页岩气形成及富集机理

目前,世界上对页岩气的研究并不普遍,只有美国和加拿大对此做过大量工作,特别是美国,页岩气是美国勘探开发最早和最成功的天然气类型之一，对国内的5大页岩气盆地进行了十分系统的研究工作,在页岩气勘探开采方面取得了很大的突破,积累了丰富的经验。目前已成为美国成功勘探开发的3大类非常规天然气之一,目前已发现5个商业化生产的页岩气盆地,可采储量大约为(8778～21521)×108m3。2006年,美国大约有39500口页岩气生产井,产量占全美天然气产量的8%[1]。我国对页岩气的研究与勘探开发还处于探索阶段。20世纪60—90年代,在页岩油藏有所发现的基础上,部分学者对页岩气藏做过一定的探讨。近2年,国内学者相继发表了一些关于页岩气方面的著作,将为我国的油气勘探打开新的局面。

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,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。。从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果,由于储集条件特殊,天然气在其中以多种相态存在。页岩气是目前经济技术条件下,天然气工业化勘探的重要领域和目标[5]。页岩气存在形式主要以吸附气与游离气为主,形成机制可划分为生物成因、热成因及二者混合成因。页岩气的地质储量丰富,影响其成藏的因素主要有总有机碳、有机质类型和成熟度、孔隙度、地层压力及裂缝发育程度等,同时还要兼顾各参数之间的联系。

一、页岩气形成机理

页岩气与深盆气、煤层气一样都属于“持续式”聚集的非常规天然气。所谓页岩气( Shale Gas) 系指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙,使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因和/ 或热解成因天然气。页岩气系统具有典型的自生自储特性。

1.1页岩气的形成过程

在泥页岩中页岩气的形成过程主要分为三个阶段（如图一）：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，页岩气吸附在有机质和粘土颗粒表面; 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[ 9 ]。

图一页岩气赋存方式与成藏过程示意图

1.2页岩气成因类型

1.2.1生物成因气

生物成因气（如图二），一般指页岩在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体,也有气藏经后期改造而成的生物气。如美国密歇根盆地的Antrim 页岩气是干酪根成熟过程中所产生的热降解气和产甲烷菌新陈代谢活动中所产生的生物成因气,以后者为主。其原因可能是发育良好的裂缝系统不仅使天然气和携带大量细菌的原始地层水进入Antrim 页岩内,而且来自上覆更新统冰川漂移物中含水层的大气降水也同时侵入,有利于细菌甲烷的形成[11]。

图二生物成因气形成过程示意图

1.2.2热裂解成因气

页岩中热成因气的形成有3个途径(图3):①干酪根分解成气体和沥青;

②沥青

分解成油和气体(步骤1和步骤2为初次裂解);③油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物(二次裂解)。最后一个步骤主要取决于系统中油的残余量和储层的吸附作用。美国FortWorth盆地的Barnett页岩气就是通过来源于干酪根热降解和残余油的二次裂解[2],主要以残余油的二次裂解为主,正因为如此,使得Barnett页岩气具有较大资源潜力。

图三页岩气成因类型示意图

1.2.3混合成因

混合成因气为生物成因和热成因两者的混合（如图3），在烃源岩中由干酪根在热成因下裂解成热成因气和沥青。沥青在一定条件下进一步裂解成热成因气和油。油在一定的条件下经生物作用转变成生物成因气。其中以热成因气为主,生物成因气及混合成因气仅存在于个别地区，如美国东部的个别盆地中,例如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。

1.3总有机碳含量

有机质含量是生烃强度的主要影响因素，它决定着生烃的多少。同时，页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源，也可以“范德华力”将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系。在相同压力下，总有机碳含量较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳含量较低的页岩吸附的甲烷明

显要高。。福特沃斯盆地Barnett页岩气藏生产表明,气体产量大的地方,有机碳含量对应也高[11],有机碳含量和气体含量(包括总气体含量和吸附气含量)有很好的正相关关系（如图4），说明总有机碳含量对页岩气含气量有重要的影响作用。

有机碳含量随岩性变化而变化,对于富含粘土的泥页岩来说,由于吸附量很大,有机碳含量最高,因此,泥页岩作为潜力源岩的有机含量下限值就愈高,而当

烃源岩的有机质类型愈好,热演化程度高时,相应的有机碳含量下限值就低。对泥质油源岩中有机碳含量的下限标准,目前国内外的看法基本一致,为0.4%～0.6%,而泥质气源岩有机碳含量的下限标准则有所不同。

图4TOC与含气量的关系图

1.4成熟度

沉积岩石中分散有机质的丰度和成烃母质类型是油气生成的物质基础,而有机质的成熟度则是油气生成的关键。干酪根只有达到一定的成熟度才能开始大量生烃和排烃。成熟度不仅决定天然气的生成方式,还决定气体的组分构成。页岩气藏生产的天然气除甲烷之外,还有二氧化碳、氮气、乙烷甚至丙烷等。二氧化碳在生物成因的页岩气藏中更为常见。天然气组分对页岩气藏整体的经济价值有一定的影响作用,并能对判断天然气是生物成因或热成因提供证据。成熟度同时还控制着气体的流动速度。由于气体的成因和赋存方式不同,高成熟度页岩气藏比低成熟度页岩气藏的气体流动速度要高[ 3 ]。随着成熟度的增大,气体的产生速度也加快(如下图) ,因为高成熟度的干酪根和业已生成的原油均裂解为天然气,并有大量天然气生成。

页岩成熟度和产气速度之间关系( 据文献[ 1])

1.5有机质类型

干酪根类型是衡量有机质产烃能力的参数，不同类型的干酪根同时也决定了产物以油为主还是以气为主，还影响天然气吸附率和扩散率。纵观美国页岩气盆地的页岩干酪根类型，主要以Ⅰ型干酪根与Ⅱ型干酪根为主，也有部分Ⅲ型干酪根，而且不同干酪根类型的页岩都生成了数量可观的气。实验证明，不同干酪根