1、頁巖氣成藏機理、儲層性質、滲流機理、吸附機理與含氣性分析及主要開發技術綜述概述1國內外頁巖氣開發和研究現狀2儲層性質及頁巖氣滲流4頁巖氣開發主要技術研究53頁巖氣成藏機理研究定義：頁巖氣（Shale Gas），是指以吸附和/或游離狀態賦存于富有機質頁巖地層中，具有商業價值的生物成因和/或熱成因的非常規天然氣。Nelson型裂縫儲層：天然裂縫提供滲流通道，基質為大部分的氣體提供存儲空間。基質孔滲：頁巖基質的滲透率低至9-10md?；|孔隙度為1%-6%。賦存狀態：游離相態（約50%）存在于裂縫、孔隙及其他儲集空間； 吸附態（約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及空隙表面； 溶解狀態儲存于干酪根、瀝青

2、質及含油層中。成藏類型：原地成藏。一、概述全球頁巖分布據美國天然氣技術委員會公布的資料，僅密歇根盆地的Antrim頁巖、阿帕拉挈亞盆地Ohio頁巖、沃斯堡盆地Barnett頁巖、伊利諾伊盆地New Albany頁巖和圣胡利安盆地Lewis頁巖等五大頁巖系統頁巖氣資源量即為12.85萬億25.14萬億立方米。加拿大僅不列顛哥倫比亞泥盆紀頁巖氣資源量即達7.08萬億立方米。中國南方海相頁巖地層可能是頁巖氣的主要富集層位，松遼、鄂爾多斯、吐哈、準噶爾等陸相沉積盆地的頁巖地層也有頁巖氣富集的地質基礎、條件和顯示。重慶綦江、萬盛、南川、武隆、彭水、酉陽、秀山和巫溪等區縣是頁巖氣資源最有利的成礦區帶，以此

3、被確定為我國首批實施頁巖氣勘探工作目標區。一、概述一、概述美國頁巖氣主要的盆地資源分布 根據目前的勘探開發狀況，美國共有23個含頁巖氣盆地，潛力最大的為Appalachian盆地的Marcellus頁巖氣和E.Tx盆地的Haynesville頁巖氣。一、概述中國大陸頁巖氣富集分區圖概述1國內外頁巖氣開發和研究現狀2儲層性質及頁巖氣滲流4頁巖氣開發主要技術研究53頁巖氣成藏機理研究開發現狀?？松梨谠诘聡归_鉆探工程；美國戴文能源（Devon Energy）和法國道達爾聯手，在法國鉆探頁巖氣；康菲石油公司將在波蘭展開頁巖氣勘探工作；中國石油天然氣集團公司和殼牌宣布將練手開發四川的頁巖氣資源；挪威

4、國家石油公司、美國頁巖氣開發最為成功的切薩皮克能源公司（Chesapeake）和南非石化巨頭薩索爾（Sasol）共同向南非政府有關部門申請對南非Karoo盆地頁巖氣資源的勘探權。2009年10月,重慶市綦江縣啟動我國首個頁巖氣資源勘查項目,標志繼美國和加拿大之后,中國正式開始頁巖氣資源的勘探開發。二、國內外頁巖氣開發和研究現狀開發現狀9月17日，隨著最后一臺壓裂車停泵，中國石化首口頁巖氣水平井建頁HF-1井大規模分段壓裂施工順利完成。建頁HF-1井是中國石化部署在上揚子地臺邊緣川東褶皺帶石柱復向斜中部建南構造的淺層頁巖氣井。該井6月3日開鉆，7月15日鉆至1777.77米完鉆。垂深613.58

5、米，水平段長1022.52米，水平段氣顯示良好，3次點火成功，展示了建南淺層頁巖氣勘探的良好前景。二、國內外頁巖氣開發和研究現狀研究現狀目前有關頁巖氣的研究,絕大多數集中在頁巖氣的地質理論上,包括成藏、儲層特征等方面。有關頁巖氣開發的鉆完井、增產技術論述較多,也相對成熟一些在測井技術和儲層改造技術方面也有大體上的論述,但不夠深入,沒有形成系統的開發技術體系。在頁巖氣資源評價方面, 只局限于常規氣藏的類比法、容積法以及動態法,對頁巖氣的特殊地質特征沒有充分考慮。滲流機理研究甚少。二、國內外頁巖氣開發和研究現狀國內現狀和面臨的主要問題二手資料多，第一手資料少理論研究多，實踐驗證少可能的結論多，確定

6、性結論少二、國內外頁巖氣開發和研究現狀主要問題概述1國內外頁巖氣開發和研究現狀2儲層性質及頁巖氣滲流4頁巖氣開發主要技術研究53頁巖氣成藏機理研究成藏機理頁巖氣成藏機理兼具煤層吸附氣和常規圈閉氣藏特征，顯示復雜的多機理遞變特點。頁巖氣成藏過程中，賦存方式和成藏類型的改變，使含氣豐度和富集程度逐漸增加。完整的頁巖氣成藏與演化可分為3個主要過程，構成了從吸附聚集、膨脹造隙富集到活塞式推進或置換式運移的機理序列。成藏條件和成藏機理變化，巖性特征變化和裂縫發育狀況均可對頁巖氣藏中天然氣的賦存特征和分布規律有控制作用。三、頁巖氣成藏機理與煤層氣相比較三、頁巖氣成藏機理類型頁巖氣藏煤層氣藏烴源巖頁巖，厚度

7、大，分布廣，低-高成熟度煤層，厚度大，分布廣，富含有機質儲積特性裂縫充當儲集空間，低孔、低滲裂縫及微孔隙充當儲集空間，裂縫決定滲透率的大小排烴、運移、聚集主要以吸附相、游離相形式存在；運移距離短-無；原地聚集以游離氣、吸附氣和溶解氣形式存在，以吸附氣為主；運移距離短-無；原地聚集封蓋和圈閉自身封蓋，無特定圈閉煤層氣“圈閉”在煤層微孔隙中，部分擴散至周圍的砂巖中成藏壓力特征多具有異常低壓，也有異常高壓多具有異常低壓，有利于增大氣體的吸附能力分布特征盆地邊緣斜坡為主，盆地中心亦可能克拉通盆地及前陸盆地，構造斜坡帶或埋藏適中的向斜帶概述1國內外頁巖氣開發和研究現狀2儲層性質及頁巖氣滲流4頁巖氣開發主

8、要技術研究53頁巖氣成藏機理研究儲層性質四、儲層性質及頁巖氣滲流 頁巖的生烴能力較強，具有自生自儲特點。 孔 滲 特 征 裂 縫 地 層 壓 力四、儲層性質及頁巖氣滲流從基質表面解吸頁巖氣由基質向裂縫擴散裂縫中的滲流壓力差濃度差流體勢流動過程概述1國內外頁巖氣開發和研究現狀2儲層性質及頁巖氣滲流4頁巖氣開發主要技術研究53頁巖氣成藏機理研究主要技術頁巖氣開采技術，主要有水平井+多段壓裂技術、清水壓裂技術、重復壓裂和近期出現的最新壓裂技術同步壓裂技術，這些先進技術不斷提高頁巖氣井產量。雖然有吸附與游離相天然氣的同時存在，但頁巖氣的開發并不需要排水降壓。頁巖中游離相天然氣的采出，能夠自然達到降壓目

9、的，并導致吸附相及少量溶解相天然氣游離化，進一步提高了天然氣的產能，實現長期穩產目的。由于孔隙度和滲透率較低，頁巖天然氣的生產率和采收率亦低，頁巖氣的最終采收率依賴有效的壓裂措施。因此，壓裂技術和開采工藝直接影響頁巖氣井的經濟效益。五、頁巖氣開發主要技術研究水平井分段壓裂技術分段壓裂利用封隔器或其它材料段塞，在水平井筒內一次壓裂一個井段，逐段壓裂，壓開多條裂縫。通常情況下分為三個階段，第一階段，將前置液泵入儲層。前置液是一種沒有支撐劑的壓裂液；第二階段，將含有一定濃度支撐劑的壓裂液泵入儲層；第三階段，使用含有更高濃度支撐劑的壓裂液。隨后，數量不定的壓裂液泵入儲層，且相繼處理措施要比之前支撐劑濃

10、度高。該技術即可用于單一儲層區域，也可用于儲層中幾個不相連區域。其常被應用于垂直堆疊的致密氣地層的增產。作業者可以使用橋塞、連續油管、封隔器以及整體隔離系統，從而達到短生產時間和低成本的要求。五、頁巖氣開發主要技術研究水平井分段壓裂技術五、頁巖氣開發主要技術研究水平井分段壓裂示意圖清水壓裂技術清水壓裂是指應用在清水中加入降阻劑、活性劑、防膨劑等或線性膠作為工作液進行的壓裂作業。具有成本低、傷害低以及能夠深度解堵等優點。由于巖石中的天然裂縫具有一定的表面粗糙度，閉合后仍能保持一定的裂縫，形成對低滲儲層來說已經足夠的導流能力。清水壓裂很少需要清理，基本上不存在殘渣傷害的問題，且可提供更長的裂縫，并

11、將壓裂支撐劑運到遠至裂縫網絡，與其20世紀90年代的凝膠壓裂技術相比，可節約50%60%的成本。五、頁巖氣開發主要技術研究重復壓裂技術所謂重復壓裂技術是指同層第二次的或更多次的壓裂，即第一次對某層段進行壓裂后，對該層段再進行壓裂，甚至更多次的壓裂。要使重復壓裂處理獲得成功，必須在壓裂后，能夠產生更長或者導流能力更好的支撐劑裂縫，或者使作業井能夠比重復壓裂前更好的連通凈產層。實現這些目標需要掌握更多關于儲層和生產井狀況資料，以便了解重復增產處理獲得成功的原因，并以此為基礎改進以后的處理。評估重復壓裂前、后的平均儲層壓力、滲透率厚度成績和有效裂縫長度與倒流的能力，能夠使工程師們確定重新壓裂前生產井

12、產能不好的原因，以及重復壓裂成功或失敗的因素。五、頁巖氣開發主要技術研究同步壓裂技術2口或更多的鄰近平行井同時壓裂，目的是使頁巖收到更大的壓力作用，從而通過增加水力裂縫網的密度，產生一個復雜的裂縫三維網格，同時也增加了壓裂工作的表面積。當壓裂液注入兩井之間的空間時，每個井的排油面積增加，這是在單井壓裂時不可能出現的。同步壓裂費用比較高，并且需要更多的協調工作以及后勤保障，作業場所也更大。同時，它的收效大，因為壓裂設備會更高效的應用，2口井會再一周內完井而不是兩周，采用該技術的頁巖氣井短期內增產效果非常明顯。五、頁巖氣開發主要技術研究頁巖氣主要開發技術匯報提綱 一、頁巖氣主要開發技術 一、水力壓

13、裂技術綜述 一、我國頁巖氣開發面臨的問題 一、結論與建議稠油，油砂，油頁巖，致密砂巖油層頁巖油氣：特指賦存于頁巖中的非常規油氣 ，頁巖氣是位于暗色泥頁巖以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集。煤層氣，頁巖氣，致密砂巖，生物氣，甲烷水合物非常規油氣頁巖氣的開發技術水力壓裂技術1.清水壓裂技術2.重復壓裂技術3.水力噴射壓裂技術4.多級壓裂技術5.同步壓裂技術頁巖氣開采技術水平井鉆井 一、頁巖氣主要開發技術 二、水力壓裂技術綜述 四、結論與建議 2、水力壓裂關鍵因素 1、水力壓裂技術應用分析 三、我國頁巖氣開發面臨問題1 水力壓裂技術應用分析 1.1 頁巖氣開采壓裂技術主要以清水壓裂和重復壓裂

14、為主。研究表明：一次完井只能采出頁巖地質儲量的10%，重復壓裂可以使采收率提高8%10%，在直井中進行原層復射和用比一次壓裂液量大25%的規模處理即可獲得更好的增產效果。清水壓裂是現階段我國頁巖氣開發儲層改造的適用技術，對于開采長度（厚度）大的頁巖氣井，可以使用多級分段清水壓裂壓裂。而同步壓裂技術則是規模化的頁巖氣開發的客觀需要。多級壓裂特點就是多段壓裂和分段壓裂，它可以在同一口井對不同的產層進行單獨壓裂2 水力壓裂關鍵因素 頁巖氣開發水力壓裂原理就是利用儲層的天然或誘導裂縫系統，使用含有各種添加劑的壓裂液在高壓下注入地層，是儲層裂縫網絡擴大，并依靠支撐劑支撐裂縫，從而改善儲層裂縫網絡系統，達

15、到增產目的。 頁巖水力壓裂的關鍵因素是裂縫系統和壓裂液配置。而裂縫的發育程度又是影響頁巖氣產量的重要因素，獲得更多的裂縫是壓裂設計首先考慮的問題。2.1 壓裂設計 為了獲得好的壓裂效果，在實施壓裂之前，往往要進行壓裂設計。壓裂設計的核心是壓裂效果的模擬，通過壓裂模擬能夠預測裂縫發育的寬度、長度和方向、評價壓裂是否成功。水力壓裂模擬一般通過模擬軟件進行，它可以預測裂縫的三維幾何形狀提供優選的壓裂方案。 水力壓裂作業過程中，為了了解裂縫的走向和評價壓裂的效果，需要對誘導裂縫的方位、幾何形態進行監測。微地震是用于水力壓裂過程中誘導裂縫監測的主要技術。微地震測量迅速，應用方便，能夠實時確定微地震時間的

16、位置，并確定裂縫的高度、長度和方位。2.2 裂縫監測2.3 壓裂液配制合理配置壓裂液是頁巖儲層鉆井及壓裂面臨的主要問題。頁巖儲層開發采用不同的壓裂方式，壓裂液配置成分也不同。 水力壓裂液清水壓裂液組成以水和砂為主，含量占總總量的99%以上，添加劑成分占壓裂液總量的不足1%，添加劑所占比例雖小，但對提高頁巖氣產量至關重要。添加劑主要包括凝膠、減阻劑、抗菌劑等。減阻水壓裂液纖維壓裂液清潔壓裂液匯報提綱 一、頁巖氣主要開發技術 一、水力壓裂技術綜述 一、我國頁巖氣開發面臨的問題 一、結論與建議我國頁巖氣開發瓶頸機理分析研究實驗測試與分析含氣特點與模擬有利選區與評價壓裂技術與壓裂液精確導向與儲層改造產

17、能分析及預測 我國頁巖氣開發面臨問題與常規天然氣關鍵在“找氣”不同的是，頁巖氣開發的關鍵在“采氣”，但是由于勘探開發理論和技術上還不夠成熟，我國頁巖氣開發仍處于研究開發的初級階段。匯報提綱 一、頁巖氣主要開發技術 一、水力壓裂技術綜述 一、我國頁巖氣開發面臨的問題 一、結論與建議4 結論與建議1.老井可以采用重復壓裂，新井可以采用清水壓裂2.水力壓裂是頁巖氣開發的核心技術之一。天然裂縫發育是水力壓裂成功的重要條件，應根據儲層特征配制合適的壓裂液。3.考慮到水力壓裂的技術特點和成本，對埋深在1500m 以淺的儲層或勘探淺井，適宜使用氮氣泡沫壓裂，對埋深在15003000m 之間的儲層，適宜使用清

18、水壓裂，對埋深在3000m 以下的儲層暫時不用考慮開發。建議勘探開發頁巖氣資源迫在眉睫，要加強頁巖氣地質理論、成藏機制及高效開采基礎研究；優化勘探技術，改進工藝技術水平；針對不同機理類型，建立相應的優選盆地試點；借鑒經驗，加大資金投入，加強交流，引進技術，加快開采步伐。頁巖氣吸附機理與含氣性分析提 綱一、吸附解吸理論二、等溫吸附實驗三、頁巖氣吸附氣含量測試四、頁巖含氣性及資源潛力評價五、結論與建議一、吸附解吸理論固體對氣體的吸附主要由范德華力與剩余化學鍵力產生范德華力物理吸附發生于任何固體表面，不需活化能，很快達到飽和無選擇性，可吸附不同類型的氣體，但吸附量差異較大既可在固體表面發生單層吸附，

19、也可發生多層吸附化學鍵力化學吸附吸附與解吸速度較低，不易達到吸附平衡。需要一定的溫度產生活化能具明顯選擇性，針對某種特定氣體吸附只可發生單層吸附物理吸附與化學吸附特點對比參 數物理吸附化學吸附吸附力范德華力化學鍵力吸附熱較小，近于液化熱較大，近于化學反應熱選擇性無選擇性有選擇性吸附穩定性不穩定，易解吸比較穩定。不易解吸分子層單分子層或多分子層單分子層吸附速度較快，受溫度影響小，一般不需要活化能較慢，溫度升高則速度加快，一般需要活化能等溫吸附模型研究表明等溫條件下吸附量與壓力之間的關系曲線（即吸附等溫線）具有六種類型煤對煤層氣的吸附，頁巖中的有機質和粘土礦物對于天然氣的吸附屬于單分子層物理吸附不

20、同類型的吸附等溫線 Langmuir單分子層物理吸附理論要點當氣體分子在固體表面上覆蓋滿一層后。導致吸附的固體表面原子力場不飽和性消失，因此吸附只針對單分子層吸附熱為常數，不隨覆蓋度變化吸附質分子間無作用力吸附達平衡時，吸附與解吸依舊同時進行，且速度相同以下3種形式的Langmuir吸附等溫式，很好的表征了該理論的要點 b為吸附系數 ，與吸附劑特性有關代表了固體吸附氣體的能力Vm為每克吸附劑的表面覆蓋滿單分子層時的吸附量，即最大吸附量V是每克吸附劑在氣體壓力為p時吸附氣體的吸附量 煤的等溫吸附式探討三種不同壓力條件煤的吸附等溫線在壓力足夠低或吸附較弱時，bp1，則V=Vm。這時V與p無關，吸附

21、達到單分子層飽和。如圖中的壓力較高部分當壓力適中時，V與p是曲線關系，如圖中的彎曲部分從此可知，Langmuir 吸附等溫式適用于第種吸附等溫線類型 同樣的煤，相同壓力下對不同氣體吸附量不同吸附量按下列順序遞減：CO2 CH4 Ar N2 H2 He 臨界溫度Tc高的氣體，具有較強的吸附能力。煤對不同氣體的等溫吸附行為二、等溫吸附實驗實驗過程：在恒溫條件下，測試不同壓力下氣體的吸附量，由壓力和吸附量繪制出的關系曲線就是吸附等溫線測試方法：主要包括靜態法和動態法，靜態法分為容量法、重量法，動態法包括常壓流動法和色譜法等頁巖吸附氣量的確定主要是借鑒煤層氣中吸附氣的評價方法通過等溫吸附模擬實驗，建立

22、吸附氣含量與壓力、溫度的關系模型煤的等溫吸附實驗制備平衡水樣品水分對等溫吸附曲線的影響 平衡水樣品的原理與意義：當煤中的水分對等溫吸附曲線的影響，含量低于平衡水分時，它對氣體的吸附量隨著水分的增加而降低；但當煤中水分含量大于或等于平衡水分時，其吸附量不再隨水分的增減而變化 樣品制備過程：將樣品用碎樣機破碎至60目以下，用小噴霧器向煤樣噴灑蒸餾水，使其預濕。充分混合之后，將預濕煤樣平鋪在一個低平的敞口盤中，放進溫度30，相對濕度97-98%的恒溫器中。每天對樣品進行稱重，直到兩天內樣品重量基本不變為止，這個過程大約持續4天。確定參照室、樣品室自由空間體積：采用質量守恒定律，采用容量法，用不被煤吸

23、附的氦氣作為測量氣體 ，需重復3-4次，使測量結果可靠等溫吸附實驗 ：對于吸附實驗，要求測定6個壓力點，壓力點的間隔設計為等間距，使實驗從大氣壓力向設計的最高壓力平穩增加。每一個壓力點達到平衡的時間一般為24小時，然后再增壓到下一個壓力點（對于頁巖來說，平衡時間較短）實驗數據處理：首先根據自由空間測定的數據，計算樣品室的自由空間體積。然后，在參照室和樣品室的自由空間體積已知、實驗溫度一定的情況下，根據吸附過程中每一點的實驗壓力，利用理想氣體定律，分別計算注入氣體的數量和樣品室中殘余的游離氣的數量。而每一個壓力點下吸附氣的數量即等于注入氣與殘余的游離氣的數量之差 煤的等溫吸附實驗實驗過程煤的等溫

24、吸附實驗推導等溫吸附式n氣體的數量； P氣體的靜態壓力； V氣體的體積； T氣體的絕對溫度；R氣體常數； Z氣體的壓縮因子。理想氣體定律為 根據 用p/V對p作圖是一條直線，從其截距和斜率求得Vm和b值Vm就是某一煤樣對于該種氣體的最大吸附量（或稱a值），相當于Langmuir體積VLb值即相當于Langmuir壓力PL的倒數，從而即獲得了Langmuir等溫吸附方程三、頁巖吸附氣含量測試方法頁巖吸附氣含量的測定采用煤層氣的測試方法 間接法是指通過煤層氣涌出量、吸附等溫線、測井解釋等資料推測煤層氣含量直接法是利用現場鉆井煤心和有代表性的煤屑測定其實際含氣量一般采用直接法，其測定的含氣量由三部分

25、組成，即散失氣量、解吸氣量和殘余氣量直接法使用壓力取心解吸法被認為是最準確的方法，但最常用的方法為USBM法散失氣量：即損失氣量，指煤心快速取出，現場直接裝入解吸罐之前釋放出的氣量。這部分氣體無法計量，必須根據散失時間的長短及實測解吸氣量的變化速率進行理論計算解吸氣量：指煤心裝入解吸罐之后解吸出的氣體總量。一般延續兩周至四個月，根據解吸氣量的大小而定。一般在一周內平均解吸速度小于10cm3/d時可終止解吸殘余氣量：指終止解吸后仍留在煤中的那部分氣體。需將煤樣裝入球磨罐中密封，破碎后，放入恒溫裝置中，待恢復到儲層溫度后按規定的時間間隔反復進行氣體解吸，直至連續7 天解吸的氣體量平均小于或等于10

26、cm3/d，測定其殘余氣量煤層氣含氣量測試的主要流程與要求十大步驟 煤芯采樣及裝罐：整個過程要求動作迅速裝樣要求：要求裝至距罐口1cm處參數記錄： 主要記錄地質參數、鉆井參數、時間參數、樣品參數解吸步驟：按照相應的裝置記錄觀測的氣體體積，記錄大氣溫度、大氣壓力 解吸時間間隔：時間間隔依氣量大小和罐內壓力而定，裝罐結束第一次測定為5min，以后每10min、15min、30min、60min間隔各測定1h，然后120min測定2次，直至累計滿8h解吸終止限：自然解吸持續到連續7天每天平均解吸量小于或等于10cm3時結束稱重、縮分、工業分析：自然解吸結束后開罐，進行樣品重量的計算，并進行Mad、A

27、d、Vdaf測定殘余氣測定方法：將球磨罐置入球磨機上破碎24h，放入恒溫裝置，待恢復儲層溫度后觀測氣體逸出量，讀出的氣體體積數連同大氣溫度、大氣壓力、解吸時間等一并記錄在表格中。之后按照自然解吸方法進行解吸 稱重計算：樣品倒出風干，用60目（0.25mm）篩子篩分，稱量篩下煤樣質量， 氣樣采集及氣成分測定：按照相應的裝置，在解吸氣與殘余氣測定過程中，采集氣樣送實驗室進行氣成分分析 四、頁巖含氣性及資源潛力評價游離態頁巖氣含氣量影響因素與構造保存條件密切相關有效孔隙度：頁巖氣藏的有效孔隙度包括基質孔隙度和裂縫孔隙度，利用聲波、中子、密度和核磁共振等測井資料可以測得較為可靠的基質孔隙度；通過雙側向測井資料則可以計算出較為精確的裂縫孔隙度含氣飽和度：是在建立巖石電阻率、泥質水電阻率、有效孔隙度同地層混合水電阻率關系式的基礎上，利用阿爾奇公式計算得到的 頁巖氣資源潛力評價方法類比分析法和容積法容積法估算的是頁巖孔隙、裂隙空間內的游離態頁巖氣與有機質、粘土礦物和干酪根顆粒表面的吸附態頁巖氣體積總和 吸附態頁巖氣含氣量影響因素與頁巖吸