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1、页岩气成藏机理、储层性质、渗流机理、吸附机理与含气性分析及主要开发技术综述,定义：页岩气（Shale Gas），是指以吸附和/或游离状态赋存于富有机质页岩地层中，具有商业价值的生物成因和/或热成因的非常规天然气。Nelson型裂缝储层：天然裂缝提供渗流通道，基质为大部分的气体提供存储空间。基质孔渗：页岩基质的渗透率低至9-10md。基质孔隙度为1%-6%。赋存状态：游离相态（约50%）存在于裂缝、孔隙及其他储集空间；吸附态（约50%）存在于干酪根、粘土颗粒及空隙表面；溶解状态储存于干酪根、沥青质及含油层中。成藏类型：原地成藏。,一、概述,全球页岩分布据美国天然气技术委员会公布的资料，仅密歇根盆
2、地的Antrim页岩、阿帕拉挈亚盆地Ohio页岩、沃斯堡盆地Barnett页岩、伊利诺伊盆地New Albany页岩和圣胡利安盆地Lewis页岩等五大页岩系统页岩气资源量即为12.85万亿25.14万亿立方米。加拿大仅不列颠哥伦比亚泥盆纪页岩气资源量即达7.08万亿立方米。中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集层位，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的地质基础、条件和显示。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，以此被确定为我国首批实施页岩气勘探工作目标区。,一、概述,一、概述,美国页岩气主要的盆地资源分布,根据
3、目前的勘探开发状况，美国共有23个含页岩气盆地，潜力最大的为Appalachian盆地的Marcellus页岩气和E.Tx盆地的Haynesville页岩气。,一、概述,中国大陆页岩气富集分区图,开发现状埃克森美孚在德国展开钻探工程；美国戴文能源（Devon Energy）和法国道达尔联手，在法国钻探页岩气；康菲石油公司将在波兰展开页岩气勘探工作；中国石油天然气集团公司和壳牌宣布将练手开发四川的页岩气资源；挪威国家石油公司、美国页岩气开发最为成功的切萨皮克能源公司（Chesapeake）和南非石化巨头萨索尔（Sasol）共同向南非政府有关部门申请对南非Karoo盆地页岩气资源的勘探权。2009
4、年10月,重庆市綦江县启动我国首个页岩气资源勘查项目,标志继美国和加拿大之后,中国正式开始页岩气资源的勘探开发。,二、国内外页岩气开发和研究现状,开发现状9月17日，随着最后一台压裂车停泵，中国石化首口页岩气水平井建页HF-1井大规模分段压裂施工顺利完成。建页HF-1井是中国石化部署在上扬子地台边缘川东褶皱带石柱复向斜中部建南构造的浅层页岩气井。该井6月3日开钻，7月15日钻至1777.77米完钻。垂深613.58米，水平段长1022.52米，水平段气显示良好，3次点火成功，展示了建南浅层页岩气勘探的良好前景。,二、国内外页岩气开发和研究现状,研究现状目前有关页岩气的研究,绝大多数集中在页岩气
5、的地质理论上,包括成藏、储层特征等方面。有关页岩气开发的钻完井、增产技术论述较多,也相对成熟一些在测井技术和储层改造技术方面也有大体上的论述,但不够深入,没有形成系统的开发技术体系。在页岩气资源评价方面,只局限于常规气藏的类比法、容积法以及动态法,对页岩气的特殊地质特征没有充分考虑。渗流机理研究甚少。,二、国内外页岩气开发和研究现状,国内现状和面临的主要问题二手资料多，第一手资料少理论研究多，实践验证少可能的结论多，确定性结论少,二、国内外页岩气开发和研究现状,主要问题,成藏机理页岩气成藏机理兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏特征，显示复杂的多机理递变特点。页岩气成藏过程中，赋存方式和成藏类型的改变
6、，使含气丰度和富集程度逐渐增加。完整的页岩气成藏与演化可分为3个主要过程，构成了从吸附聚集、膨胀造隙富集到活塞式推进或置换式运移的机理序列。成藏条件和成藏机理变化，岩性特征变化和裂缝发育状况均可对页岩气藏中天然气的赋存特征和分布规律有控制作用。,三、页岩气成藏机理,与煤层气相比较,三、页岩气成藏机理,储层性质,四、储层性质及页岩气渗流,页岩的生烃能力较强，具有自生自储特点。孔 渗 特 征 裂 缝 地 层 压 力,四、储层性质及页岩气渗流,流动过程,主要技术页岩气开采技术，主要有水平井+多段压裂技术、清水压裂技术、重复压裂和近期出现的最新压裂技术同步压裂技术，这些先进技术不断提高页岩气井产量。虽
7、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，页岩气的最终采收率依赖有效的压裂措施。因此，压裂技术和开采工艺直接影响页岩气井的经济效益。,五、页岩气开发主要技术研究,水平井分段压裂技术分段压裂利用封隔器或其它材料段塞，在水平井筒内一次压裂一个井段，逐段压裂，压开多条裂缝。通常情况下分为三个阶段，第一阶段，将前置液泵入储层。前置液是一种没有支撑剂的压裂液；第二阶段，将含有一定浓度支撑剂的压裂液
8、泵入储层；第三阶段，使用含有更高浓度支撑剂的压裂液。随后，数量不定的压裂液泵入储层，且相继处理措施要比之前支撑剂浓度高。该技术即可用于单一储层区域，也可用于储层中几个不相连区域。其常被应用于垂直堆叠的致密气地层的增产。作业者可以使用桥塞、连续油管、封隔器以及整体隔离系统，从而达到短生产时间和低成本的要求。,五、页岩气开发主要技术研究,水平井分段压裂技术,五、页岩气开发主要技术研究,水平井分段压裂示意图,清水压裂技术清水压裂是指应用在清水中加入降阻剂、活性剂、防膨剂等或线性胶作为工作液进行的压裂作业。具有成本低、伤害低以及能够深度解堵等优点。由于岩石中的天然裂缝具有一定的表面粗糙度，闭合后仍能保
9、持一定的裂缝，形成对低渗储层来说已经足够的导流能力。清水压裂很少需要清理，基本上不存在残渣伤害的问题，且可提供更长的裂缝，并将压裂支撑剂运到远至裂缝网络，与其20世纪90年代的凝胶压裂技术相比，可节约50%60%的成本。,五、页岩气开发主要技术研究,重复压裂技术所谓重复压裂技术是指同层第二次的或更多次的压裂，即第一次对某层段进行压裂后，对该层段再进行压裂，甚至更多次的压裂。要使重复压裂处理获得成功，必须在压裂后，能够产生更长或者导流能力更好的支撑剂裂缝，或者使作业井能够比重复压裂前更好的连通净产层。实现这些目标需要掌握更多关于储层和生产井状况资料，以便了解重复增产处理获得成功的原因，并以此为基
10、础改进以后的处理。评估重复压裂前、后的平均储层压力、渗透率厚度成绩和有效裂缝长度与倒流的能力，能够使工程师们确定重新压裂前生产井产能不好的原因，以及重复压裂成功或失败的因素。,五、页岩气开发主要技术研究,同步压裂技术2口或更多的邻近平行井同时压裂，目的是使页岩收到更大的压力作用，从而通过增加水力裂缝网的密度，产生一个复杂的裂缝三维网格，同时也增加了压裂工作的表面积。当压裂液注入两井之间的空间时，每个井的排油面积增加，这是在单井压裂时不可能出现的。同步压裂费用比较高，并且需要更多的协调工作以及后勤保障，作业场所也更大。同时，它的收效大，因为压裂设备会更高效的应用，2口井会再一周内完井而不是两周，
11、采用该技术的页岩气井短期内增产效果非常明显。,五、页岩气开发主要技术研究,页岩气主要开发技术,汇报提纲,一、页岩气主要开发技术,一、水力压裂技术综述,一、我国页岩气开发面临的问题,一、结论与建议,稠油，油砂，油页岩，致密砂岩油层,页岩油气：特指赋存于页岩中的非常规油气，页岩气是位于暗色泥页岩以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。,煤层气，页岩气，致密砂岩，生物气，甲烷水合物,非常规油气,页岩气的开发技术,水力压裂技术,1.清水压裂技术2.重复压裂技术3.水力喷射压裂技术4.多级压裂技术5.同步压裂技术,页岩气开采技术,水平井钻井,一、页岩气主要开发技术,二、水力压裂技术综述,四、结论与建
12、议,2、水力压裂关键因素,1、水力压裂技术应用分析,三、我国页岩气开发面临问题,1 水力压裂技术应用分析 1.1 页岩气开采压裂技术主要以清水压裂和重复压裂为主。研究表明：一次完井只能采出页岩地质储量的10%，重复压裂可以使采收率提高8%10%，在直井中进行原层复射和用比一次压裂液量大25%的规模处理即可获得更好的增产效果。清水压裂是现阶段我国页岩气开发储层改造的适用技术，对于开采长度（厚度）大的页岩气井，可以使用多级分段清水压裂压裂。而同步压裂技术则是规模化的页岩气开发的客观需要。,多级压裂特点就是多段压裂和分段压裂，它可以在同一口井对不同的产层进行单独压裂,2 水力压裂关键因素,页岩气开发
13、水力压裂原理就是利用储层的天然或诱导裂缝系统，使用含有各种添加剂的压裂液在高压下注入地层，是储层裂缝网络扩大，并依靠支撑剂支撑裂缝，从而改善储层裂缝网络系统，达到增产目的。,页岩水力压裂的关键因素是裂缝系统和压裂液配置。而裂缝的发育程度又是影响页岩气产量的重要因素，获得更多的裂缝是压裂设计首先考虑的问题。,2.1 压裂设计,为了获得好的压裂效果，在实施压裂之前，往往要进行压裂设计。压裂设计的核心是压裂效果的模拟，通过压裂模拟能够预测裂缝发育的宽度、长度和方向、评价压裂是否成功。水力压裂模拟一般通过模拟软件进行，它可以预测裂缝的三维几何形状提供优选的压裂方案。,水力压裂作业过程中，为了了解裂缝的
14、走向和评价压裂的效果，需要对诱导裂缝的方位、几何形态进行监测。微地震是用于水力压裂过程中诱导裂缝监测的主要技术。微地震测量迅速，应用方便，能够实时确定微地震时间的位置，并确定裂缝的高度、长度和方位。,2.2 裂缝监测,2.3 压裂液配制,合理配置压裂液是页岩储层钻井及压裂面临的主要问题。页岩储层开发采用不同的压裂方式，压裂液配置成分也不同。水力压裂液清水压裂液组成以水和砂为主，含量占总总量的99%以上，添加剂成分占压裂液总量的不足1%，添加剂所占比例虽小，但对提高页岩气产量至关重要。添加剂主要包括凝胶、减阻剂、抗菌剂等。,减阻水压裂液纤维压裂液清洁压裂液,汇报提纲,一、页岩气主要开发技术,一、
15、水力压裂技术综述,一、我国页岩气开发面临的问题,一、结论与建议,我国页岩气开发瓶颈,机理分析研究,实验测试与分析,含气特点与模拟,有利选区与评价,压裂技术与压裂液,精确导向与储层改造,产能分析及预测,我国页岩气开发面临问题,与常规天然气关键在“找气”不同的是，页岩气开发的关键在“采气”，但是由于勘探开发理论和技术上还不够成熟，我国页岩气开发仍处于研究开发的初级阶段。,汇报提纲,一、页岩气主要开发技术,一、水力压裂技术综述,一、我国页岩气开发面临的问题,一、结论与建议,4 结论与建议,1.老井可以采用重复压裂，新井可以采用清水压裂2.水力压裂是页岩气开发的核心技术之一。天然裂缝发育是水力压裂成功
16、的重要条件，应根据储层特征配制合适的压裂液。3.考虑到水力压裂的技术特点和成本，对埋深在1500m 以浅的储层或勘探浅井，适宜使用氮气泡沫压裂，对埋深在15003000m 之间的储层，适宜使用清水压裂，对埋深在3000m 以下的储层暂时不用考虑开发。,建议,勘探开发页岩气资源迫在眉睫，要加强页岩气地质理论、成藏机制及高效开采基础研究；优化勘探技术，改进工艺技术水平；针对不同机理类型，建立相应的优选盆地试点；借鉴经验，加大资金投入，加强交流，引进技术，加快开采步伐。,页岩气吸附机理与含气性分析,提 纲,一、吸附解吸理论二、等温吸附实验三、页岩气吸附气含量测试四、页岩含气性及资源潜力评价五、结论与
17、建议,一、吸附解吸理论,固体对气体的吸附主要由范德华力与剩余化学键力产生,范德华力物理吸附发生于任何固体表面，不需活化能，很快达到饱和无选择性，可吸附不同类型的气体，但吸附量差异较大既可在固体表面发生单层吸附，也可发生多层吸附,化学键力化学吸附吸附与解吸速度较低，不易达到吸附平衡。需要一定的温度产生活化能具明显选择性，针对某种特定气体吸附只可发生单层吸附,物理吸附与化学吸附特点对比,等温吸附模型,研究表明等温条件下吸附量与压力之间的关系曲线（即吸附等温线）具有六种类型,煤对煤层气的吸附，页岩中的有机质和粘土矿物对于天然气的吸附属于单分子层物理吸附,不同类型的吸附等温线,Langmuir单分子层
18、物理吸附理论要点,当气体分子在固体表面上覆盖满一层后。导致吸附的固体表面原子力场不饱和性消失，因此吸附只针对单分子层吸附热为常数，不随覆盖度变化吸附质分子间无作用力吸附达平衡时，吸附与解吸依旧同时进行，且速度相同,以下3种形式的Langmuir吸附等温式，很好的表征了该理论的要点,b为吸附系数，与吸附剂特性有关代表了固体吸附气体的能力Vm为每克吸附剂的表面覆盖满单分子层时的吸附量，即最大吸附量V是每克吸附剂在气体压力为p时吸附气体的吸附量,煤的等温吸附式探讨三种不同压力条件,煤的吸附等温线,在压力足够低或吸附较弱时，bp1，则V=Vm。这时V与p无关，吸附达到单分子层饱和。如图中的压力较高部分
19、当压力适中时，V与p是曲线关系，如图中的弯曲部分,从此可知，Langmuir 吸附等温式适用于第种吸附等温线类型,同样的煤，相同压力下对不同气体吸附量不同吸附量按下列顺序递减：CO2 CH4 Ar N2 H2 He 临界温度Tc高的气体，具有较强的吸附能力。,煤对不同气体的等温吸附行为,二、等温吸附实验,实验过程：在恒温条件下，测试不同压力下气体的吸附量，由压力和吸附量绘制出的关系曲线就是吸附等温线测试方法：主要包括静态法和动态法，静态法分为容量法、重量法，动态法包括常压流动法和色谱法等,页岩吸附气量的确定主要是借鉴煤层气中吸附气的评价方法通过等温吸附模拟实验，建立吸附气含量与压力、温度的关系
20、模型,煤的等温吸附实验制备平衡水样品,水分对等温吸附曲线的影响,平衡水样品的原理与意义：当煤中的水分对等温吸附曲线的影响，含量低于平衡水分时，它对气体的吸附量随着水分的增加而降低；但当煤中水分含量大于或等于平衡水分时，其吸附量不再随水分的增减而变化 样品制备过程：将样品用碎样机破碎至60目以下，用小喷雾器向煤样喷洒蒸馏水，使其预湿。充分混合之后，将预湿煤样平铺在一个低平的敞口盘中，放进温度30，相对湿度97-98%的恒温器中。每天对样品进行称重，直到两天内样品重量基本不变为止，这个过程大约持续4天。,确定参照室、样品室自由空间体积：采用质量守恒定律，采用容量法，用不被煤吸附的氦气作为测量气体，
21、需重复3-4次，使测量结果可靠等温吸附实验：对于吸附实验，要求测定6个压力点，压力点的间隔设计为等间距，使实验从大气压力向设计的最高压力平稳增加。每一个压力点达到平衡的时间一般为24小时，然后再增压到下一个压力点（对于页岩来说，平衡时间较短）实验数据处理：首先根据自由空间测定的数据，计算样品室的自由空间体积。然后，在参照室和样品室的自由空间体积已知、实验温度一定的情况下，根据吸附过程中每一点的实验压力，利用理想气体定律，分别计算注入气体的数量和样品室中残余的游离气的数量。而每一个压力点下吸附气的数量即等于注入气与残余的游离气的数量之差,煤的等温吸附实验实验过程,煤的等温吸附实验推导等温吸附式,
22、n气体的数量；P气体的静态压力；V气体的体积；T气体的绝对温度；R气体常数；Z气体的压缩因子。,理想气体定律为,根据,用p/V对p作图是一条直线，从其截距和斜率求得Vm和b值Vm就是某一煤样对于该种气体的最大吸附量（或称a值），相当于Langmuir体积VLb值即相当于Langmuir压力PL的倒数，从而即获得了Langmuir等温吸附方程,三、页岩吸附气含量测试方法,页岩吸附气含量的测定采用煤层气的测试方法,间接法是指通过煤层气涌出量、吸附等温线、测井解释等资料推测煤层气含量直接法是利用现场钻井煤心和有代表性的煤屑测定其实际含气量一般采用直接法，其测定的含气量由三部分组成，即散失气量、解吸气
23、量和残余气量直接法使用压力取心解吸法被认为是最准确的方法，但最常用的方法为USBM法,散失气量：即损失气量，指煤心快速取出，现场直接装入解吸罐之前释放出的气量。这部分气体无法计量，必须根据散失时间的长短及实测解吸气量的变化速率进行理论计算解吸气量：指煤心装入解吸罐之后解吸出的气体总量。一般延续两周至四个月，根据解吸气量的大小而定。一般在一周内平均解吸速度小于10cm3/d时可终止解吸残余气量：指终止解吸后仍留在煤中的那部分气体。需将煤样装入球磨罐中密封，破碎后，放入恒温装置中，待恢复到储层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸，直至连续7 天解吸的气体量平均小于或等于10cm3/d，测定其残余
24、气量,煤层气含气量测试的主要流程与要求十大步骤,煤芯采样及装罐：整个过程要求动作迅速装样要求：要求装至距罐口1cm处参数记录：主要记录地质参数、钻井参数、时间参数、样品参数解吸步骤：按照相应的装置记录观测的气体体积，记录大气温度、大气压力 解吸时间间隔：时间间隔依气量大小和罐内压力而定，装罐结束第一次测定为5min，以后每10min、15min、30min、60min间隔各测定1h，然后120min测定2次，直至累计满8h解吸终止限：自然解吸持续到连续7天每天平均解吸量小于或等于10cm3时结束称重、缩分、工业分析：自然解吸结束后开罐，进行样品重量的计算，并进行Mad、Ad、Vdaf测定残余气
25、测定方法：将球磨罐置入球磨机上破碎24h，放入恒温装置，待恢复储层温度后观测气体逸出量，读出的气体体积数连同大气温度、大气压力、解吸时间等一并记录在表格中。之后按照自然解吸方法进行解吸 称重计算：样品倒出风干，用60目（0.25mm）筛子筛分，称量筛下煤样质量，气样采集及气成分测定：按照相应的装置，在解吸气与残余气测定过程中，采集气样送实验室进行气成分分析,四、页岩含气性及资源潜力评价,游离态页岩气含气量影响因素与构造保存条件密切相关有效孔隙度：页岩气藏的有效孔隙度包括基质孔隙度和裂缝孔隙度，利用声波、中子、密度和核磁共振等测井资料可以测得较为可靠的基质孔隙度；通过双侧向测井资料则可以计算出较
26、为精确的裂缝孔隙度含气饱和度：是在建立岩石电阻率、泥质水电阻率、有效孔隙度同地层混合水电阻率关系式的基础上，利用阿尔奇公式计算得到的,页岩气资源潜力评价方法类比分析法和容积法容积法估算的是页岩孔隙、裂隙空间内的游离态页岩气与有机质、粘土矿物和干酪根颗粒表面的吸附态页岩气体积总和,吸附态页岩气含气量影响因素与页岩吸附能力密切相关，由等温吸附实验确定页岩在粘土矿物表面的赋存形式和纳米孔隙的孔径分布对页岩吸附性能均有影响,页岩不同组分对气体的吸附作用,吸附态页岩气对页岩资源潜力评价尤为重要需要研究页岩不同组分对气体的吸附作用,有机质组分Nuttall（2005）页岩中有机质作为吸附气的核心载体，TO
27、C值的高低会导致吸附气发生数量级变化。李剑（2001）认为有机质对气的吸附量远大于岩石中矿物颗粒对气的吸附量，占主导地位,粘土矿物组分Ross（2008）认为粘土矿物往往具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积，吸附性能较强 Schettler等（1990）甚至认为页岩中的吸附态甲烷主要分布在伊利石表面，其次才吸附于干酪根之中,VS,页岩含气性评价成果,王广源等（2010）利用等温吸附实验，对辽河东部凹陷古近系8块泥页岩样品进行了吸附测试样品：古近系沙三段碳质泥页岩，TOC达16.33%，Ro为0.511%实验结果：每吨泥页岩的吸附气量为0.511.98m3，平均为1.24m3，表明样品吸附甲烷能
28、力较强,样品：长芯1井龙马溪组，8个页岩岩心实验结果：每吨岩石含气量为0.080.25m3，平均为0.15m3/t（解吸温度70）王社教等（2009）认为该页岩样品成熟度过高（Ro达到3.26%）已进入过成熟阶段可能是导致其吸附能力较低的主要原因,页岩含气性评价成果,蒲泊伶（2010）对龙马溪组页岩开展了等温吸附试验页岩Ro值约为2.3%3.4%，最高吸附气含量为1.121.74 m3./t，平均为1.28 m3/t,四川盆地下志留统龙马溪组页岩等温吸附曲线（蒲泊伶，2010）,五、主要结论与建议,结论游离态气体估算的关键是确定页岩的有效孔隙度和含气饱和度，而吸附态气体的估算需要对页岩的吸附能力进行评价页岩中的有机质和粘土矿物对于天然气的吸附属于物理吸附。页岩的吸附能力可以通过等温吸附实验获得，它通常受到多种因素的影响，如有机碳含量、矿物成分、含水量、孔隙结构、温度和压力等,建议目前开展的页岩气含气性分析均参照煤的等温吸附实验技术和含气量测试技术，但页岩气与煤层气毕竟不完全相同，有必要建立针对页岩气的含气量测试技术和等温吸附实验技术标准,
