有機(jī)質(zhì)類型及演化特征對(duì)頁(yè)巖氣富集規(guī)律的影響

王亞?wèn)|　潘仁芳　曾俊峰　陶小鋒　鄢 杰　陳 寬

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100； 2. 長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣中心， 武漢 430100；

3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院， 武漢 430074)

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有機(jī)質(zhì)類型及演化特征對(duì)頁(yè)巖氣富集規(guī)律的影響

王亞?wèn)|1潘仁芳2曾俊峰2陶小鋒2鄢 杰2陳 寬3

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100； 2. 長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣中心， 武漢 430100；

3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院， 武漢 430074)

摘要：頁(yè)巖氣是生成并存儲(chǔ)于頁(yè)巖、泥巖中的一種非常規(guī)天然油氣，具典型的源儲(chǔ)一體特征。頁(yè)巖氣的成藏基本沒(méi)有“運(yùn)移”“聚集”過(guò)程，因此頁(yè)巖氣富集規(guī)律成為頁(yè)巖氣研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。結(jié)合長(zhǎng)寧地區(qū)現(xiàn)有勘探開(kāi)發(fā)資料以及近年來(lái)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得的新進(jìn)展，分析有機(jī)質(zhì)特征對(duì)頁(yè)巖氣富集規(guī)律的影響。頁(yè)巖氣的吸附量與泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)豐度是生烴量和生烴強(qiáng)度的重要決定因素；不同的干酪根類型由于顯微組分的差異而對(duì)頁(yè)巖氣具有不同的吸附能力；高成熟度能使有機(jī)質(zhì)微孔隙增加，也能加快氣體的流動(dòng)，為頁(yè)巖氣的富集提供更多有利空間。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣； 干酪根； 有機(jī)質(zhì)豐度； 鏡質(zhì)體反射率； 富集規(guī)律

隨著常規(guī)油氣藏的普查勘探與油氣資源的供不應(yīng)求，非常規(guī)油氣領(lǐng)域的突破掀起了油氣勘探的新高潮。頁(yè)巖氣作為一種新型的清潔能源，正慢慢改變著天然氣領(lǐng)域的格局，美國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)走在了世界的前列，而加拿大的頁(yè)巖氣勘探也正在全面進(jìn)行。隨著我國(guó)重慶焦石壩地區(qū)頁(yè)巖氣產(chǎn)量的突破，四川盆地長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)地區(qū)古生代地層的成功測(cè)試，我國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)也邁入了新的臺(tái)階。

我國(guó)頁(yè)巖氣可采資源儲(chǔ)量約為26×1012m3，與美國(guó)的頁(yè)巖氣可采儲(chǔ)量大致相當(dāng)[1]。四川盆地是我國(guó)頁(yè)巖氣重點(diǎn)勘探區(qū)，在威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧地區(qū)古生界海相地層中已獲得商業(yè)性氣流。因此研究有機(jī)質(zhì)特征及演化對(duì)頁(yè)巖氣富集規(guī)律的影響，對(duì)四川盆地勘探區(qū)頁(yè)巖氣資源的評(píng)價(jià)具有重要意義。

1頁(yè)巖氣藏的基本特征

頁(yè)巖氣是富集在有機(jī)質(zhì)豐富，低孔低滲的黑色泥頁(yè)巖層系中的天然氣。具有典型的源儲(chǔ)一體特點(diǎn)，基本沒(méi)經(jīng)過(guò)運(yùn)移，原地成藏，成藏時(shí)間較早。作為烴源巖的泥頁(yè)巖連續(xù)生氣，連續(xù)聚集，所以其沒(méi)有明顯的氣藏邊界，并且生氣區(qū)一般范圍較廣，進(jìn)入生氣窗范圍內(nèi)的所有烴源巖都可成藏，受構(gòu)造影響不大[2]。賦存方式主要以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，一般在干酪根、黏土礦物表面或者微孔隙中以吸附形式存在,而以游離態(tài)賦存于相對(duì)空間比較大的微裂縫、空隙或者其他儲(chǔ)存空間。

頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集是在泥頁(yè)巖層系，而不僅僅局限于理論上的泥頁(yè)巖層段，其可能賦存于層系中的粉砂巖或者砂巖甚至碳酸巖夾層。頁(yè)巖氣可以來(lái)源于生物成因氣，也可以來(lái)源于熱解氣。有機(jī)質(zhì)類型和成熟度在烴源巖基礎(chǔ)上是影響頁(yè)巖氣富集的重要影響因素[3]。

2頁(yè)巖氣的生成與富集

2.1有機(jī)質(zhì)演化與頁(yè)巖氣的生成

頁(yè)巖氣的生成可以存在于整個(gè)有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中，圖1所示為有機(jī)質(zhì)演化模式圖。其過(guò)程大致可分為:(1)有機(jī)質(zhì)成巖作用階段,埋藏較淺，在生物降解作用下生成甲烷氣,鏡質(zhì)體反射率Ro<0.4%；(2)熱催化和熱裂解作用階段,隨著埋深的增加，壓實(shí)作用增強(qiáng)，干酪根熱催化生成油氣，原油熱裂解生氣,該階段的氣體主要是濕氣,C4以上烴類較多，Ro介于0.4%～2.2%，在演化初期,有機(jī)質(zhì)熱演化可以生成甲烷氣,頁(yè)巖中的甲烷聚集成藏形成頁(yè)巖氣藏；(3)深部高溫生氣階段，此時(shí)重?zé)N大量裂解,產(chǎn)物為大量的干氣,Ro>2.2%。

巖心取樣分析化驗(yàn)結(jié)果顯示：長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組泥頁(yè)巖主要以I型干酪根為主。I型有機(jī)質(zhì)烴源巖中成為有效烴源巖的Ro值最低約為1.4,而Ⅱ型和Ⅲ型為主的烴源巖要有足夠數(shù)量的天然氣生成，必須滿足具有較高的氫指數(shù)[4-5]。

圖1　有機(jī)質(zhì)演化模式圖

2.2頁(yè)巖氣富集原理

張金川等人對(duì)頁(yè)巖氣的富集規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了頁(yè)巖氣富集與成藏過(guò)程的4個(gè)階段[6-7]。第一階段，生成的天然氣大量吸附在有機(jī)質(zhì)或黏土礦物表面，該階段與煤層氣形成機(jī)理相似；第二階段為滿足吸附量之后,陸續(xù)生成的天然氣排替到基質(zhì)空隙中充填,此階段富集機(jī)理類似于孔隙型天然氣的聚集規(guī)律；第三階段是隨著大量氣體的生成,有機(jī)質(zhì)的大量熱解，泥頁(yè)巖內(nèi)部形成異常高壓，出現(xiàn)微裂縫，天然氣則以游離狀態(tài)進(jìn)入頁(yè)巖裂縫，具有典型的活塞式運(yùn)聚特點(diǎn)；第四階段天然氣以游離態(tài)和吸附態(tài)聚集成為頁(yè)巖氣藏，即頁(yè)巖氣藏的形成階段。若天然氣繼續(xù)產(chǎn)出，頁(yè)巖內(nèi)部的空間已不能滿足天然氣的聚集，天然氣則逃逸進(jìn)入砂巖等常規(guī)儲(chǔ)層，從而形成規(guī)模較大的常規(guī)氣藏(圖2)。

圖2　頁(yè)巖氣富集成藏過(guò)程示意圖

3頁(yè)巖氣富集規(guī)律影響因素分析

在影響頁(yè)巖氣富集成藏的眾多因素中，地質(zhì)因素作為其主控因素，決定著頁(yè)巖氣藏是否具有開(kāi)采價(jià)值。有機(jī)質(zhì)特征(有機(jī)質(zhì)類型、總有機(jī)碳TOC、成熟度)、微孔隙結(jié)構(gòu)、黏土礦物組成以及厚度等對(duì)頁(yè)巖氣的富集有很重要的意義。本次著重研究有機(jī)質(zhì)特征對(duì)頁(yè)巖氣富集規(guī)律的影響。

3.1有機(jī)質(zhì)類型

不同干酪根類型其顯微組分含量和化學(xué)組成結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致了不同演化階段其演化產(chǎn)物的不同。趙文智等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了不同的干酪根類型，其生氣高峰期具有不同的指標(biāo)。就Ro值而言，Ⅰ型干酪根主要以生油為主，在演化階段生氣范圍比較狹窄，Ro值集中在1.2%～2.3%；而混合型有機(jī)質(zhì)Ⅱ型干酪根主要生氣期的Ro值介于0.9%～2.4% ；Ⅲ型干酪根主要生成天然氣，其生氣范圍比較廣，Ro值介于0.7%～2.0%[8]。

在生氣率方面，Ⅲ型干酪根的生氣率遠(yuǎn)大于Ⅰ型干酪根，而偏腐泥混合型和偏腐殖混合型干酪根生氣率分別是腐殖型干酪根的2～4倍[9]。同時(shí)在相同的地質(zhì)背景下，類型不同的干酪根將影響天然氣吸附率和擴(kuò)散率，影響頁(yè)巖氣的富集規(guī)律。Ⅰ型干酪根H、C原子數(shù)之比越大,吸附量愈大；Ⅲ型干酪根O、C原子數(shù)之比愈大,吸附量愈小。不同有機(jī)質(zhì)條件下頁(yè)巖氣等溫吸附曲線存在明顯差異[10]。這說(shuō)明良好的有機(jī)質(zhì)類型是頁(yè)巖氣生成與富集的重要條件之一。

3.2有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是生烴量和生烴強(qiáng)度的重要決定因素，早在2006年Boyer等人對(duì)美國(guó)Barnett地區(qū)過(guò)成熟海相頁(yè)巖樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，得出：有機(jī)質(zhì)豐度高,吸附氣量就相對(duì)豐富,產(chǎn)量相對(duì)較高。之后Gareth等人對(duì)加拿大哥倫比亞省下白堊統(tǒng)Bucking Horse組頁(yè)巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了頁(yè)巖有機(jī)碳含量與甲烷的吸附量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[10]。因此高TOC值是頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)的必要因素。

在類似地質(zhì)條件與地球動(dòng)力學(xué)背景下，通過(guò)巖石力學(xué)數(shù)據(jù)表征，TOC含量在頁(yè)巖裂縫發(fā)育中有重要的意義。TOC越高的頁(yè)巖脆性越強(qiáng)，抗張強(qiáng)度越低，容易在外力作用下產(chǎn)生微裂縫，為頁(yè)巖氣的滲流及成藏提供有利條件[11]。Jarvie認(rèn)為,TOC含量為7.0%，有機(jī)質(zhì)體積占14%的頁(yè)巖，在熱裂解過(guò)程中損失35%的有機(jī)質(zhì)碳，能凈增4.9%的有效孔隙度[12]。有機(jī)質(zhì)的有效孔隙度為頁(yè)巖氣典型的吸附富集空間。

對(duì)于頁(yè)巖氣富集與成藏的有機(jī)碳下限值，一直都是研究的重點(diǎn)，結(jié)合具體地質(zhì)區(qū)塊學(xué)者們都開(kāi)展了大量的研究。Bowker結(jié)合美國(guó)已勘探或投產(chǎn)的盆地指出具有勘探開(kāi)發(fā)價(jià)值的有機(jī)碳下限值最低應(yīng)為2.6%[13]；Schmoker認(rèn)為美國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)采的有機(jī)碳的下限值大約為2%[14]；針對(duì)四川盆地，許多專家學(xué)者認(rèn)為其下限值為3%，但隨著開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步，其下限值可能會(huì)降到0.5%,甚至更低。

3.3有機(jī)質(zhì)成熟度對(duì)富集規(guī)律的影響

美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀表明，頁(yè)巖未成熟或成熟的盆地中均有具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣顯示。Michigan盆地的Antrim頁(yè)巖有效產(chǎn)層段的Ro只有0.5%左右,埋藏較淺，為典型的生物成因頁(yè)巖氣藏；而圣胡安的Lewis頁(yè)巖氣藏為典型的熱成因頁(yè)巖氣藏，其Ro介于1.2%～2.1%；Barnett頁(yè)巖氣藏的產(chǎn)氣區(qū)烴源巖Ro平均為1.8%，東部為2.2%，西部為1.3%[15]?？梢?jiàn)頁(yè)巖成熟度并不是制約頁(yè)巖氣成藏的主控因素，但是其對(duì)頁(yè)巖氣的富集卻有很大的影響。

已有成果表明，在溫度一定的條件下，天然氣的吸附量與壓力呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著演化程度的增高，有機(jī)質(zhì)大量生烴。異常高壓的形成將極大地提高天然氣在泥頁(yè)巖內(nèi)部的吸附能力，同時(shí)烴源巖內(nèi)部由于異常高壓誘導(dǎo)的微裂縫，也為頁(yè)巖氣的賦存提供了有利的存儲(chǔ)空間，而有機(jī)質(zhì)的演化也會(huì)使有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的微孔隙大量增加。有機(jī)質(zhì)的納米、微米有機(jī)孔是頁(yè)巖氣吸附的主要場(chǎng)所。熱成熟度影響頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，從而影響頁(yè)巖的吸附解吸能力。

長(zhǎng)寧探區(qū)的化驗(yàn)結(jié)果表明(圖3)：隨著演化程度的增大，輕烴組分增多，烴類體積變大，排烴壓力隨之升高，氣體的流動(dòng)速度相對(duì)加快，因此導(dǎo)致了氣體在高成熟度頁(yè)巖氣藏中流動(dòng)較快[10]。產(chǎn)氣速度的增加，加快了頁(yè)巖氣的富集。

圖3　頁(yè)巖成熟度和產(chǎn)氣速度的關(guān)系

4結(jié)語(yǔ)

(1)頁(yè)巖氣存在于致密泥頁(yè)巖層系中，具有典型的源儲(chǔ)一體特征，其主要賦存方式有游離態(tài)和吸附態(tài)。不同地質(zhì)背景下，賦存方式不同。氣藏范圍一般較大，沒(méi)有明顯的邊界。

(2)頁(yè)巖氣可以在有機(jī)質(zhì)的整個(gè)演化過(guò)程中生成，完整的富集過(guò)程可以分為頁(yè)巖氣吸附、孔隙充注、天然裂縫的游離充注以及富集成藏等4個(gè)階段。

(3)頁(yè)巖氣成藏與富集是多種因素的綜合結(jié)果，包括地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素。頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)特征，包括有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度，是影響頁(yè)巖氣富集規(guī)律的最為重要的因素之一。

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The Impact of Organic Matter Type and Its Evolution Characteristics on the Enrichment Regularity of Shale Gas

WANGYadong1PANRenfang2ZENGJunfeng2TAOXiaofeng2YANJie2CHENKuan3

(1. Earth Science College of Yangtze University, Wuhan 430100, China;2. Hubei Coperation Innovation Center of Unconventinal Oil and Gas, Wuhan 430100, China;3. Resources Institute, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Abstract:Shale gas, a kind of unconventional natural gas, is generated and stored in shale or mudstone, containing source reservoir characteristics. There are no typical features like ′gather′ and ′migration′ of conventional petroleum geology in shale gas, so the enrichment regularity of shale gas has been the key point of the research of shale gas. Based on the exploration and development data available in Changning area and the new progress of exploration and development in China recently, this paper focuses on the elaboration of the impact of organic matter characteristics on the enrichment regularity of shale gas. The adsorption of shale gas is positive correlation with organic matter abundance, and the index of organic matter abundance controls the production of the shale gas and the development cracks. Shale gas can be produced during all the time of organic matter evolution, but different kerogen has different effect on shale gas adsorption ability. High maturity can increase organic micropore and speed up the flow of gas, and can provide more favorable space of the enrichment of shale gas as well.

Key words:shale gas; kerogen; organic matter abundance; reflectance of vitrinite; enrichment regularity

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1980(2016)01-0017-04

中圖分類號(hào)：P618

作者簡(jiǎn)介：王亞?wèn)|(1990 — )，男，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣資源。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁(yè)巖油、氣甜點(diǎn)構(gòu)成要素比較研究”(41472123)

收稿日期：2015-04-01