頁巖氣深度富集帶理論研究及應用

劉人和　郭偉　劉洪林　湯小琪

摘 要：頁巖氣是一種自生自儲的非常規天然氣資源。研究表明：頁巖含氣量分布特征主要受頁巖儲層埋深、儲層構造形態、有機碳含量以及儲層物性等因素的影響。頁巖氣是吸附氣、游離氣和溶解氣三種賦存狀態的動態平衡。通過頁巖氣的勘探與開發實踐，我們獲得重要的理論認識：頁巖含氣量與地層埋深是一種拋物線關系模型，即頁巖深度富集帶L-W模型。頁巖氣勘探開發實踐表明， 向斜為頁巖氣富集的主要構造控制因素。因此，在我國總體構造運動比較強烈的地質背景條件下，尋找構造運動比較弱的部位，比如地層產狀比較平緩的向斜地區，確定有利勘探方向的頁巖氣目標區域。

關鍵詞：頁巖氣 向斜 吸附氣 游離氣 溶解氣 富集規律

中圖分類號：P618.13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0010-05

頁巖氣是一種自生自儲的非常規天然氣資源，其富集規律除了受到沉積環境等因素影響外，還要受到含氣性、頁巖儲層、蓋層、控氣地質背景等因素的影響。頁巖氣富集規律直接關系到頁巖氣的勘探與開發。理論和實踐研究表明，儲層埋深為頁巖氣富集的主要控制因素。中國頁巖氣資源勘探潛力大[1-5]，該文涉及到的研究區位于四川南部和云南東北部地區，對南方海相頁巖含氣量分布特征進行了深入的剖析，同時利用等溫吸附測試結果建立了該地區的頁巖含氣量-深度關系模型，對該地區的頁巖氣含氣性進行了理論預測。

1 南方海相頁巖含氣量分布特征

頁巖含氣量主要由游離氣、吸附氣和溶解氣構成。研究表明：頁巖含氣量分布特征主要受頁巖儲層埋深、儲層構造形態、有機碳含量以及儲層物性等因素的影響。

1.1 頁巖含氣量與埋深的關系

南方海相頁巖含氣量普遍較低，統計分析了14口頁巖氣井含氣量測試數據，發現頁巖含氣量變化較大，總體偏低，頁巖含氣量在垂向上變化很大，高值只分布在下部富含有機質頁巖的部分井段。頁巖氣實驗研究表明：含氣量和埋深存在拋物線的關系，而且不同的埋深，頁巖氣的組成類型不同。埋深小于1000 m，吸附氣主導，埋深超過1000 m，游離氣開始迅速增加，并在3000 m以后占據主導地位，超過5000 m以后，大埋深、過成熟，經歷強烈壓實導致孔隙度降低，影響含氣量，總體來看：頁巖含氣量與埋深呈拋物線的關系（圖1）。

1.2 頁巖含氣量與構造形態關系

與北美環加拿大克拉通形成一系列沉積盆地的格局不同，中國分布著揚子、華北和塔里木三個交互影響的板塊，相互之間的共同作用影響著中國不同時期沉積盆地及其中頁巖的沉積，后期的構造變動決定了頁巖現今的宏觀分布。南方海相頁巖形成時間早，后期構造活動對頁巖氣保存條件影響很大，儲層構造形態對頁巖含氣量具有重要的影響。經過近幾年的勘探開發工作，構造形態對頁巖含氣量的影響業已形成共識。穩定區及相對穩定區對頁巖氣保存有利，向斜區最為有利，其次為斜坡區。背斜區斷層及裂隙對頁巖氣保存不利，埋深生烴期較晚、且后期抬升到適當位置的地區有利于頁巖氣保存和形成超壓，多期抬升和長期抬升不利于頁巖氣保存。例如YQ2井井位構造位于滇黔北坳陷威信凹陷牛街背斜帶大雪山背斜北緣；YQ3井位于滇黔北坳陷威信凹陷孔壩背斜帶東北部。YQ2和YQ3井埋深分別為12 m和34 m，頁巖含氣量分別只有0.11方/t和0.06方/t（如圖2）。

我國海相頁巖構造改造強烈，頁巖儲層受多次改造、斷裂發育、天然裂隙發育等的影響。而頁巖脆性強，在構造運動產生的應力場條件下容易破裂，產生大量裂縫，造成氣藏破壞。在我國總體構造運動比較強烈的地質背景條件，應該尋找構造運動比較弱的部位，比如寬緩的向向斜、地層產狀比較平緩地區。

1.3 頁巖含氣量與有機碳碳含量（TOC）的關系

頁巖有機碳控制著頁巖的物理化學性質；一定程度上控制頁巖裂縫的發育程度；更重要的是控制著頁巖的含氣量。通過統計14口井頁巖氣井的有機碳含量與頁巖含氣量125個數據，發現有機碳含量不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數，而且是有機質作為吸附氣的核心載體。頁巖對氣的吸附能力與頁巖的總有機碳豐度之間存在正相關關系（圖3）。

有機質豐度達到多少才能形成商業性頁巖氣藏，這個參數至關重要。關于頁巖氣藏形成的有機碳下限值，很多學者都進行過研究[6-8]，認為1%～3%不等。本次研究的四川南部和云南東北部海相烴源巖主要為黑色泥巖，與美國相比，熱演化程度較高，都已達高過成熟階段，大量形態有機質可能已經無法用正常方法測試和觀察到。因此，綜合考慮各方面因素，認為形成頁巖氣藏的源巖有機碳含量下限應該采用傳統的烴源巖生烴標準，定為0.5%較為合適。

1.4 頁巖含氣量與儲層物性的關系

與美國五大頁巖氣盆地對比，我國南方海相頁巖儲層物性條件中等，儲層石英含量高、孔隙度低、滲透率較高。我國南方海相頁巖儲層孔隙度一般0.8%～5.8%，平均值2.7%；孔隙度在4%以上的占14.1%；滲透率一般范圍1～4058 md，平均值136 md；大于200 md的占11.3%。儲層屬于超低滲儲層的范圍。孔隙度直接反映著儲集能力，滲透率反映的是滲濾能力。根據孔隙度、滲透率值與該區的油氣產能的關系來評判儲集巖十分重要，但受多方面因素的影響，孔隙度、滲透率與頁巖氣含量關系不明顯（圖4）。頁巖儲層只有經過壓裂改造后方能獲得工業氣流。

2 南方海相頁巖含氣量理論模型

2.1 頁巖含氣量預測模型

頁巖氣存在三種賦存狀態，即吸附在頁巖孔隙表面的吸附態、分布在頁巖孔隙及裂隙中游離態和溶解在頁巖地層水中的溶解態。一般情況下，在頁巖熱演化作用過程中生成的甲烷氣體，首先滿足吸附，然后溶解和游離析出，在一定的溫度和壓力調節下，這三種狀態氣處于同一動態平衡體系之中，當頁巖的生烴量增大或外界條件改變時，三種存儲形式可以相互轉換。

2.1.1 吸附甲烷氣

吸附狀態的天然氣量可以通過等溫吸附曲線模擬確定。在當前的實驗條件和理論水平下，均勻孔隙介質的langmuir單分子吸附動力學模型仍是實驗研究的理論依據。頁巖氣是以甲烷氣體為主的混合氣體，可利用langmuir等溫吸附方程來描述。

根據頁巖氣的氣體組成，配制實驗氣體，模擬儲層溫度條件下的等溫吸附實驗；通過實驗平衡壓力點氣體組分分析和氣體壓縮因子計算，可以得到該平衡壓力點吸附混合氣體的氣量；對各測試點氣體平衡壓力和吸附混合氣體氣量，用方程式

P/V吸=PL混/VL混+P/VL混

做線性擬合，通過直線斜率和截距求得儲層溫度條件下混合氣體Langmuir吸附

常數VL混、PL混。可進一步確定混合氣體的等溫吸附方程

V吸=VL混P/（P+PL混）

根據儲層壓力P就可以得到吸附氣的儲集潛力V吸。通過實驗測試，我們建立了頁巖氣在上揚子地區含氣量與埋深、TOC的關系模型，用于吸附氣量的計算。

2.1.2 游離氣

對于頁巖氣來言，孔隙為頁巖氣的富集提供了儲集空間，同時也是液態地層水儲集的空間。這些儲存了氣水流體的孔隙是滲流孔隙，基本上是中孔、大孔及其以上的孔隙，我們稱為有效孔隙度。有效孔隙度與總孔隙度相比，一般占50%～80%，與頁巖的成熟度和TOC含量有密切關系。游離氣量為孔隙中不同氣體的氣量之和，即

V游=

式中，V游為游離氣的儲集氣量，V游i為游離氣中第i種氣體的儲集氣量。當甲烷濃度很高時或作近似計算時，可以將頁巖氣簡化為甲烷氣體。

在儲層的溫度和壓力條件下，煤層氣作為真實氣體，與理想氣體存在一定偏差，溫度和壓力越大，理想氣體就越需要氣體的壓縮因子校正，計算公式：

Ni=piVpSg/ZiRT

式中：pi為儲層壓力，Pa；T為儲層溫度，K；Vp為煤儲層滲流孔隙孔容，Cm3/t； Sg為頁巖氣含氣飽和度，%；Zi為第i種氣體組分的壓縮因子。

通過計算，我們獲得了不同埋深條件下頁巖含氣量與埋深關系圖版。

2.1.3 溶解氣

溶解狀態的天然氣即頁巖中水溶氣和油溶氣。其數量的大小由孔隙中油水數量和特定溫度和壓力下對氣體的溶解量的大小決定。各種氣體在油水中溶解能力差別很大，一般頁巖含油水的量都在5%以下。在頁巖氣產液態烴的階段，油溶氣占了比較大的比例，在成熟度比較高的階段，頁巖中的油已經全部裂解，沒有液態烴的存在，雖然油溶氣溶解能力大，但是沒有油溶氣存在。

頁巖中水的溶解量是氣體溶解度、孔隙度和含水飽和度的函數，可具體表達為：

式中，V溶為溶解氣的儲集潛力，cm3/t； Vp為煤儲層孔容，cm3/g；Sw為含水飽和度，%；Rsi為第i種組分的溶解度（體積比），cm3/cm3。當甲烷濃度很高時近視為頁巖氣全部為甲烷氣體。天然氣在水中溶解度受溫度、壓力和礦化度等多種因素的影響，付曉泰（1996）提出天然氣組分溶解度方程如下：

式中：Csi為第i種組分在鹽溶液中溶解度，mol/m3；f為鹽溶液的游離水體積分數，m3/m3；Ki為第i種組分在純水中的水合常數；Фi為有效孔隙度中的水對第i種氣體組分的溶解度m3/m3；Фsi為有效孔隙度中的水對第i種氣體組分的溶解度，m3/m3；bi為氣體組分i的范德華體積，甲烷氣體的值為4.28*10-5，m3/mol；pi為氣體組分i的分壓，Pa；i為第i中氣體組分；T為絕對溫度，K；R為摩爾氣體常數，8.3J/（mol·K）。

2.2 頁巖深度富集帶L-W模型

頁巖氣是吸附氣、游離氣和溶解氣三種賦存狀態的動態平衡。通過我們的前期研究，我們獲得重要的理論認識：頁巖含氣量與地層埋深是一種拋物線關系模型，我們這里簡稱為頁巖深度富集帶L-W模型。

我們知道影響頁巖吸附的地質因素主要包括：地層溫度（與埋深有關）、地層壓力（與埋深有關）、TOC含量、有機質類型、成熟度以及粘土礦物含量等因素。其中影響最重要的三個因素是溫度、壓力和有機質含量等三個因素。為此，我們在實驗室室內，利用FY-2000型等溫吸附儀，開展了不同TOC、溫度和壓力的吸附模擬實驗，建立了南方海相頁巖吸附氣與埋深關系LW模型和南方海相頁巖游離氣與埋深LW模型。在這兩個模型的基礎上，結合14口頁巖氣井的鉆井和實驗測試數據，我們本次研究建立了頁巖深度富集帶L-W模型。

頁巖深度富集帶L-W模型中，頁巖深度和含氣量是一種拋物線的關系。在埋深在1.5～2.5 km區間內，頁巖含氣量普遍較高。有機質含量小于0.5%時，頁巖含氣量隨埋深的增加，普遍低于0.5方/噸；有機質含量介于0.5%～1.0%時，頁巖含氣量普遍在1.0方/t以內，當有機質含量大于1%時，頁巖含氣量增高趨勢明顯。目前在中國南方海相頁巖還沒有鉆井深度為4 km的頁巖氣井。

3 南方海相頁巖向斜富集特征

3.1 向斜構造具有天然保持地層壓力條件

勘探實踐證實，當頁巖氣層遭受抬升剝蝕從而埋深過淺并與地表大氣水連通或由于斷裂與地表溝通時，除游離氣散失外，吸附氣一方面由于降壓解吸變為游離氣散失，另一方面由于氮氣、二氧化碳具有更強的吸附性而置換甲烷，頁巖氣保存條件喪失。因此地層壓力保持條件非常重要。

向斜圈閉是應力圈閉，這種封閉是壓性和壓扭性應力作用的結果[9]。向斜低部位一般為相對的流體高勢區，常伴隨有超壓現象。這是因為向斜構造具有天然保持地層壓力的條件。向斜構造的兩翼與軸部中和面以上表現為壓應力，頂板與頁巖層斷裂或裂隙不發育，阻止了頁巖氣向上逸散，有利于頁巖氣在此部位的富集（圖8）。因此向斜構造具有天然氣保持地層壓力的先天優勢條件。

3.2 向斜構造具有頁巖氣成藏的有利構造條件

地質家們一直根據背斜成藏模式指導著常規天然氣的勘探決策。頁巖氣與常規天然氣相比，頁巖氣藏是“自生自儲”式氣藏，運移距離極短，其現今保存狀態基本上可以反映烴類運移的狀況，即天然氣主要以游離相、吸附相和溶解相存在。在生物化學生氣階段，天然氣首先吸附在有機質和巖石顆粒表面，飽和后則富余的天然氣以游離相或溶解相進行運移；當達到熱裂解生氣階段，由于壓力升高，若頁巖內部產生裂縫，則天然氣以游離相為主向其中運移聚集，受周圍致密頁巖烴源巖層遮擋、圈閉，易形成工業性頁巖氣藏。從剖面上看，向斜構造儲集體呈“凹”形或元寶狀，最有利形成高產的部位在中部，大致呈上部收斂、下部張開的截錐狀，可以是單層的，也可以是多層組合的。從平面上看，在傾伏向斜中儲集體呈箕狀，在鞍狀向斜中儲集體約成四邊形。在頁巖含氣量總體在埋深的因素控制下，對含氣量起控制性的主要因素為大中型褶皺構造及撓曲構造，按照褶皺構造與撓曲構造的具體類型及部位不同，其對頁巖含氣量的影響不同。勘探實踐證明，向斜部位頁巖含氣量最高，向斜構造具有頁巖氣成藏的有利構造條件。

4 結論與認識

4.1 深度富集帶模型

中國大陸含油盆地可分為經向的伊蘭一伊通一渤海灣一江漢等盆地帶和緯向的準噶爾一二連一松遼等盆地帶，兩帶共擁有中國石油產量和儲量的絕對優勢，因而分別被稱為經向和緯向石油富集“黃金帶”[10]。頁巖氣為大面積連續性氣藏，尋找甜點區是提高單井產量和開發效益的關鍵，隨著開發的全球化，頁巖氣成藏理論不斷得到創新發展，其地質評價和選區技術開始體現盆地的特殊性和個性。頁巖氣的勘探與開發是我們面臨的嶄新課題，通過前期研究我們發現頁巖氣含量的富集受深度控制，本次研究建立了深度富集帶理論模型（W-L模型），對于頁巖氣的勘探具有重要的現實意義。

4.2 向斜富集論的勘探實踐

“油氣從低處往高處運移，并聚集在背斜之中，低部位向斜無油氣聚集”，這就是眾所周知的背斜理論。頁巖氣作為油氣勘探新領域，隨著勘探的深入和擴大，向斜富集論越來越為大家接受。中國南方是我國頁巖氣勘探評價的重點地區，發育海相、陸相多套富有機質泥頁巖，具備形成頁巖氣的基本地質條件。但與美國頁巖氣相比，我國南方海相頁巖氣具有多期構造運動疊加改造、熱演化程度高、保存條件復雜的特點，與美國已成功開發的頁巖氣相比，具有明顯的差異性，面臨諸多挑戰，因此向斜富集論的提出具有重大的理論指導意義。

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