頁巖氣藏淺析

栗業

摘要：頁巖氣是一種新型的非常規天然氣，頁巖氣藏具有“自生自儲”的特點。頁巖氣藏的資源量潛力巨大，具有開采穩產周期長，開采壽命長，資源清潔等優點，同時，頁巖氣開采對技術的要求高，頁巖氣的成藏機理和成藏特征的研究就非常有意義，基礎理論的研究為頁巖氣的進一步勘探開發打下基礎，加快我國的頁巖氣商業生產進程。本文將簡單介紹頁巖氣成藏條件和成藏特征。

關鍵詞：頁巖氣；成藏條件；成藏特征

據已有資料顯示頁巖氣的開采時間甚至比石油都早上一段時間，美國對頁巖氣的研究也經歷了漫長的過程。據稱美國在2009年首次超過俄羅斯成為世界最大的天然氣生產國，美國在2011年時，頁巖氣產量基本實現了自給自足，美國的頁巖氣生產引起世界各國的關注[1]。我國是能源消耗大國，根據研究發現，我國的主要頁巖氣富集區可采資源量約為26×1012m3，大致與美國的28×1012m3相當[2]。中國頁巖氣的儲量相當可觀。但研究程度低，技術條件不成熟，不能達到商業開采的要求。許多鉆井都是處于試驗階段。中國頁巖氣開發有很大的潛力，頁巖氣一旦商業開發成功，將為中國帶來一場能源革命[17-19]。

1.頁巖氣藏類型及成藏機理

美國的頁巖氣研究水平處于世界領先，美國的頁巖氣藏按成因類型主要有熱成因和生物成因，以及兩種類型混合型成藏模式。熱成因型頁巖氣又可以分為3種亞類：①高熱成熟度型。②低熱成熟度型。③混合巖性型。生物成因頁巖氣可分為2種類型：①早成型，在頁巖的沉積初期就開始生成氣體，氣藏的平面形態為毯狀。②晚成型，頁巖氣的產生與頁巖沉積間隔時間較長，氣藏的平面形態為環狀[3]。頁巖氣作為一種非常規天然氣與常規天然氣在賦存方式、成藏特征等方面都有差別。

據不同的成藏條件，頁巖氣成藏可以表現為典型的吸附機理、活塞運聚機理或置換運聚機理[3]。主要分為三個階段：第一個階段為頁巖氣的生成和吸附。與煤層氣的成藏機理大致相同。發生在成藏的初期，頁巖層開始產生氣體，由于產生的氣體量小，主要被有機質顆粒吸附。第二個階段為頁巖氣的造隙和排出，隨著頁巖層的氣體量增大，原來密度較大的有機質顆粒變成了密度小的天然氣，頁巖層的壓力隨之增大，頁巖層脆性較大的部位開始發生裂解，產生裂縫，裂縫的產生為頁巖氣的儲存提供了空間，也為頁巖氣的運移提供了通道。第三階段為頁巖氣的運移和置換，隨著壓力減小，頁巖層的產氣量越來越多，在通常情況下，與頁巖間互出現的儲層主要為粉-細砂巖類，具有低孔低滲特點，它限定了天然氣的運移方式為活塞式排水特點，或者在浮力作用下，天然氣將以置換方式沿裂縫從泥頁巖層向儲層運移，從而形成頁巖氣藏[4-6]。

2.頁巖氣藏的主控因素

2.1有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度

頁巖中的干酪根碳同位素組成主要是與原始有機質的成分即母質類型和沉積的環境即熱演化程度有聯系。有機質類型，從一定程度上決定著有機質的生烴潛力。北美典型頁巖氣藏的干酪根主要為Ⅱ型或Ⅰ型干酪根，少量為Ⅲ型干酪根[7，13]。

總有機碳含量是頁巖層有機質豐度的評價指標。有機碳含量不僅決定著頁巖氣藏的含氣量，同時影響著頁巖裂縫的發育。經統計，美國的頁巖氣藏有機碳含量大多在1%～5%，所以，現階段達到工業開采要求的頁巖氣藏，有機碳平均含量必須大于1%[8]。

經典的理論認為有機質成熟度大于2%后烴源巖基本就不再生烴了。而對于頁巖氣藏就不適用。頁巖的成熟度越高，不會影響頁巖氣的生成，在一定范圍內反而有利于頁巖氣藏的形成。所以頁巖氣工業開采窗比經典的生烴窗要大，統計發現北美頁巖氣儲層的Ro值一般大于1.1%[8，9]。

頁巖層的有機質類型，有機質豐度，有機質成熟度都決定著頁巖氣藏的生烴潛力[20]。

2.2頁巖層厚度與埋深

頁巖層形成頁巖氣藏并達到工業開采標準需要豐富的物質條件，要求生烴的有機質含量達到一定的標準。有機質豐度高的黑色泥頁巖是頁巖氣成藏的最好源巖，它們的形成需要較快速的沉積條件和封閉性較好的還原環境。

頁巖氣有自生自儲的特點，泥、頁巖首先充當的是烴源巖，產生頁巖氣。其次才是充當儲集層和蓋層。所以泥頁巖的厚度決定著頁巖氣藏的潛力。因而，穩定的區域構造環境能夠使泥頁巖連續的沉積。穩定的區域構造不易破壞泥頁巖的平面分布[10]。頁巖氣和常規性油氣一樣，頁巖層必須達到一定要求才有商業開采的價值。聶海寬等認為具有商業開發價值的頁巖氣藏的頁巖層厚度下限為9m。頁巖層的厚度不但決定著氣藏的生氣量同時還能提供足夠的儲存空間。據相關資料顯示，美國目前投入開發生產的頁巖埋深介于180m～2600m[5]，經分析認為頁巖的有利埋深范圍為500m～4500m，該埋深段頁巖氣易于保存，頁巖儲層溫度、應力條件適中，鉆完井和增產改造成本相對較低[8]。

2.3頁巖的礦物組成

巖石組成一般為30%～50%的粘土礦物、15%～25%的粉砂質（石英顆粒）和4%～30%的有機質，多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層[4，6]。頁巖的有機質含量不僅決定著頁巖的生烴潛力，同時也決定著頁巖的性質。脆性礦物多，頁巖受外力作用的影響就越大，就易產生裂縫。對于生物成因的頁巖氣藏裂縫的發育有利于頁巖氣的產生和儲存。裂縫的產生對熱成因的頁巖氣藏可能有一定的破壞作用，但是頁巖氣藏具有自生自儲的特點，少量裂縫的產生對頁巖氣的儲存是有利的，同時頁巖的脆性好，對頁巖氣藏的后期壓裂作用有一定的幫助。構造作用對頁巖氣藏的影響，一方面是對頁巖沉積連續性的影響，另一方面是使頁巖氣藏產生裂縫。

2.4頁巖層孔隙和滲透率特征

孔隙是頁巖儲存的重要空間，孔隙的大小與頁巖氣的儲存有很大的關系，并且只有有效的孔隙才能儲存頁巖氣。頁巖儲層的孔隙度和滲透率極低。我國頁巖氣儲層孔隙度大多為4%～5%，滲透率一般小于10×10-3μ㎡[6]，且隨著埋深的增加，孔、滲降低，物性變差。頁巖氣藏中的游離氣主要儲集在頁巖基質孔隙和裂縫等空間中。有機質內微-納米級孔隙發育，為頁巖氣儲存提供了有效空間，使頁巖含氣量高。頁巖層低孔低滲的特征讓頁巖氣藏不需要特定的蓋層，頁巖層本身就能儲存頁巖氣，形成頁巖氣藏[16]。endprint

3.頁巖氣成藏特征

3.1氣源特征和儲存特征

頁巖氣藏的烴源巖是頁巖層。按照氣體在頁巖層中的賦存方式不同，頁巖氣藏中的烴類氣體可以分為三類：在干酪根和頁巖顆粒表面吸附著的吸附氣、在儲層孔隙和裂縫中存儲著的游離氣、以及少量溶解在有機質的溶解氣[11]。頁巖層產生頁巖氣初期氣體大都吸附在有機質顆粒表面，當吸附達到飽和后頁巖氣將以游離態形式在儲層孔隙和裂縫中。只有不到10%的頁巖氣會溶解在瀝青質、殘留水等中。其中吸附相存在的天然氣可占天然氣賦存總量的20%～85%[4，11]。可通過壓力技術，使吸附的頁巖氣轉換成游離態的頁巖氣進行開采。頁巖氣藏開采的主體是游離態的氣體。

3.2頁巖氣藏蓋層和圈閉特征

頁巖層的致密性和低滲透的特點使得頁巖氣很難從頁巖層中流失。所以頁巖層本身就可以作為頁巖氣藏的蓋層。頁巖氣的特征使得頁巖氣不需要常規的蓋層和遮擋物，因此對構造背景的依靠不是很深。本身就能儲存在巖層，形成頁巖氣藏就相當于常規意義上的圈閉氣藏[12]。

構造運動對頁巖氣藏是有影響的。構造運動可能是頁巖層上抬或者下降，頁巖層的埋深可能影響頁巖的成熟度，埋深越大溫度和壓力越大，演化程度越高，成熟度越大。反之就演化程度低，成熟度低。構造運動可能對頁巖氣藏的影響有好有壞。初期的構造運動可能是頁巖層產生裂縫，減壓利于頁巖氣的析出，并提供儲存空間。但是強烈的構造會產生大量裂縫，使產生的頁巖氣流失，破壞已經形成的頁巖氣藏[13，14]。

3.3頁巖氣藏的分布特征

頁巖層的厚度和分布受沉積環境的影響，一般頁巖層的厚度很大，分布范圍廣。頁巖層一般都是作為區域地層的，其沉積連續且分布范圍廣。區域地層的沉積具有區域性，與沉積時的環境有關。任何油藏氣藏都必須具有良好的保存條件。頁巖氣與常規油氣不同，不需要常規意義的圈閉，是其頁巖層本身就能充當儲層和蓋層，形成圈閉。具有自生自儲的特征。頁巖層的廣泛分布，使得頁巖氣藏的分布也具有范圍廣、區域性和連續性的特點[15]。

4.總結

通過對頁巖氣藏的成藏條件和成藏特征分析，有利于頁巖氣藏的區域初選。我國對頁巖氣研究時間不長，還未掌握核心的開采技術。頁巖氣的商業開采還需要諸多學者的付出。

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