页岩气成藏地质条件分析

１ 沉积环境
页岩气藏形成的主体是富有机质页岩，它主要形成于盆地相、大 陆斜坡、台地凹陷等水体相对稳定的海洋环境和深湖相、较深湖相以 及部分浅湖相带的陆相湖盆沉积体系［３］，如ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地Ｂａｒｎｅｔｔ组沉 积 于 深 水 （１２０￣２１５ｍ）前陆盆 地 ， 具 有 低 于 风 暴 浪 基 面 和 低 氧 带 （ＯＭＺ）的缺氧厌氧特征，沉积营力基本上通过浊流、泥石流、密度流 等悬浮机制完成，属于静水深斜坡盆地相［４］。生物成因气的富集环境 不同于热成因型页岩气。富含有机质的浅海地带，寒冷气候下盐度较 低、水深较大的极地海域，以及大陆干旱－半干旱的咸水湖泊都是生 物成因气形成的有利沉积环境；而缺氧和少硫酸盐是生物气大量生成 的生化环境。在陆相环境中，由于淡水湖相盐度低，缺乏硫酸盐类矿 物，甲烷在靠近地表不深的地带即可形成。但由于埋得太浅，大部分 散失或被氧化，不易形成气藏。只有在半咸水湖和咸水湖，特别是碱 性咸水湖中，可以抑制甲烷菌过早地大量繁殖，同时也有利于有机质 的保存。埋藏到一定深度后，有机质分解，使ＰＨ值降低到６． ５￣７． ５范 围时，产甲烷的细菌才能大量繁殖。这时形成的甲烷就比较容易保 存，并能在一个条件下聚集成气藏。
２ 生烃条件
（１）热成熟度（Ｒｏ）。美国五大页岩气系统的页岩气的类型较 多，既有生物气、未熟－低熟气、热解气，又有原油、沥青裂解气据 （Ｃｕｒｔｉｓ，２００２）［５］，这些类型的天然气形成的成熟度范围较宽，可以 从 ０．４００％变化到２．０％，页岩气的生成贯穿于有机质生烃的整个过 程。不同类型的有机质在不同演化阶段生气量不同，页岩中只要有烃 类气体生成（Ｒｏ＞０． ４％），就有可能在页岩中聚集起来形成气藏。
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２０１１年第２期
石油地质
页岩气成藏地质条件分析
黄 菲① 王保全②
（ ① 中 法 渤 海 地 质 服 务 有 限 公 司 ② 中 海 石 油＜中 国 ＞ 有 限 公 司 天 津 分 公 司 渤 海 油 田 勘 探 开 发 研 究 院 ）
摘 要 页岩气藏为自生自储型气藏，它的生烃条件、储集条件、保存条件相互影响，息息相关，热成熟度和有机碳含量控制页 岩的生气能力，而有机碳含量还影响页岩的储集性，是增加页岩孔隙空间的重要因素；页岩气藏储层致密，孔隙度和渗透率极低，裂 缝的存在会提高储层的渗透率，矿物成分影响其储集性能，其中粘土矿物有利于增加微孔隙，并且增加岩石对天然气的吸附能力，而 石英和白云石脆性较大，则有利于增加储层中的裂缝，并且对水力压裂造缝有利；页岩气藏对保存条件的要求较低。
（收稿日期：２０１０－１２－２１）
（接１１７页）时通讯，同时采用光电隔离技术，使模块的抗干扰能力 进一步加强。
（５）光电复位开关的工作原理分析。在液位检测系统中，根据 光电开关通断来清零。当检测系统电源停电时，需要对系统重新标定 清零。具体操作是：摇动滑轮，使浮球上升，在浮球到达油罐的最高 处时，把手放在光电开关处，此时光电开关为“断”状态，光电开关 Ｚ指示灯变亮，光电开关信号被送到计数器，计数器此时清零。检测 系统把该位置视为最高点，再摇动滑轮使浮球下放，当浮球在液面保 持平衡时，系统根据计数器所计数值计算出此时液面的实际高度。
生物成因气一般形成于成熟度较差的岩层中。密执安盆地 Ａｎｔｒｉｍ生物成因型页岩的Ｒｏ 仅为０．４％￣０．６％［６］ ，未进入生气窗，页岩 Ｒｏ越高，ＴＯＣ越低，越不利于生物气的形成。而福特沃斯盆地 Ｂａｒｎｅｔｔ页 岩 热 成 因 型 气 藏 的 页 岩 处 于 成 熟 度 大 于 １ ． １ ％ 的 气 窗 内 ， Ｒｏ值越高越有利于天然气的生成。所以热成熟度不是判断页岩生烃 能力的唯一标准。
（２）有机碳含量（ＴＯＣ）。有机碳含量是评价页岩气藏的一个重 要指标， 多数盆地研究发现页岩中有机碳的含量与页岩产气率之间 有良好的线性关系［７］，原因有两方面：①是因为有机碳是页岩生气的
物质基础，决定页岩的生烃能力，②是因为它决定了页岩的吸附气大 小，并且是页岩孔隙空间增加的重要因素之一，决定页岩新增游离气 的能力。如Ａｎｔｒｉｍ黑色页岩页岩气以吸附气为主（７０％以上），含气量 １．４１５￣２．８３ ｍ３／ｔ，高低与有机碳含量呈现良好的正相关性。Ｒｏｓｓ等的 实验结果表明，有机碳与甲烷吸附能力具有一定关系，但相关系数较 低（Ｒ２＝０．３９）。他认为在这个地区有机碳与吸附气量关系还可能受其 他多种因素的影响，如粘土成分及含量、有机质热成熟度等。
关键词 页岩气 有机碳含量 热成熟度 储集条件 保存条件
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为典型的“原地”成藏模式 ［１］，页 岩气大部分吸附在有机质和粘土矿物表面，与煤层气相似，另一部分 以游离状态储集在基质孔隙和裂缝孔隙中，与常规储层相似。页岩气 藏按其天然气成因可分为两种主要类型：热成因型和生物成因型，此 外还有上述两种类型的混合成因型［２］。北美地区是全球唯一实现页岩 气商业开发的地区。目前北美地区已发现页岩气盆地近３０个，发现 Ｂａｒｎｅｔｔ等６套高产页岩。２００８年，北美地区的页岩气产量约占北美地 区天然气总产量的１３％。至２００８年底，美国页岩气井超过４．２万口； 页岩气年产量６００亿方以上，约占美国当年天然气总产量的１０％。目 前，美国已发现页岩气可采储量约７．４７万亿方。Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地密西 西比系Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏的成功开采掀起了全球开采页岩气的热潮。美 国涉足页岩气的油气公司已从２００５年２３家增至２００８年６０多家；欧洲石 油公司纷纷介入美国的页岩气勘探开发。页岩气作为一种非常规油气 藏在国内也逐步受到关注。
３ 储集条件
（１）矿物成分。页岩中的矿物成分主要是粘土矿物、陆源碎屑 （石英、长石等）以及其他矿物（碳酸盐岩、黄铁矿和硫酸盐等）， 由于矿物结构、力学性质的不同，所以矿物的相对含量会直接影响页 岩的岩石力学性质、物性、对气体的吸附能力以及页岩气的产能。粘 土矿物为层状硅酸盐，由于Ｓｉ－Ｏ四面体排列方式，决定了它电荷丰 富、表面积大，因此对天然气有较强的吸附能力，并且不同的粘土矿 物对天然气的吸附能力也不同，蒙皂石吸附能力最强，高岭石、绿泥 石次之，伊利石最弱。石英则增强了岩石的脆性，增强了岩石的造缝 能力，也是水力压裂成功的保证。Ｎｅｌｓｏｎ认为除石英之外，长石和白 云石也是黑色页岩段中的易脆组分。但石英和碳酸盐矿物含量的增 加，将降低页岩的孔隙，使游离气的储集空间减少，特别是方解石的 胶结作用，将进一步减少孔隙，因此在判断矿物成分对页岩气藏的影 响时，应综合考虑各种成分对储层的影响。
（２）储集空间。页岩气除吸附气吸附在有机质和粘土矿物表面 外，游离气则主要储集在页岩基质孔隙和裂缝等空间中。虽然页岩为 超致密储层，孔隙度和渗透率极低，但是在孔隙度相对较高的区带， 页岩气资源潜力仍然很大，经济可采性高，特别是吸附气含量非常低 的情况下。页岩中孔隙包括原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙系统由微 孔隙组成，内表面积较大。在微孔隙中拥有许多潜在的吸附地方，可 储存大量气体。裂缝则沟通页岩中的孔隙，页岩层中游离态天然气体 积的增加和吸附态天然气的解析，增强岩层渗透能力，扩大泄油面 积，提高采收率。一般来说，裂缝较发育的气藏，其品质也较好。美 国东部地区产气量高的井，都处在裂缝发育带内，而裂缝不发育地区 的井，则产量低或不产气，说明天然气生产与裂缝密切相关。实际 上，裂缝一方面可以为页岩中天然气的运移提供通道和储集空间，增 加储层的渗透性；另一方面裂缝也可以导致天然气的散失和水窜。
水下分流河道和分流间薄层砂
微相；在中期图２（ｃ、ｄ）， Nhomakorabea湖盆范围扩大，河道的水体变
深，水动力变弱，水下分流河
道发育变弱，沉积物的粒度变
细。可见，水体能量与河道的
展布具有重要的耦合关系。水
体能量越强，河道冲刷能力就
越强，河道就越发育。水体的
图３ 兴隆台油层沉积模式图
能量越小，河道冲刷能力就越小，河道发育局限。综合以上的研究成
３ 液位检测系统在现场应用情况及误差分析
因为浮球液位检测系统是根据力平衡原理来设计的，所以，摩擦 力的影响是导致系统误差的主要原因。在该系统中，采用了精密轴承 组成的导向滑轮组，并由精密链条导向，以最大限度减小滑轮摩擦 力，使系统的摩擦力降至约１Ｎ。系统同时采用了钢带牵引浮球，钢
带的热膨胀系数很小，因此其拉伸变形的影响可以忽略不计。 液位检测系统在现河联合站的实验检测结果如下表：
（２）湖平面的相对变化控制了沉积微相的展布。兴隆台油层沉 积时期，盆地正处在扩张期，湖平面处于不断的上升阶段，沉积物的 供给速率相对比较低，这为研究区目的层主要发育水下的扇三角洲前
缘沉积创造了条件。
４ 结论
（１）辽河油田杜２２９块兴 隆台油层扇三角洲主要发育水下的扇三 角洲前缘亚相沉积，而扇三角洲平原和前扇三角洲在研究区未见。扇 三角洲平原进一步细分为水下分流河道、分流间浅滩、分流间薄层 砂、河口坝以及分流间洼地等５种微相类型。
（２）自下而上，研究区兴隆台油层总体表现为湖泊扩张，由浅 水到深水的逐渐演化过程，水下分流河道和分流间薄层砂为主要沉积 相带，也是研究区主要储油相带，是目前剩余油分布的主要区域。
（３）辽河油田杜２２９块兴隆台油层扇三角洲沉积主要受古地形、 边界同生断层以及湖平面的相对变化等因素控制。
参考文献 ［１］ 任德生，刘立，陈江，等．辽河坳陷西部凹陷曙北地区古近系层序地层 格架［Ｊ］．石油勘探与开发，２００４，３１（１）：４８－５０ ［２］ 于兴河．碎屑岩系油气储层沉积学［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００２ ［３］ 刘宝珺主编．沉积岩石学［Ｍ］． 北京：石油工业出版社，１９８０ ［４］ 裘怿楠，陈子琪．油藏描述［Ｍ］． 北京：石油工业出版社，１９９６ ［５］ 包连纯，支印民，段宪余，等．曙一区兴隆台油层超稠油油藏地质特征 及成藏条件分析［Ｊ］．特种油气藏，２０００，７：１－３ 作者简介 于景锋（１９８２－） ，硕士，毕业于中国石油大学（华 东），现从事油田开发研究工作。
（３）储集物性。页岩的物性对产量有重要影响。在常规储层研 究中，孔隙度和渗透率是储层特征研究中最重要的两个参数，这对于 页岩气藏同样适用。据美国含气页岩统计，页岩岩心孔隙度小于 ４％￣６．５％（测 井 孔 隙 度 ４％￣１２％）， 平 均 ５．２％； 渗 透 率 一 般 为 （０．００１￣２）×１０－３μｍ２，平均４０ ．９×１０－６μｍ２。 页岩中也可以有很大的孔 隙度，并且有大量的油气储存在这些孔隙中，如阿巴拉契亚盆地的 Ｏｈｉｏ页岩和密歇根盆地的Ａｎｔｒｉｍ页岩，孔隙度平均为５％￣６％，局部可 高达１５％，游离气可以充满孔隙中的５０％。页岩的基质渗透率很低， 但在裂缝发育带，渗透率大幅度增加，如在断裂带或裂缝发育带，页 岩储层的孔隙度可达１１％，渗透率达２×１０－３ μｍ２。