頁巖氣保存表向因素分析

楊恒 龔文平

關(guān)鍵詞：非常規(guī);頁巖氣;保存條件;主控因素

0 引言

不同于主要研究生、儲、蓋、圈、運、保的常規(guī)油氣，頁巖氣其自生自儲、低孔低滲的特點及在裂縫/孔隙中游離態(tài)或有機物中吸附態(tài)的存在方式，意味著其氣藏不以圈閉形式存在且沒有或只有較小的運移，在封閉性良好的情況下，對蓋層也幾乎沒有要求，因此對頁巖氣的研究主要集中在生、儲兩方面。影響頁巖氣保存條件的因素較多，其中巖層厚度、地層壓力、礦物成分和斷裂與裂縫發(fā)育狀況等等這類能夠通過鉆井、物探和實驗分析資料直接表現(xiàn)對頁巖氣保存條件影響的要素可稱為表象因素，可分為構(gòu)造要素和非構(gòu)造要素;而區(qū)域動力變化、高溫高壓條件下發(fā)生的變質(zhì)作用等造成表象性要素發(fā)生變化的因素，則可以稱為影響頁巖氣保存條件的成因因素。頁巖氣主要以游離態(tài)和吸附態(tài)存在，溶解態(tài)頁巖氣含量極少，研究價值較低，因此本文僅對頁巖氣的游離態(tài)和吸附態(tài)進行研究。

1 非構(gòu)造作用對頁巖氣保存的影響

1.1 孔隙和裂縫

孔隙和裂縫是頁巖氣的儲集場所，既能決定頁巖的儲集能力，也是評價頁巖儲層有效性的重要指標(biāo)。頁巖孔隙度和滲透率極低，能形成良好的封蓋條件防止頁巖氣逸散;另一方面亦是由于其孔隙度太低，僅靠孔隙中的頁巖氣無法滿足工業(yè)需要，會對頁巖氣富集造成障礙。

裂縫作為孔隙的補充，是頁巖氣重要的儲存空間。構(gòu)造作用提供的應(yīng)力大小和方向的差異導(dǎo)致裂縫規(guī)模的不同;不同方向、不同期次裂縫相互疊加構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)。其中微小型裂縫能有效改善頁巖儲集空間，有利于頁巖氣的聚集運移;大型裂縫雖然也能改善儲集空間和滲透率，然而有時也會貫穿頁巖層頂/底面形成切層裂縫，破壞頁巖層的封蓋能力，使頁巖氣逸散，因此頁巖中裂縫的發(fā)育狀況直接影響到頁巖氣的含量。

1.2 礦物成分

頁巖的礦物組成復(fù)雜，主體為黏土類礦物，夾雜許多碎屑礦物。其中黏土類礦物具有較強的吸附性，是吸附氣的儲存空間;塑性較強，可以在一定程度上防止頁巖層在遭受構(gòu)造運動時遭受大規(guī)模破壞，防止頁巖氣散失，但這種性質(zhì)同時也抑制了裂縫的產(chǎn)生，使頁巖氣難以富集。頁巖中碎屑礦物主要為石英和長石，這兩類礦物脆性較強，其在頁巖中的占比代表著頁巖在受力后產(chǎn)生裂縫能力的強弱;另一方面，石英顆粒會充填在頁巖的孔隙及裂縫間，減少頁巖氣與圍巖的接觸面積，在構(gòu)造穩(wěn)定的環(huán)境中不利于頁巖氣分子的吸附。

1.3 地層厚度

巖層厚度大小體現(xiàn)了封蓋面積的大小和巖層封閉能力穩(wěn)定性。一般來說，上覆巖層厚度越大，橫向分布的連續(xù)性越好，往往分布面積也越大。頁巖層自身自儲的特性決定其作為有機質(zhì)和頁巖氣共同儲集空間，其厚度的變化和這種變化所代表的橫向連續(xù)性的變化即是頁巖氣存儲空間的變化;另一方面，巖性相近的情況下，在一定巖層厚度范圍內(nèi)，巖層厚度越大，抗外力能力就越強，裂縫發(fā)育程度越低，超過臨界值后，裂縫密度會維持在一個較低的水平。

1.4 壓力

壓力對頁巖氣保存條件的影響主要體現(xiàn)在兩方面：地層壓力增加可以降低頁巖氣吸附在孔隙和裂縫表面的結(jié)合能，吸附氣的含量也就隨之增加。然而超過一定范圍，氣體分子運動速度的加快也會降低頁巖氣的吸附能力，使吸附氣的增加量逐漸降低直至平緩，此時游離氣活躍程度提高，頁巖氣總儲量增大;同時頁巖的自封閉性容易使頁巖層常保持較高的地層壓力，超壓可使巖石破裂產(chǎn)生大量裂縫，既增大儲集空間，也為頁巖氣的開采提供了足夠的動能，有利于頁巖氣的富集高產(chǎn)，因此高產(chǎn)頁巖氣井通常壓力系數(shù)較大（表1）

1.5 溫度

頁巖氣分子的吸附被分子間作用力控制，吸附過程中分子運動速度降低，釋放熱量，吸附氣的性質(zhì)未發(fā)生改變且過程可逆，因此溫度變化會影響頁巖中有機質(zhì)和碎屑顆粒對頁巖氣的吸附和解吸。同時由于頁巖含氣系統(tǒng)的自封閉性，溫度變化造成的吸附氣含量變化必然會導(dǎo)致頁巖層內(nèi)壓力發(fā)生改變，從而影響到頁巖氣保存環(huán)境。

1.6 有機碳含量

頁巖中的有機碳含量與有機質(zhì)含量成正比，代表著頁巖生烴潛力大小;同時有機物是吸附氣的重要載體，有機碳含量的增加可以有效增加頁巖吸附能力，提高頁巖儲氣能力。

2 構(gòu)造作用對頁巖氣保存的影響

不同期次和強度構(gòu)造運動造成地層褶皺變形、破裂程度、剝蝕作用程度的不同，決定著斷裂和裂縫的類型和發(fā)育程度，控制著頁巖層的埋藏條件，導(dǎo)致頁巖氣的滲透和擴散作用的不同，對頁巖氣的保存和逸散具有重要的控制作用。

2.1 構(gòu)造裂縫

構(gòu)造作用引起的變形可讓頁巖產(chǎn)生裂縫，同時可使其本身存在的裂縫擴大并連通。如果構(gòu)造活動較微弱，使頁巖裂縫系統(tǒng)擴展并形成網(wǎng)絡(luò)，對頁巖氣的保存和富集是有利的;而強烈的構(gòu)造活動可能使裂縫大量延展穿透頂?shù)捉缑嫔踔列纬蓴鄬?，切割頁巖儲層，造成頁巖氣損失。

2.2 剝蝕作用

構(gòu)造作用引起的變位可造成地層的抬升。一方面構(gòu)造抬升若將頁巖層暴露地表，會造成巖層的風(fēng)化剝蝕，導(dǎo)致頁巖氣泄露;另一方面，構(gòu)造抬升使頁巖層上覆壓力變小，在卸荷作用下，上覆地層卸載將使頁巖層產(chǎn)生區(qū)域裂縫，若裂縫未破壞頁巖層，則有利于頁巖氣富集?？傮w來說上覆蓋層比較穩(wěn)定且抬升剝蝕微弱的環(huán)境有利于頁巖氣的保存。

2.3 斷層

斷層對頁巖氣保存條件的影響程度體現(xiàn)在斷裂活動的強度和性質(zhì)上，表現(xiàn)為垂向上對頂?shù)装宓钠茐暮蜋M向上對地層連續(xù)性的破壞。頁巖層的頂?shù)装宸忾]能力、突破壓力、厚度等因素的改變都會對頁巖層封閉性造成影響，斷層貫穿頂?shù)装鍟绊懙巾搸r氣的保存;對地層連續(xù)性的破壞可以從兩個方面進行評價：一是斷層向下連接頁巖儲層，向上出露地表，由于斷層大多與裂縫同時產(chǎn)生，加之出露的地層易遭受風(fēng)化剝蝕，會持續(xù)對頁巖氣藏進行破壞，對頁巖氣保存不利;二是斷層發(fā)育但是封閉，這類情況就需要對斷層的斷層性質(zhì)、斷層強度與最大主壓應(yīng)力方向夾角等方面綜合分析來確定斷層對頁巖層的改造作用，進而確定對保存條件的影響。

3 結(jié)論

①頁巖自生自儲的特性決定了只有良好的封閉系統(tǒng)才能完好的封存頁巖氣，影響頁巖氣賦存的形式，因此研究頁巖氣保存條件實際上是研究各類因素對頁巖封閉系統(tǒng)的建設(shè)或破壞作用;②影響頁巖氣保存條件的因素較多，直接表現(xiàn)出影響的方面就是溫度和壓力的變化、地層的厚度、頂?shù)装宓姆忾]性和斷裂與裂縫發(fā)育狀況等。造成保存條件發(fā)生變化的根本原因是區(qū)域動力變化引起構(gòu)造的差異變形所帶來的系列變動所致;③對頁巖氣保存條件進行評價時應(yīng)先關(guān)注構(gòu)造因素（通過斷層和隆升剝蝕程度反映），斷層發(fā)育及頁巖地層剝蝕強烈的部位不宜作為開采目標(biāo)，其次再通過非構(gòu)造要素判斷頁巖氣的富集程度，進行優(yōu)選。

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