《页岩气特征研究》word版.doc

本科毕业设计（论文）页岩气藏特征研究燕 山 大 学2011年6月本科毕业设计（论文）页岩气藏特征研究学院（系）： 车辆与能源学院 专 业： 石油工程 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 2011年6月 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：车辆与能源学院 系级教学单位：石油工程系 学号学生姓名专业班级石油工程2007题目题目名称页岩气藏特征研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ） 自选题目（ ） 主要内容1、页岩气藏研究现状；2、页岩气藏特征分析（包括源岩特征、运聚特征、改造特征等）；3、我国页岩气勘探前景分析。基本要求1、要准确把握国内外页岩气藏特征分析的内容与方法；2、结合相关资料，对页岩气藏特征进行分析；3、图件规范、准确、美观，表格规范、准确；4、论文条理清晰，观点明确。参考资料1、国内外页岩气研究进展；2、其他有关研究报告和参考书。周 次第14周第58周第9 12周第13 16 周第1718周应完成的内容查阅资料，完成开题报告、文献综述以及外文翻译页岩气藏特征分析方法探究及基础资料分析从源岩特征、运聚特征、改造特征等方面对页岩气藏特征进行深入分析完成论文的写与修改工作撰写论文及答辩指导教师：职称：副教授 2011年 2 月26 日系级教学单位审批： 年 月 日 摘要摘 要页岩气打破了油气勘探的传统认识领域，它不仅富集于目前保存条件良好的盆地内，而且赋存于后期构造变动复杂的沉积残留区，存在于常规油气不宜发育、勘探难度较大的地层中，极大地拓展了天然气的分布及勘探空间。页岩气将会成为中国能源的热点和重要的补充，随着我国对天然气需求的日益增长，对页岩气的研究也越来越多，只有通过分析页岩气藏的储层特征，才能更好的勘探、开发页岩气。本文通过对现有大量文献的分析讨论，总结了国内外页岩气的研究成果，主要对页岩气研究现状、页岩气藏储层特征、页岩气勘探开发前景等进行了系统阐述和归纳。通过对页岩气成藏机理及特征分析，对页岩气有了更进一步的了解，这对页岩气的开发乃至天然气工业具有至关重要的意义。关键词 页岩气藏；勘探；特征；前景AbstractShale gas has break down traditional knowledge in the field of oil and gas. It greatly expands the space and the distribution of natural gas exploration. Shale gas will be Chinas energy hot spot and the important added. Along with our increasing demand for gas, the study to shale gas is more and more. Only through the analysis of the shale gas reservoir features, can we better explore, develop the shale gas.Based on the analysis and discussion of the existing vast literature, this paper summarizes the research results of the shale gas at home and abroad. It mainly Sum up the current research status, shale gas reservoir characteristics and shale gas exploration and development prospects. Through the analysis of mechanism of accumulation and characteristics of shale gas, we get further information of shale gas. It is of vital significance for the development of shale gas and natural gas industry. Key words shale gas reservoir; exploration; features; prospectsIII 目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 研究的目的和意义21.3 研究内容2第2章 页岩气研究现状52.1 世界页岩气资源52.1.1 页岩气储量52.1.2 页岩气产量52.1.3 页岩气勘探开发热点国家62.2 页岩气勘探技术82.3 存在问题132.4 页岩气开发技术研究方向及发展趋势14第3章 页岩气藏特征分析173.1 页岩气成藏机理及地质分布规律173.1.1 页岩气成藏机理173.1.2 页岩气成藏主控地质因素及分布规律193.2 页岩气藏特征分析213.2.1 四川盆地页岩烃源岩特征223.2.2 页岩气藏运移特征243.2.3 页岩气藏改造特征263.3 页岩气储层评价283.3.1 评价内容283.3.2 评价标准29第4章 我国页岩气勘探前景分析314.1 我国页岩气藏分布规律314.2 我国现已勘探地区页岩气藏分布354.3 我国未勘探地区页岩气勘探前景分析36结论39参考文献41致谢43附录1 开题报告45附录2 文献综述53附录3 外文翻译及原文63第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景 目前，全球对页岩气的开发并不普遍，仅美国和加拿大在这方面做了大量工作。近年来美国页岩气开发进展迅速，页岩气产量快速增长，页岩气工业处在高速发展阶段，使得美国计划中进口的LNG项目停建或缓建。美国非常规油气开发的成功将引领美国走向能源独立的未来，新能源将再一次成为美国成功的象征。 相对常规天然气而言，页岩气是一个新的领域。我国目前乃至未来对天然气需求旺盛，而进口中亚天然气以及东南沿海的LNG项目，其到岸价据测算不会低于每平方米2元，更重要的是国家能源安全的独立性大大受制于他人。而我国页岩气资源非常丰富，开发页岩气将面临一次历史性的机遇和选择。非常规天然气资源在中国发展缓慢，也是有目共睹的事实，只是近期，国家发改委非常重视，中国石油、中国石化也把发展非常规天然气资源作为工作的重点，并作为新的经济增长点予以谋划，同时特别把煤层气、页岩气、致密砂岩气列为发展的对象。目前，煤层气投入规模开发，页岩气建立了示范区，值得庆幸。 全球非常规天然气资源非常丰富，而且发展很快，特别是美国以小公司决策的方式，开发了大量的非常规天然气资源，其中一个重要的标志，就是美国仅页岩气产量，2009年达到了900亿立方米，首次超过俄罗斯，一跃成为世界第一产天然气生产大国，使美国依赖全球能源的比例大大降低，这就是美国人的战略。 最近，全球能源界还有一个重要的现象，值得我们特别重视，那就是国际石油公司在不遗余力的收购非常规天然气资源，不遗余力的在全球勘探开发非常规天然气资源。壳牌、道达尔、雪佛隆、挪威国家石油公司，都在中国商讨开发非常规天然气资源，其中壳牌去年与中国有关企业签署了在中国四川开发页岩气的协议及合作研究项目。 平心而论，非常规天然气资源开发有很大难度，只有美国和一些国际石油公司掌握了勘探开发非常规天然气资源的全套技术，而且处于绝对的垄断地位，别的国家和公司要想掌握这些技术，并不是一件容易的事。不过，中国石油要掌握这些技术完全有足够的实力，近年中国石油的积极努力，积累了一些勘探开发非常规天然气资源认识、技术和经验，关键看是如何谋划了。就致密砂岩气和煤层气、页岩气的勘探开发而言，中国还在谋划、起步阶段，还谈不上规模化、集约化的发展。不过，根据国际成功的经验和中国近年积累的实践经验，为实现中国开发非常规天然气资源长远开发的大计。有九个方面的做法，值得认真的研究、积极的谋划、仔细的考量。1.2 研究的目的和意义页岩气打破了油气勘探的传统认识领域，它不仅富集于目前保存条件良好的盆地内，而且赋存于后期构造变动复杂的沉积残留区，存在于常规油气不宜发育、勘探难度较大的地层中，极大地拓展了天然气的分布及勘探空间。 页岩气是对常规气勘探开发的重要补充，尤其在地质过程比较复杂、抬升及剥蚀严重的地区同样具有页岩气。页岩气将会成为中国能源的热点和重要的补充领域，成为中国开发的绿色能源新宠，从而成为缓解油气产量不足的重要途径。 页岩气勘探开发的快速起步和稳定发展对于缓解油气能源的需求压力具有明显意义，有利于加快我国油气勘探开发事业的发展。页岩气勘探开发有利于改善我国的能源构成从而进一步保证国家的能源安全，也会对能源供需结构的改善产生积极影响。页岩气产量的上升，必将有利于改善特殊情况下的“气荒”现象，缓解天然气供需矛盾，进一步增强我国应对冰雪灾害的恶劣天气的能力。1.3 研究内容页岩气在我国尚处于起步阶段，可以预见，在不久的将来，页岩气在我国天然气工业中将扮演举足轻重的角色，本文中，作者将就以下几点做出研究：第一章和第二章主要讲述页岩气课题背景和研究现状，阐述了开发页岩气的技术，第三章以西南地区为例讲解了页岩气藏的成藏机理和特征，第四章则主要分析了我国页岩气的分布，并对我国的页岩气勘探做出了展望。 81第2章 页岩气研究现状第2章 页岩气研究现状2.1 世界页岩气资源2.1.1 页岩气储量从全世界范围看，泥、页岩约占全部沉积岩的60，页岩气资源前景巨大。全球页岩气资源量为456.241012m。主要分布在北美、中亚和中国、拉美、中东和北非、前苏联（表2-1）表2-1世界主要地区页岩气储量表（徐建永等，2010）地区或国家页岩气储量/1012m3 北美 拉丁美洲 西欧 中欧或东欧 前苏联 中东或北非 非洲沙哈拉地区 中亚和中国 太平洋（经济合作和发展组织） 亚太其他地区 南亚108.79 59.95 14.44 1.10 17.75 72.15 7.76 99.90 65.50 8.89 02.1.2 页岩气产量页岩气产量与储层性质有关。影响储层性质的因素有：储层内流体的流动；利于油气流动的孔喉大小；水动力系统是否良好以及开采技术水平的高低。目前美国有页岩气井4 259口，年产量已跃升至(168204)108m，图2-1反映了美国近年页岩气井数增加的情况。预测2010年美国页岩气产量将占其天然气总产量的13。图2-1美国近年页岩气井变化图（江怀友等，2008）2.1.3 页岩气勘探开发热点国家随着非常规气体勘探开发技术的发展，非常规气的产量在天然气总产量中所占比重将有望从2000年的35%提高到2012年的54%。井数（103口） 增加储量（1011m2） 单井产量（106m3/井）图2-2 美国近年页岩气增长情况（江怀友等，2008）(1) 美国2007年美国天然气产量增长的主要来源为页岩气（图2-2），增长率为20%，其他产量则有所下降。图2-2为美国近年页岩气储量增长情况图。2005年，北美的Barnett 盆地页岩气产量为1.3104m，其中水平井产量较高，将近60%的产量来自于EOG、XTD以及边缘资源。开发技术不断提高，同时“技术实验室”也推动着页岩气的发展。Antrim 盆地页岩气总产量为4.07108m；Appalachian盆地产量将近1.35108m；Arkoma盆地当年钻页岩气井数较少，但产量却增加了5.94107m。美国Barnett地区的页岩气产量逐年增长，特别是2002 年以后发展迅速，2007 年已达到1.841012m。美国页岩气进一步的勘探开发方向为北部地区，预计维吉尼亚页岩气有望稳步增长。(2) 加拿大对加拿大西部沉积盆地（British Columbia东部和Alberta地区）上白垩统wilrich组及其同时代地层、侏罗系NordeggFernie组、三叠系DoigDoigPhosphateMontney组、Exshaw/Bakken组和泥盆系IretonDuvernay组开展页岩气勘探潜力评价，预测该区页岩气资源量约为241012m。加拿大非常规天然气协会（CSUG）认为西部（包括British Columbia北部Bowser盆地）Colorado页岩段、侏罗系及古生界页岩和东南部的泥盆系页岩具有开发的潜力。British Columbia油气委员会已核准的白垩系和泥盆系页岩气试验区块共计22个。西加拿大沉积盆地页岩气产量达到（1.131.42）108m，2008年将有望突破。2008年3月，在北美洲东北部的哥伦比亚北部偏远地区发现了一套泥盆纪的页岩气藏，该地区有望成为北美洲最大的储气盆地。该区带的Muskwa页岩分布于卡尔加里东北部的合恩河盆地，面积为5.67108 m2，预计含气资源量为1.981012m，是约翰逊县Barnett页岩的2.5倍。Muskwa页岩和Barnett页岩的埋藏深度相当，但厚度更大，渗透率更好，地质构造更简单且不含水。(3) 中国中国页岩气具有良好的勘探前景，中国对页岩气的勘探研究也在逐步展开。在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等盆地均有页岩气成藏的地质条件。图2-3为中国页岩气产量预测图。1为常规天然气；2为煤层气、致密砂岩气、生物气、无机气；3为页岩气、水溶气；4为天然气水合物；5为天然气总量图2-3 中国页岩气产量预测表（范柏江，2007）2.2 页岩气勘探技术(1) 页岩气地质理论页岩气藏因为页岩基质孔隙度很低，最高仅为4%-5%，渗透率小于1103m2，因此，主要由裂缝提供其储气空间。页岩在地层组成上多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。在页岩中，天然气的赋存状态多种多样，除极少量溶解状态的天然气以外，大部分均以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面，或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中。吸附状态天然气的赋存与有机质含量密切相关，其中吸附状态天然气的含量变化于20%85%之间。页岩气介于煤层吸附气（吸附气含量在85%以上）和常规圈闭气（吸附气含量通常忽略为零）之间。页岩气成藏有着非常复杂的多机理递变特点，体现为成藏过程中的无运移或极短距离的有限运移。因此，页岩气藏具有典型煤层气、典型根缘气和典型常规圈闭气成藏的多重机理。 页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果。页岩气藏是“自生自储”式气藏，运移距离极短，其现今保存状态基本上可以反映烃类运移的状况，即天然气主要以游离相、吸附相和溶解相存在。在生物化学生气阶段，天然气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面，饱和后则富余的天然气以游离相或溶解相进行运移。当达到热裂解生气阶段，由于压力升高，若页岩内部产生裂缝，则天然气以游离相为主向其中运移聚集，受周围致密页岩烃源岩层遮挡、圈闭，易形成工业性页岩气藏。由于扩散对气态烃的运移能起到相当大的作用，天然气继续大量生成，会因生烃膨胀作用而使富余的天然气向外扩散运移，故此时不论是页岩地层本身还是薄互层分布的砂岩储层，均表现为普遍的饱含气性。表2-2 页岩气成藏模式（葛岩，2007）国家页岩地区 TOC（%）吸附气（%）天然气类型美国Barnett组密西西比系1124060热解气美国Ohio组泥盆系14.550热解气美国Antrim组泥盆系1207075热解气美国Albany组泥盆系1254060热解气美国Lewis组白垩系12.56085热解气生物气加拿大White组白垩系111.9热解气中国龙马溪组志留系0.54热解气干气图2-4页岩气成藏的有利区域图（李玉喜，2007）在陆相盆地中，湖沼相和三角洲相沉积产物一般是页岩气成藏的最好条件，但通常位于或接近于盆地的沉降沉积中心处，导致页岩气的分布有利区主要集中于盆地中心处。从天然气的生成角度分析，生物气的产生需要厌氧环境，而热成因气的产生也需要较高的温度条件，因此靠近盆地中心方向是页岩气成藏的有利区域（图2-4、表2-2）。(2) 页岩气勘探方法页岩气勘探方法有地质、地球物理、地球化学勘探、钻井等方法，采用多学科综合勘探是页岩气勘探发展方向。(3) 页岩气开发技术由于页岩气藏的自身特性，页岩气只有在某些特定条件下才能被开采出来。美国地质调查局（USGS）认为，页岩气产自连续的气藏。USGS列举了16个特征，所有这些特征都可能在连续气藏中出现。与含气页岩有关的独特特征包括区域性分布、缺少明显的盖层和圈闭、无清晰的气水界面、天然裂缝发育、最终采收率低于常规气藏，以及极低的基岩渗透率等。此外，其经济产量在很大程度上还依赖于完井技术。页岩气是充填于页岩裂隙、微细孔隙及层面内的天然气，其储层的渗透率低、气流的阻力比传统天然气大得多，从而难以开采。开采页岩气层需要采取某种增产措施和特殊的钻井与完井方法，目前多采用水平井或斜井开采，斜井钻进是开发透镜状气藏可选择的最佳方法，而水平井将成为开发边缘海相和海相席状砂岩的最佳方法。图2-5 水平井开发页岩气层图（江怀友等，2008）岩石内必须具备足够的通道以使天然气流入井筒。在页岩中，气源岩中裂缝引起的渗透性在一定程度上可以补偿基质的低渗透率。因此，将页岩作为开采目标的作业者应事先考虑系统渗透率，即包含页岩基质和天然裂缝的综合渗透率。为了更好地利用储层中的天然裂缝，并且使井筒穿越更多储层，越来越多的作业者都在应用水平钻井技术（图2-5）。该技术在石油工业中并不是一项新技术，但它对提高页岩气开发成功率却有着重大的意义。从水平井中获得的最终采收率是直井的3倍，而费用只相当于直井的2倍。采用三维地震解释技术设计水平井轨迹（图2-6）。由于采用了该技术，作业者将页岩钻井扩展到那些原来被一直误认为没有产能、含水且位于页岩下方的喀斯特白云岩区域。一般情况下，作业者通过沿垂直于最大水平应力方向钻井的方法来增加井筒与裂缝连接的可能性，从而打开更多的页岩表面进行开采。但是，常规的定向钻井技术可能受到扭矩和阻力的影响，而扭矩和阻力通常是井筒造斜过程中由滑动和旋转所造成的。在更复杂的井眼轨迹中，扭矩和阻力可能限制横向位移，加大测井难度。为了避免上述问题的发生，在开采较直且曲折度不大的井时，可采用旋转导向系统。在某些情况下，从水平段底部到顶部的倾角变化低于0.5。随钻成像测井系统已被应用于解决水平井测井存在的一些问题。应用该系统可以在整个井筒长度范围内进行电阻率成像和井筒地层倾角分析。成像测井提供构造信息、地层信息和力学特性信息，用于优化完井作业。成像能够将地层天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较,帮助作业者确定射孔和油井增产的最佳目标。图2-6 应用三维地震解释技术设计水平井轨迹图（江怀友等，2008） 利用测井得到的成像资料来识别地震资料无法识别的断层以及与之相关的从下伏喀斯特白云岩中产水的天然裂缝群。在进行加密钻井时，井眼成像有助于识别邻井中的水力裂缝，从而帮助作业者将注意力集中在储层中原先未被压裂部分的增产措施上。井中是否存在钻井诱发裂缝以及裂缝的方向如何，对确定整个水平井的应力变化及力学特性非常有用，而且在减轻页岩完井难度及降低相关费用方面也起到一定作用（图2-7）。图2-7 应用随钻测井系统优化完井设计图（江怀友等，2008）图2-8 页岩气储层裂缝模拟图（江怀友等，2008）裂缝的发育程度是页岩气运移聚集、经济开采的主要控制因素之一，图2-8为页岩气储层裂缝模型。仅有少数天然裂缝十分发育的页岩气井可直接投入生产，其余90%以上的页岩气井需要采取压裂等增产措施沟通其天然裂缝，提高井筒附近储层导流能力。Fort Worth盆地Barnett组页岩埋藏较深，地层压力较高，其开发历程印证了钻采技术的不断更新：N2压裂、泡沫压裂、凝胶压裂、清水压裂、水平井钻探技术。页岩储层改造技术要求针对页岩储层特点优选压裂层位和施工工艺，才能取得比较好的开发效果和经济效益。对于埋藏较浅、地层压力较低的储层通常采用N2泡沫压裂。清水压裂的压裂液中一般已加入适量抑制剂，但仍要求储层中膨胀性蒙脱石含量不能很高，原因是其水敏性强，遇水易膨胀、分散和运移，导致岩石渗透率下降，所以利用X衍射和SEM测试结果分析黏土矿物的类型和含量十分必要。2.3 存在问题目前有关页岩气的研究，绝大多数集中在页岩气的地质理论上，包括成藏、储层特征等方面。有关页岩气开发的钻井技术论述较多，也相对成熟一些，主要是将致密储层水平井钻井技术应用于页岩气储层。在测井技术和储层改造技术方面也有大体上的论述，但不够深入，没有形成系统的开发技术体系。在页岩气资源评价方面，重点从地质角度考虑了页岩气的储量规模，而对准确的页岩气储量计算，只局限于常规气藏的类比法、容积法以及动态法，对页岩气的特殊地质特征没有充分考虑。另外，有关页岩气的渗流机理方面研究较少。(1) 储量的准确计算存在困难页岩气基本属于自生自储型气藏。因此，页岩气藏有不同于常规气藏的特殊性。页岩气藏有独特的天然气存储特征。在形式上游离气和吸附气并存。由于页岩一般含有较高的有机质和粘土矿物，同时，其孔隙结构使其具有较大的比表面积，有利于在基质孔隙表面吸附大量的天然气，因此，除游离气外，吸附气也成为页岩气藏重要的天然气存在形式。在存储空间上基质孔隙和次生裂缝并存。因此，页岩气藏中的天然气由3部分组成：裂缝中的游离气、基质孔隙中的游离气和吸附气。由此可见，要想准确地计算页岩气的储量，必须解决好几个问题：一是页岩基质孔隙度的准确计算；二是裂缝系统的准确评价；三是页岩基质吸附量的准确评价；四是含气饱和度的准确计算。(2) 渗流机理复杂多样页岩气藏有特殊的产气机制。与常规低渗气藏不同，天然气在页岩中的流动主要有4种机理，这4种机理覆盖了从分子尺度到宏观尺度的流动。主要表现为游离气渗流、解吸附、扩散和自吸。由于气体滑脱效应的存在，游离气在有机质和无机质基岩中的流动属非达西渗流，但在天然或水力裂缝中的流动为达西渗流。有机质上的吸附气对渗透率有不利的影响，这是由于有机质的天然气吸附层对天然气分子的引力增大所致，但是，如果有机质不属于多孔介质，仅作为连接基质孔隙或为裂缝之用，那么，在生产时，远离孔隙和裂缝的吸附气只能沿有机质表面易扩散的方式进行运移。如果有机质属于多孔介质，部分吸附气能够直接释放进入有机质孔隙，并且，这样会使扩散的重要性被减弱。自吸作用是当压裂水在致密气藏流动时发生的一种现象，在页岩储层压裂时，由于自吸作用和重力分异作用，导致压裂水的返排率不足50%。因此，气水两相在裂缝中共同流动时，往往气在裂缝的上部流动，此时，在裂缝的下部留有大量的水。在钻井液和增产措施作业水的冷却作用下，储层接触面附近会聚集更多的束缚水，因而也会恶化自吸现象的影响。2.4 页岩气开发技术研究方向及发展趋势伴随页岩气开发技术的逐步成熟，我国页岩气勘探开发的进程也会不断加快。为了适应勘探开发的形势，基于页岩气开发技术方面的进展以及前人所做的工作，认为可从以下几个方面进行重点研究和攻关：(1) 页岩气资源量(储量)评价。该研究方向涉及页岩气基质孔隙度、裂缝系统、页岩气吸附规律以及含气饱和度的评价方法。(2) 页岩气渗流机理研究。对于渗流机理，要设计出适用于页岩气的多种渗流方式下的试验装置及测试方法，通过试验，建立页岩气渗流规律。(3) 水平井及水平井压裂裂缝优化技术。着重研究水平井参数及水平井压裂裂缝参数在不同页岩储层特征下对页岩气井产能的影响。(4) 页岩气储集层的储层保护技术。由于页岩储集层孔隙度、渗透率很小，钻井和储层改造过程中储层保护极其重要，包括钻井液体系选择、压裂过程中工作液的选取等。(5) 适应页岩气储层特征的数值模拟器的开发和应用。第3章 页岩气藏特征分析第3章 页岩气藏特征分析3.1 页岩气成藏机理及地质分布规律3.1.1 页岩气成藏机理页岩在地层组成上，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。在页岩中，天然气的赋存状态多种多样。除极少量的溶解状态天然气以外，大部分均以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面，或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中。吸附状天然气的赋存与有机质含量密切有关，它与游离状天然气含量之间呈彼此消长关系，其中吸附状态天然气的含量变化于20%85%之间。因此从赋存状态观察，页岩气介于煤层吸附气(吸附气含量在85%以上)和常规圈闭气(吸附气含量通常忽略为零)之间。页岩气成藏体现出了非常复杂的多机理递变特点，除天然气在孔隙水、干酪根有机质以及液态烃类中的溶解作用机理以外，天然气从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚，再到生烃高峰时期的置换式运聚，体现出了页岩气自身所构成的完整性天然气成藏机理序列。上述一系列作用过程的发生使页岩中的天然气赋存相态本身也构成了从典型吸附到常规游离之间的序列过渡，因而页岩气成藏机理研究具有自身的独特意义，它至少将煤层气(典型吸附气成藏原理)、根缘气(活塞式气水排驱原理)和常规气(典型的置换式运聚机理)的运移、聚集和成藏过程联结在一起。由于页岩气在主体上表现为吸附状态与游离状态天然气之间的递变过渡，体现为成藏过程中的无运移或极短距离的有限运移，因此页岩气藏具有典型煤层气、典型根缘气和典型常规圈闭气成藏的多重机理意义，在表现特征上具有典型的过渡意义。第一阶段是天然气在页岩中的生成、吸附与溶解逃离(图3-1)，具有与煤层气成藏大致相同的机理过程。在天然气的最初生成阶段，主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要，当吸附气量与溶解的逃逸气量达到饱和时，富裕的天然气则以游离相或溶解相进行运移逃散，条件适宜时可为水溶气藏的形成提供丰富气源。此时所形成的页岩气藏分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式，总体含气量有限。在热裂解气大量生成过程中，由于天然气的生成作用主要来自于热化学能的转化，它将较高密度的有机母质转换成较低密度的天然气。在相对密闭的系统中，物质密度的变小导致了体积的膨胀和压力的提高，天然气的大量生成作用使原有的地层压力得到不断提高，从而产生原始的高异常地层压力，即“高压锅”原理。由于压力的升高作用，页岩内部沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生裂缝，天然气聚集其中则易于形成以游离相为主的工业性页岩气藏，此时页岩气藏的形成在主体上表现为由生气膨胀力所促动的成藏过程，天然气原地或就近分布，构成了挤压造隙式的运聚成藏特征(图3-1)。在该阶段，游离相的天然气以裂隙聚集为主，页岩地层的平均含气量丰度达到较高水平。 图3-1 天然气成藏的三个阶段（张利萍等，2008）随着更多天然气源源不断地生成，越来越多的游离相天然气无法全部保留于页岩内部，从而产生以生烃膨胀作用为基本动力的天然气“逃逸”作用。在通常情况下，与页岩间互出现的储层主要为粉-细砂岩类，具有低孔低渗特点，它限定了天然气的运移方式为活塞式排水特点，这种气水排驱方式从页岩开始，从而在页岩边缘以活塞式推进方式产生根缘气聚集。此时的天然气聚集已经超越了页岩本身，表现为无边、底水和浮力作用发生的地层含气特点。因此从整套页岩层系考察，不论是页岩地层本身还是薄互层分布的砂岩储层，均表现为普遍的饱含气性(图3-1) 。若地层中的砂岩含量逐渐增多并逐步转变为以致密砂岩为主，则页岩气藏逐渐改变为根缘气藏(图3-1) 。如果生气量继续增加，则天然气分布范围进一步扩大，直到遇常规储层或输导通道后，天然气受浮力作用而进行置换式运移，从而导致常规圈闭气藏的大范围出现(图3-1)。3.1.2 页岩气成藏主控地质因素及分布规律与根缘气藏的地层普遍含气性机理不同，页岩气藏普遍含气性的内涵较广，在岩性上包括了泥页岩、致密的砂岩或砂质细粒岩，在赋存状态上包容了吸附、游离与溶解，在成藏机理上则包含了吸附与扩散、溶解与析出、活塞与置换等运聚过程。在通常情况下，泥页岩与致密砂岩(泥质粉砂岩与粉砂质泥岩等)之间的互层分布为这种多相态、多机理的地层普遍含气性提供了有利条件。(1) 页岩岩性多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩和高碳泥页岩类，岩石组成一般为30%50%的粘土矿物、15%25%的粉砂质(石英颗粒) 和4%30%的有机质。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“肥沃”的黑色泥页岩通常是页岩气成藏的最好岩性，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。在页岩气藏中，地层有机碳含量相对较高，一般大于2%，可以达到普通源岩有机碳含量的1020倍。天然气的生成可来源于生物作用、热成熟作用或两者的结合，因此镜质体反射率一般在0.4%以上。在陆相盆地中，湖沼相和三角洲相沉积产物一般是页岩气成藏的最好条件，但通常位于或接近于盆地的沉降沉积中心处，导致页岩气的分布有利区主要集中于盆地中心处。从天然气的生成角度分析，生物气的产生需要厌氧环境，而热成因气的产生也需要较高的温度条件，因此靠近盆地中心方向是页岩气成藏的有利区域。(2) 页岩本身既是气源岩又是储集层，其总孔隙度一般小于10%，而含气的有效孔隙度一般不及总孔隙度的一半，渗透率则随裂缝的发育程度不同而有较大变化。页岩气虽然为地层普遍含气性特点，但目前具有工业勘探价值的页岩气藏或甜点主要依赖于页岩地层中具有一定规模的裂缝系统。根据有关资料分析，页岩的含气量变化幅度较大，从0.4m/t到10m/t，在美国的大约30，000口钻井中，钻遇具有自然工业产能的裂缝性甜点的井数只有大约10%，表明裂缝系统是提高页岩气钻井工业产能的重要影响因素。除了页岩地层中的自生裂缝系统以外，构造裂缝系统的规模性发育为页岩含气丰度的提高提供了条件保证。因此，构造转折带、地应力相对集中带以及褶皱断裂发育带通常是页岩气富集的重要场所。(3) 由于赋存状态的特殊性以及开采效率的局限性，较大的埋藏深度往往需要更高的成本投入，对页岩气藏的工业性勘探和开发来说，首先考虑较浅的埋藏深度尤为必要。从美国的有关资料考察，目前投入开发生产的页岩气埋深介于1802600m(6008500ft)之间。同时，页岩气的大规模发育也需要相当的储集空间，即页岩发育还需要一定的地层厚度，一般在30m以上。(4) 根据成藏机理分析，页岩气原生的地层压力为高异常特征。但从美国已发现页岩气的统计规律来看，页岩气藏既有高异常地层压力，也有低异常地层压力。通常认为，产生理论分析与统计结果不相符合的主要原因在于构造的抬升或沉降运动，由于页岩气储层为致密的地层所构成，其间的孔隙地层水无法进行有效的流动，因此地层压力的封闭性相对较强。当已经成藏的页岩气发生相对的构造抬升或沉降运动时，原始的页岩气藏地层压力得到了一定程度的滞留，从而产生了更高或相对降低的异常地层压力。根据这一特点，页岩气藏的发育通常与高异常地层压力保持一致，除非在页岩气成藏后发生了较大幅度的构造沉降运动。但在使用这一原理进行异常地层压力分析时，需要确准良好的封闭性条件，否则可能产生恰好相反的分析结果，统计资料表明，页岩气藏的地层压力系数可有较大幅度变化。除此之外，水平方向的构造挤压作用亦对页岩气藏地层压力的发育产生重要影响，这种作用可以通过势场分析方法予以考虑，通常情况下，页岩气藏存在于流体的高势能区。根据成藏机理分析，页岩气的成藏及分布具有广泛的地质意义，不论是在新沉积的年轻盆地还是在经过多次构造影响和改造的古老盆地中，页岩气的赋存都从天然气的生成开始，但是否能够成藏或达到工业勘探研究意义则随地质和地理条件的不同而有所变化。页岩气具有广泛的饱含气性，资源量潜力大并具有良好的勘探开发前景。吸附作用是天然气生成之后的第一个聚集过程，因此页岩内部的储集空间具有近水楼台先得月之优势，是天然气聚集的最优先场所，只有当页岩内部的储集空间达到饱含气之后，多余的天然气才能向外继续运移。页岩内部普遍的饱含气状态使其成为资源量大的天然气藏类型之一。页岩气成藏不需要常规圈闭的存在，页岩内部具有工业价值天然气的聚集具有隐蔽性特点。与常规气相比，页岩随普遍含气但单井产量变化较大，一般只有钻遇裂缝的页岩气井才具有较大的工业开发价值。从天然气聚集的有利性和开采的经济性分析，页岩气位居五大类已开发气藏中的第三位(图3-2)。页岩气的采收率变化较大(5%60%)，钻井的产气量相对较低，但生产周期较长，在天然气产出的同时伴随有地层水的排出。美国页岩气井的单井总平均产气量约为1000m/d，但页岩气产区的单井产率一般介于280033000m/d之间。通常情况下，盆地的构造较深部位是页岩和页岩气藏发育的有利区，页岩气成藏和分布的最大范围与有效气源岩面积相当。图3-2 不同类型天然气藏的生产曲线示意图(张丽萍，2008)3.2 页岩气藏特征分析由于我国对页岩气藏的研究还比较少，下面仅根据四川盆地调研情况，参考国内已发现页岩气藏、北美海相页岩储层，讨论页岩气藏的烃源岩、改造和运移特征。四川盆地自震旦纪以来整个沉积盖层经历了多次构造运动。盆地沉积演化共经历了震旦纪碳酸盐岩台地初始沉积阶段，中期的寒武纪-志留纪碳酸盐岩台地与浅海陆棚混合沉积阶段，中晚期的石炭纪-中三叠世碳酸盐岩台地沉积阶段，晚期的晚三叠世至白垩纪陆相盆地发育阶段，及末期古近纪-第四纪褶皱隆升改造阶段。这决定了四川盆地主要发育了四套优质烃源岩层系，分别为下寒武统牛蹄塘组页岩、下志留统龙马溪组页岩、上二叠统龙潭组沼泽泥岩和上三叠统须家河组泥页岩。3.2.1 四川盆地页岩烃源岩特征表3-1 四川盆地烃源岩页岩气成藏参数的对比（刘树根等，2010）岩相及岩性简述暗色泥质岩厚度/m有机质丰度(TOC）有机质成熟度备注下寒武统牛蹄塘组闭塞盆地或海湾相黑色碳质泥页岩1004000.2%9.98%之间2.5%4.6%干酪根类型好，分布广泛，但绝大部分不利于页岩气成藏下至留统龙马溪组闭塞盆地或海湾相黑色碳质泥页岩100900，平均203有机碳含量在0.4%1.6%2.4%4%上二叠统龙潭组滨海沼泽相，砂岩及页岩0.251250.5%13%，平均3%左右1.5%3.5%潮坪含煤砂岩相，有利于页岩气成藏(1) 海相烃源岩特征厚度大、生烃强度高、有机质类型好。下寒武统牛蹄塘组(川西南称筇竹寺组)、上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组以富有机质的黑色碳质页岩为主要特征。两套烃源岩的生烃中心在盆地内部具有一定继承性，主要分布在川东(北)及川南地区。下寒武统烃源岩厚度为100400m(表3-1)；生烃强度一般在(515)109m/km2，平均为7.6109m/km2，在古隆起周边均为高值区。下志留统烃源岩厚度一般在100900m(平均203m，表3-1)，生烃强度达25109m/km2，其中龙马溪组底部黑色页岩厚度变化于20120m之间(平均生烃强度4.45109m/km2)。两者有机质类型相同，为-1型(腐泥组分的质量分数80%)，是优质的油型干酪根。有机质丰度大、成熟度高、埋藏深、基质致密。下寒武统有机碳的质量分数在0.2%9.98%之间(平均为0.97%，表3-1)，其中川南地区有机碳的质量分数较高(2%)，多已进入高成熟-过成熟阶段，Ro在2.5%4.6%，高者达6%，上奥陶统有机碳的质量分数在0.11%1.7%，平均为0.56%。下志留统烃源岩有机碳的质量分数在0.4%1.6%(龙马溪组底部有机碳质量分数2%)，在川南、川东和川东北地区普遍1%；Ro值在2.4%4%，一般为2.4%3.6%，处于高成熟晚期-过成熟期。由于盆地内部绝大多数出露侏罗系-白垩系，导致寒武系页岩顶面埋深一般在45km，川东地区一般大于56km。志留系页岩埋深一般小于3km，川南地区埋深一般在1.64.2km。下古生界烃源岩基质物性致密，孔隙度在0.5%1%，微裂隙不发育。综上，虽然寒武系与奥陶-志留系烃源岩品质优、厚度大、分布广、生烃能力强，但由于其演化成熟度高、埋深大、基质致密(美国产气页岩基质孔隙度值在3%14%)，盆地内绝大多数地区不利于页岩气成藏。因此，在盆地边缘有机质成熟度相对较低，而且埋深相对较浅，应有利于页岩气成藏。图3-3 四川盆地烃源岩成熟度RO与有机碳质量分数(TOC)等值线图（王兰生等，2009）(2) 海陆过渡相烃源岩特征四川盆地主要发育上二叠统龙潭组、上三叠统须家河组两套海陆过渡相烃源岩。烃源岩表现出厚度大(达1.5km)、生烃能力强(1.01091.2109m/km2)、有机质丰度高、广覆式分布的特。其与海相烃源岩最大差异为海陆过渡相有机质类型为型干酪根，有机质成熟度相对较低，达成熟-高成熟阶段，有利于页岩气成藏。上二叠统烃源岩：上二叠统龙潭组为一套滨海潮坪沼泽相页岩含煤建造，暗色泥质岩厚度0.25140m(多数小于100m，)，主要有资阳、宜宾和万县三个沉积中心。干酪根主要为型，部分为2型，Ro值在1.5%3.5%，达高成熟-过成熟期，但在川东南地区相对较低，在2%左右。生气强度以盆地东部通江、阆中至石柱一线以东最高(1.01097.5109m/km2)，次为都江堰、成都、资阳、南充与绵阳之间(2.01095.5109m/km2)，其余地区均较差。因此，烃源岩地球化学特征揭示在川东南和川东地区有利于页岩气藏发育。上三叠统烃源岩：四川盆地上三叠统须家河组主要为一套滨海潮坪-河流湖泊相泥岩煤系地层。须一段、须三段、须五段暗色泥页岩层和所夹煤层是主要的烃源岩，干酪根主要为型，具有厚度大、广覆式分布的特点，并由盆地西部向东南部减薄。暗色泥质烃源岩厚度为101500%凹陷烃源岩最厚，达1.5%机质丰度主要在0.25%6.50%，最高可达10%；有机质生烃强度达12109m/km2。有机质成熟度RO在0.7%2.3%，处于成熟-高成熟早期；但在川西南-川南地区RO值相对较低，仅在1%左右。因此，川西虽然烃源条件优越，但深埋大；而埋深相对较浅的川西南川南地区更有利于页岩气成藏。3.2.2 页岩气藏运移特征(1) 早期地质条件优越，生物气高效成藏由于四川盆地下寒武统和下志留统烃源岩均为-1干酪根，在早期低演化阶段，主要生成液态石油。因此，在天然气最初生成阶段，主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要；当吸附气量与溶解的逃逸气量达到饱和时，富裕的天然气则以游离相或溶解相进行运移逃散。在RO达到0.5%时，有机质开始生成石油，主要以吸附态及游离态就近赋存在烃源岩内部；但当烃源岩吸附量达到饱和时，烃源岩便开始向邻近的高效储集层排烃(如四川盆地寒武系向震旦系排烃，川东志留系向石炭系排烃，川东北上二叠统向长兴组、飞仙关组排烃)，在储集层内部形成小型古油藏。若烃源岩周缘无高效输导体系存在，石油在烃源岩内部过度聚积会抑制生烃过程或产生微裂隙增加有效储集空间。结合国外页岩气盆地勘探实例，发现一个盆地如果油气地质条件优越，无论是常规气藏，还是非常规气藏(页岩气藏等)，早期均会高效成藏；特别是页岩上下无高效、优质输导体系时，大规模页岩气成藏机率大增。(2) 中期深埋地腹，原油裂解气快速成藏随着上覆地层沉积，烃源岩持续深埋，有机质进一步成熟，当RO值约为0.7%，有机质开始大量生油。此阶段若有构造活动，遭受抬升则经历生烃停滞期(如四川盆地寒武系)。随后，由于上覆地层的沉积，继续深埋，生油持续。RO值达到1.3%，生油基本结束，开始进入湿气生成阶段。伴随着热成熟度进一步增加，当RO值至2.0%，该阶段为干酪根生成干气阶段。当RO值达到2.5%，温度达到150时，古油藏中原油大量裂解，生成天然气。其中，烃源岩中的干酪根和原油裂