中国页岩气研究与发展20年:回顾与展望

中国页岩气科学研究和勘探开发已历经20年,创新形成了以中国南方海相页岩气富集规律为代表的诸多理论与认识,支撑了国内页岩气产业健康快速发展,2023年中国页岩气产量达250×10^(8) m^(3),在当年全国天然气总产量中的占比超过10%,页岩气已经成为中国天然气产量增量的主力军之一。为了给中国页岩气产业高质量发展提供借鉴和参考,系统回顾了国内页岩气科学研究和勘探开发历程,归纳总结了富有机质页岩发育机理、页岩气优质储层特征及其成因机制、页岩气源—储协同演化机制、页岩气赋存机理与含气性评价、页岩气富集高产机理与评价、页岩气储层改造、页岩气开采等理论和技术进展,分析研判了面临的技术难题和挑战,指出了海相/陆相/海陆过渡相页岩气富集高产机理、基于动态演化过程的页岩气富集区评价方法、低丰度页岩气高效开发技术以及提高页岩气采收率技术等4个亟需攻关的研究方向。进而针对中国页岩气商业化勘探开发所面临的挑战,提出以下建议:从新区新领域、老区挖潜及提高采收率现场试验等方面开展页岩气勘探开发攻关探索,以期早日实现中国页岩气多领域多层系、由点到面的大突破和大规模高效勘探开发,全方位推进中国页岩气革命,提升能源高效供给能力,保障国家能源供应安全。

论海相页岩气富集机理——以四川盆地五峰组—龙马溪组为例

深入探究页岩气富集机理是保障勘探开发高效推进的基础。本研究通过对四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气勘探开发实践的系统分析,梳理总结前人研究成果,从生成机理、运移机理、赋存机理和保存机理四个方面对海相页岩气富集机理进行了深入分析,并讨论了深层和常压页岩气的勘探开发潜力。结果表明:在生成机理方面,埋藏史和热演化史控制了页岩生排烃史、生排烃量和现今含气量;页岩气运移机理涉及运移动力、运移相态、运移方式和运移通道四方面内容,页岩气运移主要是烃源岩内的初次运移,同时讨论了初次运移的影响因素;在赋存机理方面,甲烷—页岩间表现出单/多分子层吸附和微孔充填等多种赋存机制,组分润湿性和孔隙有效性是决定甲烷吸附赋存和解吸运移的关键;在保存机理方面,盖层和物性自封闭是主要的保存机理,构造运动引起的裂缝—流体活动是页岩气保存条件遭到破坏的主要原因,流体活动时间和期次研究是页岩气保存条件和含气量定量评价的重要内容。页岩气富集机理的系统分析和创新认识为页岩气勘探开发评价提供了重要依据,建议加强页岩气演化历史全过程的动态评价。结合深层和常压页岩气勘探实践,分析了深层和常压页岩气的成因机制及主要特征,指出了下一步攻关内容及勘探方向。

温压耦合作用下四川盆地深层龙马溪组页岩孔渗和岩石力学特征

为了研究温压耦合变化对深层页岩孔隙度、渗透率和岩石力学特征的影响,选择四川盆地威荣和永川地区下志留统龙马溪组深层页岩岩心样品,设计开展温压条件的上限为120℃、70 MPa的孔渗实验和三轴压缩岩石力学—声波一体化实验。研究结果表明:(1)微观上的孔渗变化与宏观上的岩石变形相互约束,均呈现先快后缓的变化特征,最大温压实验条件下孔隙度降低34%~71%、渗透率降低85%~97%。随着温压的升高,深层页岩经历了以有机质孔、黏土矿物孔被压缩和微裂缝受压闭合的塑性变形和脆性矿物孔、岩石骨架颗粒本体被压缩的弹性变形;(2)与常温高围压实验对比,高温对孔渗应力敏感的影响显著。高温通过增加岩石塑性,加剧高围压对孔隙的压缩,同时引发岩石骨架颗粒间产生热应力,页岩层理易重新开启或沿层理等软弱面产生新缝,使得页岩渗透率随温度和围压升高而降低的程度减弱;(3)与常温三轴力学实验对比,深层页岩在高温高压耦合作用下,抗压强度和峰值应变量显著增加,抗压强度最高达435 MPa、峰值应变超过2%,说明高温增加了岩石塑性,不利于页岩的破裂和裂缝扩展;(4)岩相和矿物组分对深层页岩孔渗和岩石力学特征具有重要影响。不同岩性页岩发生脆性破坏的难度和充分程度不同,实际地质条件下页岩的应力应变特征是压裂方案优化调整的重要依据。

深层页岩含气量评价及其差异变化--以四川盆地威荣、永川页岩气田为例

近年来我国页岩气勘探开发逐渐走向深层,但对高温高压条件下页岩吸附特征、游离气的赋存特征还不清楚,制约了深层页岩气大规模开发。以四川盆地威荣、永川地区深层页岩为研究对象,对不同有机碳含量和孔隙度的样品开展了高温高压(135℃、80 MPa)等温吸附实验和孔隙度实验,计算了页岩吸附气量、游离气量和总含气量的理论值,并与实际值进行对比。研究表明:①页岩吸附气含量随着压力增大逐渐增加,当压力大于40 MPa后,吸附气量增加趋于平缓,最大可达4.46 cm^(3)/g。②页岩理论含气量随着地层压力的增加而增加,当地层压力达到80 MPa时总含气量达到最大,此时理论最大值为11.3 cm^(3)/g;计算的游离气含量为6.8 cm^(3)/g,吸附气含量为4.5 cm^(3)/g,分别约占总含气量的60%和40%;游离气/吸附气比例随深度增加逐渐增加。③基于现场解吸实验,实测威页11-1井总含气量最大值为5.95 cm^(3)/g,最小值为3.29 cm^(3)/g,平均为4.52 cm^(3)/g,对比理论含气量10.3 cm^(3)/g,表明有近50%的气体在抬升过程中散失,同时一定程度上也说明了深层页岩气保存条件的复杂性,建议加强对保存条件的研究。

四川盆地及周缘奥陶系-志留系深层页岩气富集特征与勘探方向

基于高温高压条件下页岩物性、三轴应力和甲烷等温吸附等针对性实验,对四川盆地及其周缘奥陶系五峰组—志留系龙马溪组深层页岩气富集特征进行研究。结果表明:①深层页岩孔隙度和水平渗透率比中浅层页岩出现较大程度的降低,含气结构以游离气为主。②深层页岩偏应力和轴向应变等参数增大,导致破裂难度增加。③受构造位置和形态、裂缝特征和流体活动期次等控制,深层页岩气保存条件更复杂。④为实现深层页岩气经济开发,深化地质认识是基础,探索针对性压裂改造工程工艺是关键。⑤Metabolograptus persculptus带—Parakidograptus acuminatus带(LM1—LM3笔石带)硅质页岩、含灰硅质页岩是深层页岩气富集高产层段和水平井穿行的有利靶窗,厚度超过10 m的焦石坝、武隆、长宁和泸州等地区是深层页岩气最有利富集区。研究指出深层页岩气勘探应优先在宽缓构造且埋深小于5000 m、LM1—LM3笔石带页岩厚度大于10 m的“深水深层型”页岩气区进行勘探开发部署,开发工程应增加开发井水平段长度,并采用密切割、强加砂、双暂堵等工艺,以最大程度地改造深部页岩储集层。

页岩型氦气富集机理与资源潜力——以四川盆地五峰组-龙马溪组为例

中国氦气资源严重依赖进口.富铀钍、富有机质页岩储层普遍含氦,丰度虽低但储量较大,有效开发利用页岩型氦气资源是提升中国氦气资源保障水平的现实途径.本文以四川盆地及周缘五峰组-龙马溪组页岩为研究对象,基于氦气成因机制和分布地质特征,分析了页岩型氦气的生成机理、来源与含量、运移方式和通道、富集主控因素、分布规律及资源潜力,提出了页岩型氦气资源的勘探开发对策.结果表明:四川盆地五峰组-龙马溪组页岩U、Th含量高,具备良好的生氦能力,生成的氦气为典型的壳源氦气,具有自生自储、大面积分布特征,氦气资源潜力受其含量和伴生天然气资源量共同控制.持续供氦和有效保存是控制页岩型氦气富集的主要地质因素.经初步评价,四川盆地及周缘五峰组-龙马溪组已探明页岩气储量中氦气储量为10.8×10^(8)m^(3),为特大型氦气田,每年因页岩气开发而附带的氦气产量为0.0912×10^(8)m^(3).建议尽快开展全国页岩型氦气资源潜力、富集机理与分布规律研究,攻关贫氦-含氦天然气的提氦技术,避免氦气资源浪费,提高氦气自我保障能力.

页岩有机孔研究现状和展望

有机孔是页岩气储层的主要储集空间,也是页岩气储层区别于常规油气储层的重要孔隙类型。目前对有机孔的类型和特征、发育载体及其影响因素等的认识还存在较大争议。系统回顾国内外页岩有机孔的研究现状,调研分析有机孔发育特征及其控制因素,展望有机孔的攻关研究方向,研究认为,页岩的有机质类型是控制有机孔发育的根本因素,矿物类型与组成、成岩作用以及由脆性矿物形成的刚性格架是有机孔形成并保持的重要保障,热演化程度和地层压力对有机孔的发育和保持具有重要的影响。建议加强有机质类型(成烃生物)、不同有机质类型的生烃和排烃模式、矿物类型及其成岩作用(刚性格架形成时间)、页岩生-排烃与矿物成岩作用之间的有机—无机协同演化机制研究,探讨有利的页岩有机孔类型及其发育模式,加强页岩不同尺度储集空间定量表征、有机孔连通性及其影响因素等研究。未来需进一步关注深层—超深层页岩有机孔的发育特征及其保存机制研究。

重庆綦江观音桥剖面五峰组—龙马溪组地层特征及其对页岩气勘探开发的启示

重庆市綦江区安稳镇观音桥剖面是我国南方扬子地区五峰组—龙马溪组页岩代表性剖面之一,也是綦江丁山和东溪地区页岩气勘探开发的重要参照剖面。该剖面岩性主要有碳质页岩、泥质粉砂岩、泥岩和含泥泥晶灰岩等。生物地层研究表明,该剖面五峰组至龙马溪组下部页岩地层完整连续,笔石带最高发育至Lituigraptus convoltus带,其中Dicellograptus complexus带至Cystograptus vesiculosus带地层厚4.69 m。受黔中隆起向四川盆地方向延伸形成的丁山水下高地的影响,该地区富有机质页岩的厚度较薄,而向四川盆地内部富有机质页岩的厚度有增大趋势。后期构造运动中,研究区受齐岳山断裂影响较大,靠近断裂地区表现为常压页岩气藏,距离断裂较远的四川盆地内部地区, WF2—LM4笔石带页岩的厚度较大,页岩气保存条件变好,为超压页岩气藏。