頁巖氣成藏及規律分析與探索

馬 帥

（長江大學地球科學學院，湖北武漢 430100）

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附狀態為主要存在方式的天然氣聚集[1，2]。從能源安全和需求的角度而言，我國天然氣產量仍然不能自給自足，存在巨大的缺口，對外依存度比較高，并且逐年增加。據有關資料顯示，我國的頁巖氣勘探潛力巨大，目前總體處于勘探早-中期階段，頁巖氣市場具備十分廣闊的潛力。因此，加強頁巖氣的研究，對發現新的頁巖氣資源、提升國家能源自給率以及確保國家能源安全都具有十分重要的現實意義。

1 頁巖氣聚集機理

在經過長時間的靜水還原性沉積之后，頁巖就會連續生成生物型的天然氣，在此過程中，也會形成頁巖氣，并且頁巖氣的形成不要求特殊的構造條件，聚集過程中幾乎沒有運移距離，一般在頁巖層內就近便會聚集起來，表現為典型的“原地”聚集模式，具有“早期成藏”、“隱蔽性”、“源儲一體”的特點。頁巖氣聚集是復雜的多機理遞變過程，在剛開始階段，有機質和巖石顆粒表面吸附的主要為生物型天然氣，當天然氣的吸附量和溶解量達到一定的飽和度時，剩余的天然氣就會逃散（圖1）。這個階段形成的頁巖氣主要以吸附狀態存儲在頁巖內部，總體含氣量有限。然后經過一段時間的演化之后，頁巖中的有機質就會進入成熟階段，這個階段天然氣主要是由于干酪根的降解和各種大分子烴類的裂解作用而形成的，生成的大量天然氣使地層產生了異常的高壓區。在高壓的作用下，頁巖內部就會產生裂縫，使得大量天然氣聚集在裂縫中，最終形成了游離態為主、吸附態和溶解態為輔的頁巖氣。從某種程度上而言，頁巖氣的聚集本質上是天然氣在頁巖中大規模滯留的結果[3-4]。

圖1 頁巖氣聚集機理示意圖

2 頁巖氣地質特征

頁巖氣的地質特征主要有5點：賦存狀態、儲層特點、地化特征、成因類型、保存條件等。首先，大部分的頁巖氣在頁巖中都是以吸附態存在，其他則是以游離態、溶解態存在。頁巖氣的富集程度與儲層的孔滲條件和裂縫發育程度關系較大，孔滲條件較好、裂縫越發育，則頁巖氣的品質和資源量越好。其次，在頁巖氣儲層中，絕大多數黏土礦物都已經轉化成穩定性的礦物，并且處于晚成巖時期，地層的厚度一般需要大于30m。頁巖儲層中的Toc含量較高，一般大于l%，而且有機質豐度比較高，不同類型的有機質在整個演化過程中都會生成頁巖氣。另外，頁巖氣的成因類型有3種：熱成因、生物化學成因以及二者的混合成因。最后，具有商業價值的頁巖氣藏對于保存條件有一定的要求。

3 頁巖氣演化特征

頁巖氣的形成對于頁巖的種類沒有十分特殊的要求，在條件允許的情況下，只要是富含有機質的頁巖就有機會生成頁巖氣，但是不同種類的頁巖生成頁巖氣的演化過程中具有不一樣的特征，按照有機質來劃分，頁巖主要分為3種：腐泥型、混合型、腐殖型。前兩種頁巖在沉積之后埋藏的深度會日益加大，在深度達到一定的數值之前，頁巖在這一過程中生成了大量的以生物甲烷為主的烴類產物，這時頁巖的生油潛力非常大。在深度達到門限深度之后，頁巖中的大量有機質-干酪根便逐漸降解生成原油并且排出。隨著埋藏深度的進一步加大，干酪根和之前生成的原油發生熱裂解反應，生成輕質油和裂解氣[3，4]。最后，頁巖的生油潛力逐漸枯竭，但是干酪根和之前生成的原油仍然會發生熱裂解反應，生成高溫甲烷。第三種頁巖以生氣為主，與前兩種頁巖的最大的區別在于沒有生油帶，在頁巖氣演化過程中沒有油產生，而其他演化特征基本相同。

4 頁巖氣主控因素

頁巖的物質組成和類型主要由沉積環境決定，而頁巖的熱演化程度和分布情況主要由構造條件決定。一般情況下，很多因素都會控制頁巖氣的聚集，主要為有機質成熟度、有機質豐度以及裂縫。天然氣的生成方式主要由有機質的成熟度決定，而且頁巖成熟度越高，氣體的生成速度越快，其含氣量越大。頁巖成熟度較低，頁巖中生成的天然氣會溶解在原油中，而基本不會產出頁巖氣。其次，有機碳含量也是控制頁巖氣聚集的主要因素，不但可以控制頁巖的物理性質和化學性質，而且在一定程度上也可以控制其裂縫發育情況，更為關鍵的是可以控制其含氣量的大小，有機碳含量越高，頁巖的含氣量越大，它們之間呈正相關。一般而言，頁巖氣含量多的頁巖中，裂縫都比較發育，而且其品質也較好。但是，對于頁巖氣的成藏，裂縫發育是一把雙刃劍：頁巖中微裂縫比較發育，并且和大型斷裂相互連通，會破壞頁巖氣的保存，而且裂縫規模過大，甚至會使天然氣散失；頁巖中微裂縫發育，不僅能為頁巖氣成藏提供一定的儲集空間，也可以為頁巖氣的運移、開采提供通道[3-4]。

5 頁巖氣分布規律

頁巖氣的分布同樣由很多因素所決定，例如賦存條件、沉積條件、有機質成熟度、埋藏深度等，使得頁巖氣分布具有一定的隱蔽性，導致頁巖氣的勘探開發難度較大。想要形成具有商業價值的頁巖氣，就必須具有豐富的氣源條件，而通常富含有機質的黑色泥頁巖是最好的氣源條件，這種黑色泥頁巖都是在條件比較好的還原環境中形成的。與此同時，頁巖氣的富集也需要非常大的儲集空間，這種空間其實就是厚度較大的地層（＞30m），而且從天然氣的生成條件而言，不僅需要厭氧環境，而且需要高溫條件，因此，頁巖氣的富集有利區是沉積的中心區域[4-5]。一般而言，具有商業價值的頁巖氣儲層都是在一定規模的裂縫發育帶中發現的，除了頁巖自生的裂縫之外，構造裂縫也可以給頁巖氣的聚集提供一定的條件。因此，頁巖氣的聚集場所還有地應力集中帶、構造轉折帶以及褶皺等[4-5]。

6 結論

與常規油氣資源相比，我國的頁巖氣資源量潛力巨大，并且具有十分良好的勘探開發前景。經過近些年的發展，頁巖氣的儲層研究取得一定的成果，但是對于頁巖氣成藏規律方面的研究，目前仍然不夠成熟，處于探索階段。因此，必須開展頁巖氣成藏和規律方面的分析與研究，對比和總結不同地區頁巖氣儲層的規律，從而對頁巖氣的勘探開發進行有效指導。