頁巖氣成藏淺析

摘 要：頁巖氣是近幾年才被關(guān)注的非常規(guī)天然氣，美國Curtis是研究頁巖氣的最早學(xué)者之一，給頁巖氣一完整的描述定義。頁巖氣主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，并以吸附狀態(tài)或游離狀態(tài)為主要存在方式在烴源巖層內(nèi)就近聚集，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式，即“自生自儲”成藏模式。通過研究和技術(shù)指標(biāo)測試，認(rèn)為頁巖氣的成藏條件為埋藏溫度高、有機質(zhì)含量高的泥頁巖氣體發(fā)育；孔隙度小（平均為5.2%）、滲透率低（低于0.001毫達(dá)西）的巖層是頁巖氣成藏條件；頁巖氣具有吸附機理和游離氣活塞式運聚機理，且具有明顯的“混合型”特征。頁巖的有機質(zhì)含量和成熟度，巖層厚度，產(chǎn)層孔隙度及裂縫發(fā)育程度是影響頁巖氣富集的主要因素。掌握頁巖氣的特征，尋找靶區(qū)研究，便于更有效地進(jìn)行頁巖氣資源勘探和開發(fā)。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；成藏條件；成藏機理分析

1 引言

頁巖氣是非常規(guī)天然氣的重要類型，作為清潔、高效的能源，已被我國正式列為第172種礦產(chǎn)，不再歸屬于常規(guī)天然氣范疇。美國是頁巖氣理論研究與勘探開發(fā)最早的國家，已取得了較顯著的經(jīng)濟效益和社會效益技術(shù)，并且已經(jīng)形成一定的商業(yè)規(guī)模[3]。近幾年來，我國也加大了對頁巖氣的研究力度，通過實驗區(qū)塊的初步勘探，我國南方志留系地層中發(fā)育黑色頁巖，演化程度高，可形成的頁巖氣資源潛力大。特別是四川盆地的威遠(yuǎn)和瀘州地區(qū)，其頁巖氣資源相當(dāng)于四川盆地常規(guī)天然氣資源的總量，主要富集區(qū)產(chǎn)在南方海相頁巖中，長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣實驗區(qū)已進(jìn)入小規(guī)模商業(yè)化試運行；我國其它地區(qū)如江漢盆地的第三系、松遼盆地白堊系，以及南華北，渤海灣盆地、柴達(dá)木、酒泉盆地均有頁巖氣資源[1]。

我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力約為134萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米以上，落實程度較高的資源潛力約為16萬億立方米。目前，我國已有27個區(qū)塊探礦權(quán)通過招標(biāo)得到落實，各項技術(shù)規(guī)范和支持政策相繼出臺，區(qū)塊的價值信息在于地下含氣量、保存條件、儲層厚度、頁巖延伸面積及巖體是否適合壓裂等因素。

2 成藏條件

2.1 氣體來源

頁巖氣的形成是生物成因和熱成因共同作用的結(jié)果。生物成因氣是通過在埋藏階段的早期成巖作用，或近代富含細(xì)菌的大氣降水侵入中厭氧微生物活動作用形成；熱成因氣主要指隨著埋深增加，溫度和壓力增大，泥頁巖中大量的有機質(zhì)由產(chǎn)甲烷菌的代謝發(fā)生化學(xué)降解和熱裂解作用形成。

在埋藏溫度升高或者有細(xì)菌侵入時，暗色泥頁巖中的有機質(zhì)，甚至包括已生成的液態(tài)烴，就裂解或降解成氣態(tài)烴，游離于基質(zhì)孔隙和裂縫中，或吸附于有機質(zhì)和黏土礦物表面，在一定地質(zhì)條件下就近聚集，因此頁巖氣的氣體來源主要是生物氣或熱成熟氣。頁巖的生烴條件是有機碳含量大于2%、熱演化程度處于生氣窗范圍內(nèi)，有機質(zhì)含量高的黑色頁巖、高碳泥巖常是最好的頁巖氣發(fā)育條件。

2.2 儲集介質(zhì)

頁巖氣儲集在泥、頁巖及其間的砂質(zhì)巖夾層內(nèi)，頁巖氣藏儲層具有典型的低孔、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比常規(guī)天然氣大。頁巖是沉積巖中含有機質(zhì)的細(xì)碎屑巖，很容易碎裂，原始孔隙度可達(dá)35%以上，隨著巖層埋深增加，壓力增大，孔隙度降低，在埋深2000m以后，孔隙度小于10%；頁巖氣儲層孔隙度一般小于4%～6.5%，平均為5.2%，滲透率一般低于0.001毫達(dá)西，并隨著埋深加大，物性變差。若處于斷裂帶或裂縫發(fā)育帶，頁巖孔隙度、滲透率增加。

2.3 蓋層條件

頁巖氣與煤層氣相似，具有“自生自儲”的特點，沒有或僅有短距離的運移，頁巖本身就是良好的蓋層，因此頁巖氣的存在是不需要其他巖性的介質(zhì)作為蓋層的。

2.4 圈閉條件

頁巖氣藏的形成也不需要常規(guī)意義上的“圈閉”，頁巖氣藏形成于烴源巖層內(nèi)，不受構(gòu)造體系和物理界面控制，頁巖氣藏在一定的構(gòu)氣藏范圍可近似等于生氣源巖面積。

2.5 運移條件

頁巖氣藏的形成取決于天然氣在源巖中大規(guī)模地滯留和集聚，由于頁巖氣為自生自儲氣藏，所以頁巖氣藏的形成基本上沒有運移或運移距離極短，厚層烴源巖排烴效率低或根本不能排烴，大量烴類滯留于烴源巖中形成頁巖氣。

2.6 分布特點

頁巖氣藏分布受生烴巖體的大小和分布面積控制，常呈區(qū)域性、連續(xù)性分布。頁巖氣藏通常位于或接近于盆地的沉降-沉積中心處，導(dǎo)致頁巖氣的有利區(qū)主要集中于盆地中心處。中國頁巖氣藏的儲層與美國有很大差異，美國的頁巖氣層埋深在800-2600米，而我國四川盆地的頁巖氣埋深在2000-3500米，這給我們研究和開采頁巖氣增加了技術(shù)難度。

3 成藏機理

3.1 成藏氣源分析

頁巖氣從生烴、吸附與擴散、溶解與析出、活塞式與置換式運聚過程，體現(xiàn)出自身所構(gòu)成的完整性成藏機理序列，整個過程全部在烴源巖內(nèi)部完成，并且表現(xiàn)為持續(xù)不間斷地充注、聚集成藏過程。研究表明，烴源巖中生成的烴類能否排出，關(guān)鍵在于生烴量必須大于巖石和有機體對烴類的吸附量，同時必須克服頁巖微孔隙強大的毛細(xì)管吸附等因素。Hunt認(rèn)為從烴源巖中處次排出的烴量小于生烴總量的10%；Tissot和Pelet（1971）認(rèn)為發(fā)生排烴的烴源巖總厚度也小于30m。因此，烴源巖所生成的烴類只有部分被排出，仍有大量烴類滯留于烴源巖中，以吸附和游離狀態(tài)存在，美國頁巖氣藏中，吸附氣含量最低為16%，最高達(dá)80%。

3.2 成藏特點分析

頁巖氣藏中氣體的賦存形式絕大部分是以吸附氣的形式存于頁巖內(nèi)有機質(zhì)和黏土顆粒的表面，這與煤層氣相似；游離氣則聚集在頁巖基質(zhì)微小孔隙或裂縫中，這與常規(guī)氣藏中的天然氣相似。頁巖氣成藏機理具煤層氣和常規(guī)天然氣兩者特征；頁巖含有機質(zhì)碳量的增加有助于生烴和微顆粒的吸附作用，頁巖基質(zhì)的孔隙和微裂隙發(fā)育也有利于以游離形態(tài)存在的頁巖成藏。

3.3 成藏階段分析

頁巖氣成藏機理具有明顯的“混合型”特征。按成藏機理的不同可將頁巖氣的成藏劃分為2個階段：第一階段以吸附作用為主，發(fā)生在頁巖氣藏形成初期，甲烷生成后在頁巖微孔（孔徑小于2nm）中順序填充，在介孔（孔徑為2-50nm）中多層吸附至毛細(xì)管凝聚，在大孔（孔徑大于50nm）中甲烷以壓縮或溶解態(tài)賦存。同沉積的有機質(zhì)通過化學(xué)和生物分解成氣，首先滿足有機質(zhì)孔內(nèi)表面飽和吸附需求，再解吸擴散至基質(zhì)微孔中，以吸附、游離相原位飽和聚集，具有與煤層氣相同的吸附成藏機理，第二階段發(fā)生在生氣高峰，隨著頁巖生氣過程的繼續(xù)，當(dāng)頁巖有機質(zhì)顆粒和基質(zhì)微孔所提供的吸附能力不能滿足所生成的天然氣聚集需求時，隨著生氣過程的繼續(xù)，頁巖基質(zhì)孔隙內(nèi)溫度和壓力升高，伴隨著巖石的造縫作用，導(dǎo)致過飽和氣沿頁巖微孔和薄弱面小規(guī)模裂縫運移，以游離態(tài)聚集并逐步形成氣藏，也就是活塞式成藏機理。

頁巖氣成藏過程中，吸附機理與活塞式運聚機理構(gòu)成了頁巖氣的成藏過程，兩個階段各自的發(fā)展規(guī)模和成熟度控制著頁巖氣藏中吸附態(tài)和游離態(tài)天然氣比例的變化。

4 結(jié)束語

頁巖氣主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，并以吸附狀態(tài)或游離狀態(tài)為主要存在方式在烴源巖層內(nèi)就近聚集，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式；孔隙度小（平均為5.2%）、滲透率低（低于0.001毫達(dá)西）的巖層是頁巖氣成藏條件；富有機質(zhì)碳含量高的黑色頁巖厚度愈大，氣藏富集程度就越高；頁巖孔隙與微裂縫愈發(fā)育，氣藏富集程度愈高；盆地邊緣斜坡頁巖厚度適當(dāng)且易形成張性裂隙是頁巖氣藏發(fā)育的最有利區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1]江懷友，宋新民，安曉璇等.世界頁巖氣資源與勘探開發(fā)技術(shù)綜述[J].天然氣技術(shù)，2008，2（6）.

[2]張金川，薛會，張德明，蒲軍.頁巖氣極其成藏機理[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2003，17（4）.466.

[3]李新景，胡素云，程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J].石油勘探與開發(fā)，2007，8（4）：392.

作者簡介：周玉增（1956-），男，高級工程師，山東聊城人，1982年1月畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院地質(zhì)勘探專業(yè)。