页岩气成藏机理及控制因素

后勤部长

第一章  页岩气成藏机理及控制因素

页岩气（Shale gas），是一种重要的非常规天然气类型，与常规天然气相比，其生成、运移、赋存、聚集、保存等过程及成藏机理既有许多相似之处，又有一些不同点。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。

第一节  页岩气及其特征

页岩（Shale），主要由固结的粘土级颗粒组成，是地球上最普遍的沉积岩石。页岩看起来像是黑板一样的板岩，具有超低的渗透率。在许多含油气盆地中，页岩作为烃源岩生成油气，或是作为地质盖层使油气保存在生产储层中，防止烃类有机质逸出到地表。然而在一些盆地中，具有几十－几百米厚、分布几千－几万平方公里的富含有机质页岩层可以同时作为天然气的源岩和储层，形成并储集大量的天然气（页岩气）。页岩既是源岩又是储集层，因此页岩气是典型的“自生自储”成藏模式。这种气藏是在天然气生成之后在源岩内部或附近就近聚集的结果，也由于储集条件特殊，天然气在其中以多种相态存在。这些天然气可以在页岩的天然裂缝和孔隙中以游离方式存在、在干酪根和粘土颗粒表面以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。我们把这些储存在页岩层中的天然气称为页岩气（Shale gas）。页岩气是指赋存于暗色泥页岩、高碳泥页岩及其夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩中以自生自储成藏的天然气聚集。

美国地质调查局油气资源评价组（1995）认为页岩气系统属于典型的非常规天然气藏即连续性天然气聚集。Curtis（2002）对页岩气进行了界定并认为，页岩气在本质上就是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，它具有普遍的地层饱含气性、含气面积大、隐蔽聚集机理、多种岩性封闭以及相对很短的运移距离特点，它可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在、在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。因此，可以将页岩气概括为：主体上以吸附和游离状态赋存于泥页岩地层中的天然气聚集。

我国学者张金川等（2004）认为，页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中，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就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式。从某种意义来说，页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果。

我们通过对国内外关于页岩气形成及聚集方式描述的分析，从成因、赋存机理两方面说明页岩气的概念、涵义。页岩气是由烃源岩连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，在烃源岩系统（页岩系统：页岩及页岩中夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩）中以吸附、游离或溶解方式赋存的天然气。与常规天然气藏相比，页岩气藏具有以下几个特点：①早期成藏，天然气边形成边赋存聚集，不需要构造背景，为隐蔽圈闭气藏；②自生自储，泥页岩既是气源岩层，又是储气层，页岩气以多种方式赋存，使得泥页岩具有普遍的含气性；③天然气运移距离较短，具有“原地”成藏特征；④对盖层条件要求没有常规天然气高；⑤赋存方式及赋存空间多样：吸附方式（有机质、粘土颗粒表面微孔隙）、游离方式（天然裂缝和孔隙）或溶解方式均可（在干酪根和沥青质中）；⑥气水关系复杂；⑦储层孔隙度较低（通常小于5％）、孔隙半径小（以微孔隙为主），裂缝发育程度不但控制游离状页岩气的含量，而且影响者页岩气的运移、聚集和单井产量；⑧在开发过程中，页岩气井表现出日产量较低，但生产年限较长的特点。

第二节  页岩气的成藏机理

前面已述，在页岩系统中页岩气不单一是指存在与裂缝中的游离相天然气，也不单一是服从常规成藏机理的天然气聚集。页岩气成藏与常规气藏有很大的不同，它属于“连续型”天然气成藏组合。“连续型”天然气成藏组合由美国地质调查所在1995年美国油气资源全国评价中提出（Gautier et al.,1995;Schmoker,1995），是在研究非常规油气系统和常规油气系统之间随意性更小、更有地质根据的区别的结果。“连续型”天然气成藏组合，实际上就是在一个大的区域（通常是区域范围内）不是主要受水柱压力的影响天然气成藏组合。根据不同的成藏条件，页岩气赋存方式表现为：吸附方式、游离方式、溶解方式；成藏机理表现为典型的吸附机理、活塞运聚机理或置换运聚机理；在成藏特征上介于煤层气、根缘气（深盆气）和常规天然气三大类气藏之间。因此，页岩气成藏体现出非常复杂的多机理多阶段过程，是天然气成藏机理序列中的重要组成（据张金川等，2003）。页岩气成藏机理按成藏过程可以分成：生成机理（主导地位是成因机理）、赋存机理、运聚机理、产出机理。

一、页岩气生成机理

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)。

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。

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。

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。

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，天然气是主要通过干酪根、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（Cδ13）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。

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。

二、页岩气赋存机理

与常规天然气和根缘气不同，对于页岩气来说，页岩既是烃源岩又是储集层，因此，无运移或极短距离运移，就近赋存是页岩气成藏的特点；另外，泥页岩储层的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同，天然气在其中的赋存方式也有所不同。认识和了解页岩气在储集层中的赋存机理是理解页岩气成藏机理的重要组成部分。由于页岩气在主体上表现为吸附或游离状态，体现为成藏过程中的没有或仅有极短的距离的运移。页岩气可以在天然裂缝和粒间孔隙中以游离方式存在，在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。生成的天然气一般情况下先满足吸附，然后溶解和游离析出，在一定的成藏条件下，这三种状态的页岩气处于一定的动态平衡体系。

1．吸附机理

页岩中页岩气的含量超过了其自身孔隙的容积，用溶解机理和游离机理难以解释这一现象。因此，吸附机理就占据着主导优势地位。吸附机理是通过吸附作用实现的，该过程可以是可逆或不可逆的。吸附方式可分为物理吸附和化学吸附。吸附量与页岩的矿物成分、有机质、比表面积（孔隙、裂隙等）、温度和压力有关。

（1）吸附方式

物理吸附作用一般认为是由范德华分子力引起的。能发生多级吸附，据能量最小原理得出固体总是优先选择能量最小一个能级范围内的分子吸附，接着进行下一能级的分子吸附。物理吸附是页岩的主要吸附方式，具有吸附时间短、可逆性、普遍性、无选择性。

化学吸附作用是物理吸附作用的继续，当达到某一条件是就可以发生化学作用（包括化学键的形成和断裂）。化学吸附所需的活化能也比较大，所以在常温下吸附速度比较慢（据张开，1996）。页岩气的化学吸附具有吸附时间长、不可逆性、不连续性、有选择性。两者共同作用使页岩完成对天然气的吸附，但两者所处占主导优势的地位随成藏条件以及页岩和气体分子等改变而发生变化。吸附作用开始很快，越后越慢，由于是表面作用，被吸附到的气体分子容易从页岩颗粒表面解吸下来，进入溶解相和游离相，在吸附和解吸速度达到相等时，吸附达到动态平衡。

（2）吸附气量

通过对美国五套页岩系统的吸附气量（吸附气所占体积百分比）研究：安特里姆页岩：70%；俄亥俄页岩：50%；新奥尔巴尼页岩：40～60%；巴讷特页岩：20%；刘易斯页岩：60～85%。

吸附气量数学表示：

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