页岩气藏地质特征研究和渗流机理探究
页岩气藏地质特征研究和渗流机理探究 摘要:页岩气是重要的非常规能源,它主要以游离 状态或吸附状态存在于地下,分布的地层岩性为高碳泥页岩 和暗色泥页岩。据相关部门调查统计页岩气资源总量在世界 范围内高达456gl2m3,接近世界非常规天然气的一半。 而在我国也具有非常庞大的页岩气资源量。一般来说,页岩 气藏的孔隙度比较低、渗透率更是达到纳米级,具有独特的 解吸和吸附特征,特别是在渗流方面具有明显区别与常规气 体和致密砂岩气等气体的多级、多尺度渗流特性,这给页岩 气的准确认识和开发带来了困难。基于此,在充分调研国内 外有关页岩气文献的基础上,对页岩气的基本地质特征进行 研究,并分析不同颗粒尺寸下的页岩气渗流情况,为页岩气 的开发提供指导和参考。 关键词:页岩气渗流机理地质特征 中图分类号:TE328文献标识码:A文章编号: 1007-3973 (2013) 012-273-02 1页岩气藏的储层特征分析 1.1储渗空间特征 天然裂缝和基质孔隙是页岩储层的主要储渗空间。其中 基质孔隙又可以划分为溶蚀孔、微裂隙、机质生炷形成的微 孔隙、残余原生孔隙。 微裂缝是影响页岩气产能的重要因素,也进一步加剧了 开采页岩气的难度和复杂成都。一方面,发育的微裂缝在提 供储渗空间给页岩气的同时,还方便了吸附态天然气的解 析,并成为页岩气运移、开采的通道。另一方面,与大型断 裂连通的发育的微裂缝,不利于页岩气的保存;地层水也会 通过裂缝进入页岩储层,使气井见水早,含水上升快,甚至 可能暴性水淹。 裂缝:微裂缝在页岩储层中分布比较广,它的形成受到 褶皱、断层等构造活动影响较大,同时,它也受到水平压力 差异性的影响。 1.2物性特征 特低渗、低孔、较致密是页岩气储层的重要物性特征。 根据美国大量的页岩气开采实践中对各岩芯的试验检测和 测量,孔隙度的范围为2.0%-14%,其中平均孔隙度为 4. 22%-6. 51%;测井孔隙度大小为4%-12%,充气孔隙度的大 小为1. 0%-7. 5%,充水孔隙度的大小为1.0%-8.0%。平均喉 道半径小于0. 005 m,渗透率不大于0. ImD。 1.3矿物组成 对于页岩储层来说,最常见的矿物主要有高岭石、蒙皂 石、伊利石,另外还掺杂有磷灰石、黄铁矿、白云石、方解 石、云母、长石、石英等矿物。 页岩气储层中吸附气的含量受到黏土矿物含量的影响 比较严重,特别是粘土矿物中的伊利石对吸附气含量的影响 比较严重。另外,粘土中的碳酸盐、硅质等脆性矿物使得页 岩气储层产生了大量的天然裂缝,这对于页岩储层的压裂改 造起到了非常重要的作用。 1.4有机质特征 有机质是页岩气储层中的重要成分,它的成熟度和丰度 直接影响到页岩气的资源量。大量的页岩气实验和开发实践 表明,它正相关于页岩气的生气率。因为大量的有机质能吸 附更多的天然气,形成更多的微孔隙空间。 美国New Albany页岩和Antrim页岩含有超过20%T0C 含量部分、Barnett页岩平均有机碳含量为平均4.5%。在我 国四川盆地,根据调研和统计资料发现龙马溪组的TOC含量 一般大于0.51%而小于4.88%、筑竹寺组的T0C含量在 1.0%-11.07%之间变化。 页岩气的成藏离不开有机质的成熟度,据经验统计成熟 度基本要求为Ro>l. 3%o我国的页岩气储层中有机质的成熟 度也都满足了这个要求,比如龙马溪组页岩R。值平均可达 3.21%、筑竹寺组页岩Ro—般分布在1.83%-3. 23%。这些都 表明了我国的页岩气成藏效果比较好。 2页岩的孔渗结构特征 2. 1页岩孔隙系统 页岩孔隙系统是页岩气系统的重要参数,通过研究发现 页岩的渗透率不大于0.001g-3 m2,孔隙度一般大于2% 而小于15%o由水力压裂裂缝、天然裂缝、有机质、非有机 质四种孔隙介质构成了页岩气系统的孔隙结构:微米尺度孔 隙和纳米尺度孔隙。 目前有很多方法可以实现页岩气孔隙度的测量,但由于 很多因素都会对测量结果产生影响,比如水、汞等液体和甲 烷、氮、氮等气体,因此测量时要特别注意准确性。同时, 破碎岩样重量、破碎方法、岩样尺寸、超荷净重压力以及孔 隙压力都会影响微裂缝的数量和形态。F. Javadpour在通过 对页岩岩芯的测量以后,获得了 145MPa高压下实验岩心的 页岩岩样压汞曲线,根据这个曲线可以求出一般页岩孔喉直 径的范围是10-3. 2-101. 2 mo利用热重量(TGA)分析方法, Solano和Sondhi简单的提出了一种孔隙度测量方法。利用 最大分辨率为4-5nm的扫描电子显微镜,C. H. Sondergeld等 人研究了其微观结构并获得了页岩三维孔隙成像。 2.2页岩渗透率 气体运移能力是油气开采中的重要概念和表征量,也直 接影响到页岩气井开发的高效。另外,由于页岩气藏的渗透 率很小,处于纳米数量级,这就给页岩气藏渗透率的测量带 来了困难,造成了很多问题的存在,比如测试时间长、测量 结果经确定不高等问题。为了解决这些问题,Brace等人在 测量引入了压力脉冲衰竭技术,并通过在常规气藏中检验了 该方法的正确性和可行性。总的来说,当前大多米用压汞曲 线分析、解吸测试、压力衰减以及压力脉冲衰竭等方式来测 量。在测量渗透率的基础上,Javadpour得出了页岩储层10-9 m2数量级的基质渗透率,而Soeder D. J.研通过研究指出页 岩基质渗透率在(10-9T0-5)m2之间,而裂缝渗透 率基本上都处于(0.001-0.1)m2之间。 3页岩气渗流机理研究 页岩气的流动主要经过以下三个主要过程: 第一个阶段就是页岩表面吸附的气体在钻完井的压降 作用下脱离其内表面,而解析出来的吸附气会和裂缝空袭 中的游离气混合。第二阶段是高浓度区的游离相页 岩气会受到浓度差的作用流向低浓度区,也即是常说的气体 的扩散,扩散过程伴随浓度变化的始终。 第三阶段是页岩气在流动势的作用下由裂缝孔隙系统 渗流向生产井筒。 根据上述页岩气渗流过程的描述可以发现,页岩气的吸 附和解吸是页岩气特有的沈流现象和特征,而这个过程常用 Langmuir等温吸附曲线来进行确定和描述。等温吸附曲线能 描述在恒温条件下页岩气吸附解吸的平衡关系。能定量描述 吸附气体的压力和被吸附量之间的关系由于吸附是解吸的 可逆过程。 实验和理论分析表明Langmuir等温吸附曲线同样适用 页岩气的吸附解吸特性因此目前主要运用Langmuir等温吸 附原理来描述页岩气的吸附解吸。 3. 1解吸 当页岩气藏完成钻井施工以后,会导致地层的压力下 降,使原有的吸附平衡遭到破坏,产生解析现象。 3.2扩散 由于页岩的孔隙度一般都比较小,很多处于纳米数量 级,从微观上来说,达西流动存在的可能性很小,而是以特 有的表面扩散、分子扩散、克努森扩散方式进行流体的流动。 (1)表面扩散:它是指孔隙介质表面吸附的分子按照物体 表面流动的现象。(2)分子扩散:它是一种重要的质量传递 方式,主要是指在浓度差或其他推动力的作用下,分子、原 子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象。目前对于分 子扩散的数学描述主要是利用Fick扩散定律。(3)克努森