页岩气特点及成藏机理

谣水云

页岩气特点及成藏机理

                              ---陈栋

页岩气作为一种重要的非常规油气资源，随着能源资源的日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，其重要性已经日益突出。随着国家新一轮页岩气勘探开发部署的大规模展开，正确认识和掌握页岩气的成因、成藏条件等知识，对于今后从事页岩气现场录井的工作人员提高录井质量具有较好的指导意义。

1.概况

页岩气（shale gas）是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。其形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的页岩烃源岩地层中。

2.特点

2.1 页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50％）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间；以吸附状态（大约50％）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。

2.2 页岩本身既是气源岩又是储集层，目前可采的工业性页岩气藏埋深最浅为182m。页岩总孔隙度一般小于10%，而含气的有效孔隙度一般只有1%-5%，渗透率则随裂缝发育程度的不同而有较大的变化。

2.3 页岩具有广泛的饱含气性，天然气的赋存状态多变，吸附态天然气的含量变化于20%-85%之间。

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油气藏分布示意图

2.4 页岩气成藏具有隐蔽性特点，不以常规圈闭的形成存在，但当页岩中裂缝发育时，有助于游离相天然气的富集和自然产能的提高。当页岩中发育的裂隙达到一定数量和规模时，就成为天然气勘探的有利目标。页岩气的资源量较大但单井产量较小，美国页岩气井的单井采气量为2800-28000m3/d。

2.5 在成藏机理上具有递变过渡的特点，盆地内构造较深部位是页岩气成藏的有利区，页岩气成藏和分布的最大范围与有效气源岩的面积相当。

2.6 原生页岩气藏以高异常压力为特征，当发生构造升降运动时，其异常压力相应升高或降低，因此页岩气藏的地层压力多变。

2.7 页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点—-大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。

3.成因

通过对页岩气组分特征、成熟度特征分析，页岩气是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合。生物成因气是有机物在低温下经厌氧微生物分解作用形成的天然气；热成因气是有机质在较高温度及持续加热期间经热降解和裂解作用形成的天然气。相对于热成因气，生物成因的页岩气分布极限，主要分布盆地边缘的泥页岩中，在美国研究比较深入的五个盆地的五套页岩中，密执安盆地和伊利诺斯盆地发现了生物成因的页岩气藏，并且是勘探目标中的主要构成(Schoell，1980；Malter等，2000)。

3.1 生物成因

在页岩气中有一部分是生物成因气，通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入作用中厌氧微生物的活动形成；生物成因气，生成于细菌的甲烷生成作用，菌生甲烷占世界天然气资源总量的20％ 以上(Rice，1993)。微生物成因气最普遍的标志是甲烷的σ13C值很低（<-55‰）。此外，由于一些中间微生物作用产生了CO2副产品，所以可以根据CO2的存在和同位素成分来判断是否为生物作用形成的天然气。因为微生物作用仅产生了大量甲烷（>1mol vo1.％），一般高链烃类是因热成因而形成，因此天然气的总体化学特征也可以表明了其成因。由于不同的生烃机理可以导致相似的同位素值和组分值，所以区分气体成因是非常复杂的。一些次生作用，如运移、细菌氧化和二者的共同作用由于改变了主要诊断特征而使生气机理的识别变得更加复杂。目前发现的生物成因气主要可以分为两种形式：①早成型,从页岩沉积并且成岩作用初期就开始生气,页岩气与伴生地层水的绝对年龄较大; ②晚成型,气藏的平面形态为环状。

3.1.1页岩生物成因气的生成

导致甲烷生成的有机质分解作用由不同的微生物群体完成的（Mah等，1977）。生物成因作用可以通过两种方式：二氧化碳的还原作用、醋酸盐的发酵作用生成甲烷。

醋酸盐发酵作用：CH3COOH→CH4 +CO2 (反应1)

CO2还原作用：CO2+4H2→CH4+2H2O (反应2)

在菌生甲烷的形成过程中二氧化碳还原作用和醋酸盐发酵作用是同时作用的。但是在不同的情况下，他们所生成的数量是不同。据同位素成分分析，大多数古代生物成因气聚集可能是由二氧化碳还原作用生成的，而近代沉积环境中两种作用都广泛存在。近地表的、年轻的、新鲜的沉积物可以通过上述两种作用形成生物气。商业性天然气聚集中生物成因气的主要形成途径是二氧化碳的还原。

生成甲烷的还原作用所需的二氧化碳主要有三种来源：（1）低温下，浅层二氧化碳源，有机质经微生物作用（硫酸盐还原和发酵）而发生的氧化作用；（2）较高温度下，深层二氧化碳源有机质的热脱羧作用；（3）较大深度处生成的热成烃类的分蚀作用。研究表明形成商业聚集的页岩气藏需要多种来源的二氧化碳。

3.1.2页岩气生物成因作用的条件

页岩生物成因作用受几个关键因素控制。富含有机质的泥页岩是页岩气形成的物质基础，缺氧环境、低硫酸盐环境、低温环境是生物成因页岩气形成的必要外部条件，足够的埋藏时间是生成大量生物成因气的保证。另外，产菌甲烷个体的孔隙空间平均直径为1μm，因此菌类繁殖需要一定的空间，页岩中有机质富集的细粒沉积物的孔隙空间很有限，但是，富含有机质的细粒页岩中的裂隙可以为生物提供生存繁殖空间。

3.2 热成因

热成因作用主要指随着埋深的增加，温度、压力增大，泥页岩中大量的有机质由产甲烷菌的代谢发生的化学降解和热裂解作用。干酪根降解过程中，首先产出可溶的有机质沥青，然后是原油，最后是天然气。有机质的热模拟试验表明，在沉积物的整个成熟过程中，干酪根、沥青和原油均可以生成天然气，对于有机质丰度和类型相近或相似的泥页岩，成熟度越高，形成的烃类气体越多。页岩的有机质成熟度Ro在0.4～1.88%之间，所以页岩中的沉积物可以连续生成天然气。在成熟作用的早期，天然气是主要通过干酪根经降解作用形成；在晚期阶段，天然气主要通过干酪根、沥青和石油裂解作用形成的。与生物成因气相比，热成因气生成于较高的温度和压力下，因此，在干酪根热成熟度（镜煤反射率Ro）增加的方向上，热成因气在盆地地层中的体积含量呈增大趋势。另外，热成因气也很可能经过漫长的地质年代和构造作用从页岩储层中不断泄漏出去。在Antrim页岩气研究中，采用甲烷/（乙烷+丙烷）比例和产生乙烷（δC13）的同位素组成确定出其中的热成因气所占体积较小（小于20%），主要为生物成因气。目前热成因型页岩气可分为3 个亚类: ①高热成熟度型,例如美国Fort Worth 盆地的Barnet t 页岩气藏; ②低热成熟度型; ③混合岩性型,即大套页岩与砂岩和粉砂岩夹层共同储存气体。其中最典型的代表是美国Fort Worth 盆地的Barnet t 页岩气藏。

总之，在页岩气的形成是热成因和生物成因共同作用的结果。页岩气形成的根本是经微生物作用和热作用可以生成甲烷等烃类的埋藏有机质。有机质的丰度和类型对于页岩气的形成至关重要，温度、压力和还原环境是页岩气形成的必要条件。

4.成藏条件

4.1.沉积环境：页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础，要求生烃有机质含量达到一定标准。那些有机质丰度高的黑色泥页岩是页岩气成藏的最好源岩，它们的形成需要较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。沉积速率较快可以使得富含有机质页岩在被氧化破坏之前能够大量沉积下来，而水体缺氧可以抑制微生物的活动性，减小其对有机质的破坏作用。在沉积埋藏后控制甲烷产量的因素是缺氧、缺硫酸盐环境，低温、富含有机物质和具有充足的储存气体的空间。

4.2.总有机碳含量：总有机碳含量是烃源岩丰度评价的重要指标，也是衡量生烃强度和生烃量的重要参数。有机碳含量随岩性变化而变化，对于富含粘土的泥页岩来说，由于吸附量很大，有机碳含量最高，因此，泥页岩作为潜力源岩的有机含量下限值就愈高，而当烃源岩的有机质类型愈好，热演化程度高时，相应的有机碳含量下限值就低。

4.3.干酪根类型：在不同的沉积环境中，由不同来源有机质形成的干酪根，其组成有明显的差别，其性质和生油气潜能也有很大差别。因此研究干酪根的类型（性质）是油气地球化学的一项重要内容，也是评价干酪根生油、生气潜力的基础。干酪根类型是衡量有机质产烃能力的参数，不同类型的干酪根同时也决定了产物以油为主还是以气为主。页岩气可以在不同有机质类型的源岩中产出，有机质的总量和成熟度才是决定源岩产气能力的重要因素。

4.4.热演化程度：含气页岩的热成熟度通常用Ro来表示，Ro越高表明生气的可能越大。美国五大产气页岩的热成熟度可以从0.4%-0.6%（临界值）到0.6%-2.0%（成熟），页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。也就是说，只要页岩层中的有机质达到了生烃标准，即Ro>0.4%，就可以生成天然气，它们就有可能在页岩中聚集成藏。一般地，当Ro>1.0%更易于生气，1.0%<Ro<2.0%为生气窗，当Ro>1.4%时则生成干气；Ro<0.6%为未成熟阶段，0.4%<Ro<0.6%时可生成生物成因气。

页岩气成藏的生烃条件及过程与常规天然气藏相同，泥页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定了其生烃能力和时间；在烃类气体的运移方面，页岩气成藏体现出无运移或短距离运移的特征，泥页岩中的裂缝和微孔隙成了主要的运移通道，而常规天然气成藏除了烃类气体在泥页岩中的初次运移以外，还需在储集层中通过断裂、孔隙等输导系统进行二次运移；在赋存方式上，二者差别较大，首先，储集层和储集空间不同（常规天然气储集于碎屑岩或碳酸盐岩的孔隙、裂缝、溶孔、溶洞中，页岩气储集于泥页岩粘土矿物和有机质表面、微孔隙中。），其次，常规天然气以游离赋存为主，页岩气以吸附和游离赋存方式为主；在盖层条件方面，鉴于页岩气的赋存方式，其对上覆盖层条件的要求比常规天然气要低，地层压力的降低可以造成页岩气解吸和散失。页岩气的成藏过程和成藏机理与煤层气极其相似，吸附气成藏机理、活塞式气水排驱成藏机理和置换式运聚成藏机理在页岩气的成藏过程中均有体现，进行页岩气的勘探开发研究，可以在基础地质条件研究的基础上，借助煤层气的研究手段，解释页岩气成藏的特点及规律。