页岩气知识问答


         第一问:天然气是什么?
        答:广义的天然气是指自然界中天然存在的一切气体,包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。狭义的天然气是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物,主要有油田气、气田气、煤层气、页岩气等。天然气的主要成分为甲烷(CH4),另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。

        第二问:页岩气是什么?
        答:页岩气是指主要以吸附、游离方式赋存于富有机质页岩及其它岩性夹层中的天然气,也可以说是残留在泥质烃源岩层段中的天然气,成分以甲烷为主,属于非常规天然气。

        第三问:页岩气藏与常规天然气藏的区别是什么?
        答:页岩气具有“源储一体”的特点,富有机质页岩既是烃源岩又是储层,是自生自储的源内非常规天然气藏。而常规天然气藏的形成是天然气自烃源岩通过一定通道运移到圈闭中聚集而成,是源外天然气藏,这是常规天然气与页岩气最大的区别。此外,页岩气藏具有大面积连续分布、资源丰度(面积内含气量)低、无气水界面等特征,而常规天然气藏则集中分布在圈闭中,资源丰度高、气水界面明显。

        第四问:笔石页岩是什么?
        答:进入 21 世纪以来,美国页岩气革命对全球能源格局和地缘政治产生了深刻影响。尤其是近年来,随着我国页岩气勘查开发的快速发展,作为富含有机质的南志留系龙马溪组黑色页岩受到极大关注,其普遍发育的笔石化石也逐渐被人们熟知。笔石是一类绝灭了的海生群体动物,生存于寒武纪中期至石炭纪早期,因形似描在岩石上的象形文字而得名。笔石虫体所分泌的骨骼被称为笔石体,一般长几厘米或几十厘米,较大的可达70 厘米或更长。
笔石页岩是以黑色碳质页岩、硅质页岩为主,含有丰富的笔石等浮游生物化石。其出现一般反映了还原条件下的滞流槽盆、较深海和深海环境。

        第五问:笔石页岩是怎么形成的?
        答:沉积时期,水体宁静、海底缺氧,多 H2S 气体和黄铁矿,底栖生物无法生存,只有漂浮于水面的笔石死后下沉,又无其他生物吞食,故而得以大量保存。此外,在缺氧条件下的沉积物中,有机碳和某些金属(如金、钒、钼、铀等的化合物)含量高,经过数百万年在地下的埋藏,受到压力和高温的影响,生物中的有机碳(软体部分)便会转化成石油和天然气;由于黑色页岩属于超低孔、超低渗储层,需要通过水力压裂改造提高渗流能力,生物的骨骼(硬体部分)主要为硅质或灰质,是脆性矿物的重要组成部分。今天,在重庆涪陵焦石坝地区大规模开发的页岩气的主要层位便是志留系龙马溪组一套富含笔石化石的黑色页岩。

        第六问:什么是页岩气“甜点”?
        答:所谓的页岩气“甜点”,就是指页岩气富集且易于开发的区域,能“多吃好吃”的才是甜点。页岩气“甜点”区有许多评价标准,例如页岩的总有机碳(TOC)、脆性和含气量等,这些参数有助于我们判断某个页岩气勘探区域是否属于“甜点”区。

        第七问:怎样将页岩气开采出来?
        答:页岩气藏具有“三低”特征——低资源丰度、低孔隙度、低渗透率,这给开采带来了一定的困难。因此,必须采用先进的钻井和储层改造工艺才能将其中的气体“拿”出来。水平井和分段压裂技术是成功开发页岩气的关键,水平井可以控制更大的泄气面积,分段压裂可以更好地改善页岩气的渗透性,“井工厂”生产方式能够有效降低开发成本。首先在页岩气勘探预测的“甜点”区,打直井到目的层,然后根据预测的页岩气“甜点”层位的角度打一个相同角度的井,即水平井,这样便加大了地面上井眼与地下页岩气储层的接触面积,能够将更大范围内的页岩气储层纳入控制范围,大幅提高采收率。水平井完钻后,页岩气开发正式开始,通过射孔将套管和水泥射穿,将生产管柱和页岩气储层联通起来,随后在地面利用高压泵将压裂液压入井底,沿着之前射穿的孔洞进入页岩气储层,并在液压之下将页岩气储层压裂挤碎,产生一系列的裂缝和孔隙,进一步扩大页岩气储层的连通性,页岩气就会源源不断地被开采出来了。同时,页岩气大面积连续分布、普遍含气的特点,使得页岩气井能够长期以稳定的速率产气,页岩气田开采寿命一般可达 30 年~50 年,甚至更长。

        第八问:泥页岩气是什么?
        答:泥页岩气主要由黏土矿物和有机质等成分组成,它们形成了不同类型、大小及形态的孔隙,孔隙性质影响着泥页岩的比表面积和孔隙的相对丰度(孔隙度),只不过页岩孔隙的尺度很小可至纳米级别的孔隙,通过压裂技术将页岩气从这些孔隙中开采出来。

        第九问:页岩的孔隙特征有哪些?
        答:页岩的孔隙特征有两个参数:孔隙度、孔隙结构。目前的研究和勘探表明,大多数页岩气的孔隙度主要依赖于小于10μm 的孔隙,其中10nm 作用的孔隙含量丰富。按照IUPAC 的划分方案,按孔隙大小可划分为微孔(小于2nm)、介孔(2nm~50nm)、大孔(大于50nm),该分类适用于化学材料,但不太适用于页岩储层评价。Loucks 等提出页岩的孔隙分类:皮米孔(<1nm)、纳米孔(1nm~1000nm)、微孔(1μm~62.5μm)、中孔(62.5μm~4000μm)和宏孔(4mm~256mm);按成因可将基质孔隙区分为矿物间微孔、有机质孔、晶间孔、矿物铸模孔、次生溶蚀孔等。在所有微观孔隙中,微孔对页岩气储集空间的贡献最大,而小孔和大孔则分别为页岩气毛细凝结、扩散和渗流、层流的主要区域。通过等温吸附实验表明,黏土矿物甲烷吸附能力与纳米级孔隙发育程度和表面积大小的分析结果相一致,指示黏土岩的纳米孔越发育,其表面积越大,气体吸附能力越强,而有利于页岩气的吸附和富集。

        第十问:如何测定页岩纳米孔隙?
        答:测定页岩纳米孔隙的主要手段是扫描电子显微镜(SEM)。将其与氩离子剖光技术结合,将岩石切片进行连续扫描,以获得精细的孔隙结构图像。这种方法虽可观察到纳米级孔隙,但在测定孔隙大小分布时,统计代表性较差,测定时间较长,应用较为局限。压汞法与气体吸附法可以测得页岩的孔隙大小分布,有效地反映页岩样品的非均质性。气体吸附法探测下限为 0.35nm,压汞法探测上限为 1mm。前者可以有效反映页岩中纳米孔隙的分布,后者可以反映页岩宏孔甚至微裂缝的信息。压汞法与气体吸附法联合应用,可以探测微孔到宏孔范围的孔隙分布情况。