页岩气成藏机理及气藏特征

页岩气成藏机理及气藏特征

页岩气是泛指赋存于富含有机质的暗色页岩或高碳泥页岩中，主要以吸附或游离状态存在的非常规天然气资源。在埋藏温度升高或有细菌侵入时，暗色泥页岩中的有机质，甚至包括已生成的液态烃，裂解或降解成气态烃，游离于基质孔隙和裂缝中，或吸附于有机质和矿物表面，在一定地质条件下就近聚集，形成页岩气藏。

从全球范围来看，页岩气拥有巨大的资源量。据统计，全世界的页岩气资源量约为456.24×1012m3，相当于致密砂岩气和煤层气资源量的总和，具有很大的开发潜力，是一种非常重要的非常规资源[1-6]。页岩气资源量占3种非常规天然气（煤层气、致密砂岩气、页岩气）总资源量的50%左右，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区，与常规天然气相当。页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。

1.1 页岩气成藏机理

1.1.1 成藏气源

页岩气藏的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成，页岩既是烃源岩、储层，也是盖层。研究表明，烃源岩中生成的烃类能否排出，关键在于生烃量必须大于岩石和有机体对烃类的吸附量，同时必须克服页岩微孔隙强大的毛细管吸附等因素。因此，烃源岩所生成的烃类只有部分被排出，仍有大量烃类滞留于烃源岩中。

北美地区目前发现的页岩气藏存在3种气源，即生物成因、热成因以及两者的混合成因。其中以热成因为主，生物成因及混合成因仅存在于美国东部的个别盆地中，如Michigan盆地Antrim生物成因页岩气藏及Illinois盆地New Albany混合成因页岩气藏[21]。

1.1.2 成藏特点

页岩气藏中气体的赋存形式多种多样，其中绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和黏土颗粒的表面，这与煤层气相似。游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝中，这与常规气藏中的天然气相似。因此，页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气两者特征，为不间断充注、连续聚集成藏（图1-1）。

图1-1 页岩气赋存方式与成藏过程示意图

在页岩气成藏过程中，随天然气富集量增加，其赋存方式发生改变，完整的页岩气藏充注与成藏过程可分为4个阶段。第一阶段为天然气生成与吸附阶段，该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理；第二阶段为吸附气量（包括部分溶解气量）达到饱和时，富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中（也不排除少量直接进入了微裂缝中），其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集；第三阶段是随着大量气体的生成，页岩基质孔隙内温度、压力升高，出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏；经过前述三个过程后，天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏，即页岩气藏形成阶段。

1.1.3 成藏阶段

页岩气成藏机理具有明显的“混合型”特征。根据成藏条件的不同，成藏机理可分为吸附机理、活塞式成藏机理或置换式成藏机理两种类型。按成藏机理的不同又可将页岩气的成藏划分为2个阶段：第一阶段以吸附作用为主，发生在页岩气藏形成初期；由于页岩层段富含具有吸附能力的有机碳，页岩所生成的天然气首先满足有机碳的吸附需求，具有与煤层气相同的成藏机理，也就是我们所说的吸附机理。第二阶段发生在生气高峰。随着页岩生气过程的继续，页岩有机质颗粒所提供的最大吸附气量不足以满足所生成的天然气聚集需求时，游离态天然气开始出现。随着生气过程的继续，天然气在地层中逐渐形成高压，从而导致沿岩石的薄弱面小规模裂缝的形成，天然气开始在裂缝中以游离态运移聚集。此时，天然气主体上受生气膨胀力的推动而成藏，近源分布且不受浮力作用，反映了活塞式的运聚特征，与根缘气具有相同的成藏机理，也就是活塞式成藏机理。如果天然气生成量继续增加，则裂隙彼此连通构成较大的裂缝网络（运移高速通道），浮力作用促使天然气以置换方式从泥页岩层向外运移，为常规圈闭气的成藏打有机质和黏土颗粒表面吸附与解吸 气体流入 页岩基质孔隙 气体进入 天然裂缝网络 最终形成 页岩气藏

开了通道，天然气将选择大孔隙通道进行置换式运移，气在上面水在下面，表现为裂缝系统中的置换成藏机理。

综上所述，在页岩气成藏过程中，吸附机理与活塞式运聚机理共同作用，控制着页岩气藏中吸附态和游离态天然气比例的变化。页岩气成藏机理实质上就是页岩孔隙中的不同赋存方式的天然气空间比例分配问题[7]。

1.2 页岩气藏特征

1.2.1 页岩气成因类型

页岩气主要有两种成因类型。作为生物成因气，由于全新世富含细菌的大气降水的侵入作用，厌氧细菌在埋藏早成岩作用阶段的活动形成。作为热成因气，是高温高压下干酪根化学降解产生。页岩气可以是由有机物质初次裂解，也可以是由沥青质和石油二次裂解，或是热成因、生物成因的混合作用生成。

（1）生物成因气；页岩生物成因作用受几个关键因素影响。富含有机质的泥页岩是页岩气形成的物质基础，缺氧、低硫酸盐、低温环境是生物成因的页岩气形成的必要外部条件，足够的埋藏时间是生成大量生物成因气的保证。

生物成因气通常形成在至少1000米的埋深下，但是可以储存在深达4527米的储层中。生物成因甲烷也可以在低于550米比较浅的埋深下，在成岩地质历史后期由于氧化的地层水在岩层中循环形成。密歇根大学新闻和信息所认为密歇根盆地的Antrim页岩中的浅层生物成因气，是在过去的2.2万年中以此类型的地层水循环中的生物作用生成。与其相同时代的伊利诺斯盆地的New Albany页岩也产生物成因气，但不知道是由于全新世地层水的循环产生的，还是在沉积后就形成的原生的生物气。明显的是不管成熟水平如何，所有富含有机质的页岩源岩都是有潜力的含气页岩。

（2）热成因气；随着埋深的增加，温度、压力增大，有机质在较高温度及持续加热期间经热降解作用和热裂解作用生成大量油气。页岩中热成因气的形成有以下三个明显的过程：①酪根分解成天然气和沥青；②沥青分解成石油和天然气；③石油分解成天然气和富碳的焦炭或焦沥青残留物。其中①、②是初次裂解，③为二次裂解。

有机质的热模拟试验表明，在沉积物的整个成熟过程中，干酪根、沥青和原油均可以生成天然气，对于有机质丰度和类型相近或相似的泥页岩，成熟度越高，形成的烃类气越多。在成熟作用的早期，天然气主要通过干酪根降解作用形成；在晚期阶段，天然气主要通过干酪根、沥青和石油裂解作用形成。与生物成因气相比，热成因气生成于较高的温度和压力下，因此，在干酪根热成熟度增加的方向上，热成因气在盆地地层中的体积含量呈增大趋势。另外，热成因气也很可能经过漫长的地质年代和构造作用从页岩储层中不断泄漏出去。