搜索
18油田新技术沉积岩中最为丰富的岩石－页岩，终于得到了其应有的重视。长期以来，页岩一直被认为是一种盖岩，因此钻井人员在钻井过程中直接穿越页岩层段开采砂岩或碳酸盐岩储层。然而地质、经济和技术等方面的有机结合正在促使美国的一些作业公司租赁数千英亩矿区的钻井权，以便推动下一个页岩气远景区的发现。页岩气藏的开采在编写本文过程中得到以下人员的帮助，谨表谢意：美国康涅狄格州Ridgefield的BarbaraAnderson；巴西里约热内卢的WalterArias；犹他州盐湖城的KeithGreaves；得克萨斯州CollegeStation的ValerieJochen；得克萨斯州休斯敦的BarbaraMarin和MarkPuckett；俄克拉何马州俄克拉何马城的CamronMiller，以及宾夕法尼亚州匹兹堡的JeronWilliamson。AIT（阵列感应成像测井仪），ClearFRAC，ECLIPSE，ECS（元素俘获谱探头），ELANPlus，FiberFRAC，FMI（全井眼微电阻率扫描成像测井仪），geoVISION，PlatformExpress和SpectroLith等是斯伦贝谢公司的商标。1.USGS列出的其它类型连续天然气资源包括盆地中心气，致密地层气和煤层气等。2.SchenkCJ:“GeologicDefinitionofConventionalandContinousAccumulationsinSelectU.S.Basins－The2001Approach”，提交给AAPGHedberg关于了解、勘探和开发致密气砂岩研究大会的文章摘要，美国科罗拉多州Vail，2005年4月24-29日。3.基岩渗透率是指流体通过岩石的能力，主要是指流过组成岩石的矿物颗粒之间间隙的能力，但不包括流体在岩石裂缝中的流动。CharlesBoyer美国宾夕法尼亚州匹兹堡JohnKieschnickRobertoSuarez-Rivera美国犹他州盐湖城RichardE.LewisGeorgeWaters美国俄克拉何马州俄克拉何马城过去150年所钻的数百万口油气井在达到其目标深度之前，都钻透了大量页岩层段。既然页岩层段的暴露如此普遍，是否每口干井实际上都是潜在的页岩气井呢？当然不是，页岩气只有在某些特定条件下才可以被开采出来。页岩是一种渗透率极其低的沉积岩，通常被认为是油气运移的天然遮挡。在含气油页岩中，气产自其本身，页岩既是气源岩，又是储层。天然气可以储存在页岩岩石颗粒之间的孔隙空间或裂缝中，也可以吸附在页岩中有机物的表面上。对常规气藏而言，天然气从气源岩运移到砂岩或碳酸盐岩地层中，并聚集在构造或地层圈闭内，其下通常是气水界面。因此，与常规气藏相比，将含气页岩看作非常规气藏也就理所当然了。美国地质调查局（USGS）认为，页岩气产自连续的气藏[1]。USGS列举了16个特征，所有这些特征都可能在连续气藏中出现[2]。与含气页岩有关的独特特征包括区域性分布，缺少明显的盖层和圈闭，无清晰的气水界面，天然裂缝发育，估算最终采收率（EUR）通常低于常规气藏，以及极低的基岩渗透率[3]。此外，其经济产量在很大程度上还依赖于完井技术。尽管页岩具有很多明显的不利因素，但是美国已经将某些具有合适页岩类型、有机质含量、成熟度、孔隙度、渗透率、含气饱和度以及裂缝发育等综合条件的页岩作为开采目标。一旦经济上可行，非常规天然气开采活动将呈现出一派繁荣的景象。天然气需求的日益增长以及油田新技术的不断发展，促进了页岩气远景区的勘探与开发。在美国这一趋势正在扩大，天然气价格的不断上扬和每年23万亿英尺3（651.82亿米3）的天然气消耗量推动了其陆上钻井活动的发展。勘探与生产公司正在租赁数十万英亩的矿区钻井权，而先进的钻完井技术正在帮助作业者扩大已知页岩气盆地的范围。这些远景区同时也促进了技术的发展，使人们对这种普通的碎屑岩有了更深入的认识，并且推动了评价页岩资源的新设备、新技术的发展。本文将对页岩产生烃类所需的条件、形成页岩气藏的条件以及开发和开采这类气藏所需的技术进行讨论。同时还将对得克萨斯中北部Barnett页岩开采过程中采用的各种作业实践进行回顾。192006年秋季刊烃源岩页岩是由被固结至超低渗透率岩层的粘土和粉砂级颗粒组成。显然，据此描述几乎无法将页岩作为勘探开发目标。然而我们知道某些页岩确实含有足够的有机物，从而能够产生烃类。这些页岩是否确实能够产生烃类，产生的是油还是气，则主要取决于页岩所包含的有机物的总量和类型、是否存在促成化学分解的微量元素，以及其所受到的热力程度和受热时间的长短等。有机物，即动物和植物的遗骸，经热力转化后可以形成油或气。动植物遗骸需经过一定程度的保存才能发生这一转化过程。保存程度将对最终形成的碳氢化合物类型产生影响。大多数动植物遗骸不是被其它动物消耗，就是被细菌侵蚀或腐烂，因而保存动植物遗骸通常需要在能抑制多数生物或化学净化作用的缺氧环境下快速埋藏。水循环受到限制、生物需氧量超出供应量（出现在每公升水中含氧量低于0.5毫升的水域）的湖泊或海洋环境符合快速埋藏的条件[4]。但即使在这些环境下，厌氧性的微生物也能以埋藏后的有机物为食物，在此过程中产生生物甲烷。20油田新技术干酪根的演化。修正后的VanKrevelen图显示埋藏过程中热量增加后干酪根发生的变化。干酪根受热转化成烃类的一般趋势可以表示为先产生非烃类气体，然后演化成油、湿气和干气。在此演化过程中，干酪根先在释放二氧化碳和水的过程析出氧，接着开始在演化成烃类时析出更多的氢。随着时间的推移，进一步的沉积增加了埋藏深度。随着压力、温度以及埋藏深度的不断增加，有机物（主要来源于动物组织和植物组织中的脂质，或植物细胞中的木质素）逐渐受热后转化成干酪根[5]。根据所形成的干酪根的种类，在时间、温度和压力进一步增加的条件下可能会产生油、湿气或干气（左图）。干酪根是有机物降解后形成的一种不能溶解的物质，也是形成碳氢化合物的主要来源。人们将干酪根分为四大类型，每种类型都直接关系到其所要产出的碳氢化合物的类型[6]。●第一类干酪根：主要产生在湖泊环境，有时也可以在海洋环境下形成。该类干酪根来源于藻类、浮游物或其它被沉积岩中的细菌或微生物完全分解的物质。该类干酪根含氢量高，含氧量低，易于产油，但也可以产气，主要取决于热演化阶段。这类干酪根不常见，其形成的油气储量仅占世界油气储量的2.7%[7]。●第二类干酪根：通常形成于中等深度的海洋还原环境下。主要源自细菌分解后的浮游生物的遗骸，含氢量高，含碳量低，在温度和成熟度逐渐增加的情况下可以形成油或气。该类干酪根与硫有关，硫要么以黄铁矿和游离硫的形式存在，要么存在于干酪根的组织结构中[8]。●第三类干酪根：主要来源于沉积在浅海到深海环境或非海洋环境下的陆地植物遗骸。与前两种干酪根相比，其含氢量低，含氧量高，因此主要产生干气。●第四类干酪根：来源于经腐蚀后再次沉积的古沉积环境。在沉积前，该沉积物可能已经在湿地或泥土中受到风蚀、燃烧、或生物氧化。该类干酪根由含碳量高，不含氢的残余有机物组成，被认为是一种不具备形成碳氢化合物潜能的“废碳”[9]。1.5ൠ0༐Բ୲1.00.500.10.20.3ૌ႙2ૌ႙3ૌ႙4ૌ႙5ᄟ0༐Բ୲߅ഘׯຄ܈ሺेCO2,H2Oᆳโഘႚׯདྷૌڦയీ߅ાߵิׯ4.DemaisonGJ和MooreGT:“AnoxicEnvironmentsandOilSourceBedGenesis”，AAPGBulletin，64卷，第8期（1980年8月）:1179-1209。5.干酪根的字面意思是“蜡产出物”。干酪根一词最早是指苏格兰油页岩中发现的不可溶解的有机物。该词的使用自问世以来一直都不是很严谨，后来引申指沉积岩中不能溶解的有机物，大多数石油都来自沉积岩。有关干酪根定义更多的信息，请参见:HuttonA，BharatiS和RoblT:“ChemicalandPetrographicClassificationsofKerogenMacerals”，Energy&Fuels，8卷，第6期（1994年11月）:1478-1488。6.TissotBP:“RecentAdvancesinPetroleumGeochemistryAppliedtoHydrocarbonExploration”，AAPGBulletin，68卷，第5期（1984年5月）:545-563。BordenaveM-L:AppliedPetroleumGeochemistry。巴黎：EditionsTechip，1993年。Demaison和Moore，参考文献4。7.KlemmeHD和UlmishekGF:“EffectivePetroleumSourceRocksoftheWorld:StratigraphicDistributionandControllingDepositionalFactors”，AAPGBulletin，75卷，第12期（1991年12月）:1809-1851。8.VandenbrouckeM:“Kerogen:FromTypestoModelsofChemicalStructure”，Oil&GasScienceandTechnology－RevuedeI’InstitutFrancaisduPétrole，58卷，第2期（2003年）：243-269。9.Tissot，参考文献6。10.BaskinDK:“AtomicH/CRatioofKerogenasanEstimateofThermalMaturityandOrganicMatterConversion”，AAPGBulletin，81卷，第9期（1997年9月）：1437-1450。11.沥青是能溶于有机溶液的一种有机物，是干酪根受热分解后形成的一种衍生物。干酪根、沥青以及由有机物受热后演化而成的烃类之间的实际关系还处于研究阶段。12.PetersKE，WaltersCC和MoldowanJM:TheBiomarkerGuide:BiomarkersandIsotopesintheEnvironmentandHumanHistory，第2版，英国剑桥：剑桥大学出版社，2004年。13.AizenshtatZ，StolerA，CohenY和NielsenH:“TheGeochemicalSulphurEnrichmentofRecentOrganicMatterbyPolysulfidesintheSolar-Lake”，BjoroyM等人（编辑）：AdvancesinOrganicGeochemistry。英国Chichester:Wiley（1981年）:279-288。14.Peters等人，参考文献12。15.裂化是较大、较重的碳氢化合物分子在高温高压下分裂成较小、较轻分子的一种过程。在这些条件下，石油可以转化成天然气。16.Peters等人，参考文献12。17.HoodA，GutjahrCCM和HeacockRL:“OrganicMetamorphismandtheGenerationofPetroleum”，AAPGBulletin，59卷，第6期（1975年6月）:986-996。18.新取出的岩心为最佳，露头岩样次之，原因很简单，露头岩样经过风化后往往品质降低。212006年秋季刊ิՔኾᆳโഘ߅ഘ็ఏิׯڦ༐ൠࣅࢇิׯᅺोྛ࿒܈ࢅศ܈ሺेՎิፕᆩࢫิፕᆩׯჼፕᆩݥׯຄ൶ᇘᆳشഘشጺᆶऐዊࡤଉLjዘଉӥݴԲ߅ાߵዊଉֶֶᅃӯࡻࡻटࡻ0.50.5ڟ11ڟ22ڟ44ڟ1212干酪根的热转化。在干酪根含量从活性碳转化为死碳的过程中，源岩中碳氢化合物的形成主要受到温度的制约。在成岩作用早期，天然气主要通过生物活动析出。随着埋藏深度的增加，后生作用取代成岩作用从而产出油和气。而温度和深度的进一步增加导致剩余的油发生裂化，释放出天然气。源岩的有机质含量。通常认为页岩的总有机质含量（TOC）的最小截止值为0.5%。一些地学家认为另一种极端情况