页岩气

浅谈页岩气主讲人：Page2主要内容一、页岩气的概述1、页岩气的定义2、页岩气的分布二、页岩气的成藏机理1、页岩气生成机理2、页岩气赋存机理3、页岩气运聚机理4、页岩气产出机理三、页岩气的勘探和开发1、页岩气的勘探2、页岩气的开发Page31.页岩气的定义非常规天然气主要包括深盆气(deepgas)、致密砂岩气(tightgas）、煤层气(coalbedmethane)、天然气水合物(Arcticandsubseahydrates)以及页岩气(shalegas)。页岩气是由烃源岩连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，在烃源岩系统（页岩系统：页岩及页岩中夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩）中以吸附、游离或溶解方式赋存的天然气。（张金川教授）储集页岩气的泥页岩Page4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。2.页岩气的分布Page52.页岩气的分布Page6我国页岩气资源也十分丰富,初步估计资源量可达100万亿立方米，相当于常规天然气量的两倍。按分布区域可划分为南方(包括四川盆地等)、华北(包括鄂尔多斯、渤海湾及南华北等盆地)以及西北(包括塔里木、准噶尔等盆地)三大区域。中国潜在页岩气分布图2.页岩气的分布Page7盆地名称盆地类型盆地面积（104Km2）储层时代总资源量（1012m3）资源丰度（108m3/km2）南方扬子地区克拉通90志留系寒武系13.51.5华北地区克拉通60石炭系二叠系5.40.9西部陆相盆地前陆盆地70二叠系侏罗系5.830.83东部盆地坳陷盆地50白垩系第三系6.01.2合计30.73中国页岩气有利区资源分布2.页岩气的分布Page8主要内容一、页岩气的概述1、页岩气的定义2、页岩气的分布二、页岩气的成藏机理1、页岩气生成机理2、页岩气赋存机理3、页岩气运聚机理4、页岩气产出机理三、页岩气的勘探和开发1、页岩气的勘探2、页岩气的开发根据不同的成藏条件，页岩气成生成机理有：生物成因、热成因、混合成因；页岩气赋存方式表现为：吸附方式、游离方式、溶解方式、综合方式；成藏机理表现为典型的吸附机理、活塞运聚机理或置换运聚机理；在成藏特征上介于煤层气、深盆气和常规天然气三大类气藏之间。因此，页岩气成藏体现出非常复杂的多机理多阶段过程，是天然气成藏机理序列中的重要组成（据张金川等，2003）。二、页岩气的成藏机理页岩气成藏机理按成藏机理主要包括：（一）、页岩气的生成机理（二）、页岩气的赋存机理（三）、页岩气的运聚机理（四）、页岩气的产出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化学成因气、热成因气或两者的混合。1、生物成因2、热成因3、混合成因（一）页岩气生成机理页岩气生成机理：页岩气生成机理生物成因作用方式：1、二氧化碳的还原作用2、醋酸盐的发酵作用醋酸盐发酵作用：CH3COOH→CH4+CO2CO2还原作用：CO2+4H2→CH4+2H2O（主要方式）生物成因气：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‰）。1.生物成因页岩气生物成因作用的条件：1、富含有机质的泥页岩--物质基础2、缺氧环境、低硫酸盐环境、低温环境是--必要外部条件3、足够的埋藏时间--保证热成因：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。天然气原油干酪根有机质沥青早期（降解作用）晚期（裂解作用）页岩气生成机理2.热成因（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、综合机理页岩气赋存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）。化学吸附作用是物理吸附作用的继续，当达到某一条件是就可以发生化学作用（包括化学键的形成和断裂），它具有吸附时间长、不可逆性、不连续性、有选择性等特点。由于所需的活化能也比较大，所以在常温下吸附速度比较慢（据张开，1996）。1.吸附机理Page15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。页岩气赋存机理吸附于岩石表面的天然气1.吸附机理图1－3吸附气含量与总有机碳含量的关系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1.吸附机理页岩气赋存机理页岩气赋存机理总甲烷含量、吸附甲烷含量与压力的关系1.吸附机理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。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。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）。游离气量数学表示：RTMPV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V=nRTZ/p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。对理想气体状态方程为：2.游离机理页岩气赋存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。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。页岩气赋存机理3.溶解机理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。页岩气量综合表达：PbpVZCbpbpVpZnRTVVVVVbbm1溶吸游式中：α、β、γ分别是页岩气游离态、吸附态赋存系数页岩气赋存机理4.综合机理Page21（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。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聚机理。hwhghhghhw常规圈闭气藏NormalTrappedGas根缘气藏Source-ContactingGashghgh气源岩SourceRock气藏GasAccumulation盖层CapRock地层水FormationWater图1－4典型活塞式机理（据张金川等，1997）水层活塞式运聚机理：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，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布关系。（图1－4）。（三）页岩气运聚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。页岩层非饱和单相流产出单相的水部分甲烷和天然气混合形成气泡水的相对渗透率下降水达到饱和，气泡连成线状气的相对渗透率增大气量增加，为两相状态压力下降压力继续下降水的流动受阻压力进一步降低导致随着压力下降，饱和度降低（四）页岩气产出机理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。成藏机理小结：Page25主要内容一、页岩气的概述1、页岩气的定义2、页岩气的分布二、页岩气的成藏机理1、页岩气生成机理2、页岩气赋存机理3、页岩气运聚机理4、页岩气产出机理三、页岩气的勘探和开发1、页岩气的勘探2、页岩气的开发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)。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)。页岩气的勘探和开发1、页岩气的勘探气藏描述技术构造描述技术波阻抗反演储层预测技术地震属性分析技术频谱成像技术三维可视化技术地震叠前反演技术岩心裂缝描述、测井解释、有限元数值模拟地震相干属性分析，地震衰减属性分析，分形气层检测技术裂缝预测技术二、三维地震技术页岩气的勘探和开发2、页岩气的开发井网加密技术增产工艺技术分层压裂技术水平井分段改造技术大型压裂技术钻采工艺技术小井眼技术欠平衡钻完井技术页岩气的勘探和开发2、页岩气的开发Page29