關(guān)于頁(yè)巖氣藏控制因素的探討

郭強(qiáng)

摘 要：與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)目前能源利用過(guò)于依賴煤炭，而煤炭的開發(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞非常大。因此，對(duì)我國(guó)而言，新型、潔凈能源的開發(fā)利用極為迫切。頁(yè)巖氣在美國(guó)的興起恰到好處地為中國(guó)解決能源危機(jī)提供了良好的前景。因此需要正確認(rèn)識(shí)對(duì)頁(yè)巖氣有影響的因素，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而找到一個(gè)更加合理的找礦理論，對(duì)即將開展的頁(yè)巖氣大開發(fā)夯實(shí)理論基礎(chǔ)，提供找氣依據(jù)。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；成藏機(jī)理；TOC；成熟度；裂縫；蓋層厚度；頁(yè)巖深度

中圖分類號(hào)：P618 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）01-0154-02

美國(guó)頁(yè)巖氣的產(chǎn)量在短短幾年間就占到了全美天然氣總產(chǎn)量的37%，使美國(guó)一躍成為能源大國(guó)，擺脫了大規(guī)模依賴國(guó)外能源的窘迫狀況。

對(duì)頁(yè)巖氣成藏特征的分析，頁(yè)巖氣藏形成機(jī)理與富集規(guī)律的探討，將為更好地評(píng)價(jià)和開發(fā)我國(guó)的頁(yè)巖氣資源提供理論支持。研究表明，頁(yè)巖氣藏受內(nèi)部因素如有機(jī)質(zhì)類型及含量、成熟度、裂縫、孔隙度、滲透率、礦物組成、厚度、濕度等和外部因素如目標(biāo)層埋藏深度、蓋層厚度、溫度與壓力等共同影響。表1是諸多學(xué)者在對(duì)美國(guó)各大頁(yè)巖氣產(chǎn)氣盆地進(jìn)行研究后總結(jié)出的可能對(duì)頁(yè)巖氣藏起控制作用的各種因素。在對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，各個(gè)頁(yè)巖氣藏的控制因素不完全相同，有的甚至有很大差別，但各種因素之間又有著密切的聯(lián)系。下面就對(duì)控制頁(yè)巖氣藏的各種因素逐一進(jìn)行探討分析。

1 內(nèi)部控制因素

1.1 TOC含量及類型

幾乎所有的研究都表明TOC含量是頁(yè)巖氣聚集成藏最重要的控制因素之一，這是因?yàn)門OC含量的高低不僅在一定程度上控制著頁(yè)巖的孔隙度、滲透率，更重要的是控制著頁(yè)巖的含氣量。根據(jù)Barnett頁(yè)巖氣藏生產(chǎn)資料可見，產(chǎn)氣量高的地方相對(duì)的TOC含量也高，TOC含量與頁(yè)巖氣藏產(chǎn)氣量有著正向相關(guān)關(guān)系，如見圖1所示。但在考慮TOC含量的同時(shí)，也應(yīng)充分考慮地質(zhì)歷史時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，如我國(guó)上揚(yáng)子盆地部分地區(qū)的寒武紀(jì)黑色泥巖TOC含量也很高，但在埋深時(shí)尚未達(dá)到生油、生氣階段就被抬升，因而受到破壞，蘊(yùn)含其中的TOC也并未生成油氣。由此可見在評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣地質(zhì)時(shí)，不可單純考慮TOC的含量而忽略其在埋深時(shí)是否經(jīng)歷了生油、生氣這個(gè)階段。

1.2 頁(yè)巖成熟度

根據(jù)美國(guó)主要頁(yè)巖氣產(chǎn)氣盆地相關(guān)資料顯示，五大產(chǎn)氣盆地頁(yè)巖的成熟度既有未成熟的也有成熟度較高的。現(xiàn)在普遍認(rèn)為頁(yè)巖氣的成因有三種，即生物成因、熱成因和兩種混合成因，進(jìn)而可將頁(yè)巖氣藏分為對(duì)應(yīng)的三種類型：高成熟度頁(yè)巖氣藏、低成熟度頁(yè)巖氣藏和高低成熟度混合頁(yè)巖氣藏。

成熟度還控制著氣體的流動(dòng)速度。由于氣體的成因和賦存方式不同，高成熟度頁(yè)巖氣藏比低成熟度頁(yè)巖氣藏的氣體流動(dòng)速度要高。隨著成熟度的增大，氣體的產(chǎn)生速度也加快，因?yàn)楦叱墒於鹊母衫腋鸵焉傻脑途呀鉃樘烊粴猓⒂写罅刻烊粴馍伞３墒於茸罡叩捻?yè)巖只有干氣，次成熟的頁(yè)巖可能含有濕氣，成熟度再低的頁(yè)巖只有液態(tài)石油（生物化學(xué)成因的頁(yè)巖氣除外）。準(zhǔn)確判斷頁(yè)巖成熟度是精確預(yù)測(cè)具有商業(yè)價(jià)值頁(yè)巖氣藏的關(guān)鍵。

1.3 頁(yè)巖孔隙度和滲透率

孔隙度和滲透率是對(duì)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)非常重要的兩個(gè)參數(shù)。這是因?yàn)轫?yè)巖中的孔隙越多、滲透率越大，在埋藏時(shí)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存空間也越大，在開發(fā)時(shí)為抽采頁(yè)巖氣提供的“公路網(wǎng)”也越發(fā)達(dá)、越通暢。但大多數(shù)的頁(yè)巖滲透率非常低，平均喉道半徑不到0.01 μm。不過(guò)隨著裂隙的發(fā)育，頁(yè)巖的滲透率也會(huì)有本質(zhì)的提升。這就要求我們對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，增加其裂隙發(fā)育程度，因此就需要通過(guò)人工壓裂來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)層的改造，進(jìn)而維持頁(yè)巖氣的穩(wěn)定抽采。

1.4 頁(yè)巖裂縫

通過(guò)對(duì)頁(yè)巖孔隙度和滲透率的研究可見，頁(yè)巖本身裂縫對(duì)頁(yè)巖氣藏起著重要作用。但也應(yīng)同時(shí)考慮到其對(duì)頁(yè)巖氣藏本身的負(fù)面影響。過(guò)于發(fā)育的裂隙會(huì)形成逸散通道，對(duì)頁(yè)巖氣藏的保存有著致命的影響，而真正要尋找的那些“氣藏”應(yīng)是保存條件好、原生裂隙較為發(fā)育的頁(yè)巖儲(chǔ)層。

1.5 頁(yè)巖礦物組成

黏土礦物是大多數(shù)頁(yè)巖的主要組成部分，但是這也是阻礙頁(yè)巖氣流通通道的主要因素。這是因?yàn)轲ね劣鏊畷?huì)膨脹，從而使原本就極不發(fā)育的“公路網(wǎng)”（即泥頁(yè)巖中的微裂縫、裂隙等）更加堵塞，極大地增加了產(chǎn)氣難度。現(xiàn)在普遍認(rèn)為，有利于開發(fā)頁(yè)巖氣的頁(yè)巖本身黏土含量應(yīng)小于50 %，從而可被成功壓裂。氣體生產(chǎn)速度的瓶頸則是“公路網(wǎng)”的發(fā)達(dá)程度，而組成這些所謂“公路網(wǎng)”的微裂隙、裂縫的發(fā)育程度則是由頁(yè)巖中的脆性礦物含量所控制的：脆性礦物含量越高，在受到外力的作用時(shí)頁(yè)巖更容易產(chǎn)生破裂，形成一條條的“公路”，進(jìn)而連通成“公路網(wǎng)”。由此可見，頁(yè)巖中脆性礦物的含量高低控制著頁(yè)巖氣藏產(chǎn)氣的能力。研究表明，富含石英、長(zhǎng)石等脆性礦物的頁(yè)巖更容易被壓裂，為頁(yè)巖氣提供更通暢的“通道”，進(jìn)而采出更多的頁(yè)巖氣。

2 外部控制因素

影響頁(yè)巖氣成藏的外部因素很多，但主要是頁(yè)巖深度、蓋層厚度、溫度與壓力。文中主要對(duì)頁(yè)巖深度和蓋層厚度這兩種外部因素進(jìn)行討論。

2.1 頁(yè)巖深度

深度直接影響著探采的經(jīng)濟(jì)效益：過(guò)深則鉆探費(fèi)用過(guò)高、利潤(rùn)過(guò)少，甚至導(dǎo)致虧本；而過(guò)淺則可能由于頁(yè)巖的成熟度不夠或遭受剝蝕而無(wú)開采價(jià)值。所以選取頁(yè)巖的深度也應(yīng)有所斟酌，根據(jù)以往的地質(zhì)資料可以分析出1 000～5 000 m范圍內(nèi)的頁(yè)巖生氣能力最強(qiáng)、開發(fā)利用價(jià)值最高。

2.2 蓋層厚度

頁(yè)巖氣藏本身并無(wú)所謂蓋層，但仍引用常規(guī)油氣的蓋層概念是基于以下兩方面進(jìn)行考慮的：①一個(gè)良好的封閉的低滲透的蓋層對(duì)于頁(yè)巖氣藏的保存是一個(gè)很好的保障，使其免受侵蝕，極大地減少頁(yè)巖氣的逸散；②頁(yè)巖氣藏上方厚厚的蓋層可以為其提供更高的層間壓力，從而大幅提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)率，為頁(yè)巖氣的生產(chǎn)及資本的運(yùn)作提供良好的基礎(chǔ)條件。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為1 000～2 000 m厚的蓋層最為合適。

3 結(jié)論

有利于頁(yè)巖氣藏發(fā)育的條件是有機(jī)碳含量高（高于1.4%）、有機(jī)質(zhì)成熟度高（1.4%～3.0%）、厚度大（大于10 m）、深度適中（1 000～5 000 m），發(fā)育天然微裂隙（1～10 nm）體系，石英長(zhǎng)石含量較高（大于35%）、泥質(zhì)成分略少（小于50%）的黑色泥頁(yè)巖層、粉砂巖和細(xì)粒砂巖層。我們?cè)趯W(xué)習(xí)借鑒美國(guó)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，更應(yīng)當(dāng)加大研發(fā)、創(chuàng)新力度，做到溫故而知新，建設(shè)出一條適合中國(guó)的頁(yè)巖氣開發(fā)之路。

〔編輯：白潔〕endprint