页岩气及其成藏条件概述

页岩气及其成藏条件概述2010年7月，在四川川南地区中国石油集团公司第一口页岩气井（威201井）顺利完成加砂压裂施工任务，标志着中国石油集团公司进入了页岩气的实战阶段。页岩气是一种非常规天然气资源，其储量巨大，有关统计表明全球页岩气资源量约为456.24×1012m3。较早对页岩气进行研究的是美国和加拿大，这些国家在勘探和开发中都取得了丰富的成果，形成了较为完备的页岩气系统理论，进入了快速的发展阶段；而我国对页岩气的勘探开发还在初级阶段，研究相对程度相对落后，但我国页岩气资源量也十分丰富（预测为30-100×1012m3）。据有关专家介绍，随着我国经济发展对油气资源的需求，页岩气将是我国今后油气资源勘探和开发的重点。1页岩气及其特点1.1页岩气储量从世界范围来看泥、页岩约占全部沉积岩的60%，表1世界较大页岩气储量地区表(×1012m3)其资源量巨大。全球页岩气资源量为456.24×1012m3，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、太平洋地区、拉美、前苏联等地区（表1）在我国的松辽盆地白垩系、江汉盆地的第三系、渤海湾盆地、南华北、柴达木以及酒泉盆地均具有页岩气资源的分布。其中，四川盆地的古生代海相沉积环境形成的富有机碳页岩与美国东部的页岩气盆地发育相似。仅四川川南威远、泸州等地区的页岩气资源潜力（6.8-8.4×1012m3）,相当于整个四川盆地的常规天然气资源的总量。1.2页岩气及特点页岩是由固结的粘土级的颗粒物质组成，具有薄页状或薄片层状的一种广泛分布的沉积岩。页岩致密且含有大量的有机质故成暗色（如黑色、灰黑色等）。在大多数的含油气盆地中，页岩既是生成油气的烃原岩也是封存油气的盖层。在某些盆地中，如果在纵向上沉积较厚（几十米-几百米），横向上分布广泛（几百-几万平方公里）的页岩同时作为了烃原岩和储集岩，且在其内聚集了大量的天然气，那就是页岩气。所谓页岩气是指富含有机质、成熟的暗色泥页岩，因热作用和生物作用而形成了大量储集在页岩裂缝、孔隙中的且以吸附和游离赋存形式为主的天然气。与常规储层天然气相比，页岩气具有独特的特点（表2）。表2常规储层天然气与页岩气对比表类型特点常规储层天然气页岩气成因类型热成因、生物成因及石油裂解气热成因、生物成因主要成分CH4为主，少量C2H5、C3H6CH4为主（＞90%），少量C2H5、C3H6且变化较大储集岩类型砂岩、碳酸盐岩等泥、页岩及其间的细粒砂岩夹层运移距离相对较长（一次和多次运移）不运移或很短赋存方式游离气为主吸附气（20-80%）、游离气为主和少量溶解气成藏特点生、储、盖合理组合自生、自储成藏主要动力浮力、毛细管力、水动力等范德华力、毛细管力和膨胀力成藏时间圈闭形成和天然气运聚后早期成藏主控地质因素气源、输导、圈闭等成分、成熟度、裂缝等埋藏深度一般＞500m200m以上，最浅8.2m分布特点构造圈闭的较高部位盆地沉降-沉积中心及斜坡开采特点自然压力开采排气降压解析开采2生成条件2.1沉积环境稳定的沉积环境是页岩气形成的首要条件。只要沉积环境稳定，有机质含量以及成熟度较好（TOC＞0.5%，RO＞0.4%），无论是海相沉积，陆相沉积还是海陆交互相沉积环境都可以形成页岩。另外，沉积速率较快可以使富含有机质的粘土物质快速沉积而不被氧化；还原环境抑制了微生物细菌对有机质的破坏，这些都是页岩气形成的必要条件。美国的页岩气盆地的含气页岩，都是在缺氧的环境下使富含有机质的沉积物沉积而形成的。2.2有机质页岩中有机质的含量和成熟度对页岩气的生成和储集都有重要的影响。有机质的含量决定了生烃的强度，因而它决定着生烃量的多少。总有机碳含量（TOC）与页岩对气的吸附能力之间存在正相关的线性关系。在相同压力下，页岩有机碳含量越高，甲烷吸附量越高；以美国福特沃斯盆地Barnett页岩气藏生产为例，有机碳（TOC）含量高的地方，对应产气量也大，其成正相关的关系（图1）。另外，有机质的成熟度（镜质体反射率R0）越高，生成烃类物质也就越多（图2）。在成熟作用的早期，天然气是主要通过干酪根经降解作用形成；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的。图1有机碳含量与气体含量的关系图2页岩成熟度与产气速度的关系2.3热力与生物作用有机质因热作用和生物作用而生成页岩气，故可将页岩气分为热裂解成因气和生物成因气两种类型。不同沉积环境和有机质形成不同类型的干酪根，页岩一般是以Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为主,也可有少量的Ⅲ型干酪根。干酪根热降解过程中，先后产出沥青、原油和天然气，而干酪根，沥青和原油均可以生成天然气，以美国Barnett页岩为例（图3）。通过干酪根分解，沥青的分解以及油的分解三种途径都可以形成气体。图3Barnett页岩热成因生气途径示意生物成因气可以通过两种方式形成：醋酸盐的发酵作用、二氧化碳的还原作用生成甲烷。醋酸盐发酵作用：CH3COOH→CH4+CO2CO2的还原作用：CO2+4H2→CH4+2H2O页岩气的形成是热成因和生物成因共同作用的结果。有机质的丰度和类型对于页岩气的形成至关重要。3储集条件3.1深度与厚度页岩必须达到一定的厚度，才能成为有效的烃源岩层和储集层。页岩的埋深影响页岩气的生产和聚集，页岩埋深达到一定的深度（一定的温度、压力）才能形成烃类气体，随着埋深的增加，压力逐渐增大，孔隙度减小，不利于游离气富集，但有利于吸附气的赋存。另外，厚度越大，能够提供更多的有机质和储集空间，也能提高其作为盖层的封闭能力。研究表明盆地边缘斜坡页岩厚度适当且易形成张性裂隙，是页岩气藏发育的最有利区域；盆地中心区域的厚层页岩，在热裂解生气阶段若能形成大面积的超压破裂缝，也可形成页岩气藏。页岩的厚度和埋深是控制页岩气成藏的关键因素，以美国五大页岩气系统的总结研究为例（表3）。表3美国5大页岩系统页岩埋深、厚度总结表3.2岩性特征页岩是由粘土级的颗粒物质组成，其矿物成分比较复杂，除含有伊利石、蒙脱石、高岭石等粘土矿物除外，还含有石英、方解石、长石、云母等矿物成分。其中粘土矿物含量为30%～50%，粉砂质(石英等颗粒)为15%～25%，有机质为1%～20%，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。粘土矿物具有较高的微孔隙体积和比表面积，吸附能力较强，这有利于吸附页岩气的储集。当气体分子满足了吸附后，多余的气体分子一部分就以游离状态进入岩石孔隙和裂隙中（图4）。另外，天然气在满足吸附以后，可能会有少量天然气因溶解作用存在于液态物质中。由于页岩的特定矿物成分和岩性结构，使得页岩气在页岩中有不同的赋存方式，其中吸附和游离态占很大的比例，而溶解态仅少量存在。页岩气系统面积（km2）埋深（m）总厚度（m）Antrim页岩315980120-72048Ohio页岩414400600-150090-300NewAlbany页岩137270180-147030-120Barnett页岩108781590-255060-90Lewis页岩2849900-1800150-570图4裂缝页岩气生成模式(据李明潮，1996，有修改)3.3孔隙度与渗透率页岩是低孔隙度的储层，通常小于5％，以微空隙为主，其孔隙性直接影响页岩气的赋存形式。微孔（平均宽度＜2nm）总体积越大，比表面积也越大，其对分子的吸附能力越强（表4）。较大的孔隙（平均宽度＞2nm）,主要发生层流的渗透和毛细管的凝聚，有利于游离气的储集。例如美国Ohio页岩和Lewis页岩，其平均孔隙度5-6%,游离气可以充填孔隙的50%。页岩的渗透率通常也小于0.1×10-3μm2，然而在裂缝发育处，渗透率能有所改善。为了实际开采的需要，可以通过人为造缝（地层压裂）的方式提高渗透性。表4美国5大页岩系统储集特征项目名称吸附气量（%）孔隙度（%）渗透率（10-3μm2）Antrim页岩702-10＜0.1Ohio页岩502-11＜0.1NewAlbany页岩40-605-15＜0.1Barnett页岩40-601-60.1Lewis页岩60-880.5-5.5＜0.13.4裂缝裂缝对页岩气的储集有着重要的影响。由于构造断裂等作用的影响，使得页岩中会出现大量裂缝（图5）。这些裂缝有二个重要的作用，一是为气体提供了储集的空间，一般来说，裂缝发育好的地方更利于页岩气的储集；二是提供了气体的运移通道，当然如果裂缝规模过大，可能导致天然气散失。由于页岩的渗透率很低，所以裂缝的发育（不管天然还是人为造缝）形成裂缝网络，会使页岩渗透率、孔隙度得到一定的改善。图5页岩的天然裂缝3.5温度与压力温度能够直接影响页岩对气体的吸附能力，温度越高页岩吸附能力降低，温度与吸附能力是呈反相关的关系。Chalmers等发现温度与气体吸附能力成负幂指数关系,随着温度的升高,气体吸附能力迅速降低。压力则与页岩吸附能力呈正相关的关系。压力越大，那么吸附的气量就越多。另外，游离气的含量也会随着压力的增加而增加。Shkolin等也指出,随着压力的增大,气体的压缩率增大,从而增加了游离态气体的储存能力。总体而言，压力与吸附气和游离气含量关系都表现出正相关的关系（图6）。图6压力与气量的关系4盖层及圈闭条件页岩是细小的颗粒物质组成的沉积岩，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。在一些页岩气盆地中，页岩上覆的致密岩层都具有一定的封盖能力，使页岩气藏的盖层类型多样，例如页岩（阿巴拉契亚盆地和福特沃斯盆地）、冰碛岩（密执安盆地）、斑脱岩（圣胡安盆地）和页岩/碳酸盐岩（伊利诺斯盆地）。盖层的封闭包括岩石的物性封闭、泥页岩的欠压实封闭和含水层的封闭三种封闭类型。页岩气大量形成以后，被周围有致密的岩层所包围，就可以封闭页岩气（图7）。图7结晶灰岩对Barnett页岩气藏的封闭作用由于页岩四周致密层的存在，阻滞了厚层泥质岩内部大量孔隙流体（水、油、气）的及时排出，造成页岩气系统内的欠压实。欠压实的泥岩具有异常高的孔隙度，其颗粒之间未达到紧密的接触，有利于天然气的保存。欠压实泥岩比相同深度的正常压实泥岩具有更高的孔隙压力，形成异常高压。上、下致密层段的毛细管阻力大于中间欠压实层段的毛细管阻力，可有效的阻止地层内天然气的散失（图8）。在成岩作用过程中,大气降水以及粘土、有机质转化水所形成的水，在页岩气藏中也可成为封闭天然气的含水盖层。图8泥页岩层内部欠压实毛细管阻力封闭作用示意图页岩气藏是一边生成一边储集的，不需要构造背景，属于隐蔽的气藏。页岩具有低的孔、渗性，其可以形成一个能够将页岩气封闭在页岩体内的储集体，形成一个圈闭。页岩气藏具有较强的抗破坏能力，特别是对于以吸附方式存在的气藏，即使在构造破坏程度较高的地区，只要有天然气的生成，就仍会有页岩气的存在。5结论（1）：页岩气是一种重要的非常规天然气资源，在地球上的储量巨大，是今后油气勘探和开发的重点。（2）：页岩气从生成到最后圈闭成藏有不同于常规天然气的各面条件。加强页岩气的成藏条件研究，对形成页岩气系统成熟的理论是非常必要的。（3）：美国和加拿大对页岩气研究较为成熟，与之合作，加强学习，对我国页岩气的勘探开发是非常有帮助的。