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            1. 行業資訊

              三大非常規油氣領域的地質學解讀(二)-頁巖油氣、致密油氣和煤層氣

              關鍵詞:

              發布時間:2014-08-12

              頁巖油氣、致密油氣和煤層氣

              它們的開采技術難度大、成本高、主要由于儲層物性差,所以列為非常規油氣。美國James W.Schmoker最早提出連續油氣聚集的概念,上述幾種類型的油氣都屬于連續油氣聚集,是目前討論的非常規油氣最熱門的內容,也是產量增長最迅速嚴重的情況是古油藏完全被破壞。如果暴露時間短,繼續有上覆新地層沉積,可以形成不的領域。

              2.1 頁巖氣、致密氣

              非常規氣主要有頁巖氣、致密氣、煤層氣3種,非常規氣與常規氣的儲層性質是逐漸變化的。

              頁巖氣以吸附態與游離態賦存于富含有機質的頁巖中。頁巖主要由粘土組成,含少量粉砂顆粒,也可能有薄層的碳酸鹽巖,滲透率極低,實際上就是烴源巖。富含有機質,大部分氣為熱成因,也有部分為生物成因。這種烴源巖所生成的天然氣在成熟時一部分已經排出運移到相鄰的儲層中,剩余部分滯留在頁巖中。頁巖起了儲層的作用,但其孔隙度和滲透率低,滲透率為毫微達西(<1×10-9μM2),孔隙度6%~12%。

              頁巖氣的分布不受圈閉的控制,頁巖氣的分布范圍基本上受有效烴源巖的分布范圍控制。因此形成了大面積分布的連續聚集,頁巖氣可以大量存在于盆地中心和斜坡區,頁巖氣的挑戰不在于發現是否含氣,而在于尋找最佳區域,或“甜點”,決定其高產和采收率。

              在頁巖氣中許多參數極為重要,如總有機碳(TOC)含量、干酪根類型、熱成熟度、礦物成分、巖性、脆性、天然裂縫、應力狀態、氣的儲集位置和類型、熱成因或生物成因系統、沉積環境、厚度、孔隙度和壓力等參數。

              頁巖中天然氣的儲存有3種形式:(1)游離氣,包括儲存于頁巖基質孔隙中和天然裂縫中;(2)吸附氣,包括化學吸附和物理吸附;(3)溶解氣,溶解于瀝青中。最先產出的是游離氣,隨著壓力降低后產出的是吸附氣,其數量后者大于前者,生產中不產水。

              由于極低孔、極低滲的特點,頁巖氣的開采方式都用水平井和水力壓裂,才能產出具有商業價值的天然氣資源。北美對頁巖氣的研究深度大,已形成了配套技術。美國頁巖氣的年產已達6.35萬億立方英尺,預測到2035年將達到13.5萬億立方英尺。

              美國能源信息署2013年6月公布的數據,評價了除美國以外的41個國家、137個頁巖地層的評價結果,風險后地質資源量為3.1138萬萬億立方英尺,風險后技術可采資源量6.634千萬億立方英尺,加上美國分別為3.5782萬萬億立方英尺和7.295千萬億立方英尺。頁巖氣將成為未來石油地質學和勘探開發技術的重要方向。

              致密氣賦存的儲層滲透率小于0.1MD。致密氣與頁巖氣和煤層氣不同,致密氣是從烴源巖中運移出來聚集在相鄰的地層中。致密氣儲層由兩種類型,一種是細顆粒的致密沉積巖,另一種是巖石膠結緊密,低孔隙、細喉道和毛細管連通性差。

              致密氣的許多特征介于常規氣和頁巖氣之間,它不存在分離的氣水接觸帶,但往往含有少量的水,產狀呈層狀和透鏡狀,孔隙度介于7%~15%,氣儲存于孔隙中,不是標準的連續聚集。致密氣的開采方式與頁巖氣基本相同,也以水平井為主,并要進行水力壓裂,采收率略高于頁巖氣。

              應該認識到:幾乎沒有相同的頁巖氣藏,也沒有典型的致密氣藏,對這兩類氣藏的研究必須根據實際資料進行深入研究。目前,美國的致密氣產量與頁巖氣基本相當,但從發展趨勢來看,頁巖氣將大大超過致密氣。

              中國的非常規氣以致密氣為主體,在相當長的時間內仍是如此。有不少機構對致密氣的潛力進行評估,但差別較大,也沒有詳細的評價報告。IEA(2009)指出,全球致密砂巖氣可采資源量為3.883千萬億立方英尺,發展潛力巨大。頁巖氣、致密氣和常規氣的地質特征具有逐漸變化的過程。如表1所列。

              頁巖氣和致密氣從勘探到生產研究方法和內容已取得了相似的認識。

              (1)勘探階段。

              其任務是選擇盆地、層系和地區、確定核心區(“甜點”)。進行儲層描述,初步確定儲層潛力和經濟價值。具體內容有地質學數據———沉積學、地層學及沉積環境;地球化學———TOC、干酪根類型、熱成熟度;儲層物性———巖石類型、巖性、礦物成分、孔隙度。充分使用三維地震研究地質學數據。利用地震屬性認識天然裂縫,利用地震交匯圖確定“甜點”,利用聲阻抗技術確定最高TOC地區,應用測井資料進行初期儲層描述。

              (2)評價階段。

              其任務是鉆探評價井,建立地質模型進行數值模擬,制定氣田開發計劃,確認儲層的經濟可行性。評價階段所鉆井數增加將進一步完善氣藏描述。研制各種評價方法,如遞減曲線分析,物質平衡法(Payne和Holditch),但多不完全匹配。

              用水力壓裂后,頁巖氣藏和致密氣藏特點已發生變化。要研究更可靠的分析和預測方法,Vassilells等人引進了多學科交叉的方法———“頁巖工程技術方法”,該方法涉及3種模型(氣藏模型、氣井模型和裂縫模型)所用技術涉及地質學、巖石物理學、地質力學、地球化學、地震學和工程學。

              (3)開發階段。

              其任務是補充完善氣田開發方案,進行鉆井設計和優化鉆井成本,細化和優化水力壓裂和完井設計。開發階段的核心技術是水力壓裂,現在已普遍應用微地震檢測儀實時監控頁巖氣和致密氣的壓裂作業,監控裂縫的方位角、寬度和長度(是否超出作業區到含水層)。

              (4)生產階段。

              其任務是檢測和優化采氣速度,水循環處理,防止腐蝕,細菌污染,環境保護,要管理和控制壓裂液返排速度。用生產測井儀和分布溫度技術(DTS)測定壓裂后不產氣井段,確定是否要用其它儲層改造技術。對于頁巖氣井的壓裂返排水和致密氣井采出水的脫水技術和水處理。

              (5)氣田再生階段。

              再生階段的主要挑戰在于修復低產井和低經濟效益井,要評價篩選出需要再次壓裂的井,再壓裂可以減緩產量遞減或恢復生產。有時甚至超過原始壓裂后產量。根據生產狀況確定加密井的井網密度。如有的致密氣藏從原來井網密度為160英畝,后加密到5~10英畝。

              2.2 煤層氣

              煤是有機物質和無機物質的復合體,具有明顯的非均質性。煤的顯微組分可以分為殼質組、鏡質組和惰質組。按煤的成因可以分為腐殖煤(由高等植物形成),腐泥煤(由海藻等低等植物殘骸生成)和殘留煤(由細菌和分散的植物形成)。

              煤層氣是一種由煤層自生自儲的非常規氣藏。包括煤層顆?;|表面吸附氣、裂隙中的游離氣、煤層水中溶解氣和煤層之間薄砂巖、碳酸鹽巖等儲層、夾層間的游離氣。煤層氣俗稱“瓦斯”,其主要成分是甲烷,其熱值與天然氣相當,可以與天然氣混輸混用。

              煤層氣有兩種基本成因類型:生物成因和熱成因。生物成因氣是由各類微生物的一系列復雜作用過程導致有機質發生降解而形成的;而熱成因氣是指隨著煤化作用的進行,伴隨著溫度升高、煤分子結構與成分的變化而形成的烴類氣體。煤層氣以游離狀態、吸附狀態和溶解狀態賦存于煤層內。

              世界主要產煤國都十分重視開發煤層氣。美國、英國、德國、俄羅斯等國煤層氣的開發利用起步較早,主要采用煤炭開采前抽放和采空區封閉抽放方式開采煤層氣,產業發展較為成熟。

              20世紀80年代初美國開始試驗應用地面鉆井開采煤層氣并獲得突破性進展,標志著煤層氣開發進入一個新階段。

              2011年,中石油對全球74個主要含煤盆地煤炭和煤層氣資源量進行了重新統計核算。全球煤層氣資源量約為(4.008~4.344)萬萬億立方英尺。加上中國的1.299千萬億立方英尺,全球煤層氣資源量超過5.295千萬億立方英尺。

              煤層氣評價內容包括儲層地質學特征評價、儲集層物性特征評價、資源儲量評價以及煤層氣可采性綜合評價技術等。煤層氣儲層評價參數包括含煤性、含氣性、滲透性、儲層壓力、含氣飽和度、原地應力、儲層溫度、煤層產狀8個方面。煤層氣資源量計算方法主要有類比法、體積法、壓降曲線法、物質平衡法、數值模擬法和產量遞減法等。

              煤層氣井的鉆井方法與油氣田開發的鉆井方法相類似。當煤層深度小于1000M,地層壓力正常時,鉆井通常采用小型鉆機或車載鉆機等常規鉆井設備。在煤層埋藏較深,煤層的滲透率較高,壓力較大的情況下,鉆井需要采用非常規的鉆井方法。

              目前,煤層氣較為有效的增產改造技術主要有多元氣體驅替技術、水力壓裂增產改造技術和采煤采氣一體化技術等。多元氣體驅替技術指的是通過注氣來開采煤層氣的技術。

              注入煤層的氣體包括二氧化碳、氮氣、煙道氣、空氣等氣體。注入氣體在地層中膨脹,能有效增加煤層的地層能量,改變壓力傳導特性和增大氣體的擴散速率,從而達到提高單井產量和采收率的目的。

              由于煤層氣儲層孔隙度、滲透率很低,地層壓力往往不足,采用常規抽汲開采的方法開發效果常常不佳,煤層氣的產量往往很低,因此壓裂技術和水平井技術成為了提高煤層氣產量的有效技術方法。國內外工業煤層氣開采已有30多年的歷史,大部分煤層氣都是經過壓裂后才獲得有價值的工業氣流。

              煤的開采與煤層氣的開采相結合的技術稱為采煤采氣一體化。在煤層的開采過程中會引起煤儲層的裂縫移動,這種變形、移動會使煤儲層內部壓力下降,壓力的釋放有助于煤層氣的開采。

              這種方式也使得煤儲層的滲透率大大提高,為煤層氣的開采建立了很好的滲濾通道。先采氣,后采煤,可以有效降低煤層瓦斯含量和煤層瓦斯壓力,減少煤礦瓦斯事故。

              煤層氣埋藏較淺,鉆井費用較低,煤層氣的開采通常要排水降壓,初始產量低,產量遞減慢。

              2.3 頁巖油和致密油

              頁巖油和致密油與頁巖氣密切相關。開始多稱為頁巖油,后來在公開場合交替使用?,F在石油界一般將其稱為致密油,因為這個名稱有更大的包容性,更為確切,關系到在任何具體井中產油的地質層位,包括頁巖以外的地層。

              頁巖油和致密油的成因和分布與頁巖氣密切相關。油的來源與頁巖氣一樣,烴源巖受熱成熟度控制,如果處于生油窗階段,生成的是油;如果處于生氣窗階段就生氣。

              生成的油排出,運移至常規儲層,成為常規油藏,運移到致密儲層就成為致密油,繼續滯留在生油的頁巖中就成為頁巖油。油的分子量比氣的分子量大,要求運移的孔隙直徑更大,能夠運移油的儲層物性要求更高。美國的巴肯組和鷹灘組可以作為典型的代表。

              巴肯組上下為頁巖層,富含有機質,一直處于生油窗階段,孔隙度在2%~4%,滲透率小于0.1MD,含油飽和度達70%~80%,而巴肯組的中間是致密層,油氣運移聚集在這套地層中。

              巴肯組巖心剖面圖

              巴肯組石油主要產自中下部致密地層,但也產自經壓裂改造的頁巖層。巴肯頁巖干酪根類型為Ⅰ、Ⅱ型,Ro為0.6%~0.9%,原油密度0.81~0.82,壓力系數1.35~1.56,TOC含量11%~15%,最高達20%,為世界級烴源巖。中部儲層由砂巖、細粉砂巖和灰巖組成,是主要產油層段。

              鷹灘組由層狀的海相碳酸鹽巖和富含有機質的頁巖組成。在鷹灘同一套頁巖層系內,Ro介于0.6%~0.8%的生產井均為油;Ro介于0.8%~1.1%的生產井均為凝析油;Ro大于1.1%的生產井均為干氣。Ro隨頁巖層埋深增加而增加,由盆地東南向西北逐漸抬高;油氣相態自東南向西北依次由干氣過渡為凝析油和油。

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