页岩气分析测试技术

页岩气实验测试技术
一、页岩气富集机理及实验测试特殊性
页岩气是指主体上以吸附和游离状态赋存于泥、页岩（部分粉砂岩）地层中的天然气聚集。

张金川、金之钧等在研究吐哈盆地天然气问题时注意到了页岩气，随后对页岩气特点和聚集机理进行了探讨，并对页岩气进行了界定，认为页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，在页岩气藏中，天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式；张金川等（2006）进一步明确了页岩气具有煤层气和根源气在聚集意义上的双重特征，吸附机理的存在提高了页岩气资源量并延伸了勘探领域，页岩气可能是中国南方地区油气进一步勘探的重要突破口；薛会等（2006）从天然气成因机理和成藏机理两个方面对天然气类型进行划分，对页岩气进行研究；孙超等（2007）通过页岩气藏和深盆气藏的对比研究，认为页岩气藏的形成需要大面积、厚层页岩，裂缝是其重要储集空间，排烃方式以扩散作用为主，短距离运移，在低孔低渗储层形成的隐蔽圈闭中聚集，气藏中常具异常地层压力。

1、页岩气富集机理
页岩气是一种重要的非常规天然气类型，与常规天然气相比，其生成、运移、赋存、聚集、保存等过程及成藏机理既有许多相似之处，又有一些不同点，页岩气成藏的生烃条件及过程与常规天然气藏相同，泥页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定了其生烃能力和时间；在烃类气体的运移方面，页岩气成藏体现出无运移或短距离运移的特征，泥页岩中的裂缝和微孔隙成了主要运移通道，而常规天然气成藏除了烃类气体在泥页岩中的初次运移以外，还需在储集层中通过断裂、孔隙等输导系统进行二次运移；在赋存方式上，二者差别较大，首先，储集层和储集空间不同（常规天然气储集于碎屑岩或碳酸盐岩的孔隙、裂缝、溶孔、溶洞中，页岩气储集于泥页岩粘土矿物和有机质表面、微孔隙中）。

其次，常规天然气以游离赋存为主，页岩气以吸附和游离赋存方式为主；在盖层条件方面，鉴于页岩气的赋存方式，其对上覆盖层条件的要求比常规天然气要低；地层压力的降低可以造成页岩气解吸和散失。

页岩气的成藏过程和成藏机理与煤层气极其相似，吸附气成藏机理、活塞式气水排驱成藏机理和置换式运聚成藏机理在页岩气的成藏过程中均有体现，进行页岩气的勘探开发研究，可以在基础地质条件研究的基础上，借助煤层气的研究手段，解释页岩气成藏的特点及规律。

页岩气不单一是指存在于裂缝中的游离相天然气，也不单一是服从常规常规成藏机理的天然气聚集。

根据不同的成藏条件，页岩气可以表现为典型的吸附机理、活塞运聚机理或置换运聚机理。

在成藏机理特征上介于煤层气、根源气和常规天然气三大类气藏之间。

因此，页岩气成藏体现出非常复杂的多机理过程，是天然气成藏机理序列中的重要组成部分（据张金川等，2003）页岩气成藏机理按成藏过程分生成机理（主导地位是成因机理）、赋存机理、运移机理、产出机理。

页岩气作为非常规天然气类型之一，“自生自储”是其最主要的成藏特点。

而表现在实验方面，其既作为烃原岩，也作为储集层，需要对同一个样品分别进行生烃能力和储集能力的测试，而为后期开发考虑还需要进行开发参数的实验。

对应生烃能力的实验在常规天然气勘探实验中已非常成熟，作为储层的实验则需要专门针对页岩所具有的特殊性质进行专门的实验或对常规测试方法进行改良，这是本文的主要研究重点。

首先针对页岩气聚集机理进行阐述，以方便下文对页岩特殊性的理解。

页岩气的成藏和富集是一个极其复杂的地质过程，页岩气在主体上表现为吸附和游离状态，成藏过程中没有或仅有极短距离运移，因此从某种意义上说，页岩气藏具有典型的双重机理。

可分为3个主要作用过程：天然气生成盒吸附、膨胀造隙富集到活塞式推进、置换式运移，每一过程都产生了富有自身特色的气藏类型。

阶段
一：是天
然气在页
岩中的生
成、吸附
与溶解逃
离，具有
与煤层气
成藏大致
相同的机
理过程。

在天然气
的最初生
成阶段，
主要由生
物作用所
产生的天
然气首先
满足有机
质和岩石颗粒表面吸附的需要，当吸附气量与溶解的逃逸气量达到饱和时，富裕的天然气则以游离相或溶解相进行运移逃散，条件适宜时可为水溶气藏的形成提供丰富气源。

此时所形成的页岩气藏分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式，总体含气量有限。

阶段二：在热裂解气大量生成过程中，由于天然气的生成作用主要来自于热化学能的转化，它将较高密度的有机母质转化成较低密度的天然气。

在相对密闭的系统中，物质密度的变小导致了体积的膨胀和压力的提高，天然气的大量生成使原来的地层压力得到不断提高，从而产生原始的高异常压力，即“高压锅“原理。

由于压力的升高作用，页岩内部沿应力集中面、岩性接触过度面或脆性薄弱面产生裂缝，天然气聚集其中则易于形成以游离相为主的工业性页岩气藏，此时页岩气藏的形成在主体上表现为由生气膨胀力所促动的成藏过程，天然气原地或就近分布，构成了挤压造隙式的运聚成藏特征。

在该阶段，游离相的天然气以裂隙聚集为主，页岩地层的平均含气量丰度达到较高水平。

阶段三：随着更多天然气源源不断地生成，越来越多的游离相天然气无法全部保留于页
岩内部，从而产生以生烃膨胀作用为基本动力的天然气“逃逸“作用。

在常情况下，与页岩间互出现的储层主要为粉-细砂岩，具有低孔低渗的特点，它限定了天然气的运移方式为活塞式排水特点，这种气水排驱方式从页岩开始，从而在页岩边缘以活塞式推进方式产生根缘气聚集。

此时的天然气聚集已经超越了页岩本身，表现为无边、底水和浮力作用发生的地层含气特点。

因此从整套页岩层系考察，不论是页岩地层本身还是薄互层分布的砂岩储层，均表现为普遍的饱含水性。

2、页岩气地质特殊性
富含有机质的页岩本身可以作为页岩气的气源岩，又可以作为储集层，页岩气的赋存方式、成藏机理和成藏过程与常规天然气有很大不同，因此，页岩气藏具有独特的地质特征。

（1）页岩自生自储
在页岩气聚集中，富含有机质的页岩是良好的烃源岩，页岩中的有机质、粘土矿物、沥青质以及裂隙系统和粉砂岩夹层又可以作为储气层，孔渗性极差的泥质页岩同时可以充当封盖层。

烃源岩：含有大量的有机质含量、分布广泛、厚度较大的泥页岩，可以生成大量的天然气，并且具有供气长期稳定持续的特点。

储集层：页岩作为储集层其主要特点为：①储集层为泥页岩及其粉砂岩夹层；②微孔隙、裂缝是页岩游离气的主要储集空间，裂缝发育程度和走向变化复杂。

一般页岩裂缝宽度在2毫米内，裂缝密度一般较大；③天然气的赋存状态多边性（据张金川等，2003）。

吸附和游离是页岩气赋存的主要方式，少量以溶解方式赋存；④岩石物性较差。

因为页岩较为致密，孔隙度、渗透率都比常规储层岩石低，仅在裂缝发育处,渗透率才能有所改善,但对孔隙度的改善不明显.
盖层：在常规天然气藏中，因为泥页岩较为致密、渗透率较低，通常可以作为盖层，虽然页岩气的赋存方式与常规天然气有所不同，但是致密的泥页岩仍然对页岩气藏具有封盖作用。

（2）页岩气成藏具有隐蔽性，圈闭类型为裂缝圈闭。

页岩气的赋存方式和赋存空间的特殊性，决定了页岩气藏具有隐蔽性特征和裂缝型圈闭。

构造圈闭对页岩气藏的形成并不起主导作用，但是一个长期稳定的构造背景，对页岩气聚集可能具有一定的积极作用。

泥页岩的孔隙较小且不发育，游离状态的页岩气主要赋存于裂缝系统中，泥页岩中的裂缝发育带往往是页岩气的有利聚集带，因此，裂缝型圈闭是页岩气藏的主要圈闭类型。

（3）页岩具有普遍含气性特征，但含气量较低、含大分子烃饱和度低
由于泥页岩既是烃源岩、又是储集层，页岩气可以以吸附方式赋存，因此，页岩具有广泛的含气性，在大面积内为页岩气所饱和。

与根缘气藏的地层普遍含气性机理不同，页岩气藏普遍含气性的内涵较广，在岩性上包括了泥页岩、致密的砂岩或砂质细粒岩，在赋存状态上包容了吸附、游离和溶解，在成藏机理上则包含了吸附与扩散、溶解与析出、活塞与置换等运聚过程，在通常情况下，泥页岩与致密砂岩（泥质粉砂岩与粉砂质泥岩等）之间的互层分布为这种多相态、多机理的地层普遍含气性提供了有利条件。

（4）页岩气富集带以裂缝发育为特征
裂缝发育在大部分页岩中，以多种成因（压力差、断裂作用、顺层作用等）的网状裂缝系统为特征。

在页岩中裂缝、溶蚀页理缝是主要的储集空间。

次要储集空间：钙质条带中的溶孔、生物体腔孔、晶间孔、粒间孔等。

粒间孔主要是指的砂质及泥质双重孔隙。

在钙质泥页岩互层为主的夹薄层砂岩的地层中，具有泥页岩裂缝、层理缝和薄层砂岩孔隙等储集空间。

裂缝发育带不但提供了游离态页岩气赋存的空间，而且为页岩气的运移、聚集提供了输导通
道，并且对页岩气的开发十分有利。

美国页岩气的开发实践证明只有裂缝发育的页岩气藏不需压裂就可以获得工业气流，多数的页岩气藏必须经过压裂才能达到工业产量要求。

页岩气虽然具有地层普遍含气性特点，但目前具有工业价值的页岩气藏主要依赖于页岩地层中具有一定规模的裂缝系统。

除了页岩地层中的自生裂缝系统以外，构造裂缝系统的规模性发育为页岩含气丰度的提高提供了条件保证。

因此，构造转折带、地应力相对集中带以及褶皱-断裂发育带通常是页岩气富集的重要场所。

（5）页岩气由生物成因气和热成因气组成
页岩气可以分为：生物成因气和热成因气，两种成因的页岩气可以同时存在于页岩气藏中，但由于成藏条件的不同，表现出不同的主导地位。

随不同时期条件的改变，两者的含量比例可以发生相互的转变。

（6）页岩气藏以产量低、生产周期长为特征
由于泥页岩岩性致密、孔隙度和渗透率较低，以及赋存方式多样，因此，页岩气生产以产量低、生产周期长为特征，并呈现负下降曲线特征，产气量由低先上升，很快达到高峰后缓慢下降。

（7）页岩气与煤层气、常规天然气异同点
页岩气与其他聚集类型天然气藏相比，页岩中的天然气具有成藏机理多样性特点，天然气就近聚集，天然气就近聚集，成藏机理复杂，吸附、溶解、活塞式推进、置换式运移均有不同程度发生，但页岩内聚集的天然气仅发生了初次运移（页岩内）及非常有限的二次运移（砂质岩类夹层内），因此，页岩既是烃源岩又是储层，具有典型的过渡性成藏机理及“自生、自储、自封闭”成藏模式，这一原地性成藏特点弱化了天然气二次运移的影响，简化了页岩气勘探的研究方法和过程。

页岩气分布具有地质影响因素多样性的特点，其分布的变化特点受生气作用、吸附特点及赋存条件等多因素影响，如构造背景与沉积条件、泥页岩厚度与体积、有机质类型与丰度、热历史与有机质成熟度、孔隙度与渗透率、断裂与裂缝以及构造运动与现今埋藏深度等因素，它们均是影响页岩气分布并决定其是否具有工业勘探开发价值的重要因素。

这一影响因素多样性导致页岩气勘探具有隐蔽性特点。

图表：
页岩气与煤层气、常规天然气异同点
页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气这算到标准温度和压力条件下（101.325kpa,25℃）的天然气总量，包括：①游离气，以游离态存在与孔隙或裂缝中；②吸附气，以吸附态赋存在有机质、粘土矿物等表面；③以溶解态赋存在干酪根、沥青质、残留水和液态烃中。

由于页岩中溶解气量极小，一般在含气量计算过程中主要计算游离气和吸附气含量。

（1）游离气
游离态页岩存在于泥页岩的孔隙或裂缝中，其容纳量取决于页岩内孔隙或裂缝所占的空间分量，当泥页岩产生天然气后，气体分子首先满足了源岩（泥页岩）内吸附后，多余的气体分子一部分就以游离态进入泥页岩孔隙或裂缝中，另外运移至别处形成常规气藏或散失。

页岩游离气的测井评价主要分为几个方面岩性识别、孔隙度预测、含气饱和度计算及游离气含量确定。

也可以使用常规储层含气量计算方法，通过含气饱和度、孔隙度也可以计算出页岩游离气量，所以，储层物性是页岩游离气含量最主要的控制因素。

（2）吸附气
在页岩中，吸附状天然气与游离状天然气含量之间呈彼此消长关系，其中吸附状态天然气的含量大约占50%左右，因此，从赋存状态观察，页岩气介于煤层吸附气（吸附气含量在85%以上）和常规圈闭气（吸附气含量通常忽略为零）之间。

吸附气现场解吸法主要采用改进后的煤层气的测试方法，但页岩含气量比煤层少，在测量页岩含气量时需要比煤层分辨率更高的设备，特别是当测量的样品较小时（如旋转式井壁样品或钻屑），便无法采用常规煤层气测量设备。

因此，页岩气解吸设备应该比煤层气解吸设备具有更高的分辨率。

页岩和煤的渗透率也不同，在碎小的页岩样品中基质渗透率极低，解析速度很慢，特别是当岩心样品直径很大时，解吸时间更长。

地球化学参数控制页岩吸附气含量，通过地球化学实验参数测定，也可以计算出页岩吸附气量。

（3）相关实验技术特殊性
页岩地球化学指标主要控制吸附气含量，页岩中的分散有机质，极大提高页岩的吸附能力。

实验分析主要测试有机质含量、成熟度和类型。

针对我国南方页岩镜质体缺失，成熟度测量难度大，可以利用沥青反射率、海相镜质体反射率及笔石反射率等方法确定成熟度。

页岩储层孔渗性较差，使用脉冲式岩石孔渗测试技术能准确测量页岩孔隙度及渗透率。

脉冲式岩石渗透率测试技术具有测试速度快、测量精度高的特点，整个测试过程仅需10分钟，测试范围可达10-3-10-9md。

采用氩离子抛光技术进行扫描电镜观察页岩样品，相对常规扫描电镜能更直观的观察到页岩中的孔隙类型（粒间孔，微裂缝、微孔隙、喉道类型、测定出孔喉半径等参数和孔隙度）以及岩样构造面、组分界面、矿物质、纳米级及其
它更小的孔隙、裂缝。

但国内实验设备精确度与国外还有一定的差距。

利用QEMSCAN矿物分析法可以更直观的观察页岩中矿物分布情况、形态和含量。

4、页岩含气性评价实验测试体系
根据页岩气富集机理及含气性评价的特殊性，建立了页岩含气性评价的基本实验测试体系，并对评价过程中涉及到的各项实验测试必要性进行判定，对页岩含气性实验评价方法有一定的指导作用。

在含气性评价过程中涉及到的一系列地质问题，根据这些地质问题所对应的通用判定参数，列出测定这些参数可用的实验分析方法。

在实际应用中，应根据研究区基本情况极其地质特殊性，选定适合的参数测定方式。

页岩气评价中遇到的地质问题对应实验解决方法对应表
岩中含气性评价。

地球化学分析可以对页岩进行基本地化参数确定，从定性的有机质分布形态、类型，到定量的有机质含量、成熟度等参数的测定，来确定页岩作为烃源岩其生气潜力，分析能否形成页岩气聚集的“源”发育条件。

页岩物性评价包括：岩石学分析对页岩进行微观结构分析、定性判断孔渗性、岩石结构，定量分析矿物组成，对后期的压裂开发也有一定的指导作用；描述和评价岩石孔隙结构特征，在压汞和比表面联合测定所取得的毛细血管压力曲线上读取获得试样空袭中值半径，同时也可以测得试样的微缝隙；岩石力学分析可以建立页岩受力发育模型，模拟页岩地层在压裂过程中的人工缝网发育情况，对后期开发压裂进行指导。

最后含气量测试定量评价页岩气资源潜力，是否具有工业开发价值。

页岩气含气评价相关实验分析基本项目对应地质问题及测试必要性一览表
二、页岩吸附气实验分析
页岩吸附机理是通过吸附作用实现的，可分为物理和化学吸附两种。

物理吸附具有吸附时间短、可逆性、普偏性、五选择性等特点；化学吸附具有吸附时间长、不可逆性、不连续
性、有选择性等特点。

页岩中的有机质和粘土矿物对于天然气的吸附属于物理吸附。

吸附量与页岩的矿物成分、有机质类型及丰度、比表面积（孔隙、裂隙等）、温度、压力有关。

1、地化参数计算法
吸附气含量主要由页岩地球化学指标控制，页岩中的分散有机质，极大提高页岩的吸附能力，对页岩含气量及评价具有重要意义。

由于吸附气量与地化参数的相关性，所以可以通过其拟合公式计算吸附气量。

以下将对地化关键参数获取实验方法分别进行介绍。

关键实验参数测试方法
（1）有机碳含量（TOC）
有机碳含量是页岩吸附气量最主要的影响因素，其含量直接影响页岩生气能力及天然气吸附能力，所以其实验结果的可靠性、有效性对页岩含气量评价非常重要，烃源岩的有机质数量一般是通过测定有机碳、氯仿抽取物和烃含量来定量估算。

在沉积岩中，碳以碳酸盐碳（或氧化碳）和非碳酸盐碳（或还原碳，有机碳）两种形式存在。

沉积岩中有机碳约占18%，而氧化碳占82%。

有机碳与生物活动有关，在组成生物体的C、H、O、N、S五种主要元素成分中，碳的含量最高，最稳定。

因此有机碳的含量能够代表有机质的数量，测出烃源岩的有机碳含量显然是残余有机碳。

众多含气页岩研究实例表明页岩气的吸附能力与页岩有机碳含量之间存在着线性关系，因而有机碳含量是进行页岩气生气及含气量评价的基本参数。

目前进行有机碳含量分析的技术有燃烧法、碳硫测定仪测定法、岩石热解法、岩样热解气相色谱分析法、岩石氯仿沥青“A”测定法和工业灰分分析法。

碳硫测定仪测定总有机碳含量：一般用稀盐酸取出试样中的无机碳，然后在高温氧化气流中燃烧。

直至使总有机碳完全转化为二氧化碳，再以红外检测器检测其总有机碳含量并将其转换成碳元素含量，最终计算出有机碳的含量。

岩石热解方法：试样在氦气流中加热，使其热解排出的游离气态烃、自由液态烃和热解烃由氢火焰离子化检测器检测，热解排出的二氧化碳和热解后的残余有机碳加热氧化生成的二氧化碳由热导检测器检测。

在不同的设置分析条件下可得到热解分析的各分析参数，它们是S1、S2、S3、S4和Tmax等，根据这些热解分析参数可计算得到烃源岩热解分析各参数，可对有机质进行类型分析、成熟度和生烃能力评价。

其中划分气源岩的有机质类型的具体方法有三种：a、根据气源岩的氢指数IH和氧指数IO图版划分有机质类型；b、根据气源岩的氢指数IH与Tmax图版划分有机质类型。

C、根据气源岩的类型指数S2/S3划分有机质类型；可根据热解气源岩生成的烃类来定量评价烃源岩；可根据Tmax值范围判断气源岩的成熟度。

岩样热解气相色谱分析：试样通过热解炉控制不同温度和恒温时间，分别将蒸发烃和热解烃脱附，两者在惰性气体携带下经过毛细管色谱柱分离成各种单体烃及单体化合物，由火焰离子化检测器检测。

采用色谱峰保留指数、保留时间、标准物质、色谱-质谱进行定性。

利用热解气相色谱的正烷烃和正烯烃的百分含量划分烃源岩的有机质类型，也可以从热解气相色谱热解烃中的甲烷含量、苯和甲苯含量等区分有机质类型。

对干酪根显微组分镜质体、
惰质体、角质体等的热解气相色谱产物组成进行比较，来研究其产烃能力和产物性质。

岩石氯仿沥青“A”测定方法：粉碎试样至100目用滤纸包好，借助三氯甲烷即氯仿对岩石中沥青物质的可溶解性，用脂肪抽提器进行加热提取，以质量法求出所取沥青物质的含量计算出氯仿沥青的含量。

可以应用岩石中氯仿沥青“A”的含量评价有机质丰度和有机质的演化程度。

由于不同烃源岩其生烃地球化学特征也不同，因此在用氯仿沥青“A”作为有机质丰度指标时，应要考虑到有机质母质类型、热演化程度和排烃相似性。

通常将氯仿抽提物含量250—300ppm和总烃含量50—100ppm定为生油岩的下限值。

此外，还可以用岩石高温热解总烃产率（S1+S2）来表示有机质丰度。

（2）有机质成熟度
有机质成熟度是页岩判定是否含气的指标之一。

随着泥页岩成熟度的增高，生成的油气越来越多，导致可溶烃（残余油气或吸附烃）S1逐渐增多，而热解烃S2却逐渐减少，因而可以用热解峰顶温度（Tmax）、产油指数（I=S1/S1+S2）、氢指数和氧指数的变化来研究生油岩的成熟度。

此外，镜质体反射率（R0）是较为常用的一个参数之一。

它是温度和有效加热时间的函数，且具不可逆性，反射率是衡量物体表面反光本领的物理量。

大小等于单位表面积单位时间内反射的能量除以单位表面积单位时间内接受的能量。

反射率一般和光的波长、辐射方向、物体材料、温度有关，反射率较高（接近100%）的物体称为镜质体。

沥青反射率也是比较常用的用于测量成熟度的方法之一。

沥青反射率指沥青物质表面反射光强度与入射光强度的百分比。

在有机质中，往往有固体沥青存在，在研究有机质成熟度。