非常规油气储层研究进展与展望

非常规油气储层研究进展与展望中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心中国石油油气储层重点实验室二0一三年六月朱如凯白斌提纲一、非常规油气储层概况二、非常规油气储层研究进展三、非常规油气储层未来研究展望1.什么是非常规油气储层？概念作者年代定义判别标准UnconventionalReservoirRocksJanetK.Pitman1982低孔渗致密储层物性差异ConventionalReservoirsStephenA.Holditch2001未用特殊工艺，有经济流量经济因素UnconventionalreservoirsHolditch2003,06未用特殊工艺，无经济流量经济因素unconventionalreservoirEtherington2005不经过特殊开采不能获取经济油流经济因素UnconventionalReservoirRodneyGeneBlackford2006极低渗透率物性差异UnconventionalReservoirTexasA&MUniversity2008技术与经济决定是否是非常规储层经济与技术unconventionalreservoirrocksSilin,D2009低孔渗致密储层物性差异UnconventionalresourcesCGGVeritas2010低孔渗难于开采的油气储层经济、技术与储层本身UnconventionalReservoirsObjectReservoir,Inc.2011低孔渗致密储层（页岩致密砂岩等）物性差异UnconventionalReservoirJimBray2011岩石自身物性差物性差异①强调非经济效益（Stephen，2001；Etherington，2005；Holditch，2006）自然条件下无效益油气采出速度的储层，需大型改造措施或特殊开采流程②强调形成条件（Smoker,1999；Stabell，2005；Haskett，2005；Brown，2009）烃类大面积弥散式充注的储层，其内的油气聚集不受浮力作用控制指储层结构复杂、低-特低渗透性或由于裂缝造成渗透性异常、埋藏较深、油气勘探开发难度较大的一类地下油气储层，是随着常规油气资源逐渐减少，油气勘探开发程度不断增强，人们不得不面对的新储层类型③强调勘探难度大（樊中海，2008）一般空气渗透率小于1.0mD，孔隙度小于10%，纳米级孔喉系统发育④强调储层物性差（邹才能等，2011）1.什么是非常规油气储层？致密砂岩泥页岩致密灰岩煤层天然气水合物储层油砂……非常规储层类型储层基本特征物性差Φ10%K0.1md孔喉半径一般小于1μm微孔、纳米孔为主孔喉结构复杂广安126井，未见可视孔合川1井，晶间孔2.非常规油气储层类型与基本特征储层精细研究是非常规油气勘探核心问题之一非常规油气3.非常规油气储层研究内容常规油气成藏机理生储盖圈运保储集空间赋存状态矿物有机质丰度厚度成熟度压力提纲一、非常规油气储层概况二、非常规油气储层研究进展三、非常规油气储层未来研究展望薄片元素地球化学同位素地球化学X衍射岩石学储集空间储层形成机理及控制因素储集性能显微荧光阴极发光包裹体成岩作用沉积相与岩相古地理层序地层学微观微区-成份SEM探针储集岩主要研究内容非常规油气储集空间精细表征BarnettShale,Ro1.7%,2167m全球第一张页岩有机质纳米孔图像Reed，R.M.，andLoucks，Robert，2007，AAPG存在问题：致密储层微观结构复杂，如何精确表征？研究内容：孔隙类型与连通性、孔喉形成机制、油气赋存状态研究方法：压汞法、场发射扫描电镜、X-rayCT、成岩物理模拟等Ro%0.51.01.52.02.53.0有机质纳米孔方式1方式2?泥页岩纳米孔形成机制不清（一）非常规油气致密储层研究技术方法进展砂体透镜状？连续状，物性变化特征？储集体成因、砂体形态、变化特征方案1方案2关键问题：储集砂体空间展布、规模不清，浅水三角洲沉积模式不清解决方案：建立三角洲平原露头砂体模型（卾尔多斯）分析方法：探地雷达技术、三维地面激光扫描仪等系列数字露头技术1.非常规致密储层三维模型定量刻画伽玛仪元素捕获仪探地雷达连续采样激光雷达：定量刻画储集体规模，提取表征参数探地雷达：三维刻画砂体形态1.非常规致密储层三维模型定量刻画孔隙度横向剖面渗透率横向剖面1.非常规致密储层三维模型定量刻画对岩屑样品进行背散色图扫描对样品背散色图进行颗粒化处理对岩屑颗粒进行网络式扫描对岩屑颗粒上的每一点进行能谱分析得到岩屑颗粒能谱分析点的谱图对谱图进行矿物元素分析矿物分类含矿物成分信息的岩屑颗粒图确认岩屑颗粒分析点的矿物成分含矿物成分信息岩屑样品检测图2.非常规储层成份分析系统（QEMScan）QEMScan是一种自动图像分析系统,应用电子显微技术来确定试样的化学组分。矿物由快速散能光谱仪来鉴别。其光谱经分析后,与储存于在线计算机内的矿物鉴别信息库进行对比。快速进行矿物分析,统计出所含各种矿物的比例、矿物粒度和矿物解离度经QEMSCAN软件若干次分组简化，得到样品的矿物组成（包括泥类矿物）背散色图原始矿物分类矿物组成图第一次分组矿物组成图第二次分组矿物组成图2.非常规储层成份分析系统（QEMScan）2.非常规储层成份分析系统（QEMScan）孔隙形貌与连通性孔径分布二维光学显微镜激光共聚焦显微镜场发射扫描电镜三维微米CT纳米CT聚焦离子束扫描电镜+高压压汞实验：n×nm~950μm气体吸附实验：1nm~n×100nm小角散射实验：1nm~100nm3.非常规油气致密储层微观孔喉表征方法致密储层孔隙分析2个关键技术（孔隙形貌、大小与连通性）四川志留系龙马溪组海相页岩粒内有机质孔（20~890nm）我国海-陆相页岩纳米微孔特征（1）致密储层纳米孔喉系统二维形貌刻画技术-场发射孔隙类型：有机质孔，基质孔孔隙大小：主体介于30~200nm绿泥石粒内孔，孔喉直径40～300nm300nm40nm张2井，960m陆相泥页岩致密砂岩储层发育微米孔、纳米孔、微缝致密砂岩储层高分辨率三维组构与孔隙度模型GuillaumeDesbois，2012（1）致密储层纳米孔喉系统二维形貌刻画技术-场发射特色技术：超大幅图像分析系统，扩大观察视域，提高准确性分辨率常规SEM最大观察视域面积超大幅图像分析最大观察视域面积1nm4096nm2无限倍×单幅常规SEM图像视域1um4096um21mm4096mm2实例：准噶尔盆地二叠系云质泥岩（宽500μm）（1）致密储层纳米孔喉系统二维形貌刻画技术-场发射方法名称仪器技术方法探索内容三维孔喉结构刻画纳米/微米/工业-CT样品制备光源能量图像重构多尺度岩心扫描FIB-SEM样品制备与实验流程（2）致密储层纳米孔喉系统三维空间刻画技术-XrayCT三维立体模拟法：CT、FIB及数值模拟FIB微米CT纳米CTNanoCTXradiananoXCT-200SynchrotronsourceIngrain.Inc,2010中石油勘探院-中国科技大学-2010.9中石油勘探院-2010.12同步加速器建立了不同岩性非常规储层三维孔喉系统精细表征方法页岩致密砂岩（2）致密储层纳米孔喉系统三维空间刻画技术-X-rayCT直径65um样品直径2.54cm岩心样品特色技术方法：多尺度致密储层孔喉表征技术ABC工业CT微米CT纳米CTABC研究思路（2）致密储层纳米孔喉系统三维空间刻画技术-X-rayCT环境扫描电镜场发射扫描电镜纳米CT成岩物理模拟系统精细孔隙表征三维孔喉结构重构石油赋存状态孔喉演化规律(3)建立非常规致密储层微孔-纳米孔喉观测技术系列4.非常规致密储层孔喉演化特征分析方法目标：探讨致密储层孔隙演化规律储层成岩模拟系统六个反应炉体压力供给部分计算机控制总成部分技术参数最高温度：550℃最大静岩压力：275MPa最大流体压力：120MPa连续100天以上模拟实验一次性完成横向或纵向地质体系成岩演化过程的模拟实验获取系统的温度、压力及流体实验参数完成气、液、固体样品的系统分析化验工作技术优势流体供给与采集开放、半封闭、全封闭式成岩环境实例:泥页岩孔隙分布与有机质演化存在着相关性低熟泥岩与现代湖泥加热温度≥370℃后，纳米孔大量发育，孔隙演化总体随热演化程度增高呈先减少后增加趋势370℃500℃500℃，干化的油滴（沥青球）纳米孔演化特征5.非常规致密储层油气赋存状态分析方法基于环境扫描电镜直接观察孔喉原油赋存状态存在问题：致密储层微观孔喉系统中油气如何赋存？如何研究？解决思路：直接观察、成岩物理模拟、原位CT等ElementWt%At%CK40.8954.86OK25.7325.91NaK03.2802.30AlK08.5505.11SiK18.3310.51KK02.0100.83CaK01.2200.4902ElementWt%At%CK16.0726.88OK31.9540.13MgK03.3702.78AlK16.9012.59SiK14.9410.69CaK01.3100.66FeK14.1005.070102判断方法：能谱数据验证，是否具备明显碳峰特征实例：致密砂岩孔喉油气赋存状态环境扫描电镜+能谱分析：石油在孔隙中共有4种赋存状态形态1：薄膜状充填于孔隙与颗粒表面，相互粘连形态3：短柱状集合体发育于粒间孔内，相互粘连形态2：薄膜状均匀覆盖颗粒表面形态4：粘结于裂缝两壁，相互或独立，或连接(a)实验室光源获得的CT二维图像(b)同步辐射光源获得的CT二维图像图像分辨率明显提高孔隙率随温度提高而上升温度室温120oC370oC孔隙率1.72%3.25%3.79%(a)(b)分辨率50nm分辨率17nm三维原位揭示纳米孔隙随温度、压力变化的规律更高分辨率的的加温加压原位实验申请已向美国APS同步辐射光源中心递交基于原位温-压条件下泥页岩CT扫描观察原油赋存解决思路：泥岩样品在加温压条件下原位CT观测技术方法国外研究内容勘探院研究内容时间页岩页岩、致密砂岩、致密灰岩压汞法物性与微孔分布传统方法气体吸附法微孔喉分布,2011核磁共振微孔喉分布,2011普通显微镜微米-毫米级孔喉观察钨丝扫描电镜微米级孔喉观察小角散射用于材料化学泥页岩微孔大小,2011同步场发射扫描电镜微孔识别,2007纳米级微孔观察统计,2010晚于国外环境扫描电镜原油赋存状态,2011同步Nano-CT储层三维结构,2010同步并开发聚焦离子束储层微孔三维重构,2011稍晚国外成岩物理模拟储层成岩作用泥页岩储层微孔演化,2010领先国外非常规油气储层研究方法小结鄂尔多斯盆地•三叠系泥页岩•三叠系致密砂岩塔里木盆地•寒武系海相泥岩渤海湾盆地•第三系泥岩•致密砂岩吐哈-三塘湖盆地•侏罗系湖相泥岩•侏罗系致密砂岩四川盆地•三叠系泥页岩•寒武系海相泥页岩•须家河致密砂岩准噶尔盆地•二叠系芦草沟组•平地泉泥灰岩柴达木盆地•侏罗系湖相泥岩柴达木盆地•白垩系湖相泥岩华北地台•前寒武海相泥岩•华北致密灰岩（二）非常规致密储层研究主要进展开展全国非常规致密储层研究，取得初步研究进展致密储层标准微孔-纳米孔划分标准致密砂岩储层特征致密砂岩储层孔隙演化特征致密砂岩储层评价方法页岩孔隙类型、发育机制与控制因素页岩储层中的裂缝系统页岩储层评价、预测目前研究中存在的主要问题页岩储层致密砂岩储层（二）非常规致密储层研究主要进展问题：由于不同国家和地区的资源状况、技术经济条件不同，致密气藏的界定尚未形成统一标准（1）美国FERC确定致密气藏的注册标准是储层渗透率0.1×10-3μm2（2）Elkins（1980）以地下渗透率0.1(×10-3μm2）为界（3）Spencer(1985,1989)对致密天然气储层的定义为天然气原地渗透率0.1(×10-3μm2）（4）R.C.Surdam等（1995）提出“致密气”渗透率≤1×10-3μm2（5）IEA(2009)确定“致密气”渗透率≤0.