頁巖氣成藏機理、主控因素及分布規律分析

韓 浩

（長江大學地球科學學院，湖北武漢 430100）

隨著經濟的快速發展以及人口數量的持續增加，人類對于能源的需求急劇增加，而且常規的油氣資源可開采儲量日益減少，急需尋找類似頁巖氣、煤層氣、頁巖油等非常規油氣資源。美國早在1821年就開始了頁巖氣的勘探開發，隨著油氣勘探開發的技術持續發展，美國的“頁巖氣革命”使其從油氣進口國一躍成為油氣出口國，進而實現了自身的能源獨立，在一定程度上改變了世界的能源格局[1-2]。我國的頁巖氣勘探開發起步較晚，直到20世紀60年代，才開始進行頁巖氣的勘探。近些年以來，很多專家學者對頁巖氣儲層進行了大量的分析與研究，并取得了一系列的成果。在查閱大量的文獻和資料之后，本文主要對這些專家學者的一些理論和方法進行總結和分析，以期為頁巖氣勘探開發提供一定的參考。

1 頁巖氣成藏的機理及過程

頁巖氣（Shale Gas）是指主體位于有機質含量較高的頁巖及其夾層中，主要以吸附及游離狀態聚集的烴類氣體（天然氣）。頁巖氣的成藏機理本質上是天然氣在頁巖中不同賦存狀態之間的一種動態平衡[2]。按照成藏條件的不同，頁巖氣的成藏機理可以分為3種：吸附、活塞運聚或置換運聚。而按照相應的成藏機理，頁巖氣的成藏過程又可以分成3個階段。

1.1成藏初期

這一階段的成藏機理與煤層氣成藏比較相似，主要的成藏機理是吸附機理，使得天然氣會出現生成、吸附以及溶解逃離，如圖1（a）所示。在剛開始，由于生物作用，頁巖中產生一定數量的天然氣，這些天然氣會被有機質和巖石顆粒的表面所吸附，一旦吸附的氣量與溶解的逃逸氣量達到一定程度時，多余的天然氣則會以游離相或溶解相的形式進行逃離，如果條件允許的情況下，逃離的天然氣有利于水溶氣藏的形成，可以為之提供十分豐富的氣源，但是這一階段所形成的頁巖氣藏主要存在于頁巖內部，含氣量十分有限[2-3]。

1.2成藏中期

這一階段主要的成藏機理是吸附、活塞運聚機理，使得天然氣會出現造縫和排出，如圖1（b）所示。在頁巖氣成藏的中期，由于熱化學能的轉化作用，一些密度較高的有機母質就會發生轉化，進而形成密度較低的天然氣。在相對密閉的系統中，密度較低的天然氣會增加原有地層的壓力，進而會出現異常高壓地層，使得頁巖內部會出現破裂帶，天然氣便會聚集其中，從而形成了頁巖氣藏。在成藏中期，平均含氣量的豐度可以達到比較高的水平，從而形成工業氣藏。

1.3成藏后期

這一階段主要的成藏機理是置換運聚機理，使得天然氣會出現置換和運移，如圖1（c）所示。隨著天然氣不斷增多，大量以游離相存在的天然氣沒法都保留在頁巖中，進而出現了天然氣逃逸。在一般情況下，頁巖氣儲層具有低孔低滲的特點，使得天然氣的運移具有活塞式排水的特點，從而在頁巖邊緣形成根緣氣聚集[3]。這時的天然氣聚集早已超越了頁巖自身，具有無邊、底水的地層含氣特點。

圖1 頁巖氣成藏的三個階段（改自張金川，2004年）

2 頁巖氣成藏的主控因素

很多因素都可以對頁巖氣的成藏起到一定的控制作用，并且在一定程度上決定頁巖氣的分布，但是起主要作用的是地質因素。根據相關分析表明，主要的地質因素有有機碳含量、有機質成熟度、裂縫發育程度、構造保存條件等，具體情況如下：

2.1有機碳含量

有機碳不但是頁巖氣形成的物質基礎，而且是頁巖吸附氣的重要載體之一，直接決定了頁巖的生烴強度，因此，在頁巖氣成藏的過程中，有機碳的含量是一個非常關鍵的指標。如果頁巖所處的地質條件和演化階段一樣，頁巖的生烴能力、吸附能力與有機碳的含量具有十分顯著的正向相關的關系，有機碳的含量越高，頁巖的含氣量越大。根據相關調查發現，很多地方的頁巖氣層中的有機碳含量都大于2%，甚至能夠達到普通源巖的10～20倍[3]。

2.2有機質成熟度

有機質成熟度是判斷有機質是否可以生氣的重要指標之一，對于天然氣的生成方式起到決定作用。根據有機質成熟度的差異，頁巖氣藏可以分為3種：熱成因、生物成因以及混合成因。一般而言，高成熟度的有機質并不會限制頁巖氣的富集，而正好相反，有機質成熟度越高，越有利于頁巖氣的成藏，頁巖的含氣量和產氣量就越大。根據相關調查發現，很多地方的頁巖氣層有機質屬于成熟-高熟階段，成熟度主要位于1.0%～2.0%。

2.3裂縫發育程度

頁巖中裂縫的發育程度對于頁巖中天然氣的吸附和解析起到了一定的促進作用，裂縫不但可以作為頁巖氣藏的儲集空間，而且在一定程度上決定了頁巖氣富集的品質。通常而言，裂縫越發育，頁巖氣越富集，而且頁巖氣的品質越好。但是，如果頁巖中的微裂縫十分發育，其有可能與較大的裂縫進行連通，這種情況嚴重影響了頁巖氣的保存，甚至會導致天然氣逃逸或散失。一般而言，地應力相對集中帶、構造轉折帶等裂縫比較發育的區域，一般都是頁巖氣成藏的重要場所。

2.4 構造保存條件

構造保存條件也是頁巖氣成藏的主控因素之一，直接決定了頁巖氣藏有利勘探開發區塊的優選。根據天然氣的生成角度而言，天然氣（生物氣）主要是在厭氧的環境中形成的，并且天然氣（熱成因氣）主要是在溫度較高的環境中形成的；此外，頁巖的厚度越大，頁巖中的有機質含量就越多，頁巖的富集程度也會越高，因此，一般而言，沉積盆地內部抬升幅度較小、沉降中心及周圍等地區都是頁巖氣成藏的有利區域。

3 頁巖氣藏的分布規律

根據相關研究可以總結出頁巖氣藏的分布規律主要有3點：①頁巖中有機碳含量是頁巖氣成藏的烴源物質基礎，因此，頁巖中有機碳含量越高，越有利于頁巖氣藏的聚集，一般而言，泥頁巖是頁巖氣成藏的最好的巖性；②在陸相盆地中，頁巖氣成藏的沉積相主要為三角洲相和湖泊相，這兩種沉積相最有利于頁巖氣藏的聚集，通常位于盆地的沉積中心及周邊區域；③頁巖氣藏的儲層都有普遍含氣性的特點，而且具有低孔、低滲的特征，孔隙和裂縫是頁巖氣藏的主要儲集空間。因此，裂縫發育區是頁巖氣藏分布的重要場所。

4 結語

根據對頁巖氣的成藏機理、分布規律以及主控因素的分析與探索可知，頁巖氣的成藏及分布具有非常廣泛的地質意義，另外，頁巖氣具有非常廣泛的飽含氣性，資源潛力巨大，具有非常好的勘探開發前景。因此，必須加強頁巖氣的相關研究，研究出一套符合我國頁巖氣勘探開發的技術方法，提高頁巖氣勘探開發的成功率，降低勘探開發的風險。