页岩气成藏地质条件及成藏机理分析

页岩气成藏地质条件及成藏机理分析
摘要：页岩气是现在正在研究的能源领域的热点，本文通过对页岩气赋存地质条件的分析，阐明了有利于页岩气发育的生烃条件：有机碳含量高和热演化程度高；储层条件即其存在需要物性条件好，储集空间大，石英含量多对于采集页岩气是有利的保证。

然后，在地质条件的基础上总结了前人的页岩气成藏机理主要分为生气与吸附、生气与孔隙充注、天然裂缝网络充注以及富集成藏四个阶段，提出天然气和常规气共生的模式。

关键词：页岩气；地质条件；成藏机理；赋存模式
1.前言
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[3]。

它与常规天然气藏最显著的区别是：它是一个自给的系统。

页岩既是气源岩，又是储层和封盖层[1]。

1976年美国能源部启动了东部页岩气项目，对页岩气地质、地球化学和石油工程开始进行系统研究，分别发现了Michigan盆地泥盆系Ant-rim页岩、Appalachi- an盆地泥盆系Ohio页岩、Illi-nois盆地的泥盆系New Albany页岩、Fort Worth盆地密西西比系Barnett页岩和San Juan盆地白垩系Lewis页岩等五大页岩气系统，地质资源量达14×1012~22×1012m3，技术可采储量0.88×1012~2.15×1012m3[2]。

1998年美国的页岩气当年采气量超过了100亿m3，其发现储量占美国天然气探明储量的2.3%，到2010年产量占美国天然气产量的20%增长速度飞快。

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。

因此，要加强页岩气的成藏地质条件以及成藏机理的研究，为我国的开发利用打好基础。

2.成藏地质条件
根据美国已发现的产页岩气盆地[14]主要分布在以阿巴拉契亚盆地为代表的东部早古生代前陆盆地带、以福特沃斯盆地为代表的南部晚古生代前陆盆地带和以圣胡安盆地为代表的西部中生代前陆盆地带以及以密执安盆地和伊利诺斯盆地为代表的古生代—中生代克拉通盆地带。

前陆盆地主要位于被动大陆边缘且后期演化为褶皱带的区域，克拉通盆地位于地台之上，沉积了寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、密西西比系(下石炭统)、宾夕法尼亚系(上石炭统)和白垩系等地层的大量富含有机质的黑色页岩，发育了大量的页岩气资源。

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，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。

在这些有利的勘探区域，有利赋存条件包括：生烃条件，储集条件，有利的开采条件和保存条件等。

2.1 生烃条件
2.1.1烃源岩类型及有机碳含量(TOC)
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。

根据R.L.Gareth等(2008)[4]对加拿大不列颠哥伦比亚省下白垩统Buckinghorse组及与其相当的页岩气成藏机理研究中，提出页岩中的含气量(包括吸附气及游离气)与其TOC(%)含量呈正相关。

研究表明:影响页岩气成藏因素很多，但其TOC含量应是控制页岩对甲烷吸附能力的地质主控因素。

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（图1）。

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。

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。

在对Antrim页岩总有机碳含量与含气量关系的研究中发现，二者呈密切的正相关关系（图1.1）[9]，说明总有机碳含量对页岩气含气量有重要的影响作用
图1 Antrim页岩总有机碳含量与含气量关系
Fig.1 Correlation of total organic carbon and gas quantity of Antrim Shale
2.1.2热成熟度（Ro）
页岩要成为潜在的页岩气勘探目标，其成熟度必须进入生气窗[13]，但有研究者认为，页岩气具有多种生气机理，并且可以在美国不同的页岩盆地中找到存在实例[2]。

根据众多研究成果[8，9]，页岩气要具备经济开采价值，页岩处于生气窗内
是甚佳的条件。

含气页岩的热成熟度越高表明页岩生气量越大，研究发现，低成熟Barnett页岩的地方，产气速率比较低，这可能是由于生成天然气的量少，供气不足造成的。

在许多Barnett页岩高成熟的井当中，产气速率比较高，这是因为干酪根和石油裂解产生的气量迅速增加。

在Antrim页岩中，热成因气含量在向盆地中心方向即向干酪根热成熟度增加的方向增加（图2）[7]。

干酪根的热成熟度大小也影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气量。

随着热演化程度的增加，页岩气的吸附气量会逐渐变大[7]。

因此，热成熟度是评价可能高产页岩气的关键地球化学参数。

图2 天然气产量随烃源岩热成熟度、脆性的增加而增加
Fig2 Gas Production increase with the increase of source rock thermal maturity and brittleness 例如在美国，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[2]，2002），这些类型的天然气形成的成熟度(Ro)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。

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%，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。

2.2 储集条件
页岩气是一种连续性的气藏，不用发生油气的运移而是在原地聚集成藏，所以其聚集条件不受圈闭的影响。

直接和烃源岩的物质组成，特性及其中的孔隙、裂隙发育有关，具体包括储层矿物成分，储集空间和储集物性等。

2.2.1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（图3）。

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。

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。

图3 页岩储层岩矿组成三角图
Fig.3 The Mineral Triangle map of Shale of reservoir rock
2.2.2储集空间
页岩储层的储渗空间可分为基质孔隙和裂缝。

基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微裂（孔）隙和不稳定矿物（如长石、方解石）溶蚀形成的溶蚀孔等
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。

2.2.3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)×10μm，平均40.9×10μm。

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2×10μm。

下面把美国页岩气经典地区的地质参数列于下表（表1.1）
表1.1 美国五套页岩气系统的地质、地球化学参数（据Curtis[2]，2002）
2.3 保存条件
页岩气藏是自生自储型气藏，从某种意义来说，页气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果，烃源岩中天然气向常规储层初次运移的通道为裂缝、断层等，所以连通烃源岩和常规储层的裂缝、断裂的发育对烃源岩起破坏作用。

但页岩气藏中16%~80%的气体以吸附状态存在，并且页岩气藏为不间断供气、连续聚集成藏，所以页岩气藏即使遭受构造运动破坏，整个页岩气藏保持不间断持续供气、连续聚集，游离气散失，吸附气仍然可以保存下来，所以与常规油气藏相比，页岩气藏对保存条件要求较低。

3成藏机理
裂缝页岩气的成藏包括四个阶段：有机质和粘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；统计表明，高产且经济效益好的页岩气储层往往分布面积广、埋深适中、厚度大(大于30 m)、有机质丰度高(TOC>2%)、成熟程度适中(Ro介于 1.1%~2.5%)、含气量较高(3~10 m3/t)、产水量较少、黏土含量中等(小于40%)和脆性较高(即低泊松比、高杨氏弹性模量)以及围岩条件有利于水力压裂控制。

它们大多为含油气系统中主力烃源岩，尤以受上升洋流影响、倾油混合型干酪根为主的海进体系域黑色页岩为佳，且现今处于大量生气阶段或充注过程中，既保存了较高的残余有机质丰度，储集大量吸附气，又能新增一定孔隙度，容纳足够数量的游离气，有助于提高基质系统的渗透性，使生产井保持较高产气速度，规模化开发生产的经济效益达到最大化张金川[3]等（2003）认为：页岩在地层组成上，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。

在页岩中，天然气的赋存状态多种多样。

除极少量的溶解状态天然气以外，大部分均以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面，或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中。

吸附状天然气的赋存与有机质含量密切有关[3]，它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变化于20%~85%之间[2]。

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。

页岩气成藏体现出了非常复杂的多机理递变特点，除了然气在孔隙水、干酪根有机质以及液态烃类中的溶解作用机理以外，天然气从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚，再到生烃高峰时期的置换式运聚，体现出了页岩气自身所构成的完整性天然气成藏机理序列。

第一阶段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。

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，第四阶段是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。

图4 页岩气成藏机理示意图（据：张金川，2003修改）
Fig4 The Map of Shale Gas Accumulation Mechanism 影响页岩气成藏的主要因素是源岩的有机质含量及其生气作用，而控制天然气自然产能的主要条件是页岩中的裂缝发育程度。

因此，页岩气成藏并具有工业价值的基本条件是气藏埋藏较浅且泥页岩厚度较大，母质丰富且生气强度较大以及裂缝发育等。

在中国，许多盆地具有页岩气成藏条件，如西部地区的吐哈、塔里木和准噶尔盆地等，中部地区的四川和鄂尔多斯盆地等，东部地区的松辽和渤海湾盆地等。

从上图可知，页岩气生烃过程与常规油气并无区别，但储集方式、富集条件以及气藏宏观分布差异较大。

从天然气赋存状态来看，页岩气包含了吸附气部分，并且不同地质条件下游离气、吸附气二者相对含量变化大，开采方案、生产曲线也呈现不同特征;从油气成藏动力条件以及宏观特征上看，常规油气运移过程中需
要上倾方向存在与输导体系相关的构造高部位，离散分布的低势能区域是成藏有利目标，浮力是天然气运移的主要动力，天然气不断运聚，气水界面随之下移，所以下倾方向往往是水层，而连续式富集的页岩气鲜受水动力影响，多区域性分布于坳陷中[12]，如Appalachian、Michigan和Illinois盆地泥盆系含气页岩覆盖面积约71 200 km2，属于自生自储岩性气藏，没有明显的气水界面。

从含油气系统观点看，含油气页岩往往是盆地内厚度大、分布广的区域主力烃源岩，与常规油气源具有成因关系，常规和非常规油气藏并存。

如果盆地存在完整的烃源岩成熟路径，页岩油、气富集带均可形成，天然气经济可采性相对更高些。

例如Il-linois盆地98%的油气来源于New Albany黑色页岩，但仍有大量生物成因和热解成因天然气残留在页岩层系内（Blocher下段、Clegg Creek上段页岩），估计页岩气原始地质储量(2.4~4.5)×1012m3。

5.页岩气藏赋存的特点
页岩气成藏具有复合性特点，服从物质平衡(天然气聚散)原理、能量守恒定律以及动力平衡原则。

就理论研究来说，煤层气的吸附机制、根缘气的活塞式推进原理、常规圈闭气的置换式成藏作用以及溶解气的变化规律等均是在页岩气成藏分析中所需考虑的因素。

用于煤层气、根缘气、常规圈闭气甚至溶解气研究和勘探中成功的方法和技术均可为页岩气勘探提供有效的帮助。

页岩气藏与根缘气（深盆气），常规油气，地质上是共生的，历史时期是继承关系，其共生模式见图4。

图4 页岩气和常规油气的共生关系（据：课堂讲义）
Fig.4 The Symbiotic Relationship Shale-gas and conventional petroleum
6结论
（1）页岩气藏在含油气盆地中分布广泛，是烃源岩持续生烃、不间断供气、连续聚集而形成的一类非常规连续型气藏。

在成藏时间、储层性质、气体赋存状态及气藏空间展布等方面独具特征。

（2）页岩气藏为富有机质页岩集生、储、盖为一体的自生自储气藏，气源类型丰富，包括生物成因气、有机质热解气、原油裂解气以及沥青裂解气，以热成因气为主。

完整的气藏充注与富集过程可分为生气与吸附、生气与孔隙充注、天然裂缝网络充注以及富集成藏四个阶段。

（3）页岩气藏储层致密，孔隙度和渗透率极低。

储集性能受矿物成分、裂缝等的控制，粘土矿物增加了吸附气的吸附量，而石英、方解石等增加了岩石的脆性，有利于裂缝的形成，裂缝则增加了页岩气藏的渗滤能力，提高了页岩气藏的产能。

（4）页岩气和常规气的赋存是一个有机的整体，只要条件改变其可以相互转化。

所以在地质历史时期，时间域上其先后继承，空间域上叠复存在。

参考文献
[1]张林晔,李政,朱日房.页岩气的形成与开发.天然气工业,2009,29(1):124-128.
[2]CURTIS J B. Fractured shale-gas systems[J]. AAPG.Bulletin,2002,86(11):1921- 1938
[3]张金川,薛会,张德明,等.页岩气及其成藏机理[J].现代地质,2003,17(4):466-466.
[4]GARETH R L,MARC BUSTIN R.Lower Cretaceousgas shales in northeastern British Columbia, Part I:Geo-logical controls on methane sorption capacity[J]. Bulletinof Canadian Petroleum Geology, 2008,56(1):1-21
[5]张金川,金之钧,袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业,2004,24(7):15-18
[6]张金川,徐波,聂海宽,等.中国天然气勘探的两个重要领域[J].天然气工业,2007, 27(11):1-11
[7] Daniel J K Ross, R Marc Bustin. Characterizing theshale gas resource potential of Devonian- Mississippianstrata in the Western Canada sedimentary basin:Application of an integrated formation evaluation,AAPG Bulletin, 2008,92(1):87～125
[8]黄菲,王保全,页岩气成藏地质条件分析[J].内江科技,2011,2:137-138
[9] 蒲泊伶,包书景,王毅,等.页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程,2008,22(3):33～39.
[10]蒋裕强,董大忠,漆麟等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].地质勘探,2010 ,30
(10),7-12
[11] 陈更生,董大忠,王世谦等.页岩气藏形成机理与富集规律初探,天然气工业,第29卷第5期；2009,17-21
[12]李新景,吕宗刚,董大忠等.北美页岩气资源形成的地质条件[J].天然气工业, 2009,29(5):27-3 2.
[13]聂海宽,张金川.页岩气藏分布地质规律与特征[J]. 中南大学学报（自然科学版）,2010,41(2):700-708
10。