页岩气形成及富集机理

类型主生气期(某一时期天然气的生成量占总生气量的70%～80%)对应的Ro值不同，Ⅰ型干酪根为1.2%～2.3%，Ⅱ型干酪根为1.1%～2.6%，Ⅲ型干酪根为0.7%～2.0%［10］。因此，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泥页岩岩产气能力的重要因素。

二、页岩气富集机理

2.1有效厚度和分布面积

富有机质页岩厚度愈大,气藏富集程度愈高。与常规油气藏一样,要形成工业性页岩气藏,页岩储层需要达到一定的有效厚度和分布面积。页岩厚度和分布面积是保证页岩气藏有足够的有机质及充足的储集空间的重要条件[1]。一般而言,在海相沉积体系中,富有机质页岩主要形成于盆地相、大陆斜坡、台地凹陷等水体相对稳定的环境;在陆相湖盆沉积体系中,富有机质页岩发育在深湖相、较深湖相以及部分浅湖相带中。这些沉积相带一般具有广泛的展布空间。在有效厚度大于15 m、有机碳含量大于2 %以及处于生气窗演化阶段等页岩气藏形成基本条件的限定下,页岩厚度愈大,所含有机质就愈多,天然气生成量与滞留量也就愈大,页岩气藏的含气丰度愈高(如下图) 。需要指出的是,要形成一定规模的页岩气藏, 页岩厚度一般应在有效排烃厚度以上。

众所周知，广泛分布的泥页岩是形成页岩气的重要条件。只有当泥页岩的分布面积达到一定的范围，才能使在泥页岩内部形成的天然气保存下来。泥页岩连续分布的面积越大，其内部赋存的天然气就越多，天然气分布的面积就越大，就越有利于页岩气的大规模开发。同时也要保证泥页岩具有一定的有效厚度。

需要指出的是,页岩有效厚度的下限不是一个固定值,其随着页岩气藏钻、完井技术的进步而变化。北美在页岩气藏开发的早期是打直井,当时确定的页岩有效厚度下限值为30 m。目前,由于水平井钻井技术和水力压裂、分段压裂等完井技术的成功应用,页岩有效厚度下限值已降至10～15 m。将来在技术进一步提高、开发成本不断降低的情况下,只要是在技术允许范围内的页岩厚度都会是有效页岩厚度[4]。

2.2温度

温度一方面影响着吸附气体含量,温度增高,气体分子的运动速度加快,降低了吸附态天然气的含量,这也是福特沃斯盆地Barnett页岩气藏中吸附气含量较少的原因之一。另一方面温度影响有机质演化生烃的过程，温度越高，有机质成熟度就越大。但是当温度过高时，超出了有机质生烃所需要的生烃温度界限，就不会生烃。

2.3压力

地层压力也是影响页岩气产量的因素之一。研究表明,地层压力与吸附气有着正相关性,地层压力越大,页岩的吸附能力就越大,吸附气的含量也就越高。游离气含量也会随着压力的增加而增加,两者基本上呈线性关系(如下图)。值得注意的是,压力在6. 89MPa 以前,吸附气含量随压力增加的幅度很明显,而在其之后,增加的幅度不太明显,类似于常规的致密气藏[2]。当然,不同地区由于有机质含量和周围围岩封存能力的不同,压力梯度也会产生差异。

2.4埋藏深度

深度直接控制着页岩气藏的经济价值及其经济效益。美国发现的页岩气藏通常分布在7612～3 658 m范围的4个深度段[5,6]。由此可见,页岩气藏深度变化较大,深度不是页岩气藏发育的决定因素,关键问题是该页岩气藏是否具有商业开发价值。随着科技和工艺的进步,埋藏更深的页岩气藏也将得到开发。但深度不同,页岩气藏的特征也有较大差别(见下表)[1]。 浅层( < 1 000 m) 低压力 低成熟度 生物成因或热成因 低气体饱和度 高吸附气含量 高孔渗 陡峭的等温吸附线 低成本 深层( > 1 000 m) 高压力 高成熟度 热成因 高气体饱和度 低吸附气含量 低孔渗 平缓的等温吸附线 高成本 2..5岩石矿物成分

岩石矿物的存在一方面将影响到吸附气含量的大小，另一方面对页岩气的开采产生影响。页岩气的产出部分依赖于天然裂缝、人工制造裂缝或是存在互层的可渗透岩相。页岩的矿物成分较复杂，除高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物以外，还混杂石英、硅质成分、长石、白云石、云母等许多碎屑矿物和物质。这些物质的存在影响了地层的脆性，从而影响天然裂缝的生成以及人工制造裂缝的能力。页岩中各种矿物含量对页岩气的开采影响很大，根据美国开发页岩气的经验，含气页岩作为细粒致密砂岩储层，碳酸盐含量的增加会降低页岩气的地质储量[7]，富含硅质的页岩要比富含黏土质页岩在人工压裂中起到更好的作用。

2.6湿度

页岩的湿度直接影响着吸附态天然气的含量。岩石润湿后,因为水比气吸附性能好,从而会占据部分活性表面,导致甲烷吸附容量降低。湿度往往随页岩成熟度增加而减小,故成熟度高的页岩含气量可能更高。密执安盆地Antrim页岩气藏、伊利诺斯盆地New Al-bany 页岩气藏以及阿巴拉契亚盆地北部湖区Ohio页岩气藏的湿度均较大,含气饱和度较低,而演化程度较高的阿巴拉契亚盆地南部Ohio页岩气藏、圣胡安盆地Lewis页岩气藏和福特沃斯盆地Barnett页岩气藏(平均含水饱和度为25 %[1])则含水较少,含气量较高。含水量高将降低气体的生产速度,导致处理产出水的麻烦,所以有利的页岩气区应该是产水较少的区域。

2.7构造运动

页岩气藏中的泥、页岩首先是作为烃源岩而存在，其次才是作为页岩气藏的储集层和盖层。因此，烃源岩在平面上的分布和剖面上的厚度是决定页岩气藏资源潜力的关键要素。而烃源岩的时空分布又取决于构造活动状况，研究表明，稳定的构造环境有利于“世界级”烃源岩的沉积，同时也为页岩气藏提供了坚实的物质基础。通过对美国福特沃斯盆地下石炭统Barnett页岩气藏和四川盆地下古生界下志留统龙马溪组页岩的构造演化特征的分析认为，构造稳定时间长、隆升幅度小有利于泥页岩的持续受热和一次成烃[4]。对比分析发现，福特沃斯盆地Barnett页岩比四川盆地龙马溪组页岩经历的构造稳定时间更长，后期的隆升幅度更小，因此，推测前者具有更好的页岩气成藏条件。

2.8孔隙度与渗透率

孔隙度是确定游离气含量和评价页岩渗透性的主要参数。作为储层，含气页岩显示出低的孔隙度(＜10%)，低的渗透率(通常远小于0.001μm2)。Chalmers等［10］认为孔隙度与页岩气的总含量之间具有正相关性，也就是说页岩气的总含量随页岩孔隙度的增大而增大。微孔对吸附态页岩气存储具有重要影响，微孔体积越大比表面积越大，对气体分子的吸附能力也就越强。渗透率在一定程度上影响页岩气的赋存形式，主要影响游离态气体的存储。页岩气渗透率越大，游离态气体的储集空间就越大。