一頁(yè)巖氣成藏機(jī)理及控制因素_圖文

1、第一章頁(yè)巖氣成藏機(jī)理及控制因素頁(yè)巖氣(Shale gas,是一種重要的非常規(guī)天然氣類型,與常規(guī)天然氣相比,其生成、運(yùn)移、賦存、聚集、保存等過程及成藏機(jī)理既有許多相似之處,又有一些不同點(diǎn)。頁(yè)巖氣成藏的生烴條件及過程與常規(guī)天然氣藏相同,泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和熱演化特征決定了其生烴能力和時(shí)間;在烴類氣體的運(yùn)移方面,頁(yè)巖氣成藏體現(xiàn)出無運(yùn)移或短距離運(yùn)移的特征,泥頁(yè)巖中的裂縫和微孔隙成了主要的運(yùn)移通道,而常規(guī)天然氣成藏除了烴類氣體在泥頁(yè)巖中的初次運(yùn)移以外,還需在儲(chǔ)集層中通過斷裂、孔隙等輸導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行二次運(yùn)移;在賦存方式上,二者差別較大,首先,儲(chǔ)集層和儲(chǔ)集空間不同(常規(guī)天然氣儲(chǔ)集于碎屑巖或碳酸鹽巖的

2、孔隙、裂縫、溶孔、溶洞中,頁(yè)巖氣儲(chǔ)集于泥頁(yè)巖粘土礦物和有機(jī)質(zhì)表面、微孔隙中。,其次,常規(guī)天然氣以游離賦存為主,頁(yè)巖氣以吸附和游離賦存方式為主;在蓋層條件方面,鑒于頁(yè)巖氣的賦存方式,其對(duì)上覆蓋層條件的要求比常規(guī)天然氣要低,地層壓力的降低可以造成頁(yè)巖氣解吸和散失。頁(yè)巖氣的成藏過程和成藏機(jī)理與煤層氣極其相似,吸附氣成藏機(jī)理、活塞式氣水排驅(qū)成藏機(jī)理和置換式運(yùn)聚成藏機(jī)理在頁(yè)巖氣的成藏過程中均有體現(xiàn),進(jìn)行頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)研究,可以在基礎(chǔ)地質(zhì)條件研究的基礎(chǔ)上,借助煤層氣的研究手段,解釋頁(yè)巖氣成藏的特點(diǎn)及規(guī)律。第一節(jié)頁(yè)巖氣及其特征頁(yè)巖(Shale,主要由固結(jié)的粘土級(jí)顆粒組成,是地球上最普遍的沉積巖石。頁(yè)巖看起

3、來像是黑板一樣的板巖,具有超低的滲透率。在許多含油氣盆地中,頁(yè)巖作為烴源巖生成油氣,或是作為地質(zhì)蓋層使油氣保存在生產(chǎn)儲(chǔ)層中,防止烴類有機(jī)質(zhì)逸出到地表。然而在一些盆地中,具有幾十-幾百米厚、分布幾千-幾萬平方公里的富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層可以同時(shí)作為天然氣的源巖和儲(chǔ)層,形成并儲(chǔ)集大量的天然氣(頁(yè)巖氣。頁(yè)巖既是源巖又是儲(chǔ)集層,因此頁(yè)巖氣是典型的“自生自儲(chǔ)”成藏模式。這種氣藏是在天然氣生成之后在源巖內(nèi)部或附近就近聚集的結(jié)果,也由于儲(chǔ)集條件特殊,天然氣在其中以多種相態(tài)存在。這些天然氣可以在頁(yè)巖的天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。我們把這

4、些儲(chǔ)存在頁(yè)巖層中的天然氣稱為頁(yè)巖氣(Shale gas。頁(yè)巖氣是指賦存于暗色泥頁(yè)巖、高碳泥頁(yè)巖及其夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖中以自生自儲(chǔ)成藏的天然氣聚集。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源評(píng)價(jià)組(1995認(rèn)為頁(yè)巖氣系統(tǒng)屬于典型的非常規(guī)天然氣藏即連續(xù)性天然氣聚集。Curtis(2002對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行了界定并認(rèn)為,頁(yè)巖氣在本質(zhì)上就是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合,它具有普遍的地層飽含氣性、含氣面積大、隱蔽聚集機(jī)理、多種巖性封閉以及相對(duì)很短的運(yùn)移距離特點(diǎn),它可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。因此

5、,可以將頁(yè)巖氣概括為:主體上以吸附和游離狀態(tài)賦存于泥頁(yè)巖地層中的天然氣聚集。我國(guó)學(xué)者張金川等(2004認(rèn)為,頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。在頁(yè)巖氣藏中,天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中,為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果,表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。從某種意義來說,頁(yè)巖氣藏的形成是天然氣在烴源巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果。我們通過對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于頁(yè)巖氣形成及聚集方式描述的分析,從成因、賦存機(jī)理兩方面說明頁(yè)巖氣的概念、涵義。頁(yè)巖氣是由烴源巖連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合,在烴源巖系統(tǒng)(頁(yè)巖系

6、統(tǒng):頁(yè)巖及頁(yè)巖中夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖中以吸附、游離或溶解方式賦存的天然氣。與常規(guī)天然氣藏相比,頁(yè)巖氣藏具有以下幾個(gè)特點(diǎn):早期成藏,天然氣邊形成邊賦存聚集,不需要構(gòu)造背景,為隱蔽圈閉氣藏;自生自儲(chǔ),泥頁(yè)巖既是氣源巖層,又是儲(chǔ)氣層,頁(yè)巖氣以多種方式賦存,使得泥頁(yè)巖具有普遍的含氣性;天然氣運(yùn)移距離較短,具有“原地”成藏特征;對(duì)蓋層條件要求沒有常規(guī)天然氣高;賦存方式及賦存空間多樣:吸附方式(有機(jī)質(zhì)、粘土顆粒表面微孔隙、游離方式(天然裂縫和孔隙或溶解方式均可(在干酪根和瀝青質(zhì)中;氣水關(guān)系復(fù)雜;儲(chǔ)層孔隙度較低(通常小于5%、孔隙半徑小(以微孔隙為主,裂縫發(fā)育程度不但控制游離狀頁(yè)

7、巖氣的含量,而且影響者頁(yè)巖氣的運(yùn)移、聚集和單井產(chǎn)量;在開發(fā)過程中,頁(yè)巖氣井表現(xiàn)出日產(chǎn)量較低,但生產(chǎn)年限較長(zhǎng)的特點(diǎn)。第二節(jié)頁(yè)巖氣的成藏機(jī)理前面已述,在頁(yè)巖系統(tǒng)中頁(yè)巖氣不單一是指存在與裂縫中的游離相天然氣,也不單一是服從常規(guī)成藏機(jī)理的天然氣聚集。頁(yè)巖氣成藏與常規(guī)氣藏有很大的不同,它屬于“連續(xù)型”天然氣成藏組合?！斑B續(xù)型”天然氣成藏組合由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所在1995年美國(guó)油氣資源全國(guó)評(píng)價(jià)中提出(Gautier et al.,1995;Schmoker,1995,是在研究非常規(guī)油氣系統(tǒng)和常規(guī)油氣系統(tǒng)之間隨意性更小、更有地質(zhì)根據(jù)的區(qū)別的結(jié)果。“連續(xù)型”天然氣成藏組合,實(shí)際上就是在一個(gè)大的區(qū)域(通常是區(qū)域范圍

8、內(nèi)不是主要受水柱壓力的影響天然氣成藏組合。根據(jù)不同的成藏條件,頁(yè)巖氣賦存方式表現(xiàn)為:吸附方式、游離方式、溶解方式;成藏機(jī)理表現(xiàn)為典型的吸附機(jī)理、活塞運(yùn)聚機(jī)理或置換運(yùn)聚機(jī)理;在成藏特征上介于煤層氣、根緣氣(深盆氣和常規(guī)天然氣三大類氣藏之間。因此,頁(yè)巖氣成藏體現(xiàn)出非常復(fù)雜的多機(jī)理多階段過程,是天然氣成藏機(jī)理序列中的重要組成(據(jù)張金川等,2003。頁(yè)巖氣成藏機(jī)理按成藏過程可以分成:生成機(jī)理(主導(dǎo)地位是成因機(jī)理、賦存機(jī)理、運(yùn)聚機(jī)理、產(chǎn)出機(jī)理。一、頁(yè)巖氣生成機(jī)理通過對(duì)頁(yè)巖氣組分特征、成熟度特征分析,頁(yè)巖氣是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合。生物成因氣是有機(jī)物在低溫下經(jīng)厭氧微生物分解作用形成

9、的天然氣;熱成因氣是有機(jī)質(zhì)在較高溫度及持續(xù)加熱期間經(jīng)熱降解和裂解作用形成的天然氣。相對(duì)于熱成因氣,生物成因的頁(yè)巖氣分布極限,主要分布盆地邊緣的泥頁(yè)巖中,在美國(guó)研究比較深入的五個(gè)盆地的五套頁(yè)巖中,密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地發(fā)現(xiàn)了生物成因的頁(yè)巖氣藏,并且是勘探目標(biāo)中的主要構(gòu)成(Schoell,1980;Malter 等,2000。1.生物成因在頁(yè)巖氣中有一部分是生物成因氣,通過在埋藏階段的早期成巖作用或近代富含細(xì)菌的大氣降水的侵入作用中厭氧微生物的活動(dòng)形成;生物成因氣,生成于細(xì)菌的甲烷生成作用,菌生甲烷占世界天然氣資源總量的20%以上(Rice, 1993。微生物成因氣最普遍的標(biāo)志是甲烷的13C值很

10、低(<-55。此外,由于一些中間微生物作用產(chǎn)生了CO2副產(chǎn)品,所以可以根據(jù)CO2的存在和同位素成分來判斷是否為生物作用形成的天然氣。因?yàn)槲⑸镒饔脙H產(chǎn)生了大量甲烷(>1mol vo1.%,一般高鏈烴類是因熱成因而形成,因此天然氣的總體化學(xué)特征也可以表明了其成因。由于不同的生烴機(jī)理可以導(dǎo)致相似的同位素值和組分值,所以區(qū)分氣體成因是非常復(fù)雜的。一些次生作用,如運(yùn)移、細(xì)菌氧化和二者的共同作用由于改變了主要診斷特征而使生氣機(jī)理的識(shí)別變得更加復(fù)雜。頁(yè)巖生物成因氣的生成導(dǎo)致甲烷生成的有機(jī)質(zhì)分解作用由不同的微生物群體完成的(Mah等, 1977。生物成因作用可以通過兩種方式:二氧化碳的還原作用、

11、醋酸鹽的發(fā)酵作用生成甲烷。醋酸鹽發(fā)酵作用:CH3COOHCH4 +CO2 (反應(yīng)1CO2還原作用:CO2+4H2CH4+2H2O (反應(yīng)2在菌生甲烷的形成過程中二氧化碳還原作用和醋酸鹽發(fā)酵作用是同時(shí)作用的。但是在不同的情況下,他們所生成的數(shù)量是不同。據(jù)同位素成分分析,大多數(shù)古代生物成因氣聚集可能是由二氧化碳還原作用生成的,而近代沉積環(huán)境中兩種作用都廣泛存在。近地表的、年輕的、新鮮的沉積物可以通過上述兩種作用形成生物氣。商業(yè)性天然氣聚集中生物成因氣的主要形成途徑是二氧化碳的還原。生成甲烷的還原作用所需的二氧化碳主要有三種來源:(1低溫下,淺層二氧化碳源,有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物作用(硫酸鹽還原和發(fā)酵而發(fā)生

12、的氧化作用;(2較高溫度下,深層二氧化碳源有機(jī)質(zhì)的熱脫羧作用;(3較大深度處生成的熱成烴類的分蝕作用。研究表明形成商業(yè)聚集的頁(yè)巖氣藏需要多種來源的二氧化碳。頁(yè)巖氣生物成因作用的條件頁(yè)巖生物成因作用受幾個(gè)關(guān)鍵因素控制。富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖是頁(yè)巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ),缺氧環(huán)境、低硫酸鹽環(huán)境、低溫環(huán)境是生物成因頁(yè)巖氣形成的必要外部條件,足夠的埋藏時(shí)間是生成大量生物成因氣的保證。另外,產(chǎn)菌甲烷個(gè)體的孔隙空間平均直徑為1m,因此菌類繁殖需要一定的空間,頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)富集的細(xì)粒沉積物的孔隙空間很有限,但是,富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒頁(yè)巖中的裂隙可以為生物提供生存繁殖空間。2.熱成因熱成因作用主要指隨著埋深的增加,溫度、壓力

13、增大,泥頁(yè)巖中大量的有機(jī)質(zhì)由產(chǎn)甲烷菌的代謝發(fā)生的化學(xué)降解和熱裂解作用。干酪根降解過程中,首先產(chǎn)出可溶的有機(jī)質(zhì)瀝青,然后是原油,最后是天然氣。有機(jī)質(zhì)的熱模擬試驗(yàn)表明,在沉積物的整個(gè)成熟過程中,干酪根、瀝青和原油均可以生成天然氣,對(duì)于有機(jī)質(zhì)豐度和類型相近或相似的泥頁(yè)巖,成熟度越高,形成的烴類氣體越多。頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)成熟度R o在0.41.88%之間,所以頁(yè)巖中的沉積物可以連續(xù)生成天然氣。在成熟作用的早期,天然氣是主要通過干酪根經(jīng)降解作用形成;在晚期階段,天然氣是主要通過干酪根、瀝青和石油裂解作用形成的。與生物成因氣相比,熱成因氣生成于較高的溫度和壓力下,因此,在干酪根熱成熟度(鏡煤反射率R o增加的

14、方向上,熱成因氣在盆地地層中的體積含量呈增大趨勢(shì)。另外,熱成因氣也很可能經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代和構(gòu)造作用從頁(yè)巖儲(chǔ)層中不斷泄漏出去。在Antrim頁(yè)巖氣研究中,采用甲烷/(乙烷+丙烷比例和產(chǎn)生乙烷(C13的同位素組成確定出其中的熱成因氣所占體積較小(小于20%,主要為生物成因氣。總之,在頁(yè)巖氣的形成是熱成因和生物成因共同作用的結(jié)果。頁(yè)巖氣形成的根本是經(jīng)微生物作用和熱作用可以生成甲烷等烴類的埋藏有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)的豐度和類型對(duì)于頁(yè)巖氣的形成至關(guān)重要,溫度、壓力和還原環(huán)境是頁(yè)巖氣形成的必要條件。二、頁(yè)巖氣賦存機(jī)理與常規(guī)天然氣和根緣氣不同,對(duì)于頁(yè)巖氣來說,頁(yè)巖既是烴源巖又是儲(chǔ)集層,因此,無運(yùn)移或極短距離運(yùn)移,

15、就近賦存是頁(yè)巖氣成藏的特點(diǎn);另外,泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集特征與碎屑巖、碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同,天然氣在其中的賦存方式也有所不同。認(rèn)識(shí)和了解頁(yè)巖氣在儲(chǔ)集層中的賦存機(jī)理是理解頁(yè)巖氣成藏機(jī)理的重要組成部分。由于頁(yè)巖氣在主體上表現(xiàn)為吸附或游離狀態(tài),體現(xiàn)為成藏過程中的沒有或僅有極短的距離的運(yùn)移。頁(yè)巖氣可以在天然裂縫和粒間孔隙中以游離方式存在,在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。生成的天然氣一般情況下先滿足吸附,然后溶解和游離析出,在一定的成藏條件下,這三種狀態(tài)的頁(yè)巖氣處于一定的動(dòng)態(tài)平衡體系。1.吸附機(jī)理頁(yè)巖中頁(yè)巖氣的含量超過了其自身孔隙的容積,用溶解機(jī)理和游離機(jī)理難以解釋這

16、一現(xiàn)象。因此,吸附機(jī)理就占據(jù)著主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)地位。吸附機(jī)理是通過吸附作用實(shí)現(xiàn)的,該過程可以是可逆或不可逆的。吸附方式可分為物理吸附和化學(xué)吸附。吸附量與頁(yè)巖的礦物成分、有機(jī)質(zhì)、比表面積(孔隙、裂隙等、溫度和壓力有關(guān)。(1吸附方式物理吸附作用一般認(rèn)為是由范德華分子力引起的。能發(fā)生多級(jí)吸附,據(jù)能量最小原理得出固體總是優(yōu)先選擇能量最小一個(gè)能級(jí)范圍內(nèi)的分子吸附,接著進(jìn)行下一能級(jí)的分子吸附。物理吸附是頁(yè)巖的主要吸附方式,具有吸附時(shí)間短、可逆性、普遍性、無選擇性?；瘜W(xué)吸附作用是物理吸附作用的繼續(xù),當(dāng)達(dá)到某一條件是就可以發(fā)生化學(xué)作用(包括化學(xué)鍵的形成和斷裂?；瘜W(xué)吸附所需的活化能也比較大,所以在常溫下吸附速度比較慢(

17、據(jù)張開,1996。頁(yè)巖氣的化學(xué)吸附具有吸附時(shí)間長(zhǎng)、不可逆性、不連續(xù)性、有選擇性。兩者共同作用使頁(yè)巖完成對(duì)天然氣的吸附,但兩者所處占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的地位隨成藏條件以及頁(yè)巖和氣體分子等改變而發(fā)生變化。吸附作用開始很快,越后越慢,由于是表面作用,被吸附到的氣體分子容易從頁(yè)巖顆粒表面解吸下來,進(jìn)入溶解相和游離相,在吸附和解吸速度達(dá)到相等時(shí),吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。(2吸附氣量通過對(duì)美國(guó)五套頁(yè)巖系統(tǒng)的吸附氣量(吸附氣所占體積百分比研究:安特里姆頁(yè)巖:70%;俄亥俄頁(yè)巖:50%;新奧爾巴尼頁(yè)巖:4060%;巴訥特頁(yè)巖:20%;劉易斯頁(yè)巖:6085%。吸附氣量數(shù)學(xué)表示:由蘭氏理論方程 bp bpV V m +=1式中:

18、V 吸附體積;V m 單分子層體積;p 壓力;b 與溫度和吸附熱有關(guān)的常數(shù)。V m 與比表面積有關(guān)。000N V V m =式中:V 0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體分子體積,cm 3;N 0阿佛加德羅常數(shù);比表面積,cm 2/g ;0一個(gè)吸附位的面積 將蘭氏理論方程轉(zhuǎn)化為直線方程:p V b V V pm m 11+=以p/V 對(duì)p 做圖,可以得到一條直線,從其斜率和截距可以求出 V m 和b 值。(3吸附能力頁(yè)巖氣在頁(yè)巖儲(chǔ)集層中一部分以吸附態(tài)存在,頁(yè)巖吸附能力的大小決定頁(yè)巖中氣的富集程度。最直接的表現(xiàn)為吸附氣量的大小。頁(yè)巖對(duì)天然氣具有較強(qiáng)的吸附能力,這與頁(yè)巖和天然氣分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有關(guān)。頁(yè)巖除了具有一種雙重

19、孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),還具有較大的內(nèi)表面積。特別是裂隙對(duì)天然氣分子的吸附起到關(guān)鍵的作用。吸附等溫線:與常規(guī)天然氣藏不同,部分頁(yè)巖氣以吸附方式賦存,當(dāng)氣體產(chǎn)出儲(chǔ)層壓力下降時(shí),吸附氣以非線性的方式釋放。在頁(yè)巖氣研究中,利用恒溫下的吸附實(shí)驗(yàn)做出吸附氣等溫線,可以較直觀地反映出頁(yè)巖的吸附特性,從而了解頁(yè)巖對(duì)頁(yè)巖氣的吸附能力和壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如一個(gè)肯塔基俄亥俄頁(yè)巖吸附等溫線(圖1-1。該圖顯示了三條曲線:上部一條曲線是吸附和充填在自由孔隙空間的總甲烷量(Total Methane ;中部一條曲線顯示了頁(yè)巖中的吸附甲烷量(Adsorbed Methane;下部一條曲線顯示了氦氣(Helium可以被忽略的吸附,僅僅充

20、填在自由孔隙空間中。吸附曲線解釋了當(dāng)壓力減小時(shí)非線性自然解吸附作用性能。被測(cè)量巖樣的等溫吸附線應(yīng)當(dāng)包含本地的水和瀝青含量(圖1-2。如果測(cè)量的是干燥的巖樣,應(yīng)該修正進(jìn)行水含量和瀝青含量修正,這樣能夠降低總含氣量?jī)蓚€(gè)以上百分點(diǎn)?？煽康奈降葴鼐€測(cè)量顯示,對(duì)于相同的巖樣其含氣量測(cè)量具有較好的一致性。對(duì)于不同的頁(yè)巖,總甲烷等溫線的含氣量與巖石的總有機(jī)含碳量較好的正相關(guān)聯(lián)系。 圖1-1 總甲烷含量、吸附甲烷含量與壓力的關(guān)系圖1-2 總吸附量與壓力的關(guān)系圖中:Total Methane-總甲烷量;Adsorbed Methane-吸附甲烷量;Helium-氦氣;Total-dry-干樣中總甲烷量;Ads

21、orbed-dry-干樣中吸附甲烷量;Adsorbed as received-修正后吸附甲烷量;Gas content as received-修正后氣體含量。(4吸附能力的控制因素頁(yè)巖對(duì)頁(yè)巖氣的吸附能力直接決定吸附氣量的大小,因此有必要對(duì)研究頁(yè)巖吸附能力的控制因素進(jìn)行研究。在眾多的因素中,頁(yè)巖組成、孔隙裂縫度、孔隙結(jié)構(gòu)、溫度、壓力等對(duì)控制著頁(yè)巖的吸附能力具有明顯的控制作用。頁(yè)巖組成頁(yè)巖主要由粘土礦物、粉砂質(zhì)(石英顆粒、有機(jī)質(zhì)組成。石英等粉砂級(jí)礦物顆粒主要充填于頁(yè)巖的孔隙中,造成孔隙變小,從而減少了供天然氣分子吸附的比表面,所以礦物質(zhì)含量高,不利于天然氣分子的吸附;粘土礦物具有層間和晶間微孔

22、隙,增大了顆粒的比表面積,因此粘土礦物含量高,有利于天然氣分子的吸附;總有機(jī)質(zhì)含量與吸附量關(guān)系密切,在相同壓力下,總有機(jī)碳含量較高的頁(yè)巖比其含量較低的頁(yè)巖的甲烷吸附量明顯高(圖1-3。 圖1-3 吸附氣含量與總有機(jī)碳含量的關(guān)系裂縫、孔隙一般泥頁(yè)巖的裂縫、孔隙發(fā)育會(huì)使孔隙度增高,進(jìn)而增大頁(yè)巖中顆粒的比表面積,因而,裂縫、孔隙的增加不但對(duì)游離方式天然氣的賦存有利,還有利于提高頁(yè)巖的吸附能力?？紫督Y(jié)構(gòu)巖石的孔隙結(jié)構(gòu),關(guān)系到比表面積的大小,從而對(duì)巖石的吸附有很大影響。溫度氣體吸附是放熱過程,要提高巖石的吸附能力,需要控制并降低溫度。無論是物理吸附,還是化學(xué)吸附,溫度升高引起解吸趨勢(shì)的增加,會(huì)降低巖石的

23、吸附能力(據(jù)張開,1996。壓力前面已述,頁(yè)巖對(duì)天然氣分子的吸附能力與壓力的關(guān)系密切,從吸附等溫線上可以看出,巖石中的吸附氣含量隨壓力的增加而增大。2.游離機(jī)理游離狀態(tài)的頁(yè)巖氣存在于頁(yè)巖的孔隙或裂隙中,氣體可以自由流動(dòng),其數(shù)量的多少?zèng)Q定于頁(yè)巖內(nèi)自由的空間。這一部分自由氣體,稱為游離態(tài)氣體。當(dāng)氣體分子滿足了吸附后,多余的氣體分子一部分就以游離狀態(tài)進(jìn)入巖石孔隙和裂隙中。游離氣量數(shù)學(xué)表示:對(duì)理想氣體,狀態(tài)方程為 :RT M PV =式中:V 氣體體積;cm 3; M 氣體質(zhì)量,kg;摩爾質(zhì)量,kg/mol;T 絕對(duì)溫度,K ;P 氣體壓力,MPa 。p nRTZV V V V Z ZMRT pV m

24、ol Mn ZnRTpV IT=-=游所以得:其中(式中:Z 氣體壓縮系數(shù):在一定溫度下,隨壓力改變,氣體體積的改變率。從中可以看出,游離氣體的含量的大小取決于孔隙體積、溫度、氣體壓力和氣體壓縮系數(shù)。3.溶解機(jī)理當(dāng)天然氣分子從滿足吸附后很可能進(jìn)入液態(tài)物質(zhì)中發(fā)生溶解作用。頁(yè)巖氣一部分以溶解態(tài)存在于干酪根、瀝青和水中。溶解機(jī)理主要以間隙充填和水合作用的形式表現(xiàn)出來。(1間隙充填頁(yè)巖氣體分子和液態(tài)烴類接觸,由于分子的擴(kuò)散作用進(jìn)入干酪根和瀝青等烴類分子間的空隙中的作用,稱為間隙充填。間隙充填主要受溫度和壓力影響較大。(2水合作用頁(yè)巖中氣體分子和水分子相互作用結(jié)合或分解的過程為水合作用。這是一個(gè)可逆過程

25、當(dāng)結(jié)合和分解的速度相等時(shí)它們的達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡。(3溶解氣量由亨利定律知: b c b C K p =式中:p b 溶質(zhì)在液態(tài)物質(zhì)上的蒸氣平衡分壓,Pa ;C b 氣體在液態(tài)物質(zhì)中的溶解度,mol/m 3;Kc 亨利常數(shù)。將上式變形得:p K p K C c c b 1=式中:Kc 溶解常數(shù)。 得出溶解氣量: RT V ZC V V RT V ZC ZnRT pV V V C n b b b b b bb /:=-=溶溶液的體積其中 式中:V b 溶液的體積,m 3。 ,(:p T R V C Z f V V b b b =-溶溶液的體積其中該定律表明,在一定溫度下氣體在液體中氣體的溶解度與

26、壓力成正比。溶解度取決于液體的溫度、礦化度、環(huán)境壓力和氣體成分等。4.綜合賦存機(jī)理頁(yè)巖氣以上述三種機(jī)理賦存并不是相互獨(dú)立的,一成不變的,當(dāng)頁(yè)巖生烴量發(fā)生變化或外界條件改變時(shí),三種賦存機(jī)理的表現(xiàn)形式可以相互轉(zhuǎn)化。頁(yè)巖氣量綜合表達(dá) :P bpV ZC bp bpV p ZnRTV V V V V b b m +=+=1溶吸游式中:、分別是頁(yè)巖氣游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)綜合賦存系數(shù)。三、頁(yè)巖氣運(yùn)聚機(jī)理常規(guī)天然氣在儲(chǔ)集層中主要以游離狀態(tài)為主,吸附狀態(tài)的少,而頁(yè)巖氣主要以吸附狀態(tài)(一般大于50%和游離狀態(tài)賦存于低孔隙、低滲透的頁(yè)巖儲(chǔ)集層中,所以其富集因素則不同于常規(guī)天然氣。頁(yè)巖氣的生氣層是頁(yè)巖層,儲(chǔ)集層也

27、是頁(yè)巖層(或頁(yè)巖中的粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖夾層等,頁(yè)巖氣的運(yùn)移始終限制在頁(yè)巖中,導(dǎo)致了頁(yè)巖氣的運(yùn)移距離短的特點(diǎn)?？偟膩碚f,頁(yè)巖中生成的天然氣一部分將賦存在頁(yè)巖層表現(xiàn)出典型的吸附機(jī)理,并當(dāng)生氣量達(dá)到一定規(guī)模的調(diào)整運(yùn)移時(shí)表現(xiàn)出典型的活塞式運(yùn)聚機(jī)理,同時(shí)有一部分天然氣運(yùn)移出頁(yè)巖表現(xiàn)出典型的置換式運(yùn)聚機(jī)理。下面分階段說明。1.賦存階段該階段生物成因和熱成因同時(shí)作用。主要特點(diǎn)是溫度和壓力比較低,天然氣生成量比較大,沉積層壓實(shí)不徹底,孔隙度和含水量均較大,所以本階段出現(xiàn)三種狀態(tài)的頁(yè)巖氣。但主體上為吸附態(tài)并存在一定量游離態(tài)。隨生氣量和埋深的增加,其含水量和孔隙有較大幅度的降低,頁(yè)巖被壓縮,游離態(tài)和溶解態(tài)的頁(yè)巖氣運(yùn)移出

28、頁(yè)巖層。伴隨這一過程的發(fā)生,吸附量增多。該階段天然氣有擴(kuò)散作用存在,主體上表現(xiàn)了典型的吸附機(jī)理。2.調(diào)整階段當(dāng)溶解、吸附達(dá)到飽和以及自由空間(孔隙被天然氣占據(jù)滿時(shí),而頁(yè)巖層還繼續(xù)產(chǎn)氣時(shí),積存于頁(yè)巖中的天然氣量逐漸增加。當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)必然會(huì)使頁(yè)巖內(nèi)壓力不斷的增大,當(dāng)內(nèi)壓力超過地層負(fù)荷重量的外壓力時(shí),頁(yè)巖體就會(huì)產(chǎn)生微裂隙。游離態(tài)的頁(yè)巖氣就可以通過微裂隙運(yùn)移,將天然氣排出,內(nèi)壓力逐漸減小,以前造出的微裂隙可能會(huì)閉合。但頁(yè)巖層產(chǎn)氣仍在繼續(xù),產(chǎn)氣量又開始增加,重復(fù)以上過程。裂隙的產(chǎn)生并不是一成不變的,而是在不斷產(chǎn)生新的裂隙,最終形成天然裂隙網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)天然氣被排出時(shí)也就是微裂隙閉合時(shí),頁(yè)巖內(nèi)壓力和外壓力達(dá)到

29、一種動(dòng)態(tài)平衡。這一動(dòng)態(tài)平衡始終貫穿天然氣的造隙和排出過程。該階段,是天然氣的造隙及排出,由于天然氣的生成來自于化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,可以形成高于地層壓力的排氣壓力,從而導(dǎo)致巖石薄弱面小規(guī)模破裂。由于泥頁(yè)巖中缺乏大規(guī)模的斷裂作用將以排出的天然氣及時(shí)運(yùn)移出去,天然氣就近在裂縫中保存。天然氣主體上表現(xiàn)為由生氣膨脹力所推動(dòng)成藏作用,近源分布且無浮力作用,構(gòu)成了活塞運(yùn)聚特征,與根緣氣具有相同機(jī)理(據(jù)張金川等,2003。氣膨脹力:由頁(yè)巖氣溫度變化和勢(shì)能變化引起的機(jī)械膨脹力。頁(yè)巖中生氣膨脹力同時(shí)對(duì)頁(yè)巖、地層水和天然氣產(chǎn)生作用。 活塞式運(yùn)聚機(jī)理:與通常條件相反,如果地層巖石足夠致密,儲(chǔ)層孔隙半徑足夠狹小,則當(dāng)壓力較大

30、的天然氣被充足其中時(shí),天然氣與孔隙壁之間所形成的束縛水膜厚度也就足夠薄,阻斷了地層水穿越天然氣所在孔隙段的流動(dòng),運(yùn)移過程中天然氣頂、底界的地層水之間無法通過自由流動(dòng)(地層水介質(zhì)的非連續(xù)性條件來實(shí)現(xiàn)勢(shì)能交換,則氣水排驅(qū)或天然氣的運(yùn)移過程服從活塞式原理,表現(xiàn)為天然氣從底部對(duì)地層水的整體推移作用,邊、底水無以存在,浮力作用無法產(chǎn)生,出現(xiàn)天然氣位于地層水之下的氣水倒置分布關(guān)系,當(dāng)氣柱的高度規(guī)模足夠大時(shí),形成典型意義上活塞式機(jī)理(圖1-4。置換式運(yùn)聚機(jī)理:如果天然氣的生存量繼續(xù)增加,則彼此連通性較差的裂隙網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成較大的裂縫(運(yùn)移高速通道,浮力作用促使天然氣以置換式向泥頁(yè)巖層外運(yùn)移,為常規(guī)圈閉氣的氣藏

31、打開了通道(據(jù)張金川等,20003。該階段孔隙度比以前明顯增大,主游離態(tài)的天然氣占優(yōu)勢(shì)地位,同時(shí)擴(kuò)散作用也有很大的提高。表現(xiàn)為常規(guī)天然氣運(yùn)聚機(jī)理。四、頁(yè)巖氣產(chǎn)出機(jī)理當(dāng)頁(yè)巖層壓力降到一定程度時(shí),頁(yè)巖中被吸附的氣體開始從裂隙表面分離下來,成為頁(yè)巖氣的解析。由于節(jié)理中的壓力降低,解析出的氣體和游離態(tài)、溶解wh 常規(guī)圈閉氣藏Normal Trapped Gash g氣源巖Source RockFormation Water圖1-4 典型活塞式機(jī)理(據(jù)張金川等,1997修改圖1-5 頁(yè)巖氣生產(chǎn)曲線示意圖 態(tài)天然氣混合通過基質(zhì)孔隙和裂隙擴(kuò)散進(jìn)入裂隙網(wǎng)絡(luò)中,再經(jīng)裂縫網(wǎng)絡(luò)等輸導(dǎo)系統(tǒng)流向井筒。頁(yè)巖氣的產(chǎn)出可以分

32、為三個(gè)階段。第一階段:隨著井筒附近中壓力微幅度的降低,首先產(chǎn)水,井筒附近只有單相流動(dòng)。第二階段:當(dāng)儲(chǔ)層壓力繼續(xù)降低時(shí),開始有一部分甲烷從頁(yè)巖孔隙和裂隙中解析出來,并和游離態(tài)的天然氣混合,開始形成氣泡,阻礙著水的流動(dòng),水的相對(duì)滲透率下降,但氣體不能流動(dòng),無論在基質(zhì)還是在節(jié)理中,氣泡都是孤立的,并不相互連接為非飽和單相流。第三階段:當(dāng)儲(chǔ)層壓力進(jìn)一步降低時(shí),有更多的氣體解析出來,水中含氣達(dá)到飽和,氣泡相互連接成線狀,氣的相對(duì)滲透率大于增大,隨著壓力下降,飽和度降低,氣產(chǎn)量不斷上升,呈現(xiàn)兩相流狀態(tài)。上述三個(gè)階段是連續(xù)的過程,隨時(shí)間的推進(jìn),從井孔向周圍的地層逐漸蔓延。這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程,脫水降壓時(shí)間

33、較短,波及的范圍較大,吸附氣的解析范圍越來越大。從美國(guó)主要的五個(gè)頁(yè)巖氣系統(tǒng)的產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量分析得出,頁(yè)巖氣產(chǎn)量常呈現(xiàn)出來負(fù)的下降曲線(圖1-5。開始水產(chǎn)量較高,隨著排水采氣作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行,水產(chǎn)量逐漸降低,而單井產(chǎn)氣量逐漸上升,一般在開采的兩年后達(dá)到高峰,此后緩慢降低。與常規(guī)天然氣的單井生產(chǎn)相比,頁(yè)巖氣單井日產(chǎn)量較小(一般小于1000m 3/D ,但是,日產(chǎn)量穩(wěn)定(產(chǎn)量下降較慢、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。五、頁(yè)巖氣異常壓力根據(jù)成藏機(jī)理分析,頁(yè)巖氣原生的地層壓力為高異常特征。在國(guó)外有頁(yè)巖氣藏為異常高壓和異常低壓的兩種理論。但從美國(guó)五套頁(yè)巖氣系統(tǒng)參數(shù)可以看出(表1-1,頁(yè)巖氣藏既有高異常地層壓力,也有低異常地層

34、壓力,還有個(gè)別為常壓。產(chǎn)生理論分析與實(shí)際不相符合的主要原因在于構(gòu)造的抬升或沉降運(yùn)動(dòng)。由于頁(yè)巖氣地層壓力的封閉性好,當(dāng)已經(jīng)成藏的頁(yè)巖氣發(fā)生相對(duì)的構(gòu)造抬升或沉降運(yùn)動(dòng)時(shí),原始的頁(yè)巖氣藏地層壓力得到了一定程度的滯留,從而產(chǎn)生了更高或相對(duì)降低的異常地層壓力(據(jù)張金川等,2003。頁(yè)巖氣藏的發(fā)育通常與高異常地層壓力保持一致,據(jù)“構(gòu)造抬升泄壓”說,低異常壓力是構(gòu)造抬升后上覆巖層卸載而形成的。但橫向上的擠壓也能產(chǎn)生異常壓力。 第三節(jié)頁(yè)巖氣的成藏過程及特征頁(yè)巖系統(tǒng)的地層組成:多為暗色泥頁(yè)巖夾淺色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖的薄互層。在頁(yè)巖系統(tǒng)中,天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣。除極少量的溶解狀態(tài)天然氣以外,大部分均以吸附

35、狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面,或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀天然氣與游離狀天然氣含量之間呈彼此消長(zhǎng)關(guān)系,其中吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20 %85 % 之間。因此從賦存狀態(tài)觀察頁(yè)巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85 % 以上和常規(guī)圈閉氣(吸附氣含量通常忽略為零之間(張金川等,2004。頁(yè)巖氣成藏體現(xiàn)出了非常復(fù)雜的多機(jī)理遞變特點(diǎn),除天然氣在孔隙水、干酪根有機(jī)質(zhì)以及液態(tài)烴類中的溶解作用機(jī)理以外,天然氣從生烴初期時(shí)的吸附聚集到大量生烴時(shí)期的活塞式運(yùn)聚,再到生烴高峰的置換式運(yùn)聚,體現(xiàn)出了頁(yè)巖氣自身所構(gòu)成的完整性天然氣成藏機(jī)理序列。一、頁(yè)巖氣的成藏過程頁(yè)巖氣成藏作用過程的發(fā)生使頁(yè)巖中的天然氣

36、賦存相態(tài)本身也構(gòu)成了從典型吸附到常規(guī)游離之間的序列過渡,因而頁(yè)巖氣成藏機(jī)理研究具有自身的獨(dú)特意義,它至少將煤層氣(典型吸附氣成藏過程 、根緣氣(活塞式氣水排驅(qū)過程 和常規(guī)氣(典型的置換式運(yùn)聚過程 的運(yùn)移、聚集和成藏過程聯(lián)結(jié)在一起。由于頁(yè)巖氣在主體上表現(xiàn)為吸附狀態(tài)與游離狀態(tài)天然氣之間的遞變過渡,體現(xiàn)為成藏過程中的無運(yùn)移或極短距離的有限運(yùn)移,因此頁(yè)巖氣藏具有典型煤層氣、典型根緣氣和典型常規(guī)圈閉氣成藏的多重機(jī)理意義,在表現(xiàn)特征上具有典型的過渡意義。頁(yè)巖氣的成藏過程可以劃分為三個(gè)成藏階段。1.第一階段(頁(yè)巖氣成藏階段該階段是天然氣在頁(yè)巖中的生成、吸附與溶解逃離(圖1-6 ,具有與煤層氣成藏大致相同的機(jī)

37、理過程。在天然氣的最初生成階段,主要由生物作用所產(chǎn)生的天然氣首先滿足巖石中有機(jī)質(zhì)和粘土礦物顆粒表面吸附的需要,當(dāng)吸附氣量與溶解的逃逸氣量達(dá)到飽和時(shí),富裕出來的天然氣則以游離相或溶解相進(jìn)行運(yùn)移逃散,條件適宜時(shí)可為水溶氣藏的形成提供豐富氣源。此時(shí)所形成的頁(yè)巖氣藏分布限于頁(yè)巖內(nèi)部且以吸附狀態(tài)為主要賦存方式,總體含氣量有限。2.第二階段(根緣氣成藏階段在熱裂解氣大量生成過程中,由于天然氣的生成作用主要來自于熱化學(xué)能的轉(zhuǎn)化,它將較高密度的有機(jī)母質(zhì)轉(zhuǎn)換成較低密度的天然氣。在相對(duì)密閉的系統(tǒng)中,物質(zhì)密度的變小導(dǎo)致了體積的膨脹和壓力的提高,天然氣的大量生成作用使原有的地層壓力得到不斷提高,從而產(chǎn)生原始的高異常地

38、層壓力。由于壓力的升高作 致密砂巖含氣破裂帶常規(guī)砂巖天然氣頁(yè)巖用,頁(yè)巖內(nèi)部沿應(yīng)力集中面、巖性接觸過渡面或脆性薄弱面產(chǎn)生微裂縫,天然氣與孔隙壁之間所形成的束縛水膜阻斷了地層水穿越天然氣所在孔隙段的流動(dòng)(浮力作用,此時(shí)頁(yè)巖氣藏的形成在主體上表現(xiàn)為由生氣膨脹力所促動(dòng)的氣排水活塞式成藏過程,天然氣原地或就近分布,構(gòu)成了擠壓造隙式的運(yùn)聚成藏特征(圖1-6 。在通常情況下,與頁(yè)巖間互的致密粉砂巖夾層,具有低孔低滲特點(diǎn),它限定了天然氣通過氣排水的活塞式運(yùn)移、聚集逐漸形成根緣氣藏。此時(shí)的天然氣聚集已經(jīng)超越了頁(yè)巖本身,表現(xiàn)為無邊、底水和浮力作用發(fā)生的地層含氣特點(diǎn),從整套頁(yè)巖層系考察,不論是頁(yè)巖地層本身還是薄互層

39、分布的粉砂巖儲(chǔ)層,均表現(xiàn)為普遍的飽含氣性在該階段,游離相的天然氣以裂隙聚集、孔隙為主,頁(yè)巖地層的平均含氣量豐度達(dá)到較高水平。 3.第三階段(常規(guī)氣成藏階段隨著更多天然氣源源不斷地生成,則彼此連通性較差的裂隙網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成較大的裂縫網(wǎng)絡(luò),可以作為天然氣游離賦存場(chǎng)所和運(yùn)移高速通道,由于空間的增大,天然氣的運(yùn)移方式由活塞式轉(zhuǎn)變微置換式。如果生氣量繼續(xù)增加,則天然氣分布范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,直到遇常規(guī)儲(chǔ)層或輸導(dǎo)通道后,天然氣受浮力作用而進(jìn)行置換式運(yùn)移,從而導(dǎo)致常規(guī)圈閉氣藏的大范圍出現(xiàn)(圖1-6 。圖1-6 頁(yè)巖氣成藏的三個(gè)階段(據(jù)張金川等,2004注:頁(yè)巖氣成藏階段;根緣氣成藏階段;常規(guī)圈閉氣成藏階段圖二、頁(yè)

40、巖氣藏的基本地質(zhì)特征與煤層氣類似,富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖本身可以作為頁(yè)巖氣的氣源巖,又可以作為儲(chǔ)集層,頁(yè)巖氣的賦存方式、成藏機(jī)理和成藏過程與常規(guī)天然氣有很大不同,因此,頁(yè)巖氣藏具有獨(dú)特的地質(zhì)特征。1.頁(yè)巖系統(tǒng)本身自組生儲(chǔ)蓋體系在頁(yè)巖氣藏中,富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖是良好的烴源巖,頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、瀝青質(zhì)等,以及裂隙系統(tǒng)和粉砂質(zhì)巖夾層又可以作為儲(chǔ)氣層,滲透性差的泥質(zhì)頁(yè)巖為頁(yè)巖氣藏充當(dāng)封蓋層。烴源巖:含有大量的有機(jī)質(zhì)含量、分布廣泛、厚度較大的泥頁(yè)巖?？梢陨纱罅康奶烊粴?并且具有供氣長(zhǎng)期穩(wěn)定持續(xù)的特點(diǎn)。儲(chǔ)集層:與常規(guī)天然氣的砂巖儲(chǔ)集層不同(表1-2,其要的特點(diǎn):儲(chǔ)集巖為泥頁(yè)巖及其粉砂巖夾層;微孔隙、裂縫

41、是頁(yè)巖氣儲(chǔ)集的主要空間,裂縫發(fā)育程度和走向變化復(fù)雜。一般頁(yè)巖裂縫的寬度在2毫米內(nèi),裂縫密度一般較大;天然氣的賦存狀態(tài)多變性(據(jù)張金川等,2003。吸附、游離是頁(yè)巖氣賦存的主要方式,少量以溶解方式賦存;巖石物性較差。因?yàn)轫?yè)巖較為致密,孔隙度、滲透率都比常規(guī)儲(chǔ)層巖石低,僅在裂縫發(fā)育處,滲透率才能有所改善,但對(duì)孔隙度的改善不明顯。蓋層:在常規(guī)天然氣藏中,因?yàn)槟囗?yè)巖較為致密、滲透率較低,通?？梢宰鳛樯w層。雖然頁(yè)巖氣的賦存方式與常規(guī)天然氣有所不同,但是致密的泥頁(yè)巖仍然對(duì)頁(yè)巖氣藏具有封蓋作用。美國(guó)的五大頁(yè)巖氣系統(tǒng)蓋層的巖性多變,包括頁(yè)巖(阿巴拉契亞盆地和福特沃斯盆地、冰磧巖(密執(zhí)安盆地、斑脫巖(圣胡安盆地

42、和頁(yè)巖/碳酸鹽巖(伊利諾斯盆地(Curtis和Faure,1997;Hill和Nelson, 2000;Walter等,2000。2.頁(yè)巖氣成藏具有隱蔽性,圈閉類型為裂縫圈閉頁(yè)巖氣的賦存方式和賦存空間的特殊性,決定了頁(yè)巖氣藏具有隱蔽性特征和裂縫型圈閉。構(gòu)造圈閉對(duì)頁(yè)巖氣藏的形成并不起主導(dǎo)作用,但是一個(gè)長(zhǎng)期長(zhǎng)期穩(wěn)定的構(gòu)造背景,對(duì)頁(yè)巖氣聚集可能具有一定的積極作用。泥頁(yè)巖的孔隙較小且不發(fā)育,游離狀態(tài)的頁(yè)巖氣主要賦存于裂縫系統(tǒng)中,泥頁(yè)巖中的裂縫發(fā)育帶往往是頁(yè)巖氣的有利聚集帶,因此,裂縫型圈閉是頁(yè)巖氣藏的主要圈閉類型。裂縫產(chǎn)生的原因主要是上文中提到的氣體的連續(xù)生產(chǎn)所產(chǎn)生的頁(yè)巖內(nèi)外壓力差,另外構(gòu)造作用也是產(chǎn)

43、生裂縫的原因之一。3.頁(yè)巖具有普遍含氣性特征,但含氣量較低、含大分子烴飽和度低由于泥頁(yè)巖既是烴源巖、又是儲(chǔ)集層,頁(yè)巖氣可以以吸附方式賦存,因此頁(yè)巖具有廣泛的含氣性,在大面積內(nèi)為頁(yè)巖氣所飽和(Curtis和Faure,1997;Hill 和Nelson,2000;Walter等,2000。與根緣氣藏的地層普遍含氣性機(jī)理不同,頁(yè)巖氣藏普遍含氣性的內(nèi)涵較廣,在巖性上包括了泥頁(yè)巖、致密的砂巖或砂質(zhì)細(xì)粒巖,在賦存狀態(tài)上包容了吸附、游離與溶解,在成藏機(jī)理上則包含了吸附與擴(kuò)散、溶解與析出、活塞與置換等運(yùn)聚過程。在通常情況下,泥頁(yè)巖與致密砂巖(泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖等 之間的互層分布為這種多相態(tài)、多機(jī)理的地層

44、普遍含氣性提供了有利條件。 因?yàn)轫?yè)巖較為致密,孔隙度、滲透率都比常規(guī)儲(chǔ)層巖石低,使得頁(yè)巖的含氣量較低,頁(yè)巖的含氣量變化幅度較大,從0.4m 3/t 到10m 3/t ,一般小于5m 3/t 。同時(shí)由于頁(yè)巖的孔隙半徑小,所以大分子烴飽和度含量較低。4.頁(yè)巖氣成藏條件與儲(chǔ)量豐度關(guān)系復(fù)雜我們選取美國(guó)正在進(jìn)行商業(yè)性開采的5套頁(yè)巖層系的成藏條件參數(shù)-熱成熟度(鏡煤反射率Ro 、儲(chǔ)層厚度(Thickness 、總有機(jī)碳含量(Toc 和頁(yè)巖氣資源特征參數(shù)-吸附氣含量(Absorbed Gas 、頁(yè)巖氣資源豐度(GIP 作圖,進(jìn)行頁(yè)巖氣的有機(jī)地化特征與地質(zhì)特征比較,發(fā)現(xiàn)關(guān)系圖形狀各異(圖1-7,五項(xiàng)關(guān)鍵 參數(shù)

45、之間的關(guān)系有出人意料的變化,說明,頁(yè)巖氣成藏條件與儲(chǔ)量豐度關(guān)系復(fù)雜。因?yàn)轫?yè)巖較為致密,孔隙度、滲透率都比常規(guī)儲(chǔ)層巖石低,使得頁(yè)巖的含氣量較低,頁(yè)巖的含氣量變化幅度較大,從0.4m 3/t 到10m 3/t ,一般小于5m 3/t 。同時(shí)由于頁(yè)巖的孔隙半徑小,所以大分子烴飽和度含量較低。圖1-7 美國(guó)五大含氣頁(yè)巖地球化學(xué)特征與地質(zhì)特征對(duì)比圖 (據(jù)Hill 和Nelson ,2000 美國(guó)不同盆地頁(yè)巖氣成藏條件的互補(bǔ)性圖(數(shù)據(jù)選自Curtis ,2002頁(yè)巖氣成藏邊界條件廣義上的頁(yè)巖氣普遍發(fā)育且分布廣泛,但要形成具有工業(yè)勘探開發(fā)價(jià)值的頁(yè)巖氣尚需具備相應(yīng)的地質(zhì)條件。結(jié)合對(duì)美國(guó)具有工業(yè)勘探開發(fā)價(jià)值頁(yè)巖

46、氣的統(tǒng)計(jì)研究,可對(duì)頁(yè)巖氣的形成條件簡(jiǎn)單作一討論。按照常規(guī)的烴源巖評(píng)價(jià)指標(biāo),有機(jī)碳含量( TOC 0.5 %和成熟度( Ro 0.5 %是有效烴源巖的底限邊界,但由于頁(yè)巖氣的成藏機(jī)理和過程特殊,其中天然氣的聚集不需要考慮運(yùn)移、圈閉等復(fù)雜條件。因此有機(jī)碳含量和成熟度等條件不再苛刻。在有機(jī)碳含量0. 3 %、有機(jī)質(zhì)成熟度0. 4 %、巖石總孔隙度3 %、凈頁(yè)巖厚度6 m 等條件下亦可分別形成頁(yè)巖氣。在頁(yè)巖氣成藏條件中,盡管某一項(xiàng)地質(zhì)要素要求條件很低,但其他地質(zhì)條件的補(bǔ)償將會(huì)使頁(yè)巖氣具有更好的產(chǎn)能。對(duì)比分析美國(guó)不同盆地的頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件發(fā)現(xiàn),各影響因素之間具有不同程度的相互彌補(bǔ)性(圖1 。在圣胡安盆

47、地上白堊統(tǒng)的Lewis 頁(yè)巖,有機(jī)碳含量及其成熟度、吸附氣含量等各項(xiàng)主要因素均較好,頁(yè)巖地層總含氣量較高;在密執(zhí)安盆地泥盆系的Ant rim 頁(yè)巖,有機(jī)質(zhì)成熟度較低但平均有機(jī)碳含量較高,彌補(bǔ)了成熟有機(jī)質(zhì)生氣量不足的局限性;在福特沃斯盆地泥盆系的Barnett 頁(yè)巖,雖然頁(yè)巖地層厚度有限且孔隙度較小,但有機(jī)質(zhì)含量及成熟度較高,致使地層總含氣量較高。進(jìn)一步,為了使聚集的頁(yè)巖氣具有更好的工業(yè)勘探開發(fā)價(jià)值,還要求聚氣的頁(yè)巖最大埋藏深度小于4 000 m (目前的經(jīng)濟(jì)有效深度 。5.頁(yè)巖氣富集帶以裂縫發(fā)育為特征裂縫發(fā)育在大部分頁(yè)巖中,以多種成因(壓力差、斷裂作用、順層作用等的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)為特征。在頁(yè)巖中

48、裂縫、溶蝕頁(yè)理縫是主要的儲(chǔ)集空間。次要儲(chǔ)集空間:鈣質(zhì)條帶中的溶孔、生物體腔孔、晶間孔、粒間孔等。粒間孔主要是指的砂質(zhì)及泥質(zhì)雙重孔隙。在鈣質(zhì)泥頁(yè)巖互層為主的夾薄層砂巖的地層中,具有泥頁(yè)巖裂縫、層理縫和薄層砂巖孔隙等儲(chǔ)集空間。裂縫發(fā)育帶不但提供了游離態(tài)頁(yè)巖氣賦存的空間,而且為頁(yè)巖氣的運(yùn)移、聚集提供了輸導(dǎo)通道,并且對(duì)頁(yè)巖氣的開發(fā)十分有利。美國(guó)頁(yè)巖氣的開發(fā)實(shí)踐證明只有裂縫發(fā)育的頁(yè)巖氣藏不需壓裂就可以獲得工業(yè)氣流,多數(shù)的頁(yè)巖氣藏必須經(jīng)過壓裂才能達(dá)到工業(yè)產(chǎn)量要求。頁(yè)巖氣雖然具有地層普遍含氣性特點(diǎn),但目前具有工業(yè)勘探價(jià)值的頁(yè)巖氣藏或甜點(diǎn)主要依賴于頁(yè)巖地層中具有一定規(guī)模的裂縫系統(tǒng)。在美國(guó)的大約30000 口鉆

49、井中,鉆遇具有自然工業(yè)產(chǎn)能的裂縫性甜點(diǎn)的井?dāng)?shù)只有大約10 %,表明裂縫系統(tǒng)是提高頁(yè)巖氣鉆井工業(yè)產(chǎn)能的重要影響因素。除了頁(yè)巖地層中的自生裂縫系統(tǒng)以外,構(gòu)造裂縫系統(tǒng)的規(guī)模性發(fā)育為頁(yè)巖含氣豐度的提高提供了條件保證。因此,構(gòu)造轉(zhuǎn)折帶、地應(yīng)力相對(duì)集中帶以及褶皺斷裂發(fā)育帶通常是頁(yè)巖氣富集的重要場(chǎng)所。6.頁(yè)巖氣由生物成因氣和熱成因氣組成前面已述,頁(yè)巖氣可以分為:生物成因氣和熱成因氣,兩種成因的頁(yè)巖氣可以同時(shí)存在于頁(yè)巖氣藏中,但由于成藏條件的不同,表現(xiàn)出不同的主導(dǎo)地位。隨不同時(shí)期條件的改變,兩者的含量比例可以發(fā)生相互的轉(zhuǎn)變。7.頁(yè)巖氣藏具有異常高壓特征常規(guī)儲(chǔ)層由于其孔隙度大,滲透率高,對(duì)壓力的傳導(dǎo)有利,是一個(gè)

50、相對(duì)開放的壓力系統(tǒng),因此壓力系統(tǒng)與地層壓力接近。對(duì)較厚頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度小、滲透率低,是一個(gè)相對(duì)封閉的壓力系統(tǒng),由于欠壓實(shí)作用和天然氣量的增多、生氣膨脹力等作用容易形成高壓異常帶,平均壓力梯度在0.343psi/ft。原生頁(yè)巖氣藏以高異常壓力為特征,當(dāng)發(fā)生構(gòu)造升降運(yùn)動(dòng)時(shí),其異常壓力相應(yīng)升高或降低。因此頁(yè)巖氣藏可為高異常、正?；虻彤惓毫μ卣?據(jù)張金川等,2003。從美國(guó)已發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來看,頁(yè)巖氣藏既有高異常地層壓力,也有低異常地層壓力。產(chǎn)生理論分析與統(tǒng)計(jì)結(jié)果不相符合的主要原因在于構(gòu)造的抬升或沉降運(yùn)動(dòng),由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為致密的地層所構(gòu)成,其間的孔隙地層水無法進(jìn)行有效的流動(dòng),因此地層壓力的封閉性

51、相對(duì)較強(qiáng)。當(dāng)已經(jīng)成藏的頁(yè)巖氣發(fā)生相對(duì)的構(gòu)造抬升或沉降運(yùn)動(dòng)時(shí),原始的頁(yè)巖氣藏地層壓力得到了一定程度的滯留,從而產(chǎn)生了更高或相對(duì)降低的異常地層壓力。根據(jù)這一特點(diǎn),頁(yè)巖氣藏的發(fā)育通常與高異常地層壓力保持一致,除非在頁(yè)巖氣成藏后發(fā)生了較大幅度的構(gòu)造沉降運(yùn)動(dòng)。但在使用這一原理進(jìn)行異常地層壓力分析時(shí),需要對(duì)是否具有良好的封閉性條件進(jìn)行確定,否則可能產(chǎn)生恰好相反的分析結(jié)果,統(tǒng)計(jì)資料表明,頁(yè)巖氣藏的地層壓力系數(shù)可有較大幅度變化。除此之外,水平方向的構(gòu)造擠壓作用亦對(duì)頁(yè)巖氣藏地層壓力的發(fā)育產(chǎn)生重要影響,這種作用可以通過勢(shì)場(chǎng)分析方法予以考慮,通常情況下,頁(yè)巖氣藏存在于流體的高勢(shì)能區(qū)。8.頁(yè)巖氣成藏機(jī)理上具有遞變過渡

52、特征從成藏機(jī)理中,頁(yè)巖氣表現(xiàn)出明顯的從煤層氣根緣氣常規(guī)氣的過渡,即體現(xiàn)在吸附機(jī)理中的吸附氣含量上,煤層氣(7595%頁(yè)巖氣(大于50%常規(guī)氣(表現(xiàn)典型游離態(tài)。9.頁(yè)巖氣藏以產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)為特征由于泥頁(yè)巖巖性致密、孔隙度和滲透率較低,以及賦存方式多樣,因此,頁(yè)巖氣生產(chǎn)以產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)為特征,并呈現(xiàn)負(fù)下降曲線特征,產(chǎn)氣量由低先上升,很快達(dá)到高峰后緩慢下降。第四節(jié)頁(yè)巖氣成藏的主控因素及成藏模式一、頁(yè)巖氣成藏的主要控制因素鑒于頁(yè)巖氣的生成、運(yùn)移、富集特點(diǎn),頁(yè)巖氣成藏主要受泥頁(yè)巖礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量及類型、熱演化程度、構(gòu)造作用及裂縫發(fā)育程度等因素控制。1.巖性及礦物組成頁(yè)巖作為巖石通常被定義為“

53、細(xì)粒的碎屑沉積巖”,但它在礦物組成(例如粘土質(zhì)、硅質(zhì)和碳質(zhì)等、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上卻多種多樣。盡管含氣頁(yè)巖通常被稱作“黑色頁(yè)巖”,這對(duì)于我們?cè)陧?yè)巖氣的研究中可能是個(gè)誤導(dǎo)。頁(yè)巖的巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁(yè)巖(高炭泥頁(yè)巖類,巖石組成一般為30% 50%的粘土礦物、15%25%的粉砂質(zhì)(石英顆粒和1%20%的有機(jī)質(zhì),多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。頁(yè)巖的礦物組成包括一定數(shù)量的碳酸鹽、黃鐵礦、粘土質(zhì)、石英和有機(jī)碳。Barnett頁(yè)巖在巖性上是由含硅頁(yè)巖、石灰?guī)r和少量白云巖組成?？傮w上,巖層中硅含量相對(duì)較多(占體積的35%-50%而粘土礦物含量較少(35%。Lewis 頁(yè)巖為富含石英的泥巖,其

54、總有機(jī)碳含量變化在0.5%2.5%之間。Antrim 頁(yè)巖由薄層狀粉砂質(zhì)黃鐵礦和富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖組成,夾灰色、綠色頁(yè)巖和碳酸鹽巖層。2.巖石有機(jī)地化特征泥頁(yè)巖有機(jī)地化特征不但影響著巖石的生氣能力,而且對(duì)巖石的儲(chǔ)集能力(尤其是吸附能力具有重要的控制作用。富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中生成天然氣的數(shù)量主要取決于以下三個(gè)因素:巖石中原始沉積的有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量,即巖石中的有機(jī)碳含量;不同類型有機(jī)物質(zhì)成因的聯(lián)系和原始生成天然氣的能力,即有機(jī)質(zhì)類型;有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成烴類天然氣的程度,有機(jī)質(zhì)熱演化程度。前兩個(gè)因素主要取決于沉積位置的環(huán)境,而第三個(gè)主要取決于沉積后熱演化的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,或是在最大埋深下的壓實(shí)變質(zhì)作用。有機(jī)質(zhì)含量

55、的控制作用:頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)頁(yè)巖氣成藏的控制作用主要體現(xiàn)在頁(yè)巖氣的生成過程和賦存過程中。巖石中總有機(jī)碳含量不僅在烴源巖中是重要的,在以吸附和溶解作用為儲(chǔ)集天然氣方式的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中也是很重要的。有機(jī)質(zhì)的含量是生烴強(qiáng)度的主要影響因素,它決定著生烴的多少,因此,對(duì)頁(yè)巖氣成藏的具有重要的控制作用。Schmoker將有機(jī)質(zhì)超過2%(包括2%的泥盆系頁(yè)巖定為“富有機(jī)質(zhì)的”頁(yè)巖。頁(yè)巖氣藏要求大面積的供氣,而有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的分布和面積決定有效氣源巖的分布和面積;從裂縫中聚集的天然氣以大面積的活塞式整體推進(jìn)為主要方式,因此必須有大量的天然氣生成;頁(yè)巖氣藏要求源巖長(zhǎng)期生氣供氣過程,而有機(jī)質(zhì)含量決定生氣量的一個(gè)主要因

56、素。高的有機(jī)碳含量意味著更高的生烴潛力(圖1-8。0.61.0圖1-8 阿巴拉契亞盆地中泥盆系頁(yè)巖產(chǎn)氣區(qū)有機(jī)碳含量和熱成熟度的關(guān)系(據(jù)Schmoker,1993頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量與頁(yè)巖對(duì)氣的吸附能力之間存在正相關(guān)的線性關(guān)系。在相同壓力下,頁(yè)巖有機(jī)碳含量越高,甲烷吸附量越高。在對(duì)Antrim頁(yè)巖總有機(jī)碳含量與含氣量關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),頁(yè)巖的含氣量主要取決于其總有機(jī)碳含量。有機(jī)碳含量進(jìn)而影響到頁(yè)巖氣的產(chǎn)量,在有機(jī)碳含量高的地區(qū)頁(yè)巖氣的產(chǎn)量比有機(jī)碳含量低的地區(qū)要高。而且總有機(jī)碳含量還可以幫助我們準(zhǔn)確地確定儲(chǔ)層中的巖石孔隙度和含水飽和度。含氣頁(yè)巖中的總有機(jī)碳含量一般在1.5%-20%。Barnett頁(yè)巖

57、的總有機(jī)碳含量平均在4.5%,未熟的巖石露頭高達(dá)11%-13%。干酪根類型:頁(yè)巖中干酪根的類型,可以為我們提供有關(guān)烴源巖可能的沉積環(huán)境的信息。干酪根的類型不但對(duì)巖石的生烴能力有一定的影響作用,還可以影響天然氣吸附率和擴(kuò)散率。一般來說,在湖沼沉積環(huán)境形成的煤系地層的泥頁(yè)巖中,富含有機(jī)質(zhì),并以腐殖質(zhì)的型干酪根為主,有利于天然氣的形成和吸附富集,煤層氣的生成和富集成藏也正好說明了這一點(diǎn)(煤層中有機(jī)質(zhì)的含量更加豐富,煤層的含氣率一般為頁(yè)巖含氣率氣的2-4倍。在半深湖-深湖相、海相沉積的泥頁(yè)巖中,型干酪根的生烴能力和吸附能力一般高于型或型干酪根。鏡煤反射率(熱成熟度:在熱成因頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層中,烴類氣體是在

58、時(shí)間、溫度和壓力的共同作用下生成的。熱成熟度可以幫助我們了解儲(chǔ)層中是以石油為主,還是以天然氣為主或是不產(chǎn)油氣。干酪根的成熟度不僅可以用來預(yù)測(cè)源巖中生烴潛能,還可以用于高變質(zhì)地區(qū)尋找裂縫性頁(yè)巖氣儲(chǔ)層潛能,作為頁(yè)巖儲(chǔ)層系統(tǒng)有機(jī)成因氣研究的指標(biāo)。干酪根的熱成熟度也影響頁(yè)巖中能夠被吸附在有機(jī)物質(zhì)表面的天然氣量。含氣頁(yè)巖的熱成熟度通常用Ro來表示,對(duì)于質(zhì)量相同或相近的烴源巖,一般來說Ro越高表明生氣的可能越大(生氣量越大,裂縫發(fā)育的可能性越大(游離態(tài)的頁(yè)巖氣相對(duì)含量越大,頁(yè)巖氣的產(chǎn)量越大。熱成熟度控制有機(jī)質(zhì)的生烴能力,不但直接影響頁(yè)巖氣的生氣量,而且影響生烴后天然氣的賦存狀態(tài)、運(yùn)移程度、聚集場(chǎng)所。適當(dāng)?shù)臒岢墒於扰浜线m宜的生烴條件使生氣作用處于最佳狀態(tài)。以俄亥俄東部和賓夕尼亞西北部產(chǎn)頁(yè)巖