頁巖氣藏形成機(jī)理與富集規(guī)律初探

摘 要

摘要：我國存在大量富含有機(jī)質(zhì)頁巖地層，具有廣闊的頁巖氣藏勘探開發(fā)前景。分析頁巖氣成藏特征，探討頁巖氣藏形成機(jī)理與富集規(guī)律，有助于為更好地評價(jià)和開發(fā)我國的頁巖氣資源。研究
摘要：我國存在大量富含有機(jī)質(zhì)頁巖地層，具有廣闊的頁巖氣藏勘探開發(fā)前景。分析頁巖氣成藏特征，探討頁巖氣藏形成機(jī)理與富集規(guī)律，有助于為更好地評價(jià)和開發(fā)我國的頁巖氣資源。研究表明：頁巖氣藏是一種區(qū)域性連續(xù)聚集型非常規(guī)天然氣藏；頁巖具有一定厚度、有機(jī)質(zhì)含量豐富、處于生氣窗演化階段以上、天然裂縫發(fā)育、位于構(gòu)造低部位或盆地中心等是頁巖氣藏形成的主要條件；自生自儲、不間斷供氣與連續(xù)聚集、未經(jīng)運(yùn)移或極短距離運(yùn)移等是頁巖氣藏形成機(jī)理的重要特征；頁巖有效厚度、有機(jī)碳含量、基質(zhì)孔隙與天然裂縫發(fā)育程度是頁巖氣富集成藏的關(guān)鍵因素。
關(guān)鍵詞：頁巖氣；成藏機(jī)理；富集規(guī)律連續(xù)聚集；關(guān)鍵因素；有機(jī)碳含量；裂縫
1 頁巖氣藏特征
    頁巖氣、盆地中心氣、致密砂巖氣以及煤層氣均屬連續(xù)型氣藏。這類氣藏具有表1所列的16項(xiàng)明顯特征。頁巖氣藏的成藏特征也明顯不同于常規(guī)氣藏，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
表1 連續(xù)型氣藏特征簡述表
序號
項(xiàng)目
氣藏特征簡述
1
氣藏規(guī)模
大面積區(qū)域分布
2
氣藏邊界條件
沒有明顯的邊界或界線模糊
3
“氣田或氣藏”概念
通常融合為統(tǒng)一的區(qū)域性聚集
4
蓋層與圈閉條件
沒有明顯的封蓋層和圈閉
5
油氣水分布情況
沒有明確的(油)氣水界面
6
成藏情況
烴類不依靠水動力原地成藏
7
氣藏壓力特征
一般為異常壓力
8
資源分布情況
地質(zhì)資源量巨大，但采收率低
9
油氣富集特征
存在地質(zhì)上的“甜點(diǎn)”高產(chǎn)富集區(qū)
10
儲集條件
儲層基質(zhì)孔、滲極低
11
裂縫發(fā)育情況
儲層普遍發(fā)育天然裂縫
12
生儲組合關(guān)系
儲層通常緊鄰烴源層
13
氣井產(chǎn)水情況
除煤層氣外，一般都不產(chǎn)水
14
區(qū)域氣水關(guān)系
氣水關(guān)系倒置，水層通常出現(xiàn)在氣層的上傾方向
15
勘探成功率
勘探成功率極高，沒有真正的干井
16
氣井可采儲量
估算的最終可采儲量往往低于常規(guī)氣藏
    1) 成藏時(shí)間早：常規(guī)油氣藏中聚集的油氣是在水動力的作用下運(yùn)移而來的，即油氣的生成地和儲存地不屬同一地質(zhì)體，烴源層、儲層和蓋層三者既相互關(guān)聯(lián)又相對獨(dú)立。而頁巖氣藏則不同，作為烴源巖的頁巖集生、儲、蓋“三位一體”，自身構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的成藏系統(tǒng)。頁巖氣藏是烴源巖(富有機(jī)質(zhì)頁巖)在一系列地質(zhì)作用下生成的大量烴類，部分被排出、運(yùn)移到滲透性巖層(如砂巖、碳酸鹽巖)中聚集形成構(gòu)造、巖性等常規(guī)油氣藏，部分則仍滯留在烴源巖中原地聚集而形成的。因此，頁巖氣藏的形成時(shí)間在任何含油氣盆地的所有油氣藏中應(yīng)該是最早的。
2) 無明顯圈閉：傳統(tǒng)上的常規(guī)油氣均聚集在圈閉中，圈閉是油氣藏形成的基礎(chǔ)，決定著油氣藏的基本特征以及勘探方法。頁巖氣藏雖在字面上還稱之為藏，實(shí)則沒有藏的邊界，即頁巖氣不是聚集在某個(gè)圈閉中成藏的，而是包含盆地中已經(jīng)進(jìn)入生氣窗范圍內(nèi)的所有烴源巖中皆可成藏(圖1)。常規(guī)油氣藏，即使是巖性油氣藏，都是在一定的構(gòu)造背景下形成的，而頁巖氣藏不受構(gòu)造因素的控制。
 

3) 儲層超致密：頁巖是由大量黏土礦物、有機(jī)質(zhì)及細(xì)粒碎屑(粒徑小于0.0039mm)組成的、很容易碎裂的一類沉積巖。研究表明，頁巖的原始孔隙度可達(dá)35%以上，隨埋藏深度增加，迅速減少，在埋深2000m以后，孔隙度僅殘留10%或更低。據(jù)美國含氣頁巖統(tǒng)計(jì)(表2)，頁巖巖心孔隙度小于4%～6.5%(測井孔隙度4%～12%)，平均5.2%；滲透率一般為(0.001～2)×10-3μm2，平均40.9×10-6μm2。但在斷裂帶或裂縫發(fā)育帶，頁巖儲層的孔隙度可達(dá)11%，滲透率達(dá)2×10-3μm2。
表2 美國主要含氣頁巖儲層特征統(tǒng)計(jì)表
主要特征參數(shù)
Haynesville
Barnett
Fayetteville
Marcellus
埋深(m)
3048～3962.4
1645.9～2926.08
365.76～2286
1524.0～2438.4
厚度(m)
60.96～91.44
60.96～152.4
15.24～60.96
15.24～91.44
總有機(jī)碳含量(%)
？～4.0
2.0～7.0
2.0～5.0
5.3～7.8
平均測井孔隙度(%)
10
？～7
4～12
5.5～7.5
含水飽和度(%)
15～20
25～35
15～50
12～35
單位面積儲量(108m3/km2)
16.40～24.60
8.20～21.86
3.28～6.56
3.28～16.40
預(yù)測采收率(%)
25～30
25～50
35～40
？～30
平均單井可采儲量(水平井，108m3)
1.27～2.41
0.64
0.62
1.06
    4) 氣體賦存狀態(tài)多樣：頁巖氣主要由吸附氣和游離氣組成。吸附氣賦存于有機(jī)質(zhì)顆粒與黏土顆粒表面，與煤層氣相似；游離氣則賦存于頁巖基質(zhì)孔隙和天然裂縫中，與常規(guī)天然氣相似。
圖2為美國頁巖氣藏中的氣體組成統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表明不同地質(zhì)條件下形成的頁巖氣藏其吸附氣與游離氣的含量存在較大差別。頁巖氣藏中吸附氣含量比例較高，變化范圍較大。頁巖含氣量最高的(如Barnett頁巖氣藏)可達(dá)10m3/t，最低(如New Albany頁巖氣藏)僅有1.1m3/t，含氣量平均為3.81m3/t。其中，吸附氣含量最低為16%，最高達(dá)80%。吸附氣含量的變化主要受巖石組成、有機(jī)質(zhì)含量、地層壓力、裂縫發(fā)育程度等因素影響，詳見后述。

5) 頁巖需具有一定的生烴條件：按油氣有機(jī)成因理論，有機(jī)質(zhì)在整個(gè)熱演化過程中均可生成天然氣。有機(jī)質(zhì)演化進(jìn)入生氣窗后，生氣量劇增，應(yīng)是具有商業(yè)價(jià)值頁巖氣藏的主要形成階段。根據(jù)北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，頁巖氣藏勘探開發(fā)的最有利目標(biāo)是有效厚度大于15m、有機(jī)碳含量大于2%、熱演化程度處于生氣窗范圍內(nèi)的頁巖(表3、4)[1]。
表3 北美頁巖氣藏?zé)N源巖特征表
主要特征參數(shù)
Haynesville
Barnett
Fayetteville
Marcellus
Woodford
Antrim
New Albany
Lewis
厚度(m)
61～91
61～152
15～61
15～91
35～103
21～37
15～31
61～91
總有機(jī)碳含量(%)
～4.0
2.0～7.0
2.0～5.0
5.3～7.8
4.9～7.8
1～20
1～25
0.45～2.5
Ro(%)
2.2～3.0
1.1～2.2
1.2～3.0
0.6～3.0
0.37～4.89
0.4～0.6
0.4～1.0
1.6～1.88
表4 頁巖氣藏有機(jī)碳含量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表
有機(jī)碳含量(%)
干酪根質(zhì)量
＜0.5
很差
0.5～1
差
1～2
一般
2～4
好
4～12
很好
＞12
極好
    注：據(jù)斯倫貝謝公司，2006年。
    需要指出的是，頁巖有效厚度的下限不是一個(gè)固定值，其隨著頁巖氣藏鉆、完井技術(shù)的進(jìn)步而變化。北美在頁巖氣藏開發(fā)的早期是打直井，當(dāng)時(shí)確定的頁巖有效厚度下限值為30m。目前，由于水平井鉆井技術(shù)和水力壓裂、分段壓裂等完井技術(shù)的成功應(yīng)用，頁巖有效厚度下限值已降至10～15m。將來在技術(shù)進(jìn)一步提高、開發(fā)成本不斷降低的情況下，只要是在技術(shù)允許范圍內(nèi)的頁巖厚度都會是有效頁巖厚度[2]。
    6) 頁巖氣藏較易保存：與常規(guī)油氣藏相比，頁巖氣藏不易遭受破壞，這主要基于以下3方面因素。首先，頁巖氣藏多形成于盆地區(qū)域構(gòu)造低部位或盆地中心(圖2)，這是由頁巖地層的沉積特征所決定的；其次，頁巖氣藏為不間斷供氣、連續(xù)聚集成藏。頁巖氣藏即使在遭受構(gòu)造運(yùn)動局部有所抬升，在烴源巖分布的較大范圍內(nèi)，仍部分處于油氣持續(xù)演化狀態(tài)，對整個(gè)頁巖氣藏保持不間斷持續(xù)供氣、連續(xù)聚集，從而彌補(bǔ)因構(gòu)造活動可能造成的部分散失；最后，頁巖氣藏中16%～80%的氣體是以吸附狀態(tài)存在，即使游離氣散失殆盡，吸附氣也可保存下來，不至于整個(gè)氣藏遭到完全破壞。因此，即使在構(gòu)造油氣藏破壞嚴(yán)重的盆地或區(qū)帶，仍有勘探開發(fā)頁巖氣藏的前景。
    7) 與常規(guī)油氣共生共處：在含油氣盆地中，形成頁巖氣藏的頁巖往往都是盆地中的主力源巖或重要源巖，且呈大面積區(qū)域分布。因此，頁巖氣藏分布面積一般與有效烴源巖面積相當(dāng)或一致。而且，頁巖氣藏與常規(guī)油氣藏在緊鄰構(gòu)造隆起、大型斜坡區(qū)等部位是相伴生的(圖1)。從區(qū)域構(gòu)造上看，頁巖氣藏往往分布在構(gòu)造低部位、凹陷或盆地中心[3]。
2 頁巖氣藏形成機(jī)理
2.1 頁巖氣屬典型的自生自儲含油氣系統(tǒng)
    如前所述，頁巖氣藏是作為烴源巖的頁巖持續(xù)生氣、不間斷供氣和連續(xù)聚集成藏形成的。生烴、排烴、運(yùn)移、聚集和保存全部在烴源巖內(nèi)部完成(圖3)，頁巖既是烴源巖、儲層，也是蓋層。研究表明，烴源巖中生成的烴類能否排出，關(guān)鍵在于生烴量必須大于巖石和有機(jī)體對烴類的吸附量，同時(shí)必須克服頁巖微孔隙強(qiáng)大的毛細(xì)管吸附等因素。因此，烴源巖所生成的烴類只有部分被排出，仍有大量烴類滯留于烴源巖中。Jarvie等人(2003)研究認(rèn)為40%～50%的烴類殘留下來。而Hunt等人則認(rèn)為從烴源巖中初次運(yùn)移出來的烴量最多只占生烴總量的百分之幾，最大不超過10%。Tissot和Pelet(1971)認(rèn)為烴源巖中只有靠近儲層14m的范圍內(nèi)烴類可有效排出，即能夠發(fā)生排烴過程的烴源巖總厚度不超過20～30m，而厚層烴源巖中大部分排烴效率很低或根本不能排烴。這些殘留下來的烴類便形成了頁巖氣自生自儲含油氣系統(tǒng)。
 

2.2 頁巖氣藏與常規(guī)天然氣藏的氣源條件雖相似，但兩者在演化過程上存在差異
    北美地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏存在3種氣源(圖4)，即生物成因、熱成因以及兩者的混合成因。其中以熱成因?yàn)橹?，生物成因及混合成因僅存在于美國東部的個(gè)別盆地中，如Michigan盆地Antrim生物成因頁巖氣藏及Illinois盆地New Albany混合成因頁巖氣藏。
 

    研究表明，熱成因氣的形成有干酪根成氣、原油裂解成氣和瀝青裂解成氣3種途徑：①干酪根成氣是由沉積有機(jī)質(zhì)直接熱解形成天然氣。②原油裂解成氣是有機(jī)質(zhì)在液態(tài)烴演化階段形成的、滯留在烴源巖中的液態(tài)烴，經(jīng)深埋藏后的高溫、高壓作用，進(jìn)一步裂解成氣。③瀝青裂解成氣的物質(zhì)基礎(chǔ)來源于兩個(gè)方面：一是源巖中干酪根在各演化階段生烴過程中形成的，另一方面是由原油裂解成氣或遭破壞形成的。原油及瀝青二次裂解生成的天然氣量大小主要取決于烴源巖中有機(jī)質(zhì)豐度、類型以及液態(tài)烴殘留量。由烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化直接成氣及原油裂解成氣是頁巖氣藏中天然氣的主要來源。
2.3 頁巖氣藏的形成兼有常規(guī)氣和煤層氣的特征
    頁巖氣藏中氣體的賦存形式多種多樣，其中絕大部分是以吸附氣的形式賦存于頁巖內(nèi)有機(jī)質(zhì)和黏土顆粒的表面，這與煤層氣相似。吸附氣量與有機(jī)碳含量、地層壓力等因素有關(guān)。游離氣則聚集在頁巖基質(zhì)孔隙或裂縫(主要為微裂縫)中，這與常規(guī)氣藏中的天然氣相似。此外，可能還有極少部分頁巖氣以溶解氣形式存在于頁巖孔隙束縛水或?yàn)r青中。因此，頁巖氣的形成機(jī)理兼具煤層吸附氣和常規(guī)天然氣兩者特征，為不間斷充注、連續(xù)聚集成藏(圖5)。在頁巖氣成藏過程中，隨天然氣富集量增加，其賦存方式發(fā)生改變，完整的頁巖氣藏充注與成藏過程可分為4個(gè)階段[4]。第一階段為天然氣生成與吸附階段，該階段形成的頁巖氣藏具有與煤層氣相似的成藏機(jī)理；第二階段為吸附氣量(包括部分溶解氣量)達(dá)到飽和時(shí)，富余氣體解吸或直接充注到頁巖基質(zhì)孔隙中(也不排除少量直接進(jìn)入了微裂縫中)，其富集機(jī)理類似于孔隙型儲層中天然氣的聚集；第三階段是隨著大量氣體的生成，頁巖基質(zhì)孔隙內(nèi)溫度、壓力升高，出現(xiàn)巖石造縫以及天然氣以游離狀態(tài)進(jìn)入頁巖裂縫中成藏；經(jīng)過前述三個(gè)過程后，天然氣最終以吸附氣和游離氣的形式富集形成頁巖氣藏，即頁巖氣藏形成階段。
 

3 頁巖氣藏富集規(guī)律
    綜上可知，無論是頁巖氣藏的特征，還是頁巖氣藏的形成機(jī)理，都表現(xiàn)出與常規(guī)氣藏迥異的復(fù)雜性，從而使頁巖氣的富集規(guī)律受諸多因素的影響。頁巖氣藏為典型自生自儲式的連續(xù)型氣藏，控制頁巖氣藏富集程度的關(guān)鍵因素主要包括頁巖厚度、有機(jī)質(zhì)含量和頁巖儲層空間(孔隙、裂縫)3大因素。
    1) 富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度愈大，氣藏富集程度愈高。與常規(guī)油氣藏一樣，要形成工業(yè)性頁巖氣藏，頁巖儲層需要達(dá)到一定的有效厚度和分布面積。頁巖厚度和分布面積是保證頁巖氣藏有足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲集空間的重要條件[5]。一般而言，在海相沉積體系中，富有機(jī)質(zhì)頁巖主要形成于盆地相、大陸斜坡、臺地凹陷等水體相對穩(wěn)定的環(huán)境；在陸相湖盆沉積體系中，富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育在深湖相、較深湖相以及部分淺湖相帶中[6]。這些沉積相帶一般具有廣泛的展布空間。在有效厚度大于15m、有機(jī)碳含量大于2%以及處于生氣窗演化階段等頁巖氣藏形成基本條件的限定下，頁巖厚度愈大，所含有機(jī)質(zhì)就愈多，天然氣生成量與滯留量也就愈大，頁巖氣藏的含氣豐度愈高(圖6)。需要指出的是，要形成一定規(guī)模的頁巖氣藏，頁巖厚度一般應(yīng)在有效排烴厚度以上[7]。
 

    2) 有機(jī)碳含量愈高，氣藏富集程度愈高。商業(yè)性頁巖氣藏需要達(dá)到頁巖有機(jī)碳含量最低界限標(biāo)準(zhǔn)。斯倫貝謝公司對北美頁巖氣盆地的研究認(rèn)為，頁巖氣藏的有機(jī)碳含量最低標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)大于2.0%(表4)。因此，有機(jī)碳含量是頁巖氣藏評價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo)，它既是頁巖生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定頁巖的生烴強(qiáng)度，也是頁巖吸附氣的載體之一，決定頁巖的吸附氣大小，還是頁巖孔隙空間增加的重要因素之一，決定頁巖新增游離氣的能力。在相同的地質(zhì)條件及演化階段下，頁巖生烴強(qiáng)度、吸附氣量大小及新增游離氣能力與頁巖中有機(jī)碳含量呈明顯的線性正相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，頁巖含氣量(吸附氣及游離氣總量)隨頁巖有機(jī)碳含量的增加而增大(圖7-a)。對加拿大哥倫比亞省下白堊統(tǒng)BuckingHorse組202塊頁巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同樣表明[7]，頁巖有機(jī)碳含量與甲烷吸附量之間呈正相關(guān)分布(圖7-b)。此外，不同母質(zhì)類型、不同演化程度的頁巖，其等溫吸附曲線也存在明顯差別。頁巖有機(jī)質(zhì)類型越好，甲烷的吸附量越大[7]。但與此同時(shí)，圖6、圖7中也存在一些異?，F(xiàn)象，說明頁巖含氣量大小不僅僅受有機(jī)碳含量的影響，還可能受其他多種因素的影響，如黏土成分及含量、有機(jī)質(zhì)熱成熟度、頁巖含水量等。對此，尚需作進(jìn)一步的深入研究。
 

    3) 頁巖孔隙與微裂縫愈發(fā)育，氣藏富集程度愈高。如前所述，頁巖儲層的孔隙度和滲透率極低，非均質(zhì)性極強(qiáng)，頁巖氣藏中的游離氣主要儲集在頁巖基質(zhì)孔隙和裂縫等空間中。由于頁巖中礦物組成、富有機(jī)質(zhì)等獨(dú)特因素的存在，頁巖除基質(zhì)孔隙外，天然裂縫的發(fā)育、有機(jī)質(zhì)經(jīng)生烴演化后的消耗而增加的大量孔隙空間以及頁巖層中的粉、細(xì)砂巖夾層等，均可極大地增加頁巖的實(shí)際儲集空間，從而提高頁巖的儲氣能力。Jarvie等人(2007)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)含量為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機(jī)碳可使頁巖孔隙度增加4.9%。因此，有機(jī)碳含量愈高，頁巖基質(zhì)中的超微孔隙愈多，頁巖氣藏豐度愈高。與常規(guī)油氣藏相似，頁巖氣藏中孔隙與微裂縫愈發(fā)育，氣藏的富集程度愈高。
4 結(jié)論
    1) 頁巖氣藏在含油氣盆地中分布廣泛，是烴源巖持續(xù)生烴、不間斷供氣、連續(xù)聚集而形成的一類非常規(guī)連續(xù)型氣藏。在成藏時(shí)間、儲層性質(zhì)、氣體賦存狀態(tài)及氣藏空間展布等方面獨(dú)具特征。
    2) 頁巖氣藏為富有機(jī)質(zhì)頁巖集生、儲、蓋為一體的自生自儲氣藏，氣源類型豐富，包括生物成因氣、有機(jī)質(zhì)熱解氣、原油裂解氣以及瀝青裂解氣，以熱成因氣為主。完整的氣藏充注與富集過程可分為生氣與吸附、生氣與孔隙充注、天然裂縫網(wǎng)絡(luò)充注以及富集成藏4個(gè)階段。
    3) 頁巖氣藏的富集受多種因素綜合影響，包括頁巖礦物成分和結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度、頁巖有效厚度、孔隙與裂縫空間、埋深以及壓力等。其中，頁巖有效厚度、有機(jī)碳含量以及孔隙與裂縫的發(fā)育程度對頁巖氣藏的富集影響最大。
參考文獻(xiàn)
[1] CRETIES D JENKINS，CHARLES M BOYER.煤層氣和頁巖氣藏[J].JPT，2008，1：92-99.
[2] JOHN B COMER. Reservoir characteristics and production potential of Woodford Shale[J].World Oil，2008(8)：83-88.
[3] 蒲泊伶，包書景，王毅，蔣有錄.頁巖氣成藏條件分析——以美國頁巖氣盆地為例[J].石油地質(zhì)與工程，2008，22(3)：33-35.
[4] 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24(7)：15-18.
[5] 秦建中.中國烴源巖[M].北京：科學(xué)出版社，2005.
[6] 孫超，朱筱敏，陳菁，等.頁巖氣與深盆氣成藏的相似與相關(guān)性[J].油氣地質(zhì)與采收率，2007，14(1)：43-47.
[7] GARETH R，CHALMSRS R，MARC BUSTIN. Lower Cretaceous gas shale of Northeastern British Columbia：Geological controls On gas capacity and regional evaluation of a potential resource[C].AAPG Annual Convention. San Antonio，Texas：AAPG，2008.
　
(本文作者：陳更生1 董大忠2 王世謙3 王蘭生3 1.中國石油西南油氣田公司；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)