页岩气基础知识.doc

一、页岩气的定义 页岩气指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中（亦可存在于泥页岩层系中的粉、细砂岩,粉砂质泥岩或砂岩夹层中）,以吸附或游离状态为主要存在方式（也包括溶解气）的连续式富集（连续型油气藏是指低孔低渗储集体系中油气运聚条件相似、含流体饱和度不均的非圈闭油气藏,具有巨大的储集空间和模糊的油气藏边界,其存在几乎不依赖于水柱压力,主要指非常规气藏,包括致密砂岩气、页岩、深盆气、煤层气、浅层微生物气、天然气水合物6种主要类型/为不间断充注、连续聚集/连续分布成藏）的天然气聚集。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。Curtis认为页岩气系统基本上是生物成因、热成因或者生物热成因的连续型天然气聚集,页岩气可以是储存在天然裂隙和粒间孔隙内的游离气,也可以是干酪根和页岩颗粒表面的吸附气或是干酪根和沥青中的溶解气。张金川等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,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。二、页岩气的类型1、按气源成因分类：是最常采用的分类方式。北美地区目前发现的页岩气藏存在3种气源,即生物成因、热成因以及两者的混合成因，其中以热成因为主,生物成因及混合成因仅存在于美国东部的个别盆地中。盆地斜坡/中心,倾油有机质经历充分热降解或热裂解,热成因页岩气较发育;有机质成熟度较低、水动力条件优越的盆地边缘,生物成因气发育。热成因型页岩气又可分为3个亚类:高热成熟度型,如美国Fort Worth盆地的Barnett页岩气藏;低热成熟度型,如Illinois盆地的New Albany页岩气藏;混合岩性型,即大套页岩与砂岩和粉砂岩夹层共同储气,如East Texas盆地的Bossier页岩气藏。热成因气的形成有干酪根成气、原油裂解成气和沥青裂解成气3种途径: 原油及沥青二次裂解生成的天然气量大小主要取决于烃源岩中有机质丰度、类型以及液态烃残留量，和储层的吸附作用。其中由烃源岩有机质热演化直接成气及原油裂解成气是页岩气藏中天然气的主要来源。生物成因型页岩气藏又分两类:早成型,气藏的平面形态为毯状,从页岩沉积形成初期就开始生气,页岩气与伴生地层水的绝对年龄较大,可达66 Ma,如美国Williston盆地上白垩统Carlile页岩气藏;晚成型,气藏的平面形态为环状,页岩沉积形成与开始生气间隔时间很长,主要表现为后期构造抬升埋藏变浅后开始生气,页岩气与伴生地层水的绝对年龄接近现今,如美国Michigan盆地的Antrim页岩气藏。2、按有机质成熟度分类： 可分为高成熟度页岩气藏、低成熟度页岩气藏以及高低成熟度混合页岩气藏。与气源分类相对应，低成熟度的页岩气藏的成因主要是生物成因，为埋藏后抬升经历淡水淋滤而形成的第2次生气，处在生物气生成阶段，为低成熟度的页岩气藏，如Antrim页岩气藏为低成熟度的页岩气藏（Ro0.4%0.6%）；由New Albany页岩气藏甲烷气体的13C分析，发现来自盆地南部深层的天然气都是热成因，而来自盆地北部相对浅层的天然气为热成因和生物成因的混合，为高、低成熟度混合的页岩气藏（Ro0.6%1.3%）；福特沃斯盆地Barnett页岩气藏为热成因型，主要为热解干气，为高成熟度页岩气藏（Ro1.1%1.4%）。此种分类并没有明确的Ro界限划分。3、按有机质类型分类：根据惠宽洋对鄂尔多斯盆地的天然气研究,划分为2类成因来源、6种类型：腐殖型成因来源的生物气、改造型煤成气和原生型煤成气；腐泥型(含混合型)成因来源的改造型热解气、原生型热解气和原生型裂解气。4、按埋藏深度分类 此种分类划分标准较多，如根据美国页岩气开采情况分为四类：深度段小于1000m, New Albany页岩气藏和Antrim页岩气藏大约有9000口井,深度范围是200610m;深度段为1 0001 600m, Ohio页岩气藏和圣胡安盆地Lewis页岩气藏大约有20000口井,分布深度为9151 524m;深度段为16002600m, Barnett页岩气藏和阿科马盆地Fayetteville(Arkansas)和Caney(Oklahoma)页岩气藏分布较深,为19812591m;深度段为26003600m,如帕落杜罗盆地Bend页岩气藏中气井的深度在25152896m之间,阿科马盆地Woodford页岩气藏气井深度分布范围是17293657m,黑勇士盆地Floyd页岩气藏气井的深度为15243658m。或以某一深度为界（1000m或2000m不等）划分为浅层、深层页岩气藏两种类型：浅层（埋深2000m），吸附气主导，Toc是关键因素（每1%TOC气量约为7scf/t）,成熟度不重要，典型如Antrim页岩，埋藏浅，页岩气为生物成因，埋深和压力条件（3000-2000ft），游离气和溶解气量很少，GIP主要由有机质吸附气贡献，所以类似于微生物成因的浅层煤层气，Antrim页岩气量与TOC正相关。深层（埋深2000m），游离气主导，孔隙度是关键因素（每1%孔隙度单位，气量20scf/t）,TOC相对次要，高成熟度十分重要（油要裂解生气），更高的压力和孔隙度是关键。目前在美国开发的页岩气盆地主要是第二类页岩气。实际地质条件下大多数是上述两种类型的过渡。5、 按压力特征分类：页岩气藏可分为异常高压和异常低压两类。由于页岩气藏作为一个完全封闭的体系而存在,导致页岩气藏大多具有异常压力。热成因气是在足够的埋深下，在温度和压力的共同作用下生成，具有热成因气的页岩气藏通常都是经历过足够的埋藏作用，压实作用，上覆地层压力的作用，流体热增压及有机质向烃类转化过程中由于体积的膨大等引起了高异常地层压力，如Barnett页岩；而生物成因气埋藏深度比较浅，易形成异常低压，如Antrim页岩。6、按盆地类型分类：页岩气藏可分为前陆盆地和克拉通盆地两种类型。分布于前陆盆地的页岩气藏发育2套或多套页岩层，埋藏较深，压力和成熟度较高，天然气为热成因，具有高气体饱和度、低吸附气含量(圣胡安盆地除外)、低孔渗、平缓的等温吸附线和较高的开采成本等特点，足够高的页岩成熟度是页岩气藏发育的关键，由于前陆盆地构造运动比较强，裂缝比较发育，所以应寻找高气体含量、易扩散及能进行压裂的页岩气区；而位于克拉通盆地的页岩气藏则埋藏较浅，压力和成熟度较低，天然气为生物成因或混合成因，具有低气体饱和度、高吸附气含量、高孔渗、陡峭的等温吸附线、较低的开采成本等特点，裂缝的发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素。克拉通盆地的构造形态为四周高、中间低，这种形态决定了淡水由盆地边缘向中心注入，成为克拉通盆地一种典型的页岩气藏模式。7、按沉积环境条件和特点分类：含气页岩可分为海相和陆相，海陆过渡相3种类型: 海相黑色页岩主要形成于沉积速率较快、地质条件较为封闭、有机质供给丰富的台地或陆棚环境中。陆相暗色泥页岩主要形成于湖泊沉积环境中,主要表现为与海相页岩相似的水进体系域沉积背景。虽然平面分布受限于分隔性较强的陆相环境,但泥页岩累计厚度大(502 000 m)、总有机碳含量高(局部平均值大于4%),总有机质成熟度变化大,是我国有待发现页岩气的又一重要领域。海陆过渡相泥页岩主要分布在前三角洲。海陆过渡相页岩多为砂质页岩和炭质页岩。此外，也可分别把陆相和海相归结为直接型(干酪根直接生成天然气)和间接型(原油裂解气)两类页岩气。以上几种分类虽然划分角度不同，但以气源成因划分为核心，存在着紧密的因果关系，相辅相成。各个分类之间的内在联系可大致表述为：生物成因低成熟度腐殖型浅层低压克拉通盆地陆相；热成因高成熟度腐泥型深层高压前陆盆地海相。此外，也有可能存在非原地成藏的次生页岩气藏，如沿跨层深大断裂二次运移而形成的。刘树根等在连续型页岩气藏的基础上提出了介于常规油气藏圈闭与非常规气藏之间的过渡类型连续型-非连续型油气藏，针对四川地区为页岩气短距离运移形成的油气藏，它是气-水-干层共生的混相成藏系统。认为后期构造运动会进一步削减页岩成藏潜力，使连续型页岩气藏向非连续型或过渡型气藏转变。三、页岩气的赋存相态及其影响因素页岩中的天然气具有多种存在方式,主要包括了2种形式：游离态(大量存在于页岩孔隙和裂缝中)的压缩自由气和吸收非自由气，后者又包括了两种相态，即固体吸附态(大量存在于粘土矿物、有机质、干酪根颗粒及孔隙表面上)和液体溶解态（溶解于液态烃，干酪根，沥青，孔隙水中）。其中对于吸附态与溶解态二者的分配比例尚未明确。但胡文瑄等指出,在CH4-CO2-H2O三元体系中,作为天然气主要成分的CH4,其溶解态含量仅占总含量的0.1%，游离态与吸附态是页岩气的主要赋存状态。气体在页岩层中以何种相态存在,主要取决于它们在流体体系中溶解度的大小。游离气含量受孔隙度和饱和度控制，其含量的高低与构造保存条件密切相关。泥页岩的生供气有效性、储集物性、连续气柱高度以及埋藏深度等均是影响游离相天然气聚集的基本因素。当页岩中较低孔隙度下饱和度较高就说明产出的气体主要是游离气和溶解气，特别是生产的最初阶段。游离气相中一般甲烷含量较高，这是由于在生油窗中，源岩中剩余油将与天然气竞争干酪根中的吸附空间位置，而较重的气体分子（C2-C5）将优先吸附在干酪根中或溶解在石油中（但所能吸附湿气的量并不大？）。吸附态天然气的赋存与游离态天然气含量之间呈彼此消长关系（总气量一定，连续生气？即使游离气散失殆尽,吸附气也可保存下来）,其中吸附状态天然气的含量变化于20%85%之间。影响吸附能力的影响因素包括：1、气源成因的影响：页岩气的组成影响其在页岩内的吸附行为。傅国旗，张淮浩等通过实验研究发现乙烷、丙烷等碳氢化合物对活性炭吸附存储甲烷能力有显著的影响,当混合气体中含有乙烷(4. 1% )和丙烷(2% )时,甲烷的吸附能力分别下降了25%和27%。由此可见,微生物降解成因气由于乙烷和丙烷等高碳链烷烃含量较少,岩石对其吸附能力较强,如Antrim生物降解成因气,其吸附态页岩气占气体总量的70% 75%。2、岩石物质组成的影响：有机碳含量：有机质作为吸附气的核心载体？,TOC值的高低会导致吸附气发生数量级变化。页岩的有机碳含量(TOC)越高,则页岩气的吸附能力就越大。Lu等和Hill等通过实验研究得出有机碳含量与甲烷吸附能力之间存在良好的正相关线性关系。一方面是由于TOC值高,页岩的生气潜力就大,则单位体积页岩的含气率就高;另一方面,由于干酪根中微孔隙发育,且表面具亲油性,对气态烃有较强的吸附能力, 同时烃类气体在无定形和无结构基质沥青质体中的溶解作用也对增加气体的吸附能力作出了贡献。 干酪根类型：不同干酪根类型的页岩中都可以生成天然气，干酪根的类型并不影响烃源岩层的产气数量，它只影响天然气吸附率和扩散率。通过对鄂尔多斯盆地延长组野外露头样品的实测数据分析,H/C原子比越大,吸附量越大;O/C原子比越大,吸附量越小。这充分说明有机质的类型对泥页岩吸附能力影响比较大,偏于生油型干酪根的吸附能力要强于偏生气型干酪根的吸附能力,即型有机质的吸附能力要强于型有机质的吸附能力。页岩有机质类型越好,甲烷的吸附量越大。热成熟度：干酪根的热成熟度影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气数量。此外，随着演化程度的增高，由于烃类气体生成引起的地层压力增大也可以提高页岩对气体的吸附性能。但是王社教等也注意到在四川盆地长芯1井志留系吸附能力较低，认为可能是由于其页岩已进入过成熟阶段（成熟度Ro达到了3.26%）。同样，美国5大页岩气盆地中Lewis页岩的成熟度最高,为1.6%1.88%,其页岩的吸附能力则最小。矿物成分：粘土矿物往往具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积,吸附性能较强。碳酸盐矿物和石英碎屑含量的增加,会减弱岩层对页岩气的吸附能力。而对于不同的黏土矿物，其天然气的吸附能力也有着明显的差别。在30温度条件下,干黏土CH4吸附实验结果表明:伊利石和蒙脱石吸附CH4能力明显高于高岭石。Schettler等认为页岩中的吸附态甲烷主要分布在伊利石表面,其次吸附于干酪根之中？。Lu等则认为在有机碳较低的页岩中,伊利石的吸附作用至关重要。由于粘土矿物表面的电化学特征的差异性较强,因此甲烷在粘土矿物表面的吸附作用异常复杂。矿物表面往往存在一层紧密排列的水膜,厚约0.3纳米 ,这层水膜对甲烷的吸附有着重要的影响。Titiloye等、Park等利用分子模拟方法,发现在更高的温度(300 K)和更低的压力(1. 01106Pa)条件下,甲烷水合物就可以在粘土矿物表面形成,表明粘土矿物的确对甲烷水合物形成具有“热力学促进效应”。Buffett等研究发现形成甲烷水合物的甲烷既可以是游离态的,也可以为溶解态。在粘土矿物表面,水合物中的甲烷被约1213个水分子氧和蒙脱石表面的六元环氧原子包围,此时,甲烷分子陷在粘土表面氧六元环中,形成sI型水合物结构。含水量的影响：在页岩层中,含水量越高,水占据的孔隙空间就越大,从而减少了游离态烃类气体的容留体积和矿物表面吸附气体的表面位置,因此含水量相对较高的样品,其气体吸附能力就较小。Ross等发现仅在含水量较大(4% )时,页岩对气体的吸附能力才有显著的降低,饱和水的样品的气体吸附量比干燥样品低40%。此外,页岩层中含水量的增加,可能会导致天然气相态的改变,因为当页岩层中孔隙水增加时,天然气溶解于孔隙水中的量就会增加,从而使一定数量的游离态和吸附态页岩气溶于水,呈溶解态存在。3、岩石结构的影响：孔隙结构和孔隙度：岩石孔隙的容积和孔径分布能显著影响页岩气的赋存形式。一般来说,按孔的平均宽度来分类,可分为大孔(50 nm)、介孔(250 nm)、微孔(1.1%后,页岩油开始裂解生气。在镜质体反射率大约为1%时(对于热成因的页岩气藏而言),气体的生成速度是没有商业价值的(还取决于深度等其他因素),因为这时仍处在生油窗,生成的天然气溶解在石油中,很少以气体的方式产出。所以高成熟度页岩气藏比低成熟度页岩气藏的气体流动速度要高。但是当Ro3%后,有机质进入过成熟期,生气量明显减少,而且有机质的大量减少也不利于吸附气的形成；对于生物成因型气藏,页岩Ro越高,TOC越低,越不利于生物气的形成。一般生物成因型页岩气藏主要分布在Ro0.8%的范围内。 3、 保存条件不同于其他类型气藏，由于页岩本身既是储层又是盖层，四周由致密岩层,主要为泥页岩包围，多位于盆地区域构造低部位且不间断供气，气体又以吸附状态为主,因此对盖层的要求比较宽松，较易保存。页岩中裂缝的发育情况可以成为判断页岩气能否保存的指标, 如果页岩裂缝过于发育,则气藏会被破坏,页岩气则经过二次运移到达砂岩层储集而成为常规天然气。一般在构造活动影响较小的情况下,已形成的页岩气藏都是比较容易保存下来的。其他控藏因素如页岩裂缝发育，储层物性，埋深厚度等条件对页岩气藏的影响以上已经说明，不再赘述。六、页岩气的成藏机理和成藏模式生产实践表明，气藏投入开发后,初期产量来自页岩的裂缝和基质孔隙,随着地层压力降低,页岩中的吸附气逐渐解吸,进入储集层基质中成为游离气。由此进行反向推理得出，生成的页岩气首先满足的是有机质和岩石表面吸附的需要（优先被干酪根吸附？生成即被吸附，未进入孔隙介质中？）,当吸附气量与溶解气量达到饱和时,富裕的天然气才以游离态进行运移和聚集（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）。因此页岩气成藏机理较为复杂，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。据此，张金川等认为页岩气的成藏至少分为三个阶段:第一阶段是天然气（生物成因为主？）的生成与吸附,具有与煤层气相同的富集成藏机理（典型吸附气成藏原理）;第二阶段则是以生烃膨胀作用为基本动力的天然气（热成因）的造隙和原地或就近富集（页岩内部储集游离气）；第三阶段，超越页岩本身的以生烃膨胀为动力的天然气运移与聚集，表现为根缘气成藏阶段或常规圈闭气成藏阶段(活塞式气水排驱原理或典型的置换式运聚机理)，受生气量和砂岩储层与泥页岩配置关系控制。此外，张金川还给出了页岩气中游离态天然气在复杂介质(地层流体不同连续性程度)条件下的动力平衡关系。认为天然气在强非均质性储集介质中的运移方式可能分别表现为活塞式、置换式或两者之间的任意过渡形式, 游离态天然气对地层水的排替方式和排替能力由回流能力（天然气向上运移时等量地层水向下的回流程度)来决定，给出了游离态页岩气的动力阻力平衡方程：其中H=h2-h1是连续气柱高度，h水柱高度是区域地层流体运动所产生的水头影响(伯格修正项)，e表示地层流体的连续性程度，是相对渗透率、生烃膨胀力以及时间等多因素的函数，介于0和1之间。当e=1时转换为典型的常规储层气成藏方程,即典型的霍伯逊-伯格方程，决定天然气以置换方式进行运移；当e=0时则转化为典型根缘气成藏方程，决定天然气以活塞式进行运移。天然气连续性成藏动力平衡方程的使用需要如下假设条件:天然气的运移为向上的单一过程,天然气聚集体内部物性均一;计算单元为平面上的单位面积,其中的天然气柱连续;气水势能等量交换,公式表达为成藏动力平衡状态。由此方程可知，页岩气主要随其生气能力而定,埋藏深度对其约束不大。这种成藏模式强调页岩的生气能力，是生烃膨胀力是主要的成藏动力。地层水回流程度除与密度差引起的游离态天然气的向上运移作用有关，主要还与介质孔径大小和结构有关。这一连续变化方程是在简化条件下推导和建立的,考虑的地质因素也相对较少,许多复杂问题未作进一步阐述。此外，成藏过程中温度和压力条件对气体状态变化的具体影响，吸附气和液态烃的存在导致润湿性的改变及对游离气运移的影响，不同阶段吸附气，溶解气，游离气相态之间的含量变化，各阶段不同天然气组成导致的赋存状态的变化等可能存在的过程和影响因素没有很好的解释和描述。刘成林则提出页岩气成藏可分为早期运聚成藏，中期原地聚集成藏和晚期裂缝调整成藏三个阶段。不同的是第一阶段中生物气是以游离相和溶解相的形式运移至构造高部位,保存于泥页岩原生孔隙中，（并非先吸附于有机质和粘土矿物？在浮力作用下运移至构造高点？成藏动力不同）；中期成藏气体除了热解气还有裂解气，形成异常压力下的原地聚集，但是不再受构造位置控制，这一阶段中以次生孔隙和少量原生孔隙和微裂缝中游离气的储集为特点，（并没有发生大规模的造隙？）；第三阶段成藏气体为干气，大量发育的裂缝成因为构造裂缝和成岩裂缝（并非高压破裂缝），裂缝破坏并沟通了原有的各个封闭体系，并使页岩气由构造低部位向高部位短距离运移成藏（浮力作用？此时的压力情况？）。成藏过程如下图。页岩气成藏的3个阶段表现出不同的成藏特征。其中,早期运聚成藏阶段主要储集生物气,页岩气储集空间主要为原生孔隙,含少量次生孔隙。储集体受压力控制较弱,其成藏条件主要受到有效排烃厚度及区域性高盐度水体的控制,页岩气存在短距离运移,构造高部位是页岩气的有利聚集区域。中期原地聚集成藏阶段主要储集热解气和裂解气,受控因素较多。其中,异常压力特别是异常低压的存在是控制页岩气分布范围的主要因素。此外,局部裂缝、断层、水动力及泥页岩孔隙度变化也是重要的影响因素,因此,在盆地中心、构造斜坡、构造高点都会导致页岩气聚集成藏。页岩所生成的天然气基本上是就近或原地聚集,其运移距离极短,具有典型的“自生自储”成藏特征。晚期裂缝调整成藏阶段主要储集干气,也可能是原油裂解生气。由于泥页岩表现为低孔、低渗透,异常压力及裂缝将共同主导页岩气的成藏。裂缝沟通不同的成藏体系,导致页岩气短距离向上运移,在构造斜坡及高部位调整成藏。与张金川的模式相比，这种成藏机理强调了页岩气的短距离运移扩散，由构造低部位向高部位的运移说明浮力作为成藏动力的存在。但是成藏过程中忽视了吸附态，溶解态页岩气的作用，气体相态配合压力变化的转化也不明确。此外，其中所提到裂缝也并非即时形成，与成藏时间的匹配有待考证。页岩层系中常见的砂岩，粉砂岩互层对成藏起到的作用并未提及。邹才能等则把成藏过程分为在有机质孔隙聚集和无机质孔隙聚集以及砂岩地层聚集三个阶段。有机质生气或油裂解成气,天然气先在有机质孔内表面饱和吸附;之后解吸扩散至基质孔中,以吸附、游离相原位饱和聚集;过饱和气初次运移至上覆无机质页岩孔中;气再饱和后,二次运移形成气藏。这一机理过程简化，未说明温压，气体组分，孔隙裂缝等因素对气体赋存相态，运移过程的影响。而针对四川盆地天然气早聚晚藏，裂解气混源充注，常规与非常规气藏均发育的成藏特点，刘树根认为此区页岩气成藏过程具有早期地质条件优越,生物气高效成藏，中期深埋地腹,原油裂解气快速成藏，和晚期快速隆升,脱溶气和解吸气调整成藏三个阶段。这一成藏过程在张金川的理论基础上考虑了构造作用对页岩气的影响，并且成藏过程不仅只是考虑气体因素，也加入了液态烃的生成和排烃过程。并且认为如果油气地质条件优越，在生物生气的早期阶段就可高效成藏。此外，当烃源岩周缘无高效输导体系存在时,石油在烃源岩内部过度聚积还可能会抑制生烃过程，而构造抬升也会暂停生烃。但当再次埋深Ro值达到2.5%,温度达到150时,古油藏中发生的原油裂解反应可以使压力突增形成裂缝，使向根缘气，常规气藏成藏方向发展，甚至当条件合适时造成次生页岩气藏的形成。同样，晚期构造抬升大量吸附气解吸和溶解气脱溶致使气体压力超过页岩封堵压力，解吸气沿微裂隙向上覆岩层逸散也会形成次生的构造圈闭和岩性圈闭。 以上几种成藏机理都没有对封盖机理进行描述。而郎东升等提出既具生烃能力又具异常孔隙流体压力的泥质岩盖层对扩散相天然气封闭性演化可分为抑制浓度封闭