泥頁巖儲層特征及油氣藏描述講解

1、泥頁巖儲層特征及油氣藏描述1、頁巖氣地質(zhì)理論頁巖氣藏因其自身的有效基質(zhì)孔隙度很低，主要由大范圍發(fā)育的區(qū)域性裂縫或熱裂解生氣階段異常高壓在沿應(yīng)力集中面、巖性接觸過渡面、脆性薄弱面產(chǎn)生的裂縫提供成藏所需的儲集孔隙度和滲透率，孔隙度最高僅為4%-5%，滲透率小于lxl0-3pm2。頁巖在地層組成上多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。在頁巖中，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，大部分以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機質(zhì)表面，或以游離狀態(tài)賦存于孔隙、裂縫中。吸附狀態(tài)天然氣的賦存與有機質(zhì)含量關(guān)系密切，其中吸附狀態(tài)天然氣的含量為20%-85%，其成藏體現(xiàn)出非常復(fù)雜的多機理遞變特點，表現(xiàn)為成藏

2、過程中的無運移或極短距離的有限運移，因此頁巖氣藏具有典型煤層氣、典型常規(guī)圈閉氣成藏的多重機理。頁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，是“自生自儲”式氣藏，運移距離極短，現(xiàn)今保存狀態(tài)基本上可以反映烴類運移時的狀態(tài)，即天然氣主要以游離相、吸附相和溶解相存在。在生物化學(xué)生氣階段，天然氣首先吸附在有機質(zhì)和巖石顆粒表面，飽和后則富余的天然氣以游離相或溶解相進行運移，當達到熱裂解生氣階段，由于壓力升高，若頁巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，則天然氣以游離相為主向其中運移聚集，受周圍致密頁巖烴源巖層遮擋、圈閉，易形成工業(yè)性頁巖氣藏。由于擴散作用對氣態(tài)烴的運移起到相當大的作用，天然氣繼續(xù)大量生成，將因生烴膨脹作用使

3、富余的天然氣向外擴散運移，此時無論是頁巖地層本身還是薄互層分布的砂巖儲層，均表現(xiàn)為普遍的飽含氣性。在陸相盆地中，湖沼相和三角洲相沉積產(chǎn)物一般是頁巖氣成藏的最好條件，但通常位于或接近盆地的沉降-沉積中心，導(dǎo)致頁巖氣的有利分布區(qū)集中于盆地中心處。從天然氣的生成角度分析，生物氣的產(chǎn)生需要厭氧環(huán)境，而熱成因氣的產(chǎn)生也需要較高的溫度條件，因此靠近盆地中心方向是頁巖氣成藏的有利區(qū)域。2、頁巖氣的主要特征2.1頁巖氣的成因特征頁巖氣的成因類型有生物成因型、熱解成因型和熱裂解成因3類型及其混合類型。對生物成因氣而言，其源巖的熱演化程度低，R一般不到0.7%，所生成O的甲烷碳同位素非常輕，一般都小于-50%。表

4、1是美國幾個主要的頁巖氣產(chǎn)層的地質(zhì)地化特征。不難看出，密執(zhí)根盆地的Antrim頁巖氣是典型的生物成因，伊利諾斯盆地的NewAlbany頁巖氣是生物及熱成因混合氣。這些頁巖氣的埋深較淺、鏡質(zhì)體反射率低以及甲烷氣碳同位素輕。這里需要強調(diào)說明，有些頁巖氣主要是屬于生物成因，但其甲烷碳同位素并沒有達到生物成因的天然氣的判別標準，較生物成因的甲烷碳同位素偏重。對于熱解成因頁巖氣而言，其甲烷碳同位素往往又較源巖母質(zhì)對應(yīng)的熱演化程度下的甲烷碳同位素低。造成這些現(xiàn)象的根本原因是，頁巖氣是一種殘留型天然氣藏，它們現(xiàn)今的組分特征及其碳同位素特征是其各個熱演化階段生成的不同成因類型的天然氣的混合體。表1美國含氣頁巖

5、主要特征井Ml盆地頁巖地層埋藏厚度干酪根w(TOC)/I?o/含氣呈吸附氣含采收總孔隙滲透率/iniflE婁型名稱年代深度/'mm熒型%/(m3t】)s/%率'%度%(10-3pm2)阿巴拉前陸<'.0；：1-0T4()hio泥就紀|0T5231.7-2.83500202<0.1契亞盆地5246104克拉通0T4密執(zhí)根Antrim泥盆紀4910,324L13-3.57020ftO210<0.1盆地7300.6伊利克拉通New1陽T4泥盆紀111-251.132.644060020515<0.1諾斯盆地Albany4941220t8福特前陸早石朋7

6、(:1.0Barnett1113499,91406081550.01沃斯盆地炭世25913002.】前陸早白914152|為主*”660oT5至胡安Lewis0*山530T37h275心VO.1盆地堊世R29579少董IIL88855752.2頁巖氣的來源特征生成頁巖氣的源巖富含有機質(zhì)，天然氣主要來自于有機母質(zhì)的熱作用。在有機母質(zhì)進入熱成熟之前，它們往往都要經(jīng)歷一個生物降解作用階段。在這一階段生成的未熟生物氣大多被滯留于源巖內(nèi)，與后期生成的熱解氣混合，構(gòu)成了成熟熱解氣或熱裂解氣的一部分。Curtis對美國產(chǎn)工業(yè)性泥頁巖氣的5套主要頁巖氣層的地質(zhì)特征和地球化學(xué)特征進行了歸納和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)泥頁巖一般

7、具有如下特征：（1）泥頁巖氣的地層厚度較大，埋深較淺。目前具有經(jīng)濟可采價值的頁巖氣地層的厚度均大于6m，最大達610m，埋深范圍為183m-2600m。（2）泥頁巖氣的TOC含量值變化范圍大，可由0.3%到25%。目前，美國主要的頁巖氣產(chǎn)層的TOC含量都較高，一般超過2%。TOC含量高的泥頁巖含粘士礦物多，吸附性強，單位體積巖石內(nèi)的容氣量多。(3) 泥頁巖氣的干酪根類型多為I和II型，III型較少。類型好的源巖生成的油氣量多，自身殘留的烴量也多。需要指出的是，母質(zhì)類型較好的泥頁巖，其在熱演化程度較低時形成泥頁巖油藏，在熱演化程度較高時，通過原油的裂解才能轉(zhuǎn)變?yōu)槟囗搸r氣藏。(4) 泥頁巖的R在0

8、.2%-2.0%,變化范圍寬。從美國目前的頁巖氣產(chǎn)層O看,它們的Ro都在1.0%-2.0%。這說明,形成頁巖氣資源并不需要源巖達到一O個很高的熱演化程度,關(guān)鍵是能夠飽和巖層的殘留需要。2.3頁巖氣的儲層特征(1) 頁巖氣富集于泥頁巖內(nèi)部復(fù)雜的介質(zhì)條件中。泥頁巖氣既富存于暗色泥巖和頁巖的孔隙內(nèi)、裂縫中,也富集在泥頁巖內(nèi)部的淺色粉砂巖、細砂巖的薄互層中,還有的溶解于干酪根介質(zhì)內(nèi)。(2) 泥頁巖氣富集在非常細小的原生孔隙內(nèi)。事實上,盡管泥頁巖自身非常致密,但其孔隙度的大小隨裂縫發(fā)育程度的不同變化范圍較大,可由1%到15%,滲透率則隨裂縫發(fā)育程度的不同而有較大變化。(3) 泥頁巖氣以多種相態(tài)形式存留于

9、孔隙空間,包括吸附態(tài)、游離態(tài)以及溶解態(tài),賦存在泥頁巖中。其中吸附作用是頁巖氣儲集下來的重要機制之一,吸附態(tài)天然氣的含量變化為生40%-85%,主要是吸附在干酪根或礦物表面上,游離氣及溶解氣則富集在巖石孔隙、有機質(zhì)內(nèi)孔隙及裂縫的空間內(nèi)。(4) 泥頁巖氣在巖石中具有廣泛的飽和性,每噸巖石含氣量為0.4-9.9m3。大多數(shù)情況下為1-3m3/t，它們主要以吸附狀態(tài)存在于巖石內(nèi)，吸附氣含量一般為20%-85%。泥頁巖殘留的氣量與許多地質(zhì)條件有關(guān),包括埋深條件、溫壓條件、生烴條件以及巖層的排烴條件等等。(5) 頁巖氣藏為“自生自儲”式氣藏，具有獨立的油氣系統(tǒng)，生氣層、儲集層、蓋層均為其本身，生成后的運移

10、也發(fā)生在頁巖內(nèi)部，運移路徑較短，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式，不受構(gòu)造影響，無圈閉，無明顯的油水界面。(6) 頁巖氣藏通常具有異常壓力，不同成因的頁巖氣藏具有不同的壓力特征。一般而言，熱成因的頁巖氣藏一般以高壓為主要特征，而生物成因的頁巖氣藏則一般以低壓為主，前者埋藏較深，后者埋藏較淺。2.4頁巖氣儲層非均質(zhì)性頁巖組成和結(jié)構(gòu)特性使得頁巖氣儲層非均質(zhì)性很強，并有縱向、橫向非均質(zhì)性之分?？v向非均質(zhì)性是縱向上巖石組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孔隙特征、儲氣性能等的變化規(guī)律，橫向非均質(zhì)性是平面上的分布特征網(wǎng)。頁巖氣儲層的非均質(zhì)性主要表征在有機質(zhì)和組成礦物以及儲層結(jié)構(gòu)上。與其他儲層相似，巖石的非均質(zhì)性主要是原始沉積過

11、程中形成的，也受沉積作用、成巖作用以及構(gòu)造作用多因素的綜合影響（圖1）。沉積格局的多樣性，成巖作用的復(fù)雜性，構(gòu)造演化作用的多階段性，使得頁巖氣儲層具有空間上分布的非均質(zhì)性，進而控制儲層孔隙空間中流體的聚集和滲流。頁巖氣儲層的非均質(zhì)性不僅對天然氣的成藏、聚集和運移有重要影響，而且對后期儲層改造以及頁巖氣的勘探開發(fā)具有十分重要的應(yīng)用價值。從上述分析可知，頁巖儲層特征的變化，不僅控制了其中頁巖氣的賦存狀態(tài)，還制約著頁巖氣的富集和分布，因此，頁巖氣儲層非均質(zhì)性的評價是頁巖氣富集規(guī)律研究的重要基礎(chǔ)。（1）縱向非均質(zhì)性。通過富有機質(zhì)頁巖層段在縱向上巖石組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孔隙特征、儲氣性能等的變化規(guī)律，評價有

12、利的頁巖氣富集層段。（2）橫向非均質(zhì)性。根據(jù)富有機質(zhì)頁巖層段上述參數(shù)在平面上的分布特征，指出有利的頁巖氣富集區(qū)帶。儲層沉和沉積輅局的夢樣性規(guī)模平-.垂向韻懐利物悝"連迪峙槪性規(guī)矽卜附鞠性jy車均擷度瓷汗蕊7/*%觀咲汕蔽的、也類.滲流方向圖1影響頁巖氣儲層非均質(zhì)性的主要因素2.5頁巖氣的測井資料定性識別頁巖儲層在常規(guī)測井曲線上有明顯的特征。利用測井曲線形態(tài)和測井曲線值相對大小能夠快速直觀地識別頁巖氣儲層。頁巖氣層在自然伽馬、井徑測井、中子測井、巖性密度測井、聲波時差及電阻率測井曲線上具有明顯的響應(yīng)特征，如表2所示。表2頁巖氣測井曲線響應(yīng)特征測井曲線輸出參數(shù)曲線特征自然伽馬自然放射性高

13、值0100API).局部低值井徑井眼直徑擴徑聲波時差時差曲線較高有周波跳躍中子孔隙度中子孔隙度高值地層密度地層密度中低伉巖性密度有效光電吸抬數(shù)Pe低值深淺電阻率深探測電阻率總體低值局部高值；深淺淺探測電阻率側(cè)向曲線幾乎重合影響因素泥質(zhì)含量越高自然伽馬值越大；有機質(zhì)中可能含有高放射性物質(zhì)泥質(zhì)地層顯擴徑；有機質(zhì)的存在使井眼擴徑更加嚴重巖性密度：泥巖V頁巖V砂巖；有機質(zhì)豐度高聲波時差大；含氣量增大聲波值變大；遇裂縫發(fā)生周波跳躍；井徑擴大束縛水使測呈值偏高；含氣量增大使測量值偏低；裂縫地區(qū)的中子孔隙度變大含氣豈大密度值低：有機質(zhì)使測量值偏低：裂縫底層密度值偏低井徑擴大炷類引起測量值偏小；氣體引起測量值

14、偏??；裂縫帶局部曲線降低地層滲透率；泥質(zhì)和束縛水均使電阻率偏低：有機質(zhì)干酪根電阻率極大.測量值局部為高值3、頁巖氣成藏機理頁巖氣成藏可能形成于油氣生成的各個階段，具有典型的“混合型”特征。在生物化學(xué)生氣階段，厭氧類微生物分解有機質(zhì)，生成甲烷，甲烷以吸附相儲集于頁巖儲層中，形成生物成因頁巖氣圖2(a)。隨著埋藏加深，有機質(zhì)演化進入熱裂解生氣階段，大量生成的天然氣造成了較高的地層壓力，頁巖內(nèi)部沿脆性薄弱面或者應(yīng)力集中面產(chǎn)生裂縫，則天然氣以游離相為主向其中運移聚集圖2(b)，形成熱成因頁巖氣藏。在上述階段，頁巖儲層的儲集空間是由于高壓形成的天然裂縫，頁巖氣表現(xiàn)為“自生自儲”式成藏。如果天然氣持續(xù)生成

15、，頁巖內(nèi)部儲集空間飽和，從而產(chǎn)生以生烴膨脹作用為基本動力的天然氣“逃逸”作用，天然氣陸續(xù)進入砂巖等常規(guī)儲集層，繼而形成大規(guī)模的常規(guī)天然氣藏圖2(c)。頁沖氣成讖F介段(h)根緣氣成藏階段(c)常規(guī)圈閉氣成藏階段二二一二二頁巖致密砂7:：:常規(guī)砂巖g含氣破裂帶圖2天然氣成藏的3個階段4、頁巖氣儲集條件及富集規(guī)律頁巖既是源巖又是儲集層，因此頁巖氣具有典型的“自生自儲”成藏特征，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。4.1頁巖氣儲集條件由于儲集條件特殊，天然氣在其中以多種相態(tài)賦存。通常足夠的理深和厚度是保證頁巖氣儲集的前提條件。頁巖具有較低的孔隙度和滲透率，但天然裂縫的存在會改善

16、頁巖氣藏的儲集性能。裂縫和不整合面為頁巖氣提供了聚集空間，也為頁巖氣的生產(chǎn)提供運移通道。Hill認為，由于頁巖中極低的基巖滲透率，開啟的、相互垂直的或多套天然裂縫能增加頁巖氣儲層的產(chǎn)景。導(dǎo)致產(chǎn)能系數(shù)和滲透率升高的裂縫，可能是由干酪根向烴類轉(zhuǎn)化的熱成熟作用（內(nèi)因）、構(gòu)造作用力（外因）或是兩者產(chǎn)生的壓力引起。頁巖氣儲層中倘若發(fā)育大景的裂縫群，那就意味著可能會存在足夠進行商業(yè)生產(chǎn)的頁巖氣。阿巴拉契亞盆地產(chǎn)氣高的井，都處在裂縫發(fā)育帶內(nèi)，而裂縫不發(fā)育地區(qū)的井，則產(chǎn)量低或不產(chǎn)氣，說明天然氣生產(chǎn)與裂縫密切相關(guān)。儲層中壓力的大小決定裂縫的幾何尺寸，通常集中形成裂縫群?？刂祈搸r氣產(chǎn)能的主要地質(zhì)因素為裂縫的密度及

17、其走向的分散性，裂縫條數(shù)越多，走向越分散，連通性越好，頁巖氣產(chǎn)量越高。4.2頁巖氣富集規(guī)律頁巖氣藏為典型自生自儲式的連續(xù)型氣藏，控制頁巖氣藏富集程度的關(guān)鍵因素主要包括頁巖厚度、有機質(zhì)含量和頁巖儲層空間（孔隙、裂縫）三大因素。（1）富有機質(zhì)頁巖厚度愈大，氣藏富集程度愈高；（2）有機碳含量愈高，氣藏富集程度愈高；（3）頁巖孔隙與微裂縫愈發(fā)育，氣藏富集程度愈高。5、頁巖氣理論主要進展（1）泥頁巖油氣藏與煤層（油）氣藏、泥巖裂縫性油氣藏一樣，都屬于自生自儲類的油氣資源，但三者在成藏特征及油氣的富存狀態(tài)方面有著顯著的差異。它們的根本區(qū)別表現(xiàn)在3個方面:泥頁巖油氣藏中油氣的富存狀態(tài)十分復(fù)雜。這類油氣藏中的

18、天然氣除了吸附態(tài)之外，還有溶解態(tài)，甚至包括液化態(tài)和固化態(tài)。但其他兩種油氣藏中的天然氣相態(tài)簡單，煤層氣主要為吸附態(tài)，裂縫性天然氣主要為游離態(tài)。煤層氣的富存介質(zhì)主要為有機質(zhì)構(gòu)成的煤層，其他兩種油氣藏的富存介質(zhì)條件均為泥頁巖層，差別顯著。泥巖裂縫性油氣藏不完全屬于自生自儲自蓋，它們之中的油氣實際上已從源巖內(nèi)排出源巖外，只是目前還在同一層中而已。此外，泥巖裂縫性油氣藏的開采主要依賴浮力作用，與常規(guī)油氣藏沒有差別，而前兩者必須通過解析作用才能釋放被吸附或溶解的天然氣。（2）頁巖油氣藏與深盆油氣藏、致密構(gòu)造氣藏和致密巖性氣藏一樣，都是孔滲條件非常差的致密型油氣資源，但四者的成因機制和分布特征有著顯著的不同

19、（圖3）。它們之間的主要區(qū)別在于離源巖之間距離的遠近。泥頁巖油氣藏是一種離源最近的致密型油氣藏，是一種典型的“自生自儲自蓋型”的非常規(guī)油氣資源。深盆氣藏是富集在緊臨源巖層的致密砂巖儲層內(nèi)的非常規(guī)油氣資源，它緊臨源巖但不在源巖內(nèi)。致密的構(gòu)造氣藏和致密的巖性地層氣藏，均屬常規(guī)氣藏之列，雖然在烴源灶的控藏范圍之內(nèi)，但可以離源區(qū)較遠。它們是在浮力作用下形成的常規(guī)油氣藏，后因埋深加大，地層被壓實變得致密形成的。圖3頁巖油氣藏與致密深盆油氣藏、致密構(gòu)造氣藏及致密巖性氣藏對比圖致密常規(guī)構(gòu)造油氣藏（浮力成藏，壓實致密）;致密頁巖油氣藏（內(nèi)源產(chǎn)氣排驅(qū)孔隙水成藏）；致密地層巖性油氣藏（浮力成藏，壓實致密）；致密深

20、盆油氣藏（近源氣注入排驅(qū)孔隙水成藏）；異常規(guī)裂縫性油氣藏（毛細管力差成藏）（3）認識到頁巖油氣藏中的裂縫與泥頁巖裂縫油氣藏中的裂縫對于這兩類油氣資源都非常重要，但它們對于兩類油氣藏的地質(zhì)意義不同。比較泥頁巖油氣藏和泥頁巖裂縫性油氣藏不難發(fā)現(xiàn)，裂縫對于這兩類油氣藏的形成和開采來說至關(guān)重要。對于泥頁巖裂縫性油氣藏，裂縫為油氣富集提供了儲集空間和動力來源，沒有裂縫這類油氣藏不可能存在。裂縫是形成這類油氣藏的必要條件，也是勘探這類油氣藏的最重要地質(zhì)依據(jù)（圖4）。盡管兩類油氣藏都需要裂縫，但裂縫對于二者的地質(zhì)意義是完全不同的。對于泥頁巖裂縫性油氣藏而言，裂縫是形成油氣藏的必要條件，沒有裂縫，這類油氣藏就

21、不存在。在這種情況下，可以將裂縫作為尋找這類油氣藏的地質(zhì)依據(jù)。而對于泥頁巖油氣藏或頁巖氣，有沒有裂縫這類資源都能形成。裂縫的存在和產(chǎn)生主要是為了讓已經(jīng)富集起來的天然氣能夠更好更快地釋放出來，形成具有工業(yè)價值的產(chǎn)能。泥頁巖氣層中的裂縫，往往都是為了開采效益的需要而人為產(chǎn)生的。在中國松遼、渤海灣、柴達木及四川等盆地中均有裂縫性泥頁巖油氣藏的發(fā)現(xiàn)。圖4泥頁巖裂縫性油氣藏成藏模式與基本特征6、小結(jié)頁巖氣主要以吸附或游離狀態(tài)賦存于富有機質(zhì)頁巖中，是天然氣生成后就地聚集的結(jié)果；頁巖氣不但成因類型多樣，而且在成因特征、儲層特征、成藏機理、吸附及解吸機理、富集規(guī)律等方面獨具特性。影響泥頁巖油氣藏形成和分布的地

22、質(zhì)因素很多，主要有4方面：有機質(zhì)(TOC)豐度越高越有利泥頁巖油氣富集；埋深或熱演化程度處于中等(R°=0.8%1.2%)的泥頁巖層殘留油氣能力最強；處于欠壓實狀態(tài)的泥頁巖殘留油氣量大；構(gòu)造相對穩(wěn)定地區(qū)形成和保存的泥頁巖油氣藏資源密度較高。泥頁巖分布范圍廣、有效厚度大、有機質(zhì)豐富、含氣量大、裂縫系統(tǒng)發(fā)育、原始地質(zhì)儲量豐厚，埋深和黏土含量相對較少。泥頁巖不僅可以充當烴源巖、蓋層，一定條件下還是重要的儲層，形成資源龐大的頁巖氣聚集區(qū)帶。參考文獻：1 姜福杰，龐雄奇，歐陽學(xué)成，等.世界頁巖氣研究概況及中國頁巖氣資源潛力分析J.地學(xué)前緣,2012,19(2):198-211.2 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布J.天然氣工業(yè),2004,24(7):15-18.3 李新景，呂宗剛，董大忠，等.北美頁巖氣資源形成的地質(zhì)條件J.天然氣工業(yè)，2009，29(5):27-