 孔隙度 饱和度 游离气含量 0 2.5 % % （m3/t） （m3/t）11 （m3/t） % 1 14 计算TOC 0 0 3 50 100 0 3 0.7 0 2 0
焉耆盆地
辽河 坳陷
华北 板块
鄂尔多斯盆 地
苏北南黄海盆地
南华北盆地
扬子板块 四川盆地
江汉盆地
楚雄盆地
南海
莺歌海－ 琼东南盆 地
南海盆地
（USGS）
Ⅲ1
Ⅱ2
Ⅲ2
Ⅲ
Ⅲ3 Ⅱ1
Ⅱ
Ⅱ3
Ⅳ
Ⅰ1
盆地 分区
Ⅰ
Ⅰ2
古生界
中生界
南海
注：空白区域为新生界。 Ⅰ：南方区。 Ⅰ1为扬子区， Ⅰ2为东南区；Ⅱ：北方区。 Ⅱ1为中部区， Ⅱ2为东北区， Ⅱ3为东部区；Ⅲ：西北区。 Ⅲ1为北疆区， Ⅲ2为南疆区， Ⅲ3为柴达木区；Ⅳ：青藏区。
置换式推进（油气具有高位低势特点）
活塞式推进 （油气具有低位高势特点）
均
气
水
匀
岩
气
气
源
活塞式近距离运移是根缘气成藏的主要特点
jc
2.2 根缘气识别技术
声 波、 电 测 等
气 测
识别模式
h1
h2
h3
h4
h5
h6 h7 h8 h9
Pc9
Pc8
Pc7 Pc6 Pc5 Pc4 Pc3 Pc2 Pc1
页岩气资源：页岩层系中赋存的页岩气总量，是发现与未
发现资源量的总和。
页岩气地质资源：根据一定的地质依据计算、当前可开采
利用或可能具有潜在利用价值的页岩气数量。即根据目前地 质资料计算出来、在勘探工作量和勘探技术充分使用的条件 下，最终可探明的具有现实或潜在经济意义的页岩气总量。
页岩气可采系数：同一地质单元中，可采出的资源量占地
ρ：为泥页岩密度（t/m3）； Ω：含油率（%）
主要参数
面积
间接参数 深度
厚度
裂隙孔隙度 游离气含气饱和度 吸附气含气量 总含气量 兰氏体积、兰氏压力 体积系数/压缩因子
地层压力
温度 干酪根类型 等
采用概率分析法，如蒙特卡洛方法估算资源量 。
( x) 随机变量X的频数
正态分布的 概率密度函数
Φg：(裂隙)孔隙度，%； Sg：含气饱和度，%； Bg :体积系数，无量纲。
Q可采 = Q总· k
Q可采：页岩气可采资源量，108m3； k ：页岩气可采系数，无量纲。
页岩油 Qo=100· A· h· ρ· ω
Qo：页岩油资源量（104t）； A：含油泥页岩面积（km2）；
H：有效泥页岩厚度（m）；
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.
• • • • • • • • • • • •
1 ( x) e 2

1 2
( x )2 2
, x
2 总体方差 3.14159 ；e 2.71828
x 随机变量的取值
总体均值
b 概 P(a≦x ≦b)=∫a f(x)dx=? 率 密 度
若x1, x 2, x3 xn的平均数为， 1 则方差 2 [(x1 ) 2 ( x 2 ) 2 ( xn ) 2 ] n
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
经济性
Effecacy
（1）储层致密（水溶气及水合物另论） （2）近源及源内发育，多种类型共伴生分布 （3）常规意义上的圈闭不再成为必需 （4）气水关系复杂 （5）地层压力异常 （6）资源潜力大。
致密气
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
常规储层：常规 圈闭气藏
天然气向上的运移 被盖层遮挡
常规储层：运移 高速通道
天然气选择大孔隙 通道进行运移
天然气对孔隙水的 整体推进作用
致密砂岩：气 水倒置 煤层：气源＋ 煤层吸附
甲烷在煤岩表面上 的吸附作用
2rp
2rt
L
2rp
2rt
L1
L2
根缘气：当致密储层直接上覆于有效气源岩时所 形成的具有致密砂岩底部含气特点的天然气聚集。
常
规
储
层
气
根缘气