页岩储层结构面及地应力

第1章 绪论 1.1 页岩气开发现状 根据能源信息署(EIA)2013年的评估结果，我国页岩气技术可采资源量达31.6万亿m3；《页岩气发展规划(2016-2020年)》提出，根据2015年国土资源部资源评价*新结果，全国页岩气技术可采资源量21.8万亿m3，其中海相13.0万亿m3、海陆过渡相5.1万亿m3、陆相3.7万亿m3，反映出我国页岩气资源储量较大。 2018年，中国成为继美国和加拿大之后的全球第三大页岩气生产国，页岩气产量约为109亿m3，累计完成页岩气钻井898口，提交探明储量约1.05万亿m3。其中，中国石油化工集团有限公司(简称中国石化)的页岩气探明储量7254.92亿m3，产量66.17亿m3；中国石油天然气集团有限公司(简称中国石油)页岩气探明储量3200.75亿m3，产量42.64亿m3。 按照国家能源局发布的《页岩气发展规划(2016-2020年)》，在政策支持到位和市场开拓顺利情况下，2020年力争实现页岩气产量300亿m3，2030年实现页岩气产量800亿～1000亿m3。 国内的页岩气田主要分布于四川盆地和塔里木盆地。根据自然资源部的统计，截至2018年6月，重庆涪陵页岩气田累计探明地质储量6008亿m3，成为除北美之外*大的页岩气田，生产页岩气突破180亿m3。四川威远-长宁地区页岩气累计探明地质储量1635亿m3。此外，延长油矿在鄂尔多斯盆地，中国地质调查局在贵州遵义正安、湖北宜昌陆续获得页岩气工业气流，实现了页岩气勘探新区、新层系的重大突破。 国家能源局发布的《页岩气发展规划(2016-2020年)》提出，努力推进涪陵、长宁、威远、昭通和富顺-永川5个页岩气重点建产区的产能建设，对宣汉-巫溪、荆门、川南、川东南、美姑-五指山和延安6个评价突破区加强开发评价和井组实验，适时启动规模开发，力争取得新突破[1]。 1.2 页岩储层结构特征 1.2.1 页岩微观孔隙结构研究现状 页岩气藏的储层特征和储气机制与常规气藏存在较大差异[2，3]，龙鹏宇等[4]和张金川等[5]认为页岩气在储层中的赋存主要包括以下3种形式：游离态、吸附态和溶解态，其中以游离态和吸附态为主。张雪芬等[6]认为吸附气含量*大，占页岩气总含量的40%以上。Martini等[7]认为吸附气是密歇根(Michigan)盆地安特里姆(Antrim)页岩气的主体，游离气只占25%～30%。Kinley等[8]认为游离气是Barnett页岩气的主体，占比在50%以上。无论是游离气还是吸附气都与页岩孔隙息息相关，孔隙为游离气提供储集空间、为吸附气提供吸附空间，孔隙与温度、压力、页岩组分、总有机碳(TOC)含量等页岩储层特征参数共同控制页岩气的赋存、运移和释放[9]。研究孔隙结构特征，对于理解页岩气的赋存机制、评价页岩气资源量、提高页岩气的开采效率具有积极作用。 1. 页岩储层微观孔隙类型 页岩储层孔隙与常规储层孔隙相比孔径更小，形态、分布及成因更复杂，非均质性更强。关于页岩储层孔隙分类主要有3种方式，分别是按孔径分类、按孔隙赋存位置分类及按孔隙连通性分类(表1.1)。孔径分类法是基于研究手段对页岩孔径的识别能力进行划分，是*常用的页岩储层孔隙划分方式，目前按孔径大小进行孔隙分类时普遍采用国际理论与应用化学联合会(IUPAC)的划分方案，认为微孔孔径＜2nm，中孔孔径为2～50nm，大孔孔径＞50nm，此外还包括Xoaotb十进制孔隙划分方案，认为微孔孔径＜10nm，过渡孔孔径为10～100nm，中孔孔径为100～1000nm，大孔孔径＞1000nm[10]。按孔隙赋存位置划分页岩储层孔隙类型是依据场发射扫描电镜(FESEM)观察结果，按孔隙连通性划分页岩储层孔隙类型是基于流体(汞、N2等)注入实验结果。 表1.1 页岩储层孔隙分类 Table 1.1 Classification of shale pores 2. 页岩储层微观孔隙结构表征方法 页岩储层多发育纳米级孔隙，孔径小、渗透率极低，导致页岩储层孔隙度与孔径测试存在较大困难，如何有效识别和表征页岩储层孔隙结构亦存在较大难度。现有的页岩气孔隙识别与表征方法充分借鉴了多孔材料表征技术[11]。Maex等[12]将页岩储层微观孔隙结构表征方法总结为3种类型，即图像分析法、流体注入法和非物质注入法。 1)图像分析法 图像分析是利用显微镜、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等微区观察技术对页岩中的孔隙进行观察，获取图像并进行分析，以获得泥页岩中的孔隙大小、形状、分布及颗粒的接触情况等信息。该技术的主要优势是直观，特别是在孔隙形态学方面具有绝对优势，结合统计学方法还能获取孔隙度、孔径分布等定量信息[13]。 页岩脆性矿物含量较高，且广泛发育微裂缝等天然弱面，机械抛光过程中可能导致矿物断裂，会在样本表面形成“假孔隙”，机械抛光过程中产生的研磨微粒可能会进入孔隙内部出现“掩埋”或“遮挡”现象，导致扫描电子显微镜下观察机械抛光的样本切面并不能取得令人满意的效果。Reed等[14]将金属表面处理工艺的氩离子抛光技术引入页岩抛光处理中，获得了超高品质表面层，并结合高分辨率扫描电子显微镜观察研究页岩纳米尺度孔隙结构，取得了较好的效果。目前，高分辨率场发射扫描电镜与低能态氩离子抛光技术结合，对样品表面抛光处理后进行观察与高分辨率图像获取，此种方法在国内外已有大量应用。邹才能等[15]采用氩离子抛光技术与FESEM对四川盆地须家河组、鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层，以及四川盆地志留系页岩储层孔隙结构进行了研究，发现小于1μm的纳米级孔隙。Loucks等[16]使用FESEM研究了Barnett页岩，观察到大量小至5nm的纳米级孔隙，并能根据需要在一定区域范围内进行二维或三维表征。Chalmers等[17]、Loucks等[18]分别利用高分辨率场发射扫描电镜及场发射扫描电镜与聚离子束刻蚀双束联用系统(FESEM-FIB)获取了美国多套产气页岩的纳米级孔隙图像。Bai等[19]利用FESEM-FIB对美国的典型页岩气储层进行了三维结构表征。 2)流体注入法 流体注入法是将汞等非润湿性流体及N2和CO2等气体在不同的压力下注入样品并记录注入量与相应的压力，通过不同的理论方法计算获取孔径分布、孔体积及比表面积等信息，实验过程相对简单，获取的数据相对全面，因而在目前页岩气储层孔隙研究中应用*为广泛。受实验方法的限制，流体注入法只能用于研究开孔，不能表征闭孔。 国外所用高压压汞仪*大进汞压力约为400MPa，能够探测的孔隙直径下限为3nm。基于高压压汞(MICP)技术，Nelson[20]对北美页岩进行了大量统计分析，结果表明北美页岩大部分孔隙直径均小于100nm。Ross和Bustin[21]通过压汞实验发现，无机矿物对页岩孔隙度具有较大影响，主要原因是黏土矿物中含有大量连通性孔隙。陈尚斌等[22]结合退汞曲线及TOC成因将页岩孔隙划分为3种类型，不同类型孔隙的开放孔数量、连通性存在较大差异。谢晓永等[23]通过压汞法和N2吸附法对南海某油田泥页岩孔径分布进行了测定和对比分析，认为N2吸附法能较为准确地反映页岩微孔、中孔的分布情况，而压汞法则能弥补N2吸附法对大孔分析的不足。田华等[24]认为压汞法能有效反映泥页岩中的大孔与微裂隙信息。 气体等温吸附是在等温条件下将N2和CO2等探针气体注入样品，记录不同压力下探针气体在介质表面的吸附量，并利用理论模型计算以揭示样品的表面及孔隙结构特征。Ross和Bustin[21]用低压CO2和N2吸附研究加拿大西部沉积盆地潜力生气页岩以分析页岩成分对孔隙的影响。田华等[24]将CO2吸附法、N2吸附法与压汞法联合使用以表征中国多地泥页岩中的孔隙特征。Clarkson等[25]利用CO2吸附法、N2吸附法研究北美页岩储层，发现CO2吸附法与N2吸附法的孔径分布在重复孔径段相似度高，并认为低压CO2吸附法与N2吸附法联合应用能有效表征100nm以下的孔隙。 3)非物质注入法 此类技术主要包括核磁共振(NMR)技术、计算机断层扫描(CT)技术。核磁共振孔隙度用饱和水样品的核磁共振信号强度来反映，孔径分布则根据孔径与其中流体的弛豫时间(T2)间的正相关关系(孔径越大，则弛豫时间越长)进行换算获得。Yao等[26]认为NMR孔隙度受测试环境、仪器参数、样品的微孔隙、顺磁性物质及流体类型等多因素影响，其测试结果往往比液体饱和孔隙度、氦孔隙度及压汞孔隙度偏低。孙军昌等[27]研究了页岩岩心的NMR孔隙度、T2谱响应特征、比表面积等储层特征，并发现页岩NMR孔隙度普遍小于水测法孔隙度。 计算机断层扫描是利用射线(X射线或γ射线)穿过物质后强度的衰减作用研究物质内部结构的无损检测技术，按其分辨率与发展阶段可分为CT、微米CT、纳米CT三类。Ma等[28]、邹才能等[15]、白斌等[29]将CT技术应用于非常规储层孔隙的研究。随着重建算法的改进、微纳米加工技术的进步及针对地质样品的专门优化，CT技术在泥页岩孔隙研究中发挥出了更大的作用。 1.2.2 页岩多尺度裂缝研究现状 天然裂缝发育程度是页岩气形成的主要条件之一。随着页岩气、煤层气及致密砂岩气等非常规油气资源的大规模开采，储层岩石的多尺度结构问题成为研究热点，开展从宏观到微观的孔隙裂缝多尺度研究可以为储层资源评价、储层压裂改造提供技术支持，已经成为非常规油气开发的必要环节。 1. 页岩储层裂缝分类 页岩储层中天然裂缝的类型与划分按照不同的分类方法可以有不同的分类方案且具有不同的实际意义[30]。按照地质成因可将其划分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝等类型，当前页岩裂缝类型划分主要采用成因分类方法；按照力学性质可将其划分为剪切裂缝、拉张裂缝等类型；按照裂缝与层面的相交状况可将其划分为穿层缝、层内缝及顺层缝等类型，这种分类方案有助于定性评价裂缝对储层渗流能力的贡献程度；按照裂缝尺度划分又可将其分为宏观裂缝和微观裂缝。在实际研究过程中，可以根据不同的需要采取不同的分类方法。 丁文龙等[31]依据地质成因将页岩裂缝划分为两大类12个亚类，并给出了每个亚类裂缝的主要成因(表1.2)。王超等[32]为了研究页岩储层裂缝系统的发育特征及影响因素，通过对岩心、薄片的观察与统计，依据页岩裂缝发育形态，将页岩裂缝分为层理缝、刺穿高角度缝、内部高角度缝、低角度缝和微裂缝5种类型。龙鹏宇等[4]通过对页岩露头、岩心的宏观观察和薄片、电镜微观观察统计将页岩裂缝分为构造裂缝、层间页理缝、层面滑移缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝5种类型。朱利锋等[33]通过对川南长宁地区页岩野外露头、岩心及镜下微观观测统计，依据地质成因、力学性质和发育形态相结合的方式将页岩储层裂缝分为三大类6个亚类(图1.1)，认为采用多方式联合分类更为合理，有利于页岩裂缝系统的识别与表征。 表1.2 页岩地质成因裂缝类型划分[34] Table 1.2 Classification of fracture types of shale 图1.1 页岩储层裂缝分类划分[33] Fig. 1.1 Classification of fractures in shale reservoirs 丁文龙等[34]将致密砂岩气储层裂缝的研究尺度划分为3类：大尺度裂缝、中等及小尺度裂缝和微尺度裂缝。大尺度裂缝指野外露头剖面上观察到的宏观裂缝，其高度和延伸长度通常都在米级及以上；中等及小尺度裂缝指从岩心或微电阻率扫描成像测井中可以观察到的裂缝，该类裂缝长度往往在几毫米到几十厘米之间；微尺度裂缝只有在镜下才能观察到，可分为粒内微缝、粒缘