頁巖氣深度富集帶理論研究及應(yīng)用

劉人和　郭偉　劉洪林　湯小琪

摘 要：頁巖氣是一種自生自儲的非常規(guī)天然氣資源。研究表明：頁巖含氣量分布特征主要受頁巖儲層埋深、儲層構(gòu)造形態(tài)、有機(jī)碳含量以及儲層物性等因素的影響。頁巖氣是吸附氣、游離氣和溶解氣三種賦存狀態(tài)的動態(tài)平衡。通過頁巖氣的勘探與開發(fā)實(shí)踐，我們獲得重要的理論認(rèn)識：頁巖含氣量與地層埋深是一種拋物線關(guān)系模型，即頁巖深度富集帶L-W模型。頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐表明， 向斜為頁巖氣富集的主要構(gòu)造控制因素。因此，在我國總體構(gòu)造運(yùn)動比較強(qiáng)烈的地質(zhì)背景條件下，尋找構(gòu)造運(yùn)動比較弱的部位，比如地層產(chǎn)狀比較平緩的向斜地區(qū)，確定有利勘探方向的頁巖氣目標(biāo)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：頁巖氣 向斜 吸附氣 游離氣 溶解氣 富集規(guī)律

中圖分類號：P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0010-05

頁巖氣是一種自生自儲的非常規(guī)天然氣資源，其富集規(guī)律除了受到沉積環(huán)境等因素影響外，還要受到含氣性、頁巖儲層、蓋層、控氣地質(zhì)背景等因素的影響。頁巖氣富集規(guī)律直接關(guān)系到頁巖氣的勘探與開發(fā)。理論和實(shí)踐研究表明，儲層埋深為頁巖氣富集的主要控制因素。中國頁巖氣資源勘探潛力大[1-5]，該文涉及到的研究區(qū)位于四川南部和云南東北部地區(qū)，對南方海相頁巖含氣量分布特征進(jìn)行了深入的剖析，同時(shí)利用等溫吸附測試結(jié)果建立了該地區(qū)的頁巖含氣量-深度關(guān)系模型，對該地區(qū)的頁巖氣含氣性進(jìn)行了理論預(yù)測。

1 南方海相頁巖含氣量分布特征

頁巖含氣量主要由游離氣、吸附氣和溶解氣構(gòu)成。研究表明：頁巖含氣量分布特征主要受頁巖儲層埋深、儲層構(gòu)造形態(tài)、有機(jī)碳含量以及儲層物性等因素的影響。

1.1 頁巖含氣量與埋深的關(guān)系

南方海相頁巖含氣量普遍較低，統(tǒng)計(jì)分析了14口頁巖氣井含氣量測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)頁巖含氣量變化較大，總體偏低，頁巖含氣量在垂向上變化很大，高值只分布在下部富含有機(jī)質(zhì)頁巖的部分井段。頁巖氣實(shí)驗(yàn)研究表明：含氣量和埋深存在拋物線的關(guān)系，而且不同的埋深，頁巖氣的組成類型不同。埋深小于1000 m，吸附氣主導(dǎo)，埋深超過1000 m，游離氣開始迅速增加，并在3000 m以后占據(jù)主導(dǎo)地位，超過5000 m以后，大埋深、過成熟，經(jīng)歷強(qiáng)烈壓實(shí)導(dǎo)致孔隙度降低，影響含氣量，總體來看：頁巖含氣量與埋深呈拋物線的關(guān)系（圖1）。

1.2 頁巖含氣量與構(gòu)造形態(tài)關(guān)系

與北美環(huán)加拿大克拉通形成一系列沉積盆地的格局不同，中國分布著揚(yáng)子、華北和塔里木三個(gè)交互影響的板塊，相互之間的共同作用影響著中國不同時(shí)期沉積盆地及其中頁巖的沉積，后期的構(gòu)造變動決定了頁巖現(xiàn)今的宏觀分布。南方海相頁巖形成時(shí)間早，后期構(gòu)造活動對頁巖氣保存條件影響很大，儲層構(gòu)造形態(tài)對頁巖含氣量具有重要的影響。經(jīng)過近幾年的勘探開發(fā)工作，構(gòu)造形態(tài)對頁巖含氣量的影響業(yè)已形成共識。穩(wěn)定區(qū)及相對穩(wěn)定區(qū)對頁巖氣保存有利，向斜區(qū)最為有利，其次為斜坡區(qū)。背斜區(qū)斷層及裂隙對頁巖氣保存不利，埋深生烴期較晚、且后期抬升到適當(dāng)位置的地區(qū)有利于頁巖氣保存和形成超壓，多期抬升和長期抬升不利于頁巖氣保存。例如YQ2井井位構(gòu)造位于滇黔北坳陷威信凹陷牛街背斜帶大雪山背斜北緣；YQ3井位于滇黔北坳陷威信凹陷孔壩背斜帶東北部。YQ2和YQ3井埋深分別為12 m和34 m，頁巖含氣量分別只有0.11方/t和0.06方/t（如圖2）。

我國海相頁巖構(gòu)造改造強(qiáng)烈，頁巖儲層受多次改造、斷裂發(fā)育、天然裂隙發(fā)育等的影響。而頁巖脆性強(qiáng)，在構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的應(yīng)力場條件下容易破裂，產(chǎn)生大量裂縫，造成氣藏破壞。在我國總體構(gòu)造運(yùn)動比較強(qiáng)烈的地質(zhì)背景條件，應(yīng)該尋找構(gòu)造運(yùn)動比較弱的部位，比如寬緩的向向斜、地層產(chǎn)狀比較平緩地區(qū)。

1.3 頁巖含氣量與有機(jī)碳碳含量（TOC）的關(guān)系

頁巖有機(jī)碳控制著頁巖的物理化學(xué)性質(zhì)；一定程度上控制頁巖裂縫的發(fā)育程度；更重要的是控制著頁巖的含氣量。通過統(tǒng)計(jì)14口井頁巖氣井的有機(jī)碳含量與頁巖含氣量125個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)，而且是有機(jī)質(zhì)作為吸附氣的核心載體。頁巖對氣的吸附能力與頁巖的總有機(jī)碳豐度之間存在正相關(guān)關(guān)系（圖3）。

有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到多少才能形成商業(yè)性頁巖氣藏，這個(gè)參數(shù)至關(guān)重要。關(guān)于頁巖氣藏形成的有機(jī)碳下限值，很多學(xué)者都進(jìn)行過研究[6-8]，認(rèn)為1%～3%不等。本次研究的四川南部和云南東北部海相烴源巖主要為黑色泥巖，與美國相比，熱演化程度較高，都已達(dá)高過成熟階段，大量形態(tài)有機(jī)質(zhì)可能已經(jīng)無法用正常方法測試和觀察到。因此，綜合考慮各方面因素，認(rèn)為形成頁巖氣藏的源巖有機(jī)碳含量下限應(yīng)該采用傳統(tǒng)的烴源巖生烴標(biāo)準(zhǔn)，定為0.5%較為合適。

1.4 頁巖含氣量與儲層物性的關(guān)系

與美國五大頁巖氣盆地對比，我國南方海相頁巖儲層物性條件中等，儲層石英含量高、孔隙度低、滲透率較高。我國南方海相頁巖儲層孔隙度一般0.8%～5.8%，平均值2.7%；孔隙度在4%以上的占14.1%；滲透率一般范圍1～4058 md，平均值136 md；大于200 md的占11.3%。儲層屬于超低滲儲層的范圍。孔隙度直接反映著儲集能力，滲透率反映的是滲濾能力。根據(jù)孔隙度、滲透率值與該區(qū)的油氣產(chǎn)能的關(guān)系來評判儲集巖十分重要，但受多方面因素的影響，孔隙度、滲透率與頁巖氣含量關(guān)系不明顯（圖4）。頁巖儲層只有經(jīng)過壓裂改造后方能獲得工業(yè)氣流。

2 南方海相頁巖含氣量理論模型

2.1 頁巖含氣量預(yù)測模型

頁巖氣存在三種賦存狀態(tài)，即吸附在頁巖孔隙表面的吸附態(tài)、分布在頁巖孔隙及裂隙中游離態(tài)和溶解在頁巖地層水中的溶解態(tài)。一般情況下，在頁巖熱演化作用過程中生成的甲烷氣體，首先滿足吸附，然后溶解和游離析出，在一定的溫度和壓力調(diào)節(jié)下，這三種狀態(tài)氣處于同一動態(tài)平衡體系之中，當(dāng)頁巖的生烴量增大或外界條件改變時(shí)，三種存儲形式可以相互轉(zhuǎn)換。

2.1.1 吸附甲烷氣

吸附狀態(tài)的天然氣量可以通過等溫吸附曲線模擬確定。在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件和理論水平下，均勻孔隙介質(zhì)的langmuir單分子吸附動力學(xué)模型仍是實(shí)驗(yàn)研究的理論依據(jù)。頁巖氣是以甲烷氣體為主的混合氣體，可利用langmuir等溫吸附方程來描述。

根據(jù)頁巖氣的氣體組成，配制實(shí)驗(yàn)氣體，模擬儲層溫度條件下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)；通過實(shí)驗(yàn)平衡壓力點(diǎn)氣體組分分析和氣體壓縮因子計(jì)算，可以得到該平衡壓力點(diǎn)吸附混合氣體的氣量；對各測試點(diǎn)氣體平衡壓力和吸附混合氣體氣量，用方程式

P/V吸=PL混/VL混+P/VL混

做線性擬合，通過直線斜率和截距求得儲層溫度條件下混合氣體Langmuir吸附

常數(shù)VL混、PL混?？蛇M(jìn)一步確定混合氣體的等溫吸附方程

V吸=VL混P/（P+PL混）

根據(jù)儲層壓力P就可以得到吸附氣的儲集潛力V吸。通過實(shí)驗(yàn)測試，我們建立了頁巖氣在上揚(yáng)子地區(qū)含氣量與埋深、TOC的關(guān)系模型，用于吸附氣量的計(jì)算。

2.1.2 游離氣

對于頁巖氣來言，孔隙為頁巖氣的富集提供了儲集空間，同時(shí)也是液態(tài)地層水儲集的空間。這些儲存了氣水流體的孔隙是滲流孔隙，基本上是中孔、大孔及其以上的孔隙，我們稱為有效孔隙度。有效孔隙度與總孔隙度相比，一般占50%～80%，與頁巖的成熟度和TOC含量有密切關(guān)系。游離氣量為孔隙中不同氣體的氣量之和，即

V游=

式中，V游為游離氣的儲集氣量，V游i為游離氣中第i種氣體的儲集氣量。當(dāng)甲烷濃度很高時(shí)或作近似計(jì)算時(shí)，可以將頁巖氣簡化為甲烷氣體。

在儲層的溫度和壓力條件下，煤層氣作為真實(shí)氣體，與理想氣體存在一定偏差，溫度和壓力越大，理想氣體就越需要?dú)怏w的壓縮因子校正，計(jì)算公式：

Ni=piVpSg/ZiRT

式中：pi為儲層壓力，Pa；T為儲層溫度，K；Vp為煤儲層滲流孔隙孔容，Cm3/t； Sg為頁巖氣含氣飽和度，%；Zi為第i種氣體組分的壓縮因子。

通過計(jì)算，我們獲得了不同埋深條件下頁巖含氣量與埋深關(guān)系圖版。

2.1.3 溶解氣

溶解狀態(tài)的天然氣即頁巖中水溶氣和油溶氣。其數(shù)量的大小由孔隙中油水?dāng)?shù)量和特定溫度和壓力下對氣體的溶解量的大小決定。各種氣體在油水中溶解能力差別很大，一般頁巖含油水的量都在5%以下。在頁巖氣產(chǎn)液態(tài)烴的階段，油溶氣占了比較大的比例，在成熟度比較高的階段，頁巖中的油已經(jīng)全部裂解，沒有液態(tài)烴的存在，雖然油溶氣溶解能力大，但是沒有油溶氣存在。

頁巖中水的溶解量是氣體溶解度、孔隙度和含水飽和度的函數(shù)，可具體表達(dá)為：

式中，V溶為溶解氣的儲集潛力，cm3/t； Vp為煤儲層孔容，cm3/g；Sw為含水飽和度，%；Rsi為第i種組分的溶解度（體積比），cm3/cm3。當(dāng)甲烷濃度很高時(shí)近視為頁巖氣全部為甲烷氣體。天然氣在水中溶解度受溫度、壓力和礦化度等多種因素的影響，付曉泰（1996）提出天然氣組分溶解度方程如下：

式中：Csi為第i種組分在鹽溶液中溶解度，mol/m3；f為鹽溶液的游離水體積分?jǐn)?shù)，m3/m3；Ki為第i種組分在純水中的水合常數(shù)；Фi為有效孔隙度中的水對第i種氣體組分的溶解度m3/m3；Фsi為有效孔隙度中的水對第i種氣體組分的溶解度，m3/m3；bi為氣體組分i的范德華體積，甲烷氣體的值為4.28*10-5，m3/mol；pi為氣體組分i的分壓，Pa；i為第i中氣體組分；T為絕對溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，8.3J/（mol·K）。

2.2 頁巖深度富集帶L-W模型

頁巖氣是吸附氣、游離氣和溶解氣三種賦存狀態(tài)的動態(tài)平衡。通過我們的前期研究，我們獲得重要的理論認(rèn)識：頁巖含氣量與地層埋深是一種拋物線關(guān)系模型，我們這里簡稱為頁巖深度富集帶L-W模型。

我們知道影響頁巖吸附的地質(zhì)因素主要包括：地層溫度（與埋深有關(guān)）、地層壓力（與埋深有關(guān)）、TOC含量、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度以及粘土礦物含量等因素。其中影響最重要的三個(gè)因素是溫度、壓力和有機(jī)質(zhì)含量等三個(gè)因素。為此，我們在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)，利用FY-2000型等溫吸附儀，開展了不同TOC、溫度和壓力的吸附模擬實(shí)驗(yàn)，建立了南方海相頁巖吸附氣與埋深關(guān)系LW模型和南方海相頁巖游離氣與埋深LW模型。在這兩個(gè)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合14口頁巖氣井的鉆井和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，我們本次研究建立了頁巖深度富集帶L-W模型。

頁巖深度富集帶L-W模型中，頁巖深度和含氣量是一種拋物線的關(guān)系。在埋深在1.5～2.5 km區(qū)間內(nèi)，頁巖含氣量普遍較高。有機(jī)質(zhì)含量小于0.5%時(shí)，頁巖含氣量隨埋深的增加，普遍低于0.5方/噸；有機(jī)質(zhì)含量介于0.5%～1.0%時(shí)，頁巖含氣量普遍在1.0方/t以內(nèi)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量大于1%時(shí)，頁巖含氣量增高趨勢明顯。目前在中國南方海相頁巖還沒有鉆井深度為4 km的頁巖氣井。

3 南方海相頁巖向斜富集特征

3.1 向斜構(gòu)造具有天然保持地層壓力條件

勘探實(shí)踐證實(shí)，當(dāng)頁巖氣層遭受抬升剝蝕從而埋深過淺并與地表大氣水連通或由于斷裂與地表溝通時(shí)，除游離氣散失外，吸附氣一方面由于降壓解吸變?yōu)橛坞x氣散失，另一方面由于氮?dú)狻⒍趸季哂懈鼜?qiáng)的吸附性而置換甲烷，頁巖氣保存條件喪失。因此地層壓力保持條件非常重要。

向斜圈閉是應(yīng)力圈閉，這種封閉是壓性和壓扭性應(yīng)力作用的結(jié)果[9]。向斜低部位一般為相對的流體高勢區(qū)，常伴隨有超壓現(xiàn)象。這是因?yàn)橄蛐睒?gòu)造具有天然保持地層壓力的條件。向斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以上表現(xiàn)為壓應(yīng)力，頂板與頁巖層斷裂或裂隙不發(fā)育，阻止了頁巖氣向上逸散，有利于頁巖氣在此部位的富集（圖8）。因此向斜構(gòu)造具有天然氣保持地層壓力的先天優(yōu)勢條件。

3.2 向斜構(gòu)造具有頁巖氣成藏的有利構(gòu)造條件

地質(zhì)家們一直根據(jù)背斜成藏模式指導(dǎo)著常規(guī)天然氣的勘探?jīng)Q策。頁巖氣與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣藏是“自生自儲”式氣藏，運(yùn)移距離極短，其現(xiàn)今保存狀態(tài)基本上可以反映烴類運(yùn)移的狀況，即天然氣主要以游離相、吸附相和溶解相存在。在生物化學(xué)生氣階段，天然氣首先吸附在有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面，飽和后則富余的天然氣以游離相或溶解相進(jìn)行運(yùn)移；當(dāng)達(dá)到熱裂解生氣階段，由于壓力升高，若頁巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，則天然氣以游離相為主向其中運(yùn)移聚集，受周圍致密頁巖烴源巖層遮擋、圈閉，易形成工業(yè)性頁巖氣藏。從剖面上看，向斜構(gòu)造儲集體呈“凹”形或元寶狀，最有利形成高產(chǎn)的部位在中部，大致呈上部收斂、下部張開的截錐狀，可以是單層的，也可以是多層組合的。從平面上看，在傾伏向斜中儲集體呈箕狀，在鞍狀向斜中儲集體約成四邊形。在頁巖含氣量總體在埋深的因素控制下，對含氣量起控制性的主要因素為大中型褶皺構(gòu)造及撓曲構(gòu)造，按照褶皺構(gòu)造與撓曲構(gòu)造的具體類型及部位不同，其對頁巖含氣量的影響不同?？碧綄?shí)踐證明，向斜部位頁巖含氣量最高，向斜構(gòu)造具有頁巖氣成藏的有利構(gòu)造條件。

4 結(jié)論與認(rèn)識

4.1 深度富集帶模型

中國大陸含油盆地可分為經(jīng)向的伊蘭一伊通一渤海灣一江漢等盆地帶和緯向的準(zhǔn)噶爾一二連一松遼等盆地帶，兩帶共擁有中國石油產(chǎn)量和儲量的絕對優(yōu)勢，因而分別被稱為經(jīng)向和緯向石油富集“黃金帶”[10]。頁巖氣為大面積連續(xù)性氣藏，尋找甜點(diǎn)區(qū)是提高單井產(chǎn)量和開發(fā)效益的關(guān)鍵，隨著開發(fā)的全球化，頁巖氣成藏理論不斷得到創(chuàng)新發(fā)展，其地質(zhì)評價(jià)和選區(qū)技術(shù)開始體現(xiàn)盆地的特殊性和個(gè)性。頁巖氣的勘探與開發(fā)是我們面臨的嶄新課題，通過前期研究我們發(fā)現(xiàn)頁巖氣含量的富集受深度控制，本次研究建立了深度富集帶理論模型（W-L模型），對于頁巖氣的勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 向斜富集論的勘探實(shí)踐

“油氣從低處往高處運(yùn)移，并聚集在背斜之中，低部位向斜無油氣聚集”，這就是眾所周知的背斜理論。頁巖氣作為油氣勘探新領(lǐng)域，隨著勘探的深入和擴(kuò)大，向斜富集論越來越為大家接受。中國南方是我國頁巖氣勘探評價(jià)的重點(diǎn)地區(qū)，發(fā)育海相、陸相多套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，具備形成頁巖氣的基本地質(zhì)條件。但與美國頁巖氣相比，我國南方海相頁巖氣具有多期構(gòu)造運(yùn)動疊加改造、熱演化程度高、保存條件復(fù)雜的特點(diǎn)，與美國已成功開發(fā)的頁巖氣相比，具有明顯的差異性，面臨諸多挑戰(zhàn)，因此向斜富集論的提出具有重大的理論指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 李登華，李建忠，王社教，等.頁巖氣藏形成條件分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29 （5）：22-26.

[2] 蒲泊伶，蔣有錄，王毅，等.四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件及有利地區(qū)分析[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31（2）：225-230.

[3] Curtis J B.Fractured shale gas systems[J].AAPG Bulletin，2002， 86（11）：1921-1938.

[4] 鄒才能，張光亞，陶士振，等.全球油氣勘探領(lǐng)域地質(zhì)特征、重大發(fā)現(xiàn)及非常規(guī)石油地質(zhì)[J].石油勘探與開發(fā)， 2010，37（2）：129-145.

[5] 鄒才能，董大忠，王社教，等.中國頁巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力[J].石油勘探與開發(fā)，2010，37（6）：641-653.

[6] Jarvie D M， Hill R J，Ruble T E，Pollastro R M.Unconventional shale-gas systems：the Mississippian Barnett shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J].AAPG Bulletin， 2007，91（4）：475～499.

[7] Schmoker J W.1981，Determination of organic-matter content of Appalachian Devonian shales from gamm-ray logs，AAPG Bulletin，65（7）：1285～1298.

[8] Bowker K A.2007.Barnett shale gas production，F(xiàn)ort Worth basin：issues and discussion. AAPG Bulletin，91（4）：523～533.

[9] 賈承造，鄭民，張永峰.中國非常規(guī)油氣資源與勘探開發(fā)前景[J].石油勘探與開發(fā)，2012，39（2）：129-136.

[10] 羅志立，劉樹根.評述“前陸盆地”名詞在中國西部含油氣盆地中的引用：反思中國石油構(gòu)造學(xué)發(fā)展[J].地質(zhì)論評， 2002，48（4）：398-407.