页岩气岩石物理分析技术及研究进展

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2018-10-12
简介
文章针对国外尤其是美国近期页岩气勘探开发中涉及的岩石物理实验技术开展了广泛的文献调研,综述了当前国外页岩气岩石物理实验技术及相关理论研究取得的主要进展,探讨了国内外页岩气在上述实验及研究方面存在的主要问题,指出我国页岩气岩石物理测井评价技术的发展方向。

文档内容部分截取

随着常规油气勘探的不断深入和勘探难度的加大,非常规油气资源日益受到关注,非常规油气逐渐成为我国油气勘探的重要领域,在新增探明油气储量中所占比例逐年增加[1-3]。近年来,北美地区页岩气勘探的成功使地质学家认识到页岩不仅可以作为烃源岩和盖层,还可成为储层,并将这种思想认识的转化称为页岩气革命。页岩气地质条件和形成机理完全不同于传统石油地质理论,国内外针对页岩气形成机理、富集规律和主控因素等尚未完全搞清。由于页岩储层低孔隙度、超低渗透率、以纳米级孔隙为主的特性,使得页岩岩石物理基础实验及相关理论模型研究在页岩气储层评价中发挥举足轻重的作用。国外,特别是美国在页岩气岩石物理实验技术及相关研究方面已有了较好的经验,而中国目前在这方面的研究尚处于起步阶段[4-7]。因此,急需了解和借鉴国外相关实验技术和研究方法,提高我国页岩气岩石物理实验分析技术和研究水平,为我国页岩气勘探开发奠定坚实的基础。1 页岩气储层特征1.1 页岩气储层地质特征页岩气是指生成、储集和封盖均发生于页岩体系中,以吸附和/或游离状态赋存于页岩基质孔隙或裂隙中具有商业价值的生物成因和/或热解成因的天然气[8-9]。页岩气储层岩性主要包括富有机质页岩,富有机质页岩与粉砂岩、细砂岩夹层,粉砂岩、细砂岩夹富有机质页岩。页岩气储层储集空间主要为微米至纳米级基质孔隙、有机质孔隙和微裂缝。研究表明,有机质孔隙中存在大量内表面,内表面拥有大量潜在吸附空间,是页岩吸附气储存的主要场所。与常规储层相比,页岩储层孔隙度较低,一般小于10%,渗透率一般在10-4~10-6 mD*。页岩气一般大面积、连续分布,无明显边界,甜点区是勘探开发有利区。页岩气有效开采通常需要水平井、大型水力压裂等技术形成大量人造缝网。1.2 页岩气赋存方式页岩气赋存形式具有多样性,包括游离态(大量存在于岩石基质孔隙与裂隙、干酪根孔隙中)、吸附态(大量吸附于有机质、黏土矿物以及孔隙表面之上)及溶解态(少量溶解于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中),但以游离态和吸附态为主,溶解态仅少量存在[10-11]。目前页岩气在有机质尤其是干酪根表面的大量吸附现象已得到业界研究者的共识,由于干酪根的润湿性为油湿,因此,其表面可吸附大量的甲烷气体,大量实验数据表明,页岩气的吸附量随着干酪根的增多,即有机碳含量的增大而增大(见图1)[12],当页岩有机碳含量较低接近0时,页岩仍能吸附一定的甲烷气体,此时,页岩吸附气主要储存在黏土矿物尤其是伊利石表面[11,13]。研究表明,黏土矿物主要是伊利石能够吸附一定含量的页岩气,但其吸附能力受到实际页岩地层温度、湿度和压力等因素的综合影响[11-13](见图2)。实验选用页岩样品(各矿物组分质量百分含量依次为伊利石46%,伊/蒙混层16%,高岭石1%,绿泥石4%,石英27%,碳酸盐岩及其他矿物6%,有机碳含量仅为0.1%)将其粉碎至16~20目,分别测量其在25℃和75℃时,改变样品的湿度(使用3%的KCl溶液改变样品湿度即样品含水的质量百分数),考察其吸附甲烷气体的含量随压力的变化规律。图2中原始样品代表从原始地层中密闭取出的样品,未改变样品的湿度(测量其含水量为1.81wt%);干燥样品即将原始样品全部加热烘干,使其基本不含水分(测量其含水量为0.77wt%);湿平衡校正为将岩心样品用KCl溶液改变其湿度(测量其含水量为2.33wt%)。从图2可见,对于相同实验条件的页岩样品,其吸附甲烷气体的含量随着压力的增加而增加,随着温度的增高而减小;在相同的温度和压力条件下,干燥页岩样品的甲烷吸附量最大,随着页岩湿度即其含水量的增加,页岩的吸附能力逐渐降低。由此可得到以下认识,页岩的吸附气主要储存在干酪根表面和黏土矿物尤其是伊利石表面,但是页岩地层的含水量对黏土矿物的吸附能力有显著影响。当实际页岩地层中具有较高的黏土束缚水含量时,黏土矿物表面的吸附能力很弱。实际地层条件下,与干酪根相比,黏土矿物对吸附气含量的贡献占多大比例等问题还有待进一步深入研究。这些问题的深入探讨将有助于吸附态页岩气含量的准确计算,从而得到更全面的页岩气地质储量数据。1.3 页岩气流动机制目前国内在页岩气成藏机制、资源潜力等方面研究取得了一定进展,但在页岩储层流动机制等方面的研究相对较少。页岩气储层流动机制是页岩气藏产能预测、动态分析和气藏数值模拟的物理基础。由于页岩储层物性差,孔隙喉道半径分布一般为微米至纳米级,导致气体在页岩储层中涉及到不同尺度上的流动机制,明显区别于常规气藏[14-15]。通常用克努森因子(Knudsen number,简称Kn)区分气体不同尺度上流动机制的边界,其定义为气体分子平均自由程与气体所在孔隙的平均直径大小的比值。气体在页岩储层中的流动主要经历3个过程[16-18]:①吸附在页岩储层基质表面的吸附气解吸附后形成自由气存储在基质孔隙中,该过程一般Kn>10,流动机制以自由分子流为主,颗粒运动以布朗运动、吸附、表面扩散为主;②基质孔隙中的自由气(包括游离态、溶解态气体和解吸附后形成的气体)向低压区(裂缝网络系统)扩散,该过程一般0.001
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