頁巖氣的地質(zhì)理論研究

富有機(jī)質(zhì)泥頁巖油氣勘探前景展望長期以來，經(jīng)典的石油地質(zhì)學(xué)理論一直將粘土用作泉巖和土壤層。隨著能源規(guī)劃的發(fā)展和理論和技術(shù)的進(jìn)步，富有酸鹽的開發(fā)現(xiàn)在已成為油氣勘探和開發(fā)的重要目標(biāo)。美國與加拿大最先在泥頁巖中尋找天然氣,并已取得了顯著的成果。中國頁巖氣雖未進(jìn)入正式的開發(fā)階段,但國內(nèi)學(xué)者已做了大量的理論研究,并取得了一些重要成果。1色泥頁巖或高炭質(zhì)泥頁巖Curtis等按賦存狀態(tài)將頁巖氣分為3個部分,即吸附于干酪根和頁巖顆粒表面的吸附氣、存儲于儲層孔隙和裂隙中的游離氣和少量溶解氣。國內(nèi)學(xué)者將頁巖氣定義為:主體位于暗色泥頁巖或高炭質(zhì)泥頁巖中,以吸附或游離態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集,其中也包括存在于頁巖夾層中的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,甚至是砂巖地層中的天然氣聚集。值得注意的是,國內(nèi)外所指的頁巖在定義上是有所區(qū)別的。國內(nèi)學(xué)者按有無紋層或頁理構(gòu)造將黏土巖(粒徑小于0.0039mm)劃分為頁巖(shale)和泥巖(mudstone),而國外學(xué)者將粒徑小于0.0039mm的細(xì)粒沉積巖統(tǒng)稱為頁巖,即國外所指的頁巖包括了國內(nèi)所指的泥巖與頁巖。因此,在國內(nèi)應(yīng)將頁巖氣稱之為泥頁巖氣,才更加準(zhǔn)確。2內(nèi)部貯藏機(jī)2.1頁巖氣藏成藏機(jī)理烴源巖中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過一系列的熱演化過程,形成大量油氣,并在各種動力作用下向外排出,在鄰近的滲透性地層中運(yùn)移、聚集成藏。由于排烴作用有限,并不是所有的烴類都能及時排出,最終殘留下來的部分在合適的地質(zhì)條件下就可能聚集成藏,形成頁巖氣資源。泥頁巖既是烴源巖又是儲集層,頁巖氣在成藏過程中無運(yùn)移或只有很短的運(yùn)移,具有典型的過渡性成藏機(jī)理,即自生、自儲、自封閉的成藏模式。頁巖氣藏不以常規(guī)圈閉的形式存在,在成藏上具有隱蔽性。頁巖氣生成與成藏簡化模型圖見圖1。在不同的成藏條件下,頁巖氣藏可表現(xiàn)為典型的吸附機(jī)理、活塞式或置換式成藏機(jī)理,是天然氣成藏機(jī)理序列中的重要組成和典型代表。頁巖氣藏完整的充注與成藏過程可分為3個階段:第1階段,初始生成的天然氣首先滿足有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒的吸附作用,在該階段形成的頁巖氣藏以吸附機(jī)理為主,具有與煤層氣相似的特征;第2階段,當(dāng)吸附氣量達(dá)到飽和后,剩余的氣體便在基質(zhì)孔隙或裂隙中聚集,其富集機(jī)理類似于孔隙型儲集層中的天然氣聚集,同時,溫度、壓力的升高會使泥頁巖層產(chǎn)生大量裂縫,增加游離氣的儲集空間;第3階段,富余的天然氣在生烴膨脹等作用下向外運(yùn)移、擴(kuò)散,從而使頁巖地層與其中的砂巖薄互層均表現(xiàn)為普遍的含氣性,若運(yùn)移、擴(kuò)散作用強(qiáng)烈,則會形成一定規(guī)模的排烴作用,在地質(zhì)條件合適的情況下,就可能形成常規(guī)氣藏或根緣氣藏。2.2天然氣藏基本特征對比常規(guī)和非常規(guī)天然氣主要依據(jù)其賦存狀態(tài)來界定。常規(guī)天然氣指賦存于常規(guī)構(gòu)造、地層等圈閉類型中的天然氣;其余賦存狀態(tài)的天然氣可統(tǒng)稱為非常規(guī)天然氣,如頁巖氣、煤層氣、根緣氣、可燃冰等。作為一種新型的天然氣類型,頁巖氣藏在成藏機(jī)理和儲層特征等方面具有自身的獨(dú)特性,使其與其他類型的天然氣之間既有緊密的聯(lián)系,同時又存在著重要的差異。不同類型天然氣藏基本特征對比見表1。頁巖氣與常規(guī)天然氣之間的最大差異在于,頁巖氣屬于自生自儲的隱蔽型油氣藏,吸附氣是其重要的組成部分;煤層氣與頁巖氣的烴源巖不同,因此其發(fā)育的沉積環(huán)境存在著重要的差異,同時煤層氣主要以吸附氣為主,而頁巖氣除了具有吸附氣之外,還包含了游離氣及少量的溶解氣;根緣氣最大的特征在于其“氣水倒置”的關(guān)系,且根緣氣在成藏過程中需要有排烴過程,只是一般儲層與源巖相鄰,運(yùn)移距離很短。3地質(zhì)特征作為一種新型的天然氣類型,頁巖氣具有其獨(dú)特的地質(zhì)特征,在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行了歸納。3.1生物氣的化合物頁巖氣的生成貫穿于有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化的整個過程,其類型包括生物氣、低熟—未熟氣、熱解氣、裂解氣、過渡帶作用氣(生物再作用氣),以及瀝青生氣等,覆蓋了生物化學(xué)、熱解及裂解等幾乎所有可能的有機(jī)生氣模式。3.2烴源巖質(zhì)組成其類型主要為富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖、高碳泥頁巖及富含瀝青質(zhì)的泥頁巖等;組成成分一般為30%~50%的黏土礦物、15%~25%的粉砂質(zhì)和1%~20%的有機(jī)質(zhì),多與淺色粉砂巖呈薄互層。烴源巖中的總有機(jī)碳含量(TOC)一般較高;干酪根類型以Ⅰ型或Ⅱ型為主,少量為Ⅲ型。3.3吸附態(tài)和溶解態(tài)頁巖氣的賦存相態(tài)具有多樣性變化的特點,包含游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài),其中以吸附態(tài)和游離態(tài)為主,是區(qū)別于其他類型天然氣的主要特征之一。吸附氣與游離氣之間的構(gòu)成比例差異很大,吸附氣可占天然氣總量的20%~85%。3.4儲層類型和儲集空間(1)孔隙度和滲透率極低,總孔隙度一般小于10%,含氣的有效孔隙度只有1%~5%,滲透率則隨裂縫發(fā)育程度的不同而有較大的變化,在開發(fā)過程中一般需要進(jìn)行人工壓裂。(2)主要發(fā)育微孔-納米級孔隙,其中以納米級孔隙為主,其比表面積大,可增加吸附氣的含量。(3)儲層面積大、范圍廣,而且常呈區(qū)域性、連續(xù)性分布。(4)儲集空間的主要類型有:(1)基質(zhì)孔隙,包括殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴所形成的微孔隙、黏土礦物伊利石化所形成的孔隙和不穩(wěn)定礦物(如長石、方解石等)溶蝕形成的溶蝕孔;(2)裂縫,主要包括構(gòu)造裂縫(如張性裂縫、剪切裂縫、滑脫裂縫、構(gòu)造壓溶縫合線、垂向載荷裂縫、垂向差異載荷裂縫)和非構(gòu)造裂縫(成巖收縮裂縫、熱收縮裂縫、溶蝕裂縫和風(fēng)化裂縫);(3)孔-縫復(fù)合型,主要存在于以鈣質(zhì)泥頁巖互層,夾薄層砂巖的地層中,具有泥頁巖裂縫、層理縫和薄層砂巖孔隙等儲集空間;(4)不整合型,不整合面和沉積間斷面等。3.5壓力特征由于具有大量的天然氣聚集,原生頁巖氣藏一般具有異常高壓。若發(fā)生構(gòu)造升降運(yùn)動,其異常壓力將隨之升高或降低。3.6資源潛力頁巖氣藏為連續(xù)性氣藏,具有飽含氣性的特征,含氣面積廣、資源量豐富。3.7開發(fā)特點頁巖氣井的單井日產(chǎn)量一般較低,但產(chǎn)量穩(wěn)定,生產(chǎn)壽命長,最高可達(dá)30a,年產(chǎn)量的遞減率一般小于5%。4頁巖氣勘探的地質(zhì)異常研究雖然中國頁巖氣還未進(jìn)入實際的開發(fā)階段,但國內(nèi)許多研究者已在頁巖氣的勘探方面做了大量工作。就目前來說,可將頁巖氣的勘探研究劃分為3個階段:第1階段,引進(jìn)和消化國外研究成果,對頁巖氣藏的認(rèn)識由裂隙氣藏轉(zhuǎn)化為吸附氣藏;第2階段,將中國含有機(jī)質(zhì)泥頁巖盆地與美國已開發(fā)的頁巖氣盆地進(jìn)行地質(zhì)類比,對中國頁巖氣資源量進(jìn)行整體評估;第3階段,選取頁巖氣的有利發(fā)育區(qū)進(jìn)行重點研究,分析頁巖氣富集的影響因素,及其與美國頁巖氣的異同點,為進(jìn)一步的勘探開發(fā)做準(zhǔn)備。(1)地質(zhì)異常找礦理論。該理論認(rèn)為,任何礦產(chǎn)的聚集成藏都會受到各種因素的影響,使礦產(chǎn)區(qū)與周圍環(huán)境之間產(chǎn)生差異,即致礦異常。地質(zhì)異常找礦理論就是基于各種控礦因素(地質(zhì)異常)的系統(tǒng)性、層次性、關(guān)聯(lián)性和有序性創(chuàng)立分層次查明致礦、分階段礦產(chǎn)勘探的理論和方法。頁巖氣的聚集成藏需要一系列的必備條件,也就是頁巖氣聚集的主控因素,即頁巖氣的地質(zhì)異常。按地質(zhì)異常對頁巖氣聚集的控制程度由低到高,可將其劃分為背景地質(zhì)異常(地層、巖性、古地理、古環(huán)境等)、聚集地質(zhì)異常(地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)異常)和商業(yè)地質(zhì)異常(頁巖氣資源量、頁巖的脆性及產(chǎn)能)。頁巖氣的勘探過程實際上就是對各種控礦因素進(jìn)行有序排列的求解過程,這也正是地質(zhì)異常找礦理論的基本思想。因此,地質(zhì)異常找礦理論為頁巖氣的勘探提供了系統(tǒng)理論和科學(xué)方法。(2)構(gòu)造生烴理論。該理論認(rèn)為,構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的斷裂和裂縫可降低排烴能,使欠生烴的有機(jī)質(zhì)在短時間內(nèi)滿足生烴條件,形成集中生烴,即構(gòu)造生烴。生烴、滯留在泥頁巖中的烴類和排烴呈現(xiàn)協(xié)調(diào)的動態(tài)平衡,即生烴與地層中頁巖氣含量之間的平衡、頁巖氣含量與排烴之間的平衡。有機(jī)質(zhì)的生烴過程并不是唯一的,頁巖氣不能簡單地用經(jīng)典生烴理論中的生氣窗來限定。按照構(gòu)造生烴理論的觀點,頁巖氣的勘探領(lǐng)域要廣闊得多。頁巖氣不應(yīng)局限于地臺海相沉積層和陸相沉積、斷陷盆地中,只要存在烴源巖,就有可能存在頁巖氣。(3)油氣微生物勘探技術(shù)。土壤中的專性微生物以輕烴氣體作為唯一的能量來源,在油氣藏正上方的土壤中將非常發(fā)育,并形成微生物異常帶。利用現(xiàn)代生物技術(shù),結(jié)合其他地質(zhì)資料,就可預(yù)測含油氣區(qū)、油氣前景分級評價、剩余油分布等。該項技術(shù)的優(yōu)點在于:微生物單解性強(qiáng)、靈敏度高,可將異常指數(shù)按指數(shù)級放大,油氣可區(qū)分性強(qiáng)、分析便捷迅速。(4)地震勘探。主要采用各種地震資料,認(rèn)識復(fù)雜構(gòu)造、儲層非均質(zhì)性和裂縫發(fā)育帶;利用AVO疊前反演技術(shù)計算巖石物性參數(shù),判斷地層巖性、識別泥頁巖地層;通過相干分析技術(shù)、地震屬性分析、層間切片等預(yù)測頁巖裂縫,提高勘探成功率;微地震技術(shù)可用于預(yù)測裂縫的各種特征參數(shù)。(5)測井技術(shù)。通過測井資料可定量分析儲層的巖性,確定儲層的基本評價參數(shù),如孔隙度、滲透率、含氣飽和度、儲層厚度等。目前國外較先進(jìn)的測井技術(shù)有電阻率掃描成像、聲波成像、陣列感應(yīng)、核磁成像等。頁巖氣測井曲線響應(yīng)特征見表2。(6)錄井方法。在地質(zhì)錄井中分析巖心(屑)的變化,可直接判斷儲層的含油氣特征;鉆速的變化可反映泥頁巖的礦物成分;氣測錄井(包括VMS)可檢測游離氣含量;地化錄井可對吸附氣進(jìn)行檢測;通過dc指數(shù)法、Sigma法、泥頁巖密度法、地溫梯度法等可檢測地層壓力,間接反映地層的含氣性特征。5巖漿巖的選擇5.1地質(zhì)因素的分類要對頁巖氣進(jìn)行選區(qū)評價,首先應(yīng)了解影響其富集的各種地質(zhì)因素?？傮w來說,可將其分為內(nèi)部因素與外部因素兩大類。內(nèi)部因素是指泥頁巖地層本身的因素,外部因素指外界條件對頁巖氣富集的影響。5.1.1儲集空間的建立(1)有機(jī)質(zhì)類型及含量。不同類型干酪根由于化學(xué)組成不同,其生烴潛力也存在差異;有機(jī)質(zhì)含量不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù),而且直接影響著吸附氣的含量。(2)熱成熟度。有機(jī)質(zhì)熱演化程度越高,殘留在烴源巖中的氣體也就越多;烴類的增加可使地層壓力升高,從而提高頁巖氣的吸附性能。當(dāng)壓力升高到一定程度時,將產(chǎn)生微裂縫,為游離氣提供良好的儲集空間。(3)礦物組成。泥頁巖中的無機(jī)礦物成分主要為黏土、石英和方解石,其相對組成的變化影響著泥頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)和對氣體的吸附性能。黏土礦物可增加吸附氣的含量;石英可提高巖石的脆性,使地層更容易產(chǎn)生天然和誘導(dǎo)裂縫;方解石在埋藏過程中可能發(fā)生膠結(jié),從而降低泥頁巖層的孔隙度和滲透率。(4)儲層物性。(1)孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)?？紫抖仍礁?、孔徑越大,可存儲的游離氣越多;微孔所占比例越高,其表面積越大,對氣體分子的吸附能力越強(qiáng)。(2)滲透率。主要影響氣體的運(yùn)移與游離氣的儲存,裂隙的發(fā)育程度對其影響很大。(5)裂縫發(fā)育情況。裂縫一方面為頁巖氣提供了運(yùn)移通道和儲集空間;另一方面,若裂縫規(guī)模過大,可導(dǎo)致天然氣大量散失。石英含量的高低是影響裂縫發(fā)育的重要因素。5.1.2巖石工業(yè)氣水學(xué)意義(1)溫度與壓力。溫度與氣體的吸附能力成負(fù)冪指數(shù)的關(guān)系,對吸附氣的影響遠(yuǎn)大于有機(jī)碳含量;壓力的增加不僅能產(chǎn)生裂縫,還能降低氣體吸附所需的結(jié)合能。(2)埋深。主要通過溫度和壓力的變化來影響頁巖氣的富集。(3)構(gòu)造作用。雖然頁巖氣具有較強(qiáng)的抗構(gòu)造破壞能力,但構(gòu)造運(yùn)動對頁巖氣的聚集仍然具有重要的影響。首先,構(gòu)造作用能夠直接影響泥頁巖的沉積和成巖作用,進(jìn)而對泥頁巖的生烴過程和儲集性能產(chǎn)生影響;其次,構(gòu)造運(yùn)動的抬升與下降,可改變地層的溫度和壓力;再次,構(gòu)造作用還可產(chǎn)生裂縫,有效改善泥頁巖的儲集性能。(4)含水量與濕度。含水量的增加將減少游離氣的儲集空間、增加溶解氣的含量。當(dāng)巖石被水潤濕后,將占據(jù)活性表面,降低吸附氣的含量。(5)沉積環(huán)境。較快的沉積條件和封閉較好的還原環(huán)境有利于黑色頁巖的形成。較快的沉積速率可使富有機(jī)質(zhì)泥頁巖在被氧化之前大量沉積下來;水體缺氧可抑制微生物的活動性,減小對有機(jī)質(zhì)的破壞作用。5.2頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)選擇頁巖氣選區(qū)評價主要解決2個核心問題:一是是否具有足夠的天然氣地質(zhì)儲量;二是是否具備足夠的滲流能力與條件滿足經(jīng)濟(jì)效益。在評價過程中,主要通過有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度、含氣飽和度、泥頁巖厚度、儲層物性等來評價泥頁巖儲層的儲氣量大小,即地質(zhì)儲量(GPI);通過礦物組成、力學(xué)性質(zhì)、裂縫發(fā)育情況等評價儲層是否易于改造,能否在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下將其開采出來。頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)的選擇應(yīng)在綜合考慮地質(zhì)(如頁巖氣含量、含氣范圍、目的層深度等)、工程(如氣層壓力、滲透率、裂縫分布、氣體組成、含氣飽和度等)和經(jīng)濟(jì)(如地面設(shè)施、天然氣管道、投資費(fèi)用等)各種因素的基礎(chǔ)上展開。頁巖氣評價的3個方面及其相互之間的關(guān)系見圖2。統(tǒng)計表明,有利于開采的頁巖氣藏一般具有以下特征:分布面積廣、埋深適中、厚度大(大于30m)、有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC>2%)、成熟度適中(Ro介于1.2%~2.5%之間)、含氣量較高(3~10m3/t)、黏土含量中等(小于40%)和脆性較高(即低泊松比、高楊氏模量),以及圍巖條件有利于水力壓裂等。6大類及靜態(tài)法目前,頁巖氣資源量的計算方法主要可分為二大類:一類是靜態(tài)法,依據(jù)頁巖儲層的靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)來計算其資源量;另一類是動態(tài)法,根據(jù)頁巖氣在開發(fā)過程中的動態(tài)資料來計算。6.1儲層精細(xì)管理法(1)類比法。在勘探初期,探井等基礎(chǔ)資料沒有或較少的情況下,應(yīng)用類比法比較簡單有效,可進(jìn)一步分為資源豐度類比法和體積豐度類比法。其計算方法主要是將各關(guān)鍵評價參數(shù)(如泥頁巖厚度、有機(jī)碳含量等)與已成功勘探開發(fā)的頁巖氣區(qū)進(jìn)行地質(zhì)類比,以此來計算未開發(fā)區(qū)的資源量。(2)容積法。這種方法估算的資源量往往要大于實際的生產(chǎn)量,適合開發(fā)設(shè)計前的儲量預(yù)測。其計算關(guān)鍵是確定游離氣的有效孔隙度和含氣飽和度,用取樣所得的參數(shù),配以儲層體積,來推導(dǎo)整個頁巖氣藏的資源量。(3)成因法。其具體過程是通過實驗求出泥頁巖中剩余的總含氣量與排烴系數(shù),根據(jù)“頁巖氣資源量=總生氣量—排烴量”的關(guān)系來求算。由于在常規(guī)的頁巖氣資源評價的方法中,頁巖氣是被作為殘留于烴源巖中的損失量來進(jìn)行計算的,因此成因法是對頁巖氣資源量計算的重要補(bǔ)充。(4)統(tǒng)計法。若已獲得一定的生產(chǎn)資料,使用該方法可取得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。該方法主要是根據(jù)所獲得的大量數(shù)據(jù)之間的數(shù)理統(tǒng)計關(guān)系來推導(dǎo)出頁巖氣藏的資源量。(5)綜合分析法。在上述各種方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)行綜合分析,可進(jìn)一步得到更加可靠的數(shù)據(jù)。在計算過程中,主要采用蒙特卡羅法、打分法、盆地模擬法、特