盧玉杰, 徐 影, 楊櫻花
(1.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院,鄭州 450016; 2.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司,鄭州 450016;3.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(非常規(guī)天然氣開發(fā)研究),鄭州 450016; 4.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院,鄭州 450000)
頁巖氣賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段中,成分以甲烷為主,是一種清潔、高效的能源[1]。隨著國內(nèi)外油氣勘探開發(fā)形勢日趨嚴(yán)峻,頁巖氣作為一種重要的天然氣資源逐漸登上了歷史舞臺(tái)[2]。我國富有機(jī)質(zhì)泥頁巖廣泛分布于不同沉積區(qū)內(nèi),具有可觀的頁巖氣資源量基礎(chǔ),截至2020年,我國頁巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量和年總產(chǎn)氣量分別突破了2.0×1012m3和200×108m3,頁巖氣產(chǎn)業(yè)能力和產(chǎn)氣量在國際上名列前茅[3]。
河南省地處華北盆地,頁巖氣資源豐富,國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心2011年完成的《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選報(bào)告》顯示,河南省普遍發(fā)育石炭二疊系海陸過渡相頁巖,面積約6.8萬km2,頁巖氣可采資源量3.6萬億m3,占華北地臺(tái)頁巖氣總可采資源量5.04萬億m3的71.40%,占全國海陸過渡相頁巖氣總可采資源量8.97萬億m3的40.13%[4],2012年國土資源部第二輪頁巖氣探礦權(quán)在河南省設(shè)立溫縣、中牟兩個(gè)區(qū)塊,先后開展了大量勘查工作。受地質(zhì)條件及開采技術(shù)等的限制,目前暫未形成規(guī)模化開發(fā)。
焦作煤田位于河南省西北部、華北晚古生代聚煤盆地南部,除蘊(yùn)含豐富的煤炭及煤層氣資源外,石炭、二疊系發(fā)育多套暗色泥頁巖,預(yù)示區(qū)內(nèi)頁巖氣資源具有較好的前景[5-7]。
以焦作煤田山西組泥頁巖為主要研究對(duì)象,在對(duì)其儲(chǔ)層發(fā)育特征、含氣性特征等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,評(píng)價(jià)其資源可采性,以期深化對(duì)焦作煤田泥頁巖含氣性特征及資源可采性的認(rèn)識(shí),為省內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。
焦作煤田位于太行山南麓,東起趙固勘探區(qū)東界一1煤層露頭,西至焦作柏山,與濟(jì)源煤田接壤;北起太行山南麓一1煤層露頭,南抵武陟古隆起,以盤古寺大斷層為界(圖1)。
圖1 焦作煤田交通位置圖Figure 1 Traffic position of Jiaozuo coalfield
焦作煤田地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)太行小區(qū)。除上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)及侏羅系、白堊系缺失外,從太古界到新生界均有發(fā)育。由老到新依次為前震旦系、震旦系、下古生界寒武系、奧陶系、上古生界石炭系、二疊系、中生界、新生界。
焦作煤田總體為走向北東,傾向南東的單斜構(gòu)造,地層傾角一般6°~16°,局部25°~30°。中生代以來的多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,且多為高角度正斷層,分為NE向、NW向、近EW向三組(圖2)。
適合勘探開發(fā)的泥頁巖儲(chǔ)層需要滿足一定的埋深、厚度等條件[8],通過收集焦作煤田26口井的鉆、測、錄數(shù)據(jù),對(duì)山西組泥頁巖儲(chǔ)層特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1)。
表1 焦作煤田泥頁巖發(fā)育特征
由表1可知,山西組含泥頁巖5~28層,泥頁巖累計(jì)厚度達(dá)28~115.78 m,平均厚度為56.68 m。泥地比介于0.238~0.836,平均為0.585。目標(biāo)層泥
圖2 焦作煤田構(gòu)造綱要圖Figure 2 Structural outline map of Jiaozuo coalfield
地比計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明泥地比大于50 %,表明研究區(qū)泥頁巖氣資源具有較好的賦存條件。
頁巖氣在暗色泥頁巖儲(chǔ)層中的賦存形式包括吸附態(tài)、游離態(tài)以及溶解態(tài)等。以吸附態(tài)和游離態(tài)為主,其中吸附氣含量可達(dá)頁巖氣總量的85%,是評(píng)價(jià)泥頁巖儲(chǔ)層含氣性的重要參數(shù)[9-12]。
目前頁巖氣儲(chǔ)層吸附氣主要采用Langmuir方程,Langmuir從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),在研究固體吸附特征時(shí),提出了單分子層吸附的狀態(tài)方程:
(1)
式中:V為壓力為p時(shí)的吸附量,m3/t;a為Langmuir體積,表示最大吸附量,m3/t;b為Langmuir結(jié)合常數(shù),b=1/PL,PL為Langmuir壓力,表示吸附量為最大吸附量一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力,MPa;p為壓力,MPa。
游離氣的計(jì)算方法為容積法,其所依據(jù)的計(jì)算理論方程為理想氣體狀態(tài)方程,即pV=nRT,根據(jù)研究區(qū)目的層泥頁巖儲(chǔ)層原地的溫度、壓力狀態(tài)及其孔隙孔容,進(jìn)而求得此狀態(tài)下所能容納的標(biāo)準(zhǔn)氣體的體積,即為最大可容納的游離氣的體積。對(duì)于游離氣的計(jì)算常采用理想氣態(tài)方程:
(2)
式中:p為某深度時(shí)儲(chǔ)層壓力,MPa;V為某深度時(shí)對(duì)應(yīng)孔隙體積, m3;T為某深度時(shí)儲(chǔ)層開氏溫度,K;p0、V0、T0為折算到0℃,101.325kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)壓力、游離氣含量及開氏溫度。
游離氣量計(jì)算模型:
(3)
式中,P為某深度時(shí)儲(chǔ)層壓力,MPa;V為某深度時(shí)對(duì)應(yīng)孔隙體積,m3;T為某深度時(shí)儲(chǔ)層開氏溫度,K;η為儲(chǔ)層壓力梯度,MPa/m;h為埋深;P0、V0、T0為折算到0℃,101.325kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)壓力、游離氣含量及開氏溫度。
頁巖氣主要由吸附氣與游離氣所構(gòu)成,溶解氣及固溶氣含量極低,在國內(nèi)外頁巖氣含氣量計(jì)算中往往將溶解氣及固溶氣所忽略,本次研究中頁巖氣總含氣量取值亦是等于吸附氣量與游離氣量之和,即實(shí)際含氣量V=2V0。
通過選擇代表性鉆孔參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,焦作煤田泥頁巖含氣量見表。由表2可以看出焦作煤田泥巖含氣量介于0.99~2.81 m3/t,平均1.87 m3/t。
焦作煤田泥巖平面展布特征如圖3所示,整體上表現(xiàn)為東南高,西北低。
圖3 焦作煤田泥頁巖含氣量平面展布特征Figure 3 Argillutite gas content plane distribution features in Jiaozuocoalfield
表2 焦作煤田泥頁巖計(jì)算含氣量
根據(jù)以往研究,頁巖氣可采性控制因素主要包括: 埋深及厚度、有機(jī)質(zhì)含量、礦物組成、物性、含氣量等[13-14]。
埋深是頁巖氣藏規(guī)模開發(fā)的主要控制因素之一,埋深太淺,不利于頁巖氣的保存;埋深太大,對(duì)開發(fā)成本和開發(fā)技術(shù)要求較高[15]。
泥頁巖有效厚度需達(dá)到一定界限,才能提供足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間。
有機(jī)質(zhì)豐度決定頁巖地層的生氣能力,研究表明頁巖TOC與含氣量具有正相關(guān)性,在一定程度上決定了是否有可供開采的足夠的頁巖氣。
礦物成分研究是頁巖氣吸附儲(chǔ)存、裂縫評(píng)價(jià)、滲流運(yùn)移、壓裂造縫和工藝性能等研究的重要基礎(chǔ);石英長石等脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素。
頁巖作為一種非常規(guī)儲(chǔ)層,具有低孔、特低滲特征??紫抖瓤梢院饬繋r石中孔隙的發(fā)育程度,滲透率是判斷頁巖氣藏是否具有經(jīng)濟(jì)開價(jià)值的重要參數(shù),頁巖滲透率由基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率構(gòu)成,滲透率與孔隙度具有一定的正相關(guān)性,有效的微裂縫對(duì)滲透率起著重要作用。
含氣量是決定頁巖有無經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值和進(jìn)行資源潛力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),也是可采性分析的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。通常從吸附氣和游離氣兩個(gè)方面來研究頁巖儲(chǔ)層的含氣性,由于吸附氣更難開采,兩種氣體的相對(duì)比例也將決定頁巖氣的開采難度。
結(jié)合研究區(qū)泥頁巖儲(chǔ)層基本地質(zhì)屬性,優(yōu)選埋深、厚度、有機(jī)質(zhì)含量、脆性以及含氣量作為其可采性評(píng)價(jià)指標(biāo)(表3)。
采用專家經(jīng)驗(yàn)確定權(quán)重的方式,評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重依次為:0.15、0.15、0.25、0.15、0.3。
通過計(jì)算,焦作煤田泥頁巖平均可采指數(shù)為0.213~0.758,平均0.451,平面上表現(xiàn)為東南高西北低的趨勢,西部最低(圖4)。
圖4 焦作煤田泥頁巖氣平均綜合可采指數(shù)分布圖Figure 4 Argillutite gas average comprehensive workability indices distribution in Jiaozuo coalfield
表3 泥頁巖氣資源可采性評(píng)價(jià)指標(biāo)
1)通過對(duì)焦作煤田山西組泥頁巖平均厚度、泥地比、含氣性特征分析,表明研究區(qū)內(nèi)頁巖氣資源具有較好的賦存條件。
2)通過優(yōu)選頁巖氣可采性控制因素,建立了山西組泥頁巖氣資源可采性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 并計(jì)算了可采性指數(shù)。
3)將泥頁巖含氣性及可采性指數(shù)分別展布到平面圖上,平面上表現(xiàn)為東南高西北低的趨勢,表明研究區(qū)東南部山西組泥頁巖為頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū),可為今后焦作煤田泥頁巖氣開采提供一定的借鑒和指導(dǎo)。