頁巖中油氣的滯留機(jī)制及富集機(jī)理差異性比較

鄢杰，潘仁芳，唐小玲，楊寶剛，潘勇利，李曉薇，李晨溪

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552；3.中石化中原油建工程有限公司，河南 濮陽 457001；4.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

0 引言

頁巖油氣作為國際能源界的“博弈改變者”，正重塑世界能源版圖，推動(dòng)非常規(guī)油氣理論的研究迅速發(fā)展。北美在頁巖油氣勘探開發(fā)上已經(jīng)取得了顯著成果，特別是美國的“頁巖氣革命”和“頁巖油神話”正改變著>世界能源格局。我國有大量泥頁巖分布，擁有巨大的頁巖油氣可采資源潛力；EIA統(tǒng)計(jì)預(yù)測也表明，我國是頁巖油氣可采資源量最為豐富的國家之一。2014年的我國頁巖氣產(chǎn)量接近 13×108m3，較 2013年增長了460%；但在天然氣總產(chǎn)量中占比僅為1%左右，與美國3 700×108m3/a的頁巖氣產(chǎn)量和2.8×108t/a的頁巖油產(chǎn)量相比，更是相去甚遠(yuǎn)。這一方面說明我國頁巖油氣還有非常大的拓展空間，另一方面說明我國頁巖油氣藏開發(fā)的相關(guān)理論、技術(shù)亟待完善和提高。

過去的研究中，泥頁巖通常作為烴源巖或蓋層，但隨著非常規(guī)油氣地質(zhì)理論與技術(shù)的突破，泥頁巖中富集達(dá)到成藏規(guī)模的烴類，成了油氣資源領(lǐng)域探究與開發(fā)利用的熱點(diǎn)。中國涪陵頁巖氣田是典型的優(yōu)質(zhì)海相頁巖氣田，氣田儲層為海相深水陸棚優(yōu)質(zhì)泥頁巖，具有厚度大、豐度高、分布穩(wěn)定、埋深適中、中間無夾層等特點(diǎn)，與北美典型海相頁巖各項(xiàng)指標(biāo)相當(dāng)，商業(yè)開發(fā)價(jià)值高，開發(fā)前景良好。同屬上揚(yáng)子區(qū)的蜀南長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣區(qū)塊亦具有高的勘探開發(fā)價(jià)值。該區(qū)塊為海相沉積，發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)頁巖，但年代老，高—過成熟，并受多期構(gòu)造改造，致使大面積連續(xù)分布的泥頁巖所滯留的富集氣量不連續(xù)[1]。渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷頁巖油處于初期探索階段，其常規(guī)勘探程度高，潛力巨大。本文以大量實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，同時(shí)結(jié)合北美頁巖油氣藏地質(zhì)特征，比較研究了頁巖中油氣滯留和富集機(jī)理，并進(jìn)行了具體描述，以期為我國頁巖油氣資源的評價(jià)與勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 頁巖油氣的地質(zhì)特征及其差異性

常規(guī)油氣藏通常是油氣在烴源巖中經(jīng)持續(xù)溫度、壓力作用下生成，之后部分向鄰近滲透性巖石運(yùn)移、聚集[2]。然而，受排烴作用的不徹底性及各種因素的制約，部分烴類最終會滯留于其中乃至富集成藏，其隱蔽成藏過程不受圈閉控制，具有連續(xù)性分布和自生、自儲、自封閉的特點(diǎn)。泥頁巖既是烴源巖又是儲集層，甚至還可以充當(dāng)圈閉，其中蘊(yùn)含了可觀的原處滯留油氣資源。 美國頁巖氣盆地 Barnett，Marcellus，Haynesville，頁巖油產(chǎn)區(qū)Bakken，Eagle ford等，以及我國的四川盆地，都是頁巖油氣商業(yè)開發(fā)成功的區(qū)域[3-7]。

1.1 地質(zhì)特征

頁巖油氣是指頁巖內(nèi)的有機(jī)質(zhì)在演化過程中生成但未能排出，主要呈游離態(tài)、吸附態(tài)或者溶解態(tài)殘留下來的油氣資源。

其地質(zhì)特征主要有：1）早期形成，就近滯留聚集，源儲一體，隱蔽成藏；2）成藏需要適當(dāng)厚度和大面積分布的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖；3）無明顯的圈閉和油氣水界面；4）泥頁巖儲層孔隙度小，滲透率低，分布受地層甜點(diǎn)（通常是裂縫性和孔隙性甜點(diǎn)）控制；5）致密儲集系統(tǒng)環(huán)境，通常易于產(chǎn)生高的異常地層壓力；6）與常規(guī)油氣藏密切相關(guān)；7）具較強(qiáng)的抗構(gòu)造破壞能力；8）地質(zhì)儲量大，但通常無自然產(chǎn)能，需要鉆水平井和多次壓裂而實(shí)現(xiàn)開發(fā)利用[6]；9）采收率低，單井產(chǎn)量年衰減率高，需要大量鉆井以維持油井的產(chǎn)量穩(wěn)定。

1.2 差異性

勘探生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，頁巖油、頁巖氣和諸多常規(guī)油氣藏密切相關(guān)[2]，它們在生成條件、富集機(jī)理和開發(fā)利用方式等方面都存在明顯差異性（見表 1）[8]。

表1 頁巖油氣特征比較

通過大量調(diào)研和前期的地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)，我國探明的頁巖氣有利區(qū)塊基本貧油，油氣共生共儲不明顯，展布不集中，而且頁巖油氣藏分布多在已開發(fā)常規(guī)油氣藏的烴源巖中，過去對其成藏模式及開發(fā)利用不曾深入研究。目前國內(nèi)在多個(gè)陸相盆地地層中發(fā)現(xiàn)具有頁巖油的形成條件，在多套海相地層中發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層，并開展了一系列基礎(chǔ)研究和工程試驗(yàn)。相比之下，美國的頁巖油氣伴生，主要分布在D，C，K的海相富有機(jī)質(zhì)頁巖中[6，9-12]。近年來，北美劇增的頁巖油氣產(chǎn)量打破了全球能源供需市場平衡，正深刻影響著世界

2 頁巖油氣滯留機(jī)制及差異性比較能源格局。

對于常規(guī)油氣領(lǐng)域的烴源巖，不僅強(qiáng)調(diào)有生成并排出油氣的過程，而且要正在生成和排出油氣。認(rèn)識到頁巖油氣資源以后，人們發(fā)現(xiàn)烴源巖可只生成油氣但并不一定排出，只有滿足了自身的滯留需要，即生成烴量大于頁巖層的吸附、溶解和孔隙充填量，飽和之余的油氣才開始呈游離相排出。對門限控?zé)N中排烴門限的研究表明，烴源巖演化過程中，油氣滯留現(xiàn)象已呈現(xiàn)出一般規(guī)律性和必然性[13]。這種烴源巖滯留油氣的現(xiàn)象，為頁巖油氣富集成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.1 滯留機(jī)制

頁巖油氣在有機(jī)質(zhì)演化過程中生成，由于巖石礦物顆粒及干酪根的吸附、介質(zhì)溶解、層內(nèi)孔隙充填和毛細(xì)管封堵作用，“原地”滯留聚集下來；當(dāng)生烴量飽和了上述存留需要后，才會在多因素——如異常地層壓力、擴(kuò)散——作用下向外溢散或運(yùn)移[14]。其中，殘留的烴量達(dá)到一定規(guī)模成藏后，經(jīng)過人工壓裂工程改造，即同常規(guī)油氣藏一樣具有工業(yè)開采價(jià)值。

泥頁巖中已產(chǎn)出油氣的滯留，受控于有機(jī)質(zhì)的豐度和類型、熱演化程度、儲存條件、巖相、溫度、壓力和原油物性等諸多要素。有機(jī)質(zhì)豐度正相關(guān)于生烴能力，對吸附烴量和產(chǎn)生有機(jī)孔隙也有貢獻(xiàn)；不同類型的干酪根都有各自相應(yīng)的生油氣窗，吸附承載頁巖油氣能力也大小不一；有機(jī)質(zhì)演化程度決定生成烴類的體積與組成，而油氣的體積與組成還取決于干酪根的性質(zhì)和二次裂解反應(yīng)[14]。頁巖巖相控制了頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度和脆性礦物體積分?jǐn)?shù)，巖相的變化會導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)和礦物組成的變化，進(jìn)而影響著頁巖層的含油氣性；物性控制著油氣的存留形式和含油氣量；溫度、壓力會影響油氣賦存相態(tài)的轉(zhuǎn)化和量的變化，以及原油物性的變化；含水飽和度也會影響游離油氣的儲集空間和溶解油氣的含量，以及占據(jù)活性表面后減少吸附油氣的吸附位[2]。

2.2 滯留機(jī)制差異性比較

研究表明，由于油氣分子結(jié)構(gòu)的特征和烴類在頁巖儲層內(nèi)滯留形態(tài)的多樣性，泥頁巖儲層滯留油的能力遠(yuǎn)大于滯留氣的能力。油氣滯留方式受多因素控制而具有顯著差異性。

2.2.1 吸附態(tài)烴

頁巖氣的主要成分是甲烷，較頁巖油來說，結(jié)構(gòu)簡單，分子質(zhì)量小[15]。氣分子吸附能力弱于油分子，故而在烴源巖內(nèi)油氣相伴生時(shí)，氣分子很難與油分子競爭到吸附位；而且，一般情況下，石油的黏度要遠(yuǎn)大于天然氣，擴(kuò)散性和流動(dòng)性不如天然氣。圖1表明：總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）與頁巖吸附能力呈正相關(guān)關(guān)系[16]；吸附烴量隨鏡質(zhì)體反射率（Ro）在一定范圍內(nèi)（2.0%以下）增大而增加，其后隨之增大而減少[17]。不同類型干酪根的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它們的吸附能力：Ⅰ—Ⅲ型干酪根吸附能力逐漸增強(qiáng)[18-19]；黏土礦物的吸附能力優(yōu)于灰?guī)r，卻遠(yuǎn)弱于干酪根，且不同類型的泥頁巖吸附能力也存在較大差異；海陸過渡相、海相與陸相泥頁巖吸附能力依次減弱[20]；黏土礦物中，蒙脫石、高嶺石、綠泥石和伊利石吸附油氣能力依次減弱[21]。溫度升高、壓力降低，有助于氣體解吸并降低石油黏度；而壓力升高、溫度降低，有利于氣體吸附（見圖2）并使石油增黏。頁巖孔隙的內(nèi)外表面提供大量的吸附位，納米孔較微米孔擁有更多的內(nèi)表面積。

油分子的強(qiáng)吸附性和黏性，導(dǎo)致吸附在干酪根和黏土礦物表面的石油難以產(chǎn)出，可開采的主要是存于無機(jī)與有機(jī)物孔隙和微裂縫中的呈游離態(tài)的油。而吸附氣具可采性，并且是頁巖氣井穩(wěn)產(chǎn)期較長的重要因素。

圖1 頁巖吸附氣含量與TOC的關(guān)系

圖2 威202井不同巖樣吸附能力與壓力的關(guān)系

2.2.2 游離態(tài)烴

烴源巖生油氣能力越強(qiáng)，孔隙空間越大，泥頁巖儲層的留存油氣量就越充足（見圖3）。泥頁巖中，孔滲性好的甜點(diǎn)區(qū)通常都是高產(chǎn)區(qū)，特別是厚層烴源巖內(nèi)部形成的異常高壓區(qū)，孔滲性好，且易形成微裂縫，含油氣量隨之增大，具有高的開發(fā)價(jià)值。

圖3 頁巖游離氣含量與孔隙度的關(guān)系

泥頁巖中油氣主要賦存在有機(jī)納米孔隙和無機(jī)孔隙中。天然氣的小分子和易縮脹特性，決定了它比油具有更大的自由存儲空間。相互連通的無機(jī)孔隙（含微裂縫），才是油的主要賦存空間，而納米孔隙作用有限[22]。TOC和Ro控制著有機(jī)納米孔隙的演變，并影響著頁巖中總的孔隙空間（見圖4），Ro還影響著生成油氣的物性。低孔滲的頁巖儲層中，低密度、低黏度的游離態(tài)原油更易被采出。無機(jī)孔隙的體積與沉積作用、成巖作用以及構(gòu)造演化相關(guān)聯(lián)，孔隙大小和喉道半徑影響著含油氣性和油氣的運(yùn)移，溫度、壓力影響流體的賦存相態(tài)和性質(zhì)，溫度升高，天然氣解吸脫溶，石油降黏降稠，都會增加游離態(tài)烴量。

圖4 頁巖中總孔隙度與TOC的關(guān)系

游離態(tài)烴是勘探過程中發(fā)現(xiàn)頁巖油氣的關(guān)鍵因素，是頁巖資源最終可采出的有效狀態(tài)，是前期產(chǎn)量的主要貢獻(xiàn)者。

2.2.3 溶解態(tài)烴

石油微溶于天然氣、干酪根和地層水中，而天然氣在石油、干酪根和地層水中的溶解量要遠(yuǎn)大于頁巖層中的溶解態(tài)油量。溶解態(tài)油不易采出或隨天然氣采出。

油氣飽和度、孔隙水飽和度、干酪根與瀝青豐度都直接控制著溶解量而影響溶解能力。溫度和壓力則決定著不同條件下油氣的溶解性：當(dāng)溫度升高、壓力不變或溫度不變、壓力降低時(shí)，溶解量隨之減少；溫度降低、壓力不變，或溫度不變、壓力升高時(shí)，溶解量增多。

頁巖油開發(fā)過程中，隨著產(chǎn)量的增加，地層壓力降低，天然氣溶解。這往往帶來不利影響——原油黏度大幅上升，并且頁巖地層的強(qiáng)應(yīng)力敏感性使得儲集層孔滲性進(jìn)一步降低，對頁巖油產(chǎn)出不利。因此，頁巖油的有利勘探區(qū)應(yīng)具氣油比較高的特征[23]，且在開采過程中應(yīng)盡量延緩儲層壓力的降低[22]。

3 富集主控因素分析及差異性比較

3.1 富集主控因素

頁巖油氣生成后滯留下來，無運(yùn)移或發(fā)生極短距離運(yùn)移而形成量的累積，最終就可能富集成藏。其富集程度受多種因素的綜合影響。

3.1.1 泥頁巖有效厚度和分布面積

泥頁巖儲層的有效厚度和分布面積是提供油氣存留和富集空間的重要條件[24]，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度大于有效排烴厚度是成藏的基礎(chǔ)。過去常規(guī)油氣研究中強(qiáng)調(diào)烴源巖的單層厚度應(yīng)不超過有效排烴厚度，否則，其中部生成的烴類是不能有效排出的。這種能夠生烴但不能有效排出的巖層無效論，顯然不再適用于非常規(guī)油氣理論。烴源巖層厚度（大于30 m）和分布面積（大于 50 km2）[8]越大，顯然生烴潛力就越大，其中可殘留油氣量也越大。

3.1.2 埋藏深度和溫度、壓力

地層埋深影響著層內(nèi)的溫度和壓力。埋深加大，溫度和壓力會隨之升高，有機(jī)質(zhì)成熟度增大，生烴量會逐漸增多，油氣賦存相態(tài)會相應(yīng)發(fā)生改變。當(dāng)溫度、壓力升高到某一限度時(shí)，因吸附和溶解作用而滯留的烴量會增至飽和[13]。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)豐度和類型

TOC與生烴潛能呈正相關(guān)性（見圖5），并顯著影響著吸附烴量和總烴量[25]。有機(jī)質(zhì)類型不同，其生油氣窗口不一致，生成的油氣性質(zhì)與體積組成也大不相同。有機(jī)質(zhì)還可作為烴類的吸附載體，并為其提供賦存空間，是頁巖油氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 威201井龍馬溪組總含氣量與TOC的關(guān)系

3.1.4 有機(jī)質(zhì)熱演化程度

有機(jī)質(zhì)成熟度升高的過程中，生成的烴類逐漸增多，有機(jī)質(zhì)吸附能力增強(qiáng)，低孔滲頁巖層滯留烴類使地層壓力增大，容易產(chǎn)生微裂縫，進(jìn)一步為油氣提供儲集空間而富集至成藏，有利于油氣產(chǎn)出。

3.1.5 儲集空間

頁巖油氣與常規(guī)油氣成藏主要的共性就是基于對儲集空間的需求[26]。泥頁巖低孔低滲的特征，決定了要形成大規(guī)模的利于工業(yè)開采的頁巖油氣藏，必須有適當(dāng)?shù)牧芽p和孔隙。巖石中礦物顆粒之間的無機(jī)孔隙、恰當(dāng)?shù)奶烊涣芽p或后期的構(gòu)造裂縫、有機(jī)質(zhì)生烴消耗形成的有機(jī)納米級孔隙、生烴量增大形成高異常地層壓力而產(chǎn)生的誘導(dǎo)縫等，都可以為油氣聚集提供存儲空間；泥頁巖層系中的粉砂巖、碳酸鹽巖及特殊巖性的薄夾層，也提供了有效孔隙。研究區(qū)的高脆性礦物體積分?jǐn)?shù)（見圖6）[21]既有助于頁巖儲層成巖生烴過程中形成增生縫，也利于后期人工壓裂改造[27-28]。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)生成的破壞性向外輸導(dǎo)斷裂不利于成藏。

圖6 長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)優(yōu)質(zhì)泥頁巖礦物組成

3.1.6 巖相

不同沉積環(huán)境下形成的泥頁巖性質(zhì)差異顯著。如圖7所示，四川盆地龍馬溪組淺水或深水陸棚環(huán)境下形成的頁巖，含有機(jī)質(zhì)情況差異較大。

圖7 不同巖相TOC的變化

高沉積速率和長時(shí)間深水缺氧的還原環(huán)境，有利于富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖的形成，而富有機(jī)質(zhì)頁巖相空間分布的差異，還會影響礦物組成和巖石力學(xué)特征。如：淺水陸棚硅質(zhì)主要為陸源輸入，而深水陸棚硅質(zhì)主要為自生石英成因，深水陸棚發(fā)育的富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖脆性，TOC與含氣量更高。

3.1.7 含水飽和度

地層水一方面占據(jù)孔隙空間，搶占顆粒表面吸附位，減少吸附烴的含量，另一方面則增加溶解態(tài)烴量。

3.2 富集因素差異性比較

大量研究表明，頁巖油藏和頁巖氣藏具有相似的地質(zhì)特征和開發(fā)技術(shù)要求。然而，油氣分子結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致兩者的富集成藏模式始終存在一定差異（見表1）。

經(jīng)腐泥型有機(jī)質(zhì)演化形成的偏生油的Ⅰ或Ⅱ1型干酪根，含有較多的長鏈，在適宜的埋深、一定溫度的作用下，發(fā)生熱催化作用或裂解作用而斷裂，以生油為主；Ⅱ2和Ⅲ型干酪根則以生氣為主。但是隨著溫度的增加，若受熱時(shí)間足夠長，干酪根、瀝青質(zhì)甚至原油中所有化學(xué)鍵都會發(fā)生斷裂變短鏈，且裂開的過程都會伴生出相對分子質(zhì)量低的氣態(tài)烴。頁巖油來源具特定性，而頁巖氣產(chǎn)生具多渠道性。

對于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中的Ⅰ或Ⅱ1型干酪根來說，只有在有機(jī)質(zhì)熱演化程度主體處于生油狀態(tài)時(shí)，才利于頁巖油的生成，即熱解生油；而頁巖氣在有機(jī)質(zhì)演化的全過程中都會生成，具有多階段性，包括淺層生物氣、熱解氣和裂解氣。

頁巖油相較頁巖氣黏度更高，分子直徑更大，且油源的特定性表明，頁巖油富集成藏需要更高的有機(jī)質(zhì)豐度[29]。頁巖油的可運(yùn)移性不如頁巖氣，主要賦存在微裂縫和高孔滲無機(jī)孔隙中，而頁巖氣還可以充填、吸附在有機(jī)納米孔隙中。頁巖氣在高壓、常壓、低壓條件下均可開采，而流動(dòng)性能相對較差的頁巖油，毛細(xì)管阻力大，更適于維持高壓或盡量延緩壓力降低來開采。

4 結(jié)論

1）泥頁巖滯留油氣具有普遍性，油氣滯留形式主要有游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)。油氣存留受烴源巖地球化學(xué)特征、儲存地質(zhì)特征、溫度、壓力等諸多要素綜合影響，體現(xiàn)在頁巖層內(nèi)干酪根和黏土礦物對油氣的吸附作用，干酪根、瀝青質(zhì)和地層水溶解油氣以及油氣的互溶作用，有機(jī)納米孔隙、無機(jī)孔隙和微裂縫對油氣的容納，以及毛細(xì)管阻力對油氣的封堵作用。

2）油氣分子結(jié)構(gòu)上的不同，其物理化學(xué)性質(zhì)特征決定著頁巖儲層滯留油氣存在差異的必然性。頁巖油與頁巖氣相比較，前者密度大，表現(xiàn)出更強(qiáng)的黏稠度和吸附性，后者密度小，具有更大的溶解度和擴(kuò)散運(yùn)移能力。泥頁巖滯留油的能力遠(yuǎn)大于滯留氣的能力。

3）烴源巖中，油氣生成后滯留下來達(dá)到量的積累，就有可能富集成藏。其富集性主要受控于生烴基礎(chǔ)、存儲空間和保存條件，即地層條件（泥頁巖有效厚度和分布面積、有機(jī)質(zhì)豐度和類型、熱成熟度、礦物成分、儲層物性、裂縫發(fā)育情況）和外部因素（溫度和壓力、埋深、構(gòu)造作用、含水量與濕度、沉積環(huán)境）。

4）從可采性方面來說，泥頁巖中油氣富集的差異性體現(xiàn)在生烴條件（有機(jī)質(zhì)豐度和類型、有機(jī)質(zhì)演化程度、埋深）、儲集空間和開發(fā)方式（地層壓力）等。頁巖氣的生成具有多階性和多源性，頁巖油需要更多的Ⅰ或Ⅱ1型干酪根且在有機(jī)質(zhì)成熟階段生成；頁巖氣因小分子性和自由流動(dòng)性可充填在有機(jī)納米孔隙中，頁巖油主要賦存在連通性更好的無機(jī)孔隙和微裂縫中；人工壓裂工程改造利于頁巖氣藏開采，而頁巖油藏更適于在儲層高壓條件下開采。

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