頁巖氣產(chǎn)能影響因素分析

徐小明，周 明，熊 巍，孔嫦娥，黃秀俊，楊 康

（1.長江大學(xué)武漢校區(qū)，湖北武漢 430100；2.湖北省天然氣有限公司，湖北武漢 430100）

世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得能源消費(fèi)與需求量不斷飆升，包括頁巖氣在內(nèi)的非常規(guī)資源越來越受到重視。當(dāng)前，美國和加拿大已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)，而國內(nèi)常規(guī)油氣儲(chǔ)量的瓶頸也迫使中國天然氣工業(yè)的重心不得不向非常規(guī)油氣發(fā)生轉(zhuǎn)移。中國的頁巖氣資源十分豐富，開發(fā)前景廣闊。

頁巖氣是指賦存于富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1]。它是天然氣生成以后在烴源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，也可以存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中[2]。具有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等地質(zhì)特點(diǎn)[3]。頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙系統(tǒng)、成熟度、有機(jī)質(zhì)含量、溫度與儲(chǔ)層壓力等決定了氣體在儲(chǔ)層空間中的分配[4]。頁巖氣地質(zhì)條件比較復(fù)雜和特殊，因此加強(qiáng)頁巖氣產(chǎn)能影響因素分析對(duì)解決頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。

1 頁巖氣產(chǎn)能靜態(tài)影響因素分析

1.1 頁巖的礦物組成

美國的頁巖氣勘探實(shí)踐表明，作為天然氣聚集特殊類型的頁巖氣藏在巖性成分方面具有如下特征：頁巖多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖（高碳泥頁巖類），泥頁巖中的孔隙度會(huì)直接影響游離態(tài)天然氣的含量，有相關(guān)研究表明，超過50%的天然氣通常存在于泥頁巖的孔隙中[5]。巖石中各組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為：30%～50%的黏土礦物、15%～25%的粉砂質(zhì)（石英顆粒）和1%～20%的有機(jī)質(zhì)，多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。

頁巖氣儲(chǔ)層開采過程中決定產(chǎn)能的一個(gè)重要因素是巖石的礦物學(xué)特征，其中頁巖氣儲(chǔ)層中脆性礦物的含量則是影響開采的主要因素；粘土礦物的含量則是影響頁巖氣儲(chǔ)層吸附能力的主要因素。干巖石的含氣量明顯高于“濕”巖石；伊利石的吸附能力高于蒙脫石，高嶺石的吸附能力最弱。而地層水礦化度對(duì)生物成因頁巖氣的含氣量也有明顯的影響。

1.2 頁巖孔隙度

在頁巖氣系統(tǒng)中，頁巖儲(chǔ)層的孔隙度與滲透率是決定其是否具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的重要參數(shù)。頁巖的孔隙按演化歷史可以分為原生孔隙和次生孔隙；按大小可以分為微型孔隙（孔徑＜0.1 μm）、小型孔隙（孔徑＜1 μm）、中型孔隙（孔徑＜10 μm）和大型孔隙（孔徑＞10 μm)[6]。頁巖多顯示出較低的孔隙度（＜10%），其中含氣有效孔隙度僅為1%～5%。在這些孔隙里儲(chǔ)存大量的游離氣，即使在較老的巖層，游離氣也可以充填孔隙的50%。游離氣含量與孔隙體積的大小密切聯(lián)系，一般來說，孔隙體積越大，所含的游離氣量就越大[7]。對(duì)于單一的孔隙，由于缺乏足夠的儲(chǔ)氣空間，開采初期并不具有商業(yè)開采價(jià)值，但通過后期改造行為，對(duì)其頁巖裂縫進(jìn)行彌補(bǔ)作用，可提供足夠的儲(chǔ)集空間，提高頁巖氣儲(chǔ)層的產(chǎn)能[8]。

頁巖的孔隙又可分為裂縫孔隙、礦物基質(zhì)孔隙和有機(jī)質(zhì)中的孔隙三種。研究發(fā)現(xiàn)：頁巖氣儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)中孔隙占總孔隙的比例比較大，并且孔徑非常小，壁面大，從而使得大量的天然氣吸附在有機(jī)質(zhì)的外表面，也有部分的天然氣溶解于有機(jī)質(zhì)（干酪根）內(nèi)部；無機(jī)物粒間孔與微裂縫中存在游離態(tài)的天然氣，其中裂縫有助于吸附天然氣的解析，并且能夠增加游離天然氣的體積。

1.3 頁巖厚度

眾所周知，廣泛分布的泥頁巖是形成頁巖氣的重要條件。同時(shí)，沉積有效厚度是保證足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間的前提條件，頁巖的厚度越大，頁巖的封蓋能力越強(qiáng)，有利于氣體的保存，從而有利于頁巖氣成藏[9]。美國5 大頁巖氣勘探開采區(qū)的頁巖凈厚度為9.14～91.44 m[10]，其中產(chǎn)氣量較高的Barnett頁巖和Lewis頁巖的平均厚度在30.48 m以上。一般情況下富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度一定規(guī)模連續(xù)分布的有效厚度大于15 m，TOC 較低的頁巖厚度一般大于30 m，且頁巖區(qū)域上需連續(xù)穩(wěn)定分布，才能有效開發(fā)[11]。北美某頁巖氣藏有效厚度分布范圍在100～400 m，這為水平井多級(jí)分段壓裂開采提供了有利條件[12]。但我國四川盆地地區(qū)頁巖氣厚度最小規(guī)模一般在20 m。目前具有開采價(jià)值的頁巖凈厚度最小不能夠低于6 m，想要保證頁巖氣的總產(chǎn)量可以達(dá)到一定規(guī)模聚集，需要頁巖厚度越大越好[13]。

1.4 頁巖有機(jī)質(zhì)豐度與成熟度

有機(jī)碳是形成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也是衡量頁巖產(chǎn)氣能力的重要指標(biāo)。有機(jī)碳的含量會(huì)受到沉積環(huán)境的影響，水生生物發(fā)育較為繁盛的區(qū)塊，有利于高豐度烴源巖的形成。總有機(jī)碳的含量與吸附氣的含量密切相關(guān)，富含粘土層段的有機(jī)質(zhì)豐度最高，吸附性也較強(qiáng)，從而有利于頁巖氣的賦存[14]。

通過國內(nèi)外研究，總有機(jī)碳含量（TOC）需要達(dá)到有機(jī)質(zhì)豐度最低門檻值。美國頁巖氣的TOC含量一般大于2%，很少部分小于2%，但在2.5%～3.0%以上是最好的。 TOC 高的泥頁巖所含的粘士礦物較多、吸附性強(qiáng)，有利于頁巖氣的賦存[15]。從國內(nèi)外頁巖氣氣源的統(tǒng)計(jì)情祝來看，美國頁巖氣有機(jī)質(zhì)熱成熟度（Ro）通常在1.1%～3.5%[16]。從中外己發(fā)現(xiàn)的頁巖儲(chǔ)藏來看，Ro在0.4%～5.0%的泥頁巖都可能為頁巖氣聚集的氣源提供好的條件，但是對(duì)于相同母質(zhì)來說，熱演化程度越大，其頁巖氣的產(chǎn)氣也越大。

斯倫貝謝2006年公布了頁巖氣開發(fā)關(guān)鍵參數(shù)的下限，如：孔隙度＞4%，含水飽和度＜45%，含油飽和度＜5%，滲透率＞100 nD，總有機(jī)炭含量＞2%。富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度達(dá)一定規(guī)模，一般在15 m以上，區(qū)域上連續(xù)穩(wěn)定分布，TOC 低的頁巖的厚度一般在30 m以上，要求有一定的保存條件。

2 頁巖氣產(chǎn)能動(dòng)態(tài)影響因素分析

2.1 吸附作用的影響

頁巖氣儲(chǔ)層中天然氣的吸附可以分為物理吸附與化學(xué)吸附兩種。其中物理吸附主要是由于儲(chǔ)層巖石的非平衡分子力所產(chǎn)生的，頁巖氣儲(chǔ)層中骨架顆粒內(nèi)部的分子受均勻分子引力的作用可以保持受力平衡，但由于巖石最表層的分子并沒有達(dá)到受力平衡，而導(dǎo)致與其接觸的物質(zhì)之間產(chǎn)生吸引，這就使得甲烷分子吸附于頁巖氣藏中產(chǎn)生大量的吸附氣[17]。化學(xué)吸附是在達(dá)到一定條件時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，其中也包括化學(xué)鍵的形成與斷裂。研究發(fā)現(xiàn)，頁巖氣的化學(xué)吸附具有不可逆性、有選擇性、吸附時(shí)間長和不連續(xù)的特點(diǎn)，開始吸附快，越到后面吸附速度越慢[18]。

頁巖氣井的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間相較于其他常規(guī)油藏來說較長，其生產(chǎn)壽命有時(shí)可長達(dá)30年，年產(chǎn)量遞減率通常要小于5%，一般情況下為2%～3%。分析其原因與頁巖氣儲(chǔ)集層吸附氣的含量有著密切的關(guān)系，吸附是頁巖氣儲(chǔ)層保存天然氣的主要方式，吸附解析是頁巖氣儲(chǔ)層生產(chǎn)的重要機(jī)制。在頁巖氣儲(chǔ)層生產(chǎn)后期，天然氣的主要來源是基質(zhì)中的吸附氣。國外研究人員對(duì)Barnett East油氣田進(jìn)行勘探開發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于產(chǎn)量、可采儲(chǔ)量豐富的頁巖氣儲(chǔ)層而言，吸附氣含量大約占天然氣總量的40%[19]。因此，吸附氣的含量是影響頁巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。

2.2 滑脫效應(yīng)的影響

氣體在地下滲流過程中易發(fā)生滑脫效應(yīng)，尤其對(duì)于頁巖氣這類滲透率極低的儲(chǔ)層而言，滑脫效應(yīng)的存在對(duì)氣井產(chǎn)能的影響不容忽視。近幾年研究人員發(fā)現(xiàn)：當(dāng)頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙壓力小于10 MPa 時(shí)，氣體在滲流過程中存在滑脫效應(yīng)，并且隨著孔隙壓力的不斷增加，氣體滑脫效應(yīng)越加不明顯。儲(chǔ)層的深度不同，其滑脫效應(yīng)對(duì)氣井的產(chǎn)能與生產(chǎn)壓差的影響也不同。當(dāng)儲(chǔ)層壓力小于5 MPa 或是深度小于500 m的淺層時(shí)，頁巖氣儲(chǔ)層的氣體滑脫效應(yīng)對(duì)氣井的產(chǎn)能與生產(chǎn)壓差影響較大；當(dāng)儲(chǔ)層壓力小于10 MPa 或是深度介于500～1000 m的中深層時(shí)，頁巖氣儲(chǔ)層的氣體滑脫效應(yīng)對(duì)氣井的產(chǎn)能與生產(chǎn)壓差影響相對(duì)較小；當(dāng)儲(chǔ)層壓力大于10 MPa或是深度大于1000 m的深層時(shí)，頁巖氣儲(chǔ)層的氣體滑脫效應(yīng)對(duì)氣井的產(chǎn)能與生產(chǎn)壓差影響可忽略不計(jì)[20]。

2.3 壓裂液滯留的影響

頁巖氣運(yùn)移聚集與經(jīng)濟(jì)開采的主控因素之一是裂縫的發(fā)育程度，但在實(shí)際開發(fā)過程中，很少有天然裂縫具有經(jīng)濟(jì)開采的價(jià)值，所以需要后期的壓裂增產(chǎn)措施來改善裂縫的導(dǎo)流能力。目前國內(nèi)外普遍運(yùn)用的有清水壓裂、泡沫壓裂、N2壓裂與凝膠壓裂等，但在壓裂過程中不免會(huì)存在壓裂液的滯留等問題影響頁巖氣儲(chǔ)層的產(chǎn)能。

壓裂過程中出現(xiàn)壓裂液滯留與頁巖氣儲(chǔ)層的束縛水含量較低有關(guān)，例如美國Barntee 氣藏的束縛水飽和度為25%～35%，生氣在氣藏形成過程中具有的干燥作用會(huì)導(dǎo)致頁巖氣儲(chǔ)層產(chǎn)水較少，很容易出現(xiàn)水的滲吸現(xiàn)象。因此，在壓裂施工后會(huì)有大量的壓裂液滯留在儲(chǔ)層中，造成地層封堵與水鎖，以至于氣藏產(chǎn)量降低。除了束縛水的含量低以外，頁巖儲(chǔ)層中的油濕性有機(jī)物含氣量高、滲透率較高、與裂縫結(jié)構(gòu)相比其分布面積和體積都比較大也是造成壓裂液滯留的重要因素，這些都可以認(rèn)為是儲(chǔ)層中暗藏的氣體滲流通道，當(dāng)再與裂縫、天然縫或是壓裂縫相連通時(shí)，產(chǎn)量會(huì)大幅度提高[21]。

3 結(jié)論

（1）頁巖氣作為一種日益重要的非常規(guī)資源，是天然氣生成以后在烴源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，具有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等地質(zhì)特點(diǎn)。

（2）頁巖氣的孔隙與常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖相比小很多，多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖，厚度一般必須在15 m以上，TOC含量大于2%，Ro在1.1%～3.5%才能有利于頁巖氣的生儲(chǔ)。

（3）頁巖氣的產(chǎn)能主要受到吸附作用、滑脫效應(yīng)、壓裂液滯留等的動(dòng)態(tài)因素的影響。

［1］賈利春，陳勉，金衍.國外頁巖氣井水力壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)進(jìn)展［J］.天然氣與石油，2012，30（1）:44-47.

［2］徐國盛，徐志星，段亮，等.頁巖氣研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，38（6）:603-610.

［3］張金川，汪宗余，聶海，等.頁巖氣及其勘探研究意義［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（4）:640-646.

［4］劉成林，范柏江，葛巖，等.中國非常規(guī)天然氣資源前景［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2009，16（5）:26-29.

［5］John B Curtie.Fractured shale -gas systems［J］.AAPG Bulletin，2003，36（11）:1931-1937.

［6］聶海寬，張金川.頁巖氣儲(chǔ)層類型和特征研究—以四川盆地及其周緣下古生界為例［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33（3）:219-232.

［7］王祥，劉玉華，張敏，等.頁巖氣形成條件及成藏影響因素研究［J］.天然氣地球科學(xué)，2010，21（2）:350-356.

［8］范柏江，師良，龐雄奇.頁巖氣成藏特點(diǎn)及勘探選區(qū)條件［J］.油氣地質(zhì)與采率，2011，18（6）:9-12.

［9］張麗霞，姜呈馥，郭超.鄂爾多斯盆地東部上古生界頁巖氣勘探潛力分析［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，（1）:23-34.

［10］胡昌蓬，徐大喜.頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)因素研究［J］.天然氣與石油，2012，30（5）:38-42.

［11］聶海寬，張金川.頁巖氣儲(chǔ)層類型和特征研究［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33（3）:210-225.

［12］趙鵬飛，余杰，楊磊.頁巖氣儲(chǔ)量評(píng)價(jià)方法［J］.海洋地質(zhì)前沿，2011，27（7）:57-63.

［13］Bowker Kent A.13aruett Shale gas production，F(xiàn)ort Worth Basiulssues and discussion ［J］.AAPG bulletiu，2007，91（4）:523-533.

［14］姜福杰，龐雄奇，歐陽學(xué)成，等.世界頁巖氣研究概況及中國頁巖氣資源潛力分析［J］.地學(xué)前緣，2012，16（2）:199-210.

［15］Shirlev K.Bamett Shale living up to potential［J］.AAPG Explorer，2002 ，23（7）:19-27.

［16］聶海寬，唐玄，邊瑞康.頁巖氣成藏控制因素及我國南方貞巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（1）：181-191.

［17］周登洪，孫雷，嚴(yán)文德，等.頁巖氣產(chǎn)能影響因素及動(dòng)態(tài)分析［J］.油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā)，2012，2（1）:64-69.

［18］Lane，Howard Scott.Detection and estimation of gas desorption from Devonian shale production and well-test pressure data ［D］.College Station，Texas A&M Univer，1991.

［19］Mavor M.Barnett shale gas in place volume including sorbed and free gas volume（abs.）2003.

［20］高樹生，于興河，劉華勛.滑脫效應(yīng)對(duì)頁巖氣井產(chǎn)能影響的分析［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（4）:55-58.

［21］Fred P Wang，Key.controls in shale gas production［R］.Austin，John and Catherine Jackson School of Geoscjences of University of Texa，2010.