页岩气及其研究方法-张金川

页岩气及其研究方法张金川中国地质大学（北京）二○一二年八月贵州省页岩气资源调查评价内容提要页岩气实验测试技术野外分析技术井位优选技术测井评价技术天然气吸附状态游离状态溶解状态深盆气常规气油溶气水溶气页岩气煤层气水合物页岩气：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。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。ShaleTightsandsGas-bearingfractureConventionalreservoirNaturalgasBasementComplextransitionmigrationinshalebitumen（afterMartin）③②①页岩Shale致密砂岩Tightsands含气裂缝带Gas-bearingfracture常规砂岩Conventionalsandstone天然气Naturalgas湖北省吉首市默荣镇寒武系页岩贵州省沿河县县城志留系页岩辽宁省抚顺市青西县侏罗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深度储集气源有机质类型及含量有机质成熟度页岩规模分布孔隙比表面裂缝环境温度压力页岩气富集影响因素0.01.02.03.04.05.005101520有机碳含量/%吸附含气量/m30.01.02.03.04.05.005101520有机碳含量/%吸附含气量/m300.511.522.533.544.550123456789P（MPa）V（m3/t）储层对比项目页岩储层常规砂岩储层生气能力有无岩石成分矿物颗粒、有机质矿物颗粒比表面积大小孔隙度基质孔隙度1%-3％一般大于12%孔隙大小微孔-纳米孔为主宏-中孔为主储气方式吸附+游离游离含气性吸附含气量高含气饱和度变化较大运聚特点原地自生自储运移成藏天然或人工裂隙开发必要条件开发非必要条件勘探目标有效页岩圈闭页岩油内涵美国地质调查局(USGS，2011):Shaleoilreservoirsarethoseinwhichoilremainsintheshalematrixratherthangas;theoilnothavingbeenthermallycrackedtogas.可采条件：TOC2%;Ro1.1%现状：概念不明确；规律不清楚；典型实例缺乏。页岩油气页岩气页岩油生化型热裂解型油页岩页岩油原生型再生型直接型间接型露天型浅埋型粘稠型凝析型页岩油气分类（依据勘探开发特点）基质微孔微缝含油砂质透镜体夹层含油砂质夹层含油裂缝含油复合含油断裂系统含油（狭义）页岩油富集类型裂缝性甜点夹层富集基质含油具较强的现实意义具一定的现实意义有勘探价值，但开发困难碳酸盐岩夹层含油富有机质泥页岩生气量Ro（%）0.51.01.52.002.5Ⅰ型Ⅱ1型Ⅱ2型Ⅲ型生物成因0.5%0.7%0.9%-1.0%1.2%-1.3%热成因页岩油与页岩气比较页岩气页岩油沉积相类型相对广泛较为有限有机质类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型Ⅰ、Ⅱ型有利热成熟度可高或低适中有机质丰度可高或低较高埋藏深度可深或浅适中地层时代前震旦-新生界中新生界为主有利区裂缝及非裂缝发育区裂缝发育区美国页岩气分布图（据EIA，2010有改）美国页岩油分布图（EIA，2010）地质评价Geologicconditionappraisal选区评价Rangeofprofitabilityselection资源评价Resourceassessment勘探评价Exploration开发评价Development经济评价EconomicAssessment钻井工程评价Drillingengineering储层改造评价Reservoirstimulation产能评价Deliverabilityappraisal含气量Gasconcentration经济评价Economicassessment环境评价Environmentalevaluation压裂效果Postfractureresponse经济性Effecacy勘探评价Exploration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开发区基本条件等北美页岩气地质评价主要开展12个方面工作GeologicconditionappraisalinAmericaisfocusedon12factors.勘探评价主要方法和技术Majormethods地质分析Geologyanalysis地质露头和钻井岩心outcropandcore页岩气实验测试技术野外分析技术井位优选技术测井评价技术内容提要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岩石学分析矿物学分析（微观结构）岩石制片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应力-应变特征测试声发射测试综合岩芯描述地球化学分析测试内容测试类别参考测试项目地球化学分析有机地球化学源岩地球化学有机碳含量（TOC）有机成熟度或镜质体反射率(Ro)干酪根显微组分及类型岩石热解、热模拟油气地球化学天然气组分分析同位素分析微量油分析无机化学定年页岩粘土矿物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水分析泥页岩含水率测定页岩水阴阳离子及微量元素分析岩石成分分析泥页岩中碳酸盐岩含量页岩元素化学分析致密岩石专项分析测试内容参考测试项目致密岩石专项分析脉冲式岩石孔隙度、渗透率测试（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含气性分析现场解吸等温吸附实验含气量测定岩-电实验岩石学分析地球化学测试含气量分析岩石力学性质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。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常规渗透率测试瞬时脉冲渗透率恒定高压瞬时超高压10-2md10-9nd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10-3-10-9md游离气吸附气溶解气++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含气量分析页岩含气量=损失气解吸气残余气++=解吸实验装置基本模式图a.Bertard，1970b.Camp，1992c.TRW，1981现场解吸实测法传统解吸设备特点•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/T77-94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=损失气量+解析气量+残余气量qt损失气解吸气残余气总含气量国内威德福公司深度（m）损失气(m3/t)解析气(m3/t)残余气(m3/t)总含气量(m3/t)深度(m)损失气(m3/t)解析气(m3/t)残余气(m3/t)总含气量(m3/t)2417.85-2418.130.450.220.030.702418.45-2418.50.570.2510.7251.5452423.07-2423.370.510.370.020.902422.62-2422.920.4040.450.7531.6062427.07-2427.370.360.010.040.412426.62-2426.920.6520.4120.8381.9022431.00-2431.300.240.010.030.282431.30-2431.600.3760.3450.7121.4332435.61-2435.900.520.620.041.182435.91-2436.210.4720.5740.6591.7042440.90-2441.200.590.450.041.082441.20-2441.500.2180.3160.7101.243平均值0.731.572国内X井部分含气量分析结果-1000.00-900.00-800.00-700.00-600.00-500.00-400.00-300.00-200.00-100.000.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00900.001000.001100.001200.00-2002040608010002004006008001000120014001600050010001500200025003000Minsml等温吸附法应用于页岩气时出现的问题正常吸附曲线原因分析•页岩气与煤层气存在机理差异，页岩吸附气含量低于煤岩；•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，岩石物性和物理结构发生改变，难以反映地下真实吸附状态。00.511.522.533.544.550123456789P（MPa）V（m3/t）页岩气实验测试技术野外分析技术井位优选技术测井评价技术内容提要500km尤因塔盆地:Mancos帕拉多盆地:CaneCreek圣胡安盆地:Lewis&Mancos丹佛盆地:NiobraraShale&Chalk粉河盆地:Gammon:Mowry威利斯顿:Bakkenshale森林城盆地:Excello/Mulky伊利诺斯盆地:NewAlbany阿巴拉起亚盆地:Devonian/Ohio密执安盆地:Antrim阿克玛:Fayetteville/Caney&Woodford福特沃斯:Barnett二叠盆地:Barnett&Woodford阿纳达科:Woodford&Caney帕洛杜罗盆地:Bend大绿河盆地:Lewis,Mowry&Niobrara大角盆地风河盆地页岩气生产区马拉松-沃希阿巴拉契亚逆冲褶皱带马尔法盆地:Barnett&Woodford黑勇士:Floyd/Neal拉顿盆地皮申斯盆地:GreenRiver克尔盆地瓦尔贝尔德盆地科迪勒拉逆美国页岩发育带盆地图例盆地名称:页岩名称逆冲褶皱带密执安盆地:Antrim冲褶皱带托逆冲褶皱带鄂尔多斯盆地南华北盆地苏北南黄海盆地塔里木盆地准噶尔盆地四川盆地楚雄盆地焉耆盆地江汉盆地南海南海盆地莺歌海－琼东南盆地塔里木板块华北板块扬子板块辽河坳陷武汉重庆成都南昌广州福州杭州合肥南京上海南宁贵阳昆明04080120km造山带子带扬山别大岭秦造山块地东起隆南江南地块龙覆推山门带三江台北十万大山三水百色昌都兰坪思茅楚雄洞庭江汉四川苏北鄱阳南襄上扬子地块中扬子地块下扬子块地长沙武汉重庆成都南昌广州福州杭州合肥南京上海南宁贵阳昆明04080120km造山带子带扬山别大岭秦造山块地东起隆南江南地块龙覆推山门带三江台北十万大山三水百色昌都兰坪思茅楚雄洞庭江汉四川