頁巖氣成藏機(jī)理、主控因素及分布規(guī)律分析

韓 浩

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口數(shù)量的持續(xù)增加，人類對于能源的需求急劇增加，而且常規(guī)的油氣資源可開采儲量日益減少，急需尋找類似頁巖氣、煤層氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源。美國早在1821年就開始了頁巖氣的勘探開發(fā)，隨著油氣勘探開發(fā)的技術(shù)持續(xù)發(fā)展，美國的“頁巖氣革命”使其從油氣進(jìn)口國一躍成為油氣出口國，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自身的能源獨(dú)立，在一定程度上改變了世界的能源格局[1-2]。我國的頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，直到20世紀(jì)60年代，才開始進(jìn)行頁巖氣的勘探。近些年以來，很多專家學(xué)者對頁巖氣儲層進(jìn)行了大量的分析與研究，并取得了一系列的成果。在查閱大量的文獻(xiàn)和資料之后，本文主要對這些專家學(xué)者的一些理論和方法進(jìn)行總結(jié)和分析，以期為頁巖氣勘探開發(fā)提供一定的參考。

1 頁巖氣成藏的機(jī)理及過程

頁巖氣（Shale Gas）是指主體位于有機(jī)質(zhì)含量較高的頁巖及其夾層中，主要以吸附及游離狀態(tài)聚集的烴類氣體（天然氣）。頁巖氣的成藏機(jī)理本質(zhì)上是天然氣在頁巖中不同賦存狀態(tài)之間的一種動態(tài)平衡[2]。按照成藏條件的不同，頁巖氣的成藏機(jī)理可以分為3種：吸附、活塞運(yùn)聚或置換運(yùn)聚。而按照相應(yīng)的成藏機(jī)理，頁巖氣的成藏過程又可以分成3個階段。

1.1成藏初期

這一階段的成藏機(jī)理與煤層氣成藏比較相似，主要的成藏機(jī)理是吸附機(jī)理，使得天然氣會出現(xiàn)生成、吸附以及溶解逃離，如圖1（a）所示。在剛開始，由于生物作用，頁巖中產(chǎn)生一定數(shù)量的天然氣，這些天然氣會被有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒的表面所吸附，一旦吸附的氣量與溶解的逃逸氣量達(dá)到一定程度時，多余的天然氣則會以游離相或溶解相的形式進(jìn)行逃離，如果條件允許的情況下，逃離的天然氣有利于水溶氣藏的形成，可以為之提供十分豐富的氣源，但是這一階段所形成的頁巖氣藏主要存在于頁巖內(nèi)部，含氣量十分有限[2-3]。

1.2成藏中期

這一階段主要的成藏機(jī)理是吸附、活塞運(yùn)聚機(jī)理，使得天然氣會出現(xiàn)造縫和排出，如圖1（b）所示。在頁巖氣成藏的中期，由于熱化學(xué)能的轉(zhuǎn)化作用，一些密度較高的有機(jī)母質(zhì)就會發(fā)生轉(zhuǎn)化，進(jìn)而形成密度較低的天然氣。在相對密閉的系統(tǒng)中，密度較低的天然氣會增加原有地層的壓力，進(jìn)而會出現(xiàn)異常高壓地層，使得頁巖內(nèi)部會出現(xiàn)破裂帶，天然氣便會聚集其中，從而形成了頁巖氣藏。在成藏中期，平均含氣量的豐度可以達(dá)到比較高的水平，從而形成工業(yè)氣藏。

1.3成藏后期

這一階段主要的成藏機(jī)理是置換運(yùn)聚機(jī)理，使得天然氣會出現(xiàn)置換和運(yùn)移，如圖1（c）所示。隨著天然氣不斷增多，大量以游離相存在的天然氣沒法都保留在頁巖中，進(jìn)而出現(xiàn)了天然氣逃逸。在一般情況下，頁巖氣儲層具有低孔低滲的特點(diǎn)，使得天然氣的運(yùn)移具有活塞式排水的特點(diǎn)，從而在頁巖邊緣形成根緣氣聚集[3]。這時的天然氣聚集早已超越了頁巖自身，具有無邊、底水的地層含氣特點(diǎn)。

圖1 頁巖氣成藏的三個階段（改自張金川，2004年）

2 頁巖氣成藏的主控因素

很多因素都可以對頁巖氣的成藏起到一定的控制作用，并且在一定程度上決定頁巖氣的分布，但是起主要作用的是地質(zhì)因素。根據(jù)相關(guān)分析表明，主要的地質(zhì)因素有有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、裂縫發(fā)育程度、構(gòu)造保存條件等，具體情況如下：

2.1有機(jī)碳含量

有機(jī)碳不但是頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且是頁巖吸附氣的重要載體之一，直接決定了頁巖的生烴強(qiáng)度，因此，在頁巖氣成藏的過程中，有機(jī)碳的含量是一個非常關(guān)鍵的指標(biāo)。如果頁巖所處的地質(zhì)條件和演化階段一樣，頁巖的生烴能力、吸附能力與有機(jī)碳的含量具有十分顯著的正向相關(guān)的關(guān)系，有機(jī)碳的含量越高，頁巖的含氣量越大。根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多地方的頁巖氣層中的有機(jī)碳含量都大于2%，甚至能夠達(dá)到普通源巖的10～20倍[3]。

2.2有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是判斷有機(jī)質(zhì)是否可以生氣的重要指標(biāo)之一，對于天然氣的生成方式起到?jīng)Q定作用。根據(jù)有機(jī)質(zhì)成熟度的差異，頁巖氣藏可以分為3種：熱成因、生物成因以及混合成因。一般而言，高成熟度的有機(jī)質(zhì)并不會限制頁巖氣的富集，而正好相反，有機(jī)質(zhì)成熟度越高，越有利于頁巖氣的成藏，頁巖的含氣量和產(chǎn)氣量就越大。根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多地方的頁巖氣層有機(jī)質(zhì)屬于成熟-高熟階段，成熟度主要位于1.0%～2.0%。

2.3裂縫發(fā)育程度

頁巖中裂縫的發(fā)育程度對于頁巖中天然氣的吸附和解析起到了一定的促進(jìn)作用，裂縫不但可以作為頁巖氣藏的儲集空間，而且在一定程度上決定了頁巖氣富集的品質(zhì)。通常而言，裂縫越發(fā)育，頁巖氣越富集，而且頁巖氣的品質(zhì)越好。但是，如果頁巖中的微裂縫十分發(fā)育，其有可能與較大的裂縫進(jìn)行連通，這種情況嚴(yán)重影響了頁巖氣的保存，甚至?xí)?dǎo)致天然氣逃逸或散失。一般而言，地應(yīng)力相對集中帶、構(gòu)造轉(zhuǎn)折帶等裂縫比較發(fā)育的區(qū)域，一般都是頁巖氣成藏的重要場所。

2.4 構(gòu)造保存條件

構(gòu)造保存條件也是頁巖氣成藏的主控因素之一，直接決定了頁巖氣藏有利勘探開發(fā)區(qū)塊的優(yōu)選。根據(jù)天然氣的生成角度而言，天然氣（生物氣）主要是在厭氧的環(huán)境中形成的，并且天然氣（熱成因氣）主要是在溫度較高的環(huán)境中形成的；此外，頁巖的厚度越大，頁巖中的有機(jī)質(zhì)含量就越多，頁巖的富集程度也會越高，因此，一般而言，沉積盆地內(nèi)部抬升幅度較小、沉降中心及周圍等地區(qū)都是頁巖氣成藏的有利區(qū)域。

3 頁巖氣藏的分布規(guī)律

根據(jù)相關(guān)研究可以總結(jié)出頁巖氣藏的分布規(guī)律主要有3點(diǎn)：①頁巖中有機(jī)碳含量是頁巖氣成藏的烴源物質(zhì)基礎(chǔ)，因此，頁巖中有機(jī)碳含量越高，越有利于頁巖氣藏的聚集，一般而言，泥頁巖是頁巖氣成藏的最好的巖性；②在陸相盆地中，頁巖氣成藏的沉積相主要為三角洲相和湖泊相，這兩種沉積相最有利于頁巖氣藏的聚集，通常位于盆地的沉積中心及周邊區(qū)域；③頁巖氣藏的儲層都有普遍含氣性的特點(diǎn)，而且具有低孔、低滲的特征，孔隙和裂縫是頁巖氣藏的主要儲集空間。因此，裂縫發(fā)育區(qū)是頁巖氣藏分布的重要場所。

4 結(jié)語

根據(jù)對頁巖氣的成藏機(jī)理、分布規(guī)律以及主控因素的分析與探索可知，頁巖氣的成藏及分布具有非常廣泛的地質(zhì)意義，另外，頁巖氣具有非常廣泛的飽含氣性，資源潛力巨大，具有非常好的勘探開發(fā)前景。因此，必須加強(qiáng)頁巖氣的相關(guān)研究，研究出一套符合我國頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)方法，提高頁巖氣勘探開發(fā)的成功率，降低勘探開發(fā)的風(fēng)險。