頁巖氣產能影響因素分析

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）

世界經濟的快速發(fā)展使得能源消費與需求量不斷飆升，包括頁巖氣在內的非常規(guī)資源越來越受到重視。當前，美國和加拿大已經實現了頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)，而國內常規(guī)油氣儲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質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就近聚集的結果，也可以存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、甚至砂巖地層中[2]。具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質特點[3]。頁巖氣儲層的孔隙系統(tǒng)、成熟度、有機質含量、溫度與儲層壓力等決定了氣體在儲層空間中的分配[4]。頁巖氣地質條件比較復雜和特殊，因此加強頁巖氣產能影響因素分析對解決頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。

1 頁巖氣產能靜態(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：頁巖多為瀝青質或富含有機質的暗色、黑色泥頁巖（高碳泥頁巖類），泥頁巖中的孔隙度會直接影響游離態(tài)天然氣的含量，有相關研究表明，超過50%的天然氣通常存在于泥頁巖的孔隙中[5]。巖石中各組成的質量分數一般為：30%～50%的黏土礦物、15%～25%的粉砂質（石英顆粒）和1%～20%的有機質，多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。

頁巖氣儲層開采過程中決定產能的一個重要因素是巖石的礦物學特征，其中頁巖氣儲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，頁巖儲層的孔隙度與滲透率是決定其是否具有商業(yè)開發(fā)價值的重要參數。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系，一般來說，孔隙體積越大，所含的游離氣量就越大[7]。對于單一的孔隙，由于缺乏足夠的儲氣空間，開采初期并不具有商業(yè)開采價值，但通過后期改造行為，對其頁巖裂縫進行彌補作用，可提供足夠的儲集空間，提高頁巖氣儲層的產能[8]。

頁巖的孔隙又可分為裂縫孔隙、礦物基質孔隙和有機質中的孔隙三種。研究發(fā)現：頁巖氣儲層中有機質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質的外表面，也有部分的天然氣溶解于有機質（干酪根）內部；無機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，沉積有效厚度是保證足夠的有機質及充足的儲集空間的前提條件，頁巖的厚度越大，頁巖的封蓋能力越強，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。一般情況下富有機質頁巖厚度一定規(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量可以達到一定規(guī)模聚集，需要頁巖厚度越大越好[13]。

1.4 頁巖有機質豐度與成熟度

有機碳是形成頁巖氣的物質基礎，同時也是衡量頁巖產氣能力的重要指標。有機碳的含量會受到沉積環(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?？傆袡C碳的含量與吸附氣的含量密切相關，富含粘土層段的有機質豐度最高，吸附性也較強，從而有利于頁巖氣的賦存[14]。

通過國內外研究，總有機碳含量（TOC）需要達到有機質豐度最低門檻值。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，有利于頁巖氣的賦存[15]。從國內外頁巖氣氣源的統(tǒng)計情祝來看，美國頁巖氣有機質熱成熟度（Ro）通常在1.1%～3.5%[16]。從中外己發(fā)現的頁巖儲藏來看，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，但是對于相同母質來說，熱演化程度越大，其頁巖氣的產氣也越大。

斯倫貝謝2006年公布了頁巖氣開發(fā)關鍵參數的下限，如：孔隙度＞4%，含水飽和度＜45%，含油飽和度＜5%，滲透率＞100 nD，總有機炭含量＞2%。富有機質頁巖的厚度達一定規(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 頁巖氣產能動態(tài)影響因素分析

2.1 吸附作用的影響

頁巖氣儲層中天然氣的吸附可以分為物理吸附與化學吸附兩種。其中物理吸附主要是由于儲層巖石的非平衡分子力所產生的，頁巖氣儲層中骨架顆粒內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到受力平衡，而導致與其接觸的物質之間產生吸引，這就使得甲烷分子吸附于頁巖氣藏中產生大量的吸附氣[17]?；瘜W吸附是在達到一定條件時發(fā)生的化學反應，其中也包括化學鍵的形成與斷裂。研究發(fā)現，頁巖氣的化學吸附具有不可逆性、有選擇性、吸附時間長和不連續(xù)的特點，開始吸附快，越到后面吸附速度越慢[18]。

頁巖氣井的穩(wěn)產時間相較于其他常規(guī)油藏來說較長，其生產壽命有時可長達30年，年產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集層吸附氣的含量有著密切的關系，吸附是頁巖氣儲層保存天然氣的主要方式，吸附解析是頁巖氣儲層生產的重要機制。在頁巖氣儲層生產后期，天然氣的主要來源是基質中的吸附氣。國外研究人員對Barnett East油氣田進行勘探開發(fā)研究發(fā)現，對于產量、可采儲量豐富的頁巖氣儲層而言，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層產能的關鍵因素。

2.2 滑脫效應的影響

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

2.3 壓裂液滯留的影響

頁巖氣運移聚集與經濟開采的主控因素之一是裂縫的發(fā)育程度，但在實際開發(fā)過程中，很少有天然裂縫具有經濟開采的價值，所以需要后期的壓裂增產措施來改善裂縫的導流能力。目前國內外普遍運用的有清水壓裂、泡沫壓裂、N2壓裂與凝膠壓裂等，但在壓裂過程中不免會存在壓裂液的滯留等問題影響頁巖氣儲層的產能。

壓裂過程中出現壓裂液滯留與頁巖氣儲層的束縛水含量較低有關，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導致頁巖氣儲層產水較少，很容易出現水的滲吸現象。因此，在壓裂施工后會有大量的壓裂液滯留在儲層中，造成地層封堵與水鎖，以至于氣藏產量降低。除了束縛水的含量低以外，頁巖儲層中的油濕性有機物含氣量高、滲透率較高、與裂縫結構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，這些都可以認為是儲層中暗藏的氣體滲流通道，當再與裂縫、天然縫或是壓裂縫相連通時，產量會大幅度提高[21]。

3 結論

（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就近聚集的結果，具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等地質特點。

（2）頁巖氣的孔隙與常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖相比小很多，多為瀝青質或富含有機質的暗色、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。

（3）頁巖氣的產能主要受到吸附作用、滑脫效應、壓裂液滯留等的動態(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)測技術進展［J］.天然氣與石油，2012，30（1）:44-47.

［2］徐國盛，徐志星，段亮，等.頁巖氣研究現狀及發(fā)展趨勢［J］.成都理工大學學報（自然科學版），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］.現代地質，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］.石油實驗地質，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，2010，21（2）:350-356.

［8］范柏江，師良，龐雄奇.頁巖氣成藏特點及勘探選區(qū)條件［J］.油氣地質與采率，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］.西安石油大學學報（自然科學版），2012，（1）:23-34.

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

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

［12］趙鵬飛，余杰，楊磊.頁巖氣儲量評價方法［J］.海洋地質前沿，2011，27（7）:57-63.

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

［14］姜福杰，龐雄奇，歐陽學成，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)預測［J］.石油學報，2009，30（1）：181-191.

［17］周登洪，孫雷，嚴文德，等.頁巖氣產能影響因素及動態(tài)分析［J］.油氣藏評價與開發(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.滑脫效應對頁巖氣井產能影響的分析［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.