頁巖氣成藏特征淺析

張 廣

（華北石油工程有限公司 錄井分公司，河南 鄭州 450006）

1 頁巖氣賦存方式

頁巖氣是指以多種相態(tài)存在于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖以及泥頁巖內(nèi)呈夾層狀分布的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖中的天然氣，作為一種非常規(guī)連續(xù)型天然氣，其賦存方式、成藏過程、成藏特征等方面都與常規(guī)天然氣有重大差別。

按照氣體在儲層中的賦存方式的不同，頁巖氣藏中的烴類氣體可以分為三類：吸附氣、游離氣、溶解氣[1]。 吸附氣是以吸附狀態(tài)賦存于粘土礦物顆粒和有機質(zhì)的表面。 游離氣是存在于頁巖孔隙、微裂縫中的游離態(tài)氣體，相較于吸附氣來說，游離氣更容易自頁巖儲層中采出。溶解氣是指溶解于頁巖中孔隙水、瀝青質(zhì)內(nèi)的烴類氣體。 一般情況下，在進行頁巖含氣量分析時，不易將溶解氣與吸附氣區(qū)分開來， 因此經(jīng)常只用吸附氣量和游離氣量及二者的相對含量來表述頁巖氣藏的含氣特征。

以北美地區(qū)開采最為成功的頁巖氣藏為例，其吸附氣量在頁巖總含氣量中的比例范圍為16%～80%（圖1）。Muskwa 組頁巖的吸附氣量最低，為16%，其頁巖氣主要以游離氣為主。 吸附氣量較高的有Antrim 組、Lewis 組和Woodford 組三組頁巖，所占比例在60%～80%之間[2]。

分析頁巖氣藏吸附氣及游離氣含量的主要意義在于，二者對采氣效果及對開發(fā)動態(tài)的影響不同。 吸附氣的開采過程與煤層氣相似，要經(jīng)歷解吸、擴散、運移等不同階段，整個采氣過程時間較長，產(chǎn)量下降較慢，使得頁巖氣井具備生產(chǎn)周期長的特征，一般可達30～50年。而游離氣存在于裂縫和較大孔隙中，生產(chǎn)時首先排除的就是存在于裂縫中的游離氣，其滲流速度較快。 若頁巖中游離氣含量高， 則頁巖氣井初期產(chǎn)量較大， 形成相對高產(chǎn)期，對頁巖氣井的成本回收及開采經(jīng)濟性較為有利，但是游離氣產(chǎn)量下降較快， 會在開采過程中逐漸過渡到以吸附氣為主的穩(wěn)產(chǎn)期。 因此，可以看到，吸附氣含量高有利于頁巖氣井的長期穩(wěn)產(chǎn)，游離氣含量高有利于頁巖氣井初期處于相對高產(chǎn)期，有利于提高開采經(jīng)濟性，加快成本回收。

圖1 北美地區(qū)頁巖氣藏中吸附氣與游離氣相對含量示意圖（據(jù)陳更生等，2009）

2 頁巖氣形成過程及成藏特征

2.1 頁巖氣形成過程

頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存在頁巖儲層中，吸附態(tài)氣體的賦存方式與煤層氣相似， 游離態(tài)氣體的聚集特征與常規(guī)天然氣藏相似，因此，頁巖氣成藏過程與二者有相似之處，主要表現(xiàn)在吸附氣賦存和游離氣聚集兩個方面。 一般情況下，頁巖氣的形成過程可以分為4 個階段：吸附階段、孔隙充填階段、裂縫充填階段和頁巖氣藏形成階段。

在頁巖氣成藏的初期階段， 巖石內(nèi)有機質(zhì)的生烴量有限，而巖石內(nèi)存在大量粘土礦物及有機質(zhì)。 由于這些物質(zhì)微孔隙較為發(fā)育，吸附能力強，因此生成的烴類會被吸附在這些物質(zhì)的表面（圖2，1）。 隨著生烴量進一步增大，當(dāng)頁巖內(nèi)部的吸附氣在烴源的供給下達到飽和狀態(tài)時， 多余的烴類氣體就會在頁巖基質(zhì)的孔隙空間中聚集，進而充滿整個基質(zhì)孔隙（圖2，2）。 由于泥頁巖滲透性較差， 大量的烴類無法自巖石內(nèi)部排出而在頁巖孔隙內(nèi)聚集，形成超壓。當(dāng)壓力達到泥頁巖中某些薄弱面的強度極限時，會在頁巖薄弱面產(chǎn)生小規(guī)模微裂縫，進而相互貫通形成較大規(guī)模裂縫系統(tǒng)。天然氣則在裂縫系統(tǒng)中大量聚集，即進入頁巖氣成藏的裂縫充填階段（圖2，3）。 在經(jīng)歷前述的三個成藏階段后，頁巖氣最終以吸附態(tài)和游離態(tài)在頁巖儲層中富集起來， 形成頁巖氣藏[2]（圖2，4）。

圖2 頁巖氣形成過程示意圖（據(jù)陳更生等，2009）

2.2 頁巖氣成藏特征

頁巖氣作為一種非常規(guī)連續(xù)型油氣藏， 同常規(guī)油氣藏相比，具有成藏時間早、無明顯圈閉、儲層超致密、氣體賦存狀態(tài)多樣等特征[3]。

（1）成藏時間早。 相對于常規(guī)油氣藏，頁巖氣藏作為一種生、儲、蓋“三位一體”的成藏系統(tǒng)，由烴源巖生成的烴類會首先吸附于礦物顆粒和有機質(zhì)表面， 達到飽和后才會自烴源層中排出。 由于烴類氣體可以呈吸附態(tài)賦存，因此排烴過程中，必然會有一部分烴類滯留于烴源巖中，因此，頁巖氣藏在成藏序列上早于其他天然氣藏（圖3）。

圖3 天然氣成藏的三個階段（據(jù)張金川等，2004）

（2）氣藏?zé)o明顯圈閉。 頁巖氣藏在賦存機理上與常規(guī)天然氣藏差別較大，部分氣體以吸附態(tài)存在，儲層孔滲性較差，使得頁巖氣藏?zé)o明顯的氣水邊界。 頁巖氣的聚集在進入生氣窗范圍內(nèi)的烴源巖中都可發(fā)生， 常規(guī)油氣藏中的圈閉和側(cè)向封堵不是必要條件。

（3）儲層超致密。頁巖氣以泥頁巖為儲層。以美國含氣頁巖為例，其孔隙度一般小于6.5%，平均約5.2%，滲透率一般介于0.001～2.0md，遠低于常規(guī)油氣藏。 當(dāng)斷裂帶或微裂縫發(fā)育時，頁巖的孔滲性會有所改善。

（4）頁巖氣較易保存。 由于頁巖氣多以吸附態(tài)賦存，多存在于構(gòu)造低部位或盆地中心， 而且在成藏過程中可以持續(xù)生烴并補充散失掉的天然氣，因此相對于常規(guī)天然氣藏，頁巖氣藏更不易遭受破壞。

（5）可與常規(guī)油氣藏共生共處。 事實上，頁巖氣賦存層位都具備良好的生烴能力，是鄰區(qū)及相鄰層位油氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，在含油氣盆地中，頁巖氣藏常與常規(guī)油氣藏伴生，且頁巖氣藏多分布在構(gòu)造低部位或盆地中心（圖4）。

圖4 頁巖氣藏與常規(guī)油氣藏分布關(guān)系

3 結(jié)論

頁巖氣的形成過程分為四個階段，從而造成了頁巖氣的三種不同的賦存方式及特有的成藏特征， 而賦存方式的不同和成藏特征的變化又決定了采氣效果及對開發(fā)動態(tài)的影響不同。 因此， 深入研究頁巖的賦存方式及成藏特征對頁巖氣的勘探和后期開發(fā)具有深遠意義。

[1]江懷友，宋新民，安曉璇等.世界頁巖氣資源與勘探開發(fā)技術(shù)綜述.天然氣技術(shù).2008，2（6）:26-30.

[2]陳更生，董大忠，王世謙等.頁巖氣藏形成機理與富集規(guī)律初探.天然氣工業(yè)，2009，29（5）:17-21.

[3]閆存章，黃玉珍，葛春梅等.頁巖氣是潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源.天然氣工業(yè)，2009，29（5）:1-6.