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1、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。 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
2、附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。（张金川等，2003）,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。,2.页岩气的分布,据
3、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。,图2-6 页岩气地质储量全球分布图（2011年路透社引用）,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。 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
4、广泛的饱含气性，赋存状态多变，以吸附态和游离态为主，溶解态少量存在。 8.页岩气勘探具隐蔽性特点。,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） 8.生产周期长 9.自然产能极低（90%的页岩气井需经储层改造） 10.采收率变化大（美国页岩气藏证实：5-60%）,二、页岩气藏的特点,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
5、境 2.广泛分布且具有有效厚度的泥页岩 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） 6.裂缝的存在,生烃条件,储层条件,二、页岩气的成藏机理,根据不同的成藏条件，页岩气藏生成机理有：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、活塞运聚机理及置换运聚机理；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）。 页岩气成藏机理按成藏机理主要包括： （一）、页岩气
6、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,（一）页岩气生成机理,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13C值很低（-55）。 1）生物成因作用方式： 、二氧化碳的还原作用 、醋酸盐的发酵作用 醋酸盐发酵作用：CH3COOHCH4 +CO2 CO2还原作用：CO2+4H2CH4+2H2O （主要方式） 2）页岩气生物成因作用的条件： a、富含有机质
7、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 c、足够的埋藏时间前提保证,1.生物成因,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。,2.热成因,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。,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.混合成因,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
8、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,（二）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
9、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,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。,1.吸附机理,吸附于岩石表面的天然气,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,吸附能力的控制因素,图13 吸附气含量与总有
10、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。 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,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）。,2.游离机理,游离气量数学表示：,式中：V气体体积；M气体质量；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：
11、,PV=M/ RT,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。,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
12、件改变时，三种赋存机理的表现形式可以相互转化。,4.综合机理,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。,（三）页岩气运聚机理,活塞
13、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14），典型的深盆气藏形成机理。,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
14、流向井筒。,（四）页岩气产出机理,页岩气成藏的阶段,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：,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
15、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 ) 。,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
16、机碳含量、游离气和吸附气含量，地层储量等参数。,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：气体组分分析，评价储层的产气来源；含气量测试，预测储层的地质储量；等温吸附试验，评价储层的吸附能力；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；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；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。,3、页岩实验分析技术,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，
