頁(yè)巖氣成藏特征

頁(yè)巖氣成藏特征

國(guó)際能源供需矛盾日益突出，越來越多的國(guó)家重視對(duì)巖漿巖資源的勘探和開發(fā)。從全球范圍看,泥、頁(yè)巖約占全部沉積巖的60%,頁(yè)巖氣資源前景巨大。全球頁(yè)巖氣資源量為456.24×1012m3,主要分布在北美、中亞和中國(guó)、拉美、中東和北非、前蘇聯(lián)。美國(guó)頁(yè)巖氣資源量十分豐富,其地質(zhì)資源量高達(dá)(141.6～169.9)×1012m3。技術(shù)可采資源量(Lewis頁(yè)巖除外)在(9.5～23.2)×1012m3。加拿大頁(yè)巖氣資源分布廣、層位多,預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣資源量超過42.5×1012m3。我國(guó)各地質(zhì)時(shí)期頁(yè)巖分布廣泛,勘探開發(fā)潛力大,頁(yè)巖氣資源十分豐富,總地質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)150×1012m3。根據(jù)地質(zhì)背景,可將我國(guó)頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)大致劃分為四大區(qū)域,即南方、中東部(華北—東北)、西北及青藏等四大地區(qū)(圖1)。在四川、渤海灣、鄂爾多斯、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等盆地均有頁(yè)巖氣成藏的地質(zhì)條件。1頁(yè)巖氣開發(fā)現(xiàn)狀與前景目前美國(guó)已發(fā)現(xiàn)豐富的頁(yè)巖氣資源,擁有世界領(lǐng)先的勘探開發(fā)技術(shù),取得了豐富的成果,并已進(jìn)入頁(yè)巖氣開發(fā)的快速發(fā)展階段。2000年以來,頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)不斷提高,并得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)加密的井網(wǎng)部署,使頁(yè)巖氣的采收率提高了20%,年生產(chǎn)量迅速攀升(表1)。與美國(guó)相比,加拿大的頁(yè)巖氣商業(yè)開采處于起步階段,但與世界其他國(guó)家和地區(qū)相比,已步入前列,西部地區(qū)大約有(15.6～24.4)×1012m3的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量,目前頁(yè)巖氣已成為加拿大重要的替代能源,實(shí)現(xiàn)了對(duì)頁(yè)巖氣的商業(yè)性開發(fā),但處于初級(jí)階段。中國(guó)是繼美國(guó)和加拿大之后,正式開始頁(yè)巖氣資源勘探開發(fā)的國(guó)家,我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富,據(jù)初步評(píng)價(jià)與美國(guó)頁(yè)巖氣資源量大體相當(dāng)。但目前我國(guó)頁(yè)巖氣藏的研究相對(duì)欠缺,頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)還尚未成熟,與常規(guī)天然氣和煤層氣相比頁(yè)巖氣仍屬起步階段。目前,在歐洲也逐步開展頁(yè)巖氣勘探,如英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、奧地利、波蘭、匈牙利和瑞典。2頁(yè)巖氣成藏模式Curtis定義了現(xiàn)代頁(yè)巖氣的概念,認(rèn)為頁(yè)巖氣可以是儲(chǔ)存在天然裂隙和粒間孔隙中的游離氣,也可以是干酪根和頁(yè)巖顆粒表面的吸附氣或是干酪根和瀝青中的溶解氣,指出吸附作用是頁(yè)巖氣聚集的基本方式之一,吸附氣含量可占頁(yè)巖氣總含量的20%～85%。此后,國(guó)內(nèi)學(xué)者張金川等將頁(yè)巖氣概括為: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。這些儲(chǔ)集在頁(yè)巖層中自生自儲(chǔ)式的天然氣稱為頁(yè)巖氣。具有一定規(guī)模并含商業(yè)性開采價(jià)值頁(yè)巖氣的頁(yè)巖儲(chǔ)集體稱為頁(yè)巖氣藏。前人對(duì)美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地頁(yè)巖氣的成因研究表明,頁(yè)巖氣可以通過以下2種途徑演變而來,并由此對(duì)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行分類(表2)。3頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)頁(yè)巖氣藏是“自生自儲(chǔ)”式氣藏,成藏過程無運(yùn)移或極短距離的有限運(yùn)移。氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中主要以兩種方式儲(chǔ)集:在天然裂縫或空隙中以游離狀態(tài)存在;在不溶有機(jī)質(zhì)和礦物顆粒表面以吸附狀態(tài)存在。還有極少量的氣體溶解在瀝青等有機(jī)溶劑中。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。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),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,再到生烴高峰時(shí)期的置換式運(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。頁(yè)巖氣賦存構(gòu)成了從典型吸附到常規(guī)游離之間的過渡,它將煤層氣(典型吸附氣成藏原理)、根緣氣(活塞式氣水排驅(qū)原理)和常規(guī)氣(典型的置換式運(yùn)聚機(jī)理)的富集、運(yùn)移、聚集和成藏過程聯(lián)結(jié)在一起(圖2)。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,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。4巖漿巖的氣藏頁(yè)巖氣成藏受多種因素綜合影響,包括沉積環(huán)境、總有機(jī)碳含量、干酪根類型和熱演化程度等。4.1巖氣成藏環(huán)境頁(yè)巖氣的工業(yè)聚集需要豐富的氣源物質(zhì)基礎(chǔ),要求生烴有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。有機(jī)質(zhì)豐度高的黑色泥頁(yè)巖是頁(yè)巖氣成藏的最好源巖,它們的形成需要較快速的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境。沉積速率較快可以使得富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在被氧化破壞之前能夠大量沉積下來,而水體缺氧可以抑制微生物的活動(dòng)性,減小其對(duì)有機(jī)質(zhì)的破壞作用。在沉積埋藏后控制甲烷產(chǎn)量的因素是缺氧、缺硫酸鹽環(huán)境,低溫、富含有機(jī)物質(zhì)和具有充足的儲(chǔ)存氣體的空間。4.2有機(jī)碳含量的下限總有機(jī)碳含量是烴源巖豐度評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),也是衡量生烴強(qiáng)度和生烴量的重要參數(shù)。有機(jī)碳含量隨巖性變化而變化,對(duì)于富含粘土的泥頁(yè)巖來說,由于吸附量很大,有機(jī)碳含量最高,因此,泥頁(yè)巖作為潛力源巖的有機(jī)含量下限值就愈高,而當(dāng)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型愈好,熱演化程度高時(shí),相應(yīng)的有機(jī)碳含量下限值就低。對(duì)泥質(zhì)油源巖中有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn),目前國(guó)內(nèi)外的看法基本一致,為0.4%～0.6%,而泥質(zhì)氣源巖有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)則有所不同。美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地的含氣頁(yè)巖總有機(jī)碳含量一般在1.5%～20%。Antrim頁(yè)巖與NewAlbany頁(yè)巖的總有機(jī)碳是五套含氣頁(yè)巖中最高的,其最高值可達(dá)25%,Lewis頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量最低,也可達(dá)到0.45%～2.5%,一般認(rèn)為總有機(jī)碳含量在0.5%以上就是有潛力的源巖。4.3頁(yè)巖干結(jié)構(gòu)類型干酪根類型是衡量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)烴能力的參數(shù),不同類型的干酪根同時(shí)也決定了產(chǎn)物以油為主還是以氣為主,還影響天然氣吸附率和擴(kuò)散率?？v觀美國(guó)頁(yè)巖氣盆地的頁(yè)巖干酪根類型,主要以Ⅰ型干酪根與Ⅱ型干酪根為主,也有部分Ⅲ型干酪根,而且不同干酪根類型的頁(yè)巖都生成了數(shù)量可觀的氣。實(shí)驗(yàn)證明,不同干酪根類型主生氣期(某一時(shí)期天然氣的生成量占總生氣量的70%～80%)對(duì)應(yīng)的Ro值不同,Ⅰ型干酪根為1.2%～2.3%,Ⅱ型干酪根為1.1%～2.6%,Ⅲ型干酪根為0.7%～2.0%。因此,頁(yè)巖氣可以在不同有機(jī)質(zhì)類型的源巖中產(chǎn)出,有機(jī)質(zhì)的總量和成熟度才是決定源巖產(chǎn)氣能力的重要因素。4.4有機(jī)質(zhì)向烴類演化的過程含氣頁(yè)巖的熱成熟度Ro越高表明生氣的可能越大。美國(guó)五大產(chǎn)氣頁(yè)巖的熱成熟度從0.4%～0.6%(臨界值)到0.6%～2.0%(成熟),頁(yè)巖氣的生成貫穿于有機(jī)質(zhì)向烴類演化的整個(gè)過程。即,只要頁(yè)巖層中的有機(jī)質(zhì)達(dá)到了生烴標(biāo)準(zhǔn),即Ro大于0.4%,就可以生成天然氣,它們就有可能在頁(yè)巖中聚集成藏。一般地,當(dāng)Ro大于1.0%更易于生氣,Ro在1.0%～2.0%是為生氣窗,當(dāng)Ro大于1.4%時(shí)則生成干氣;Ro小于0.6%為未成熟階段,Ro在0.4%～0.6%時(shí)可生成生物成因氣。熱成熟度是評(píng)價(jià)可能的高產(chǎn)頁(yè)巖氣的關(guān)鍵參數(shù),熱成熟度越高越有利于頁(yè)巖氣的生成,也有利于頁(yè)巖氣的產(chǎn)出。5巖漿巖氣儲(chǔ)層條件和富有成效規(guī)律頁(yè)巖既是源巖又是儲(chǔ)集層,因此頁(yè)巖氣具有典型的“自生自儲(chǔ)”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。5.1巖氣儲(chǔ)集前提由于儲(chǔ)集條件特殊,天然氣在其中以多種相態(tài)賦存。通常足夠的埋深和厚度是保證頁(yè)巖氣儲(chǔ)集的前提條件。頁(yè)巖具有較低的孔隙度和滲透率,但天然裂縫的存在會(huì)改善頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)集性能。5.1.1泥頁(yè)巖埋深有利于確定氣藏的控制因素美國(guó)頁(yè)巖氣盆地有關(guān)資料表明,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的埋藏深度范圍比較廣泛。埋深從最淺的76m到最深的2439m,主要介于762m到1372m。一般地,頁(yè)巖的厚度在91.5m～183m。頁(yè)巖的厚度和埋深是控制頁(yè)巖氣成藏的關(guān)鍵因素。泥頁(yè)巖必須達(dá)到一定的厚度并具有連續(xù)分布面積,提供足夠的氣源和儲(chǔ)集空間,才能成為有效的烴源巖層和儲(chǔ)集層。頁(yè)巖越厚,對(duì)氣藏形成越有利。頁(yè)巖厚度可由有機(jī)碳含量的增大和成熟度的提高而適當(dāng)降低,到目前為止,具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值頁(yè)巖氣藏的頁(yè)巖厚度下限還沒有被明確提出來。足夠的埋藏深度能夠保證有機(jī)質(zhì)具備向油氣轉(zhuǎn)化所必需的溫度和壓力,多期的抬升與深埋使得頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)可以多次進(jìn)入生烴門限,因此許多盆地中的頁(yè)巖氣是多期生成的。泥頁(yè)巖的埋深不但影響頁(yè)巖氣的生產(chǎn)和聚集,還直接影響頁(yè)巖氣的開發(fā)成本。由于油價(jià)和氣價(jià)的上漲及開采技術(shù)的進(jìn)步,目前的勘探開發(fā)深度將進(jìn)一步增加。5.1.2儲(chǔ)體系的流變學(xué)孔隙度是確定游離氣含量和評(píng)價(jià)頁(yè)巖滲透性的主要參數(shù)。作為儲(chǔ)層,含氣頁(yè)巖顯示出低的孔隙度(<10%),低的滲透率(通常?0.001μm2)。Chalmers等認(rèn)為孔隙度與頁(yè)巖氣的總含量之間具有正相關(guān)性,也就是說頁(yè)巖氣的總含量隨頁(yè)巖孔隙度的增大而增大。微孔對(duì)吸附態(tài)頁(yè)巖氣存儲(chǔ)具有重要影響,微孔體積越大比表面積越大,對(duì)氣體分子的吸附能力也就越強(qiáng)。滲透率在一定程度上影響頁(yè)巖氣的賦存形式,主要影響游離態(tài)氣體的存儲(chǔ)。頁(yè)巖氣滲透率越大,游離態(tài)氣體的儲(chǔ)集空間就越大。5.1.3儲(chǔ)層裂縫與油氣裂縫和不整合面為頁(yè)巖氣提供了聚集空間,也為頁(yè)巖氣的生產(chǎn)提供運(yùn)移通道。Hill(2000)認(rèn)為,由于頁(yè)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(yè)巖氣儲(chǔ)層的產(chǎn)量。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(yè)巖氣儲(chǔ)層中倘若發(fā)育大量的裂縫群,那就意味著可能會(huì)存在足夠進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)的頁(yè)巖氣。阿巴拉契亞盆地產(chǎn)氣量高的井,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(chǔ)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。控制頁(yè)巖氣產(chǎn)能的主要地質(zhì)因素為裂縫的密度及其走向的分散性,裂縫條數(shù)越多,走向越分散,連通性越好,頁(yè)巖氣產(chǎn)量越高。5.2煤系富礦巖氣藏富集程度及巖性結(jié)構(gòu)頁(yè)巖氣藏為典型自生自儲(chǔ)式的連續(xù)型氣藏,控制頁(yè)巖氣藏富集程度的關(guān)鍵因素主要包括頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)含量和頁(yè)巖儲(chǔ)層空間(孔隙、裂縫)三大因素:(1)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度愈大,氣藏富集程度愈高;(2)有機(jī)碳含量愈高,氣藏富集程度愈高;(3)頁(yè)巖孔隙與微裂縫愈發(fā)育,氣藏富集程度愈高。6構(gòu)造作用對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集過程的影響頁(yè)巖是一種致密的細(xì)粒沉積巖,本身可以作為頁(yè)巖氣藏的蓋層,上覆或下覆的致密巖石也可對(duì)頁(yè)巖氣具一定的封蓋作用,使得頁(yè)巖氣難以從頁(yè)巖中逸出。頁(yè)巖氣邊形成邊賦存聚集,不需要構(gòu)造背景,為隱蔽圈閉氣藏,它們?cè)诖竺娣e內(nèi)為天然氣所飽和。由于致密頁(yè)巖具有超低的孔隙度和滲透率,頁(yè)巖體可以形成一個(gè)封閉不滲漏的儲(chǔ)集體將頁(yè)巖氣封存在頁(yè)巖層中,相當(dāng)于常規(guī)油氣藏中的圈閉。構(gòu)造作用對(duì)頁(yè)巖氣的生成和聚集有重要的影響,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首先,構(gòu)造作用能夠直接影響泥頁(yè)巖的沉積作用和成巖作用,進(jìn)而對(duì)泥頁(yè)巖的生烴過程和儲(chǔ)集性能產(chǎn)生影響;構(gòu)造作用還會(huì)造成泥頁(yè)巖層的抬升和下降,從而控制頁(yè)巖氣的成藏過程;構(gòu)造作用可以產(chǎn)生裂縫,可以有效改善泥頁(yè)巖的儲(chǔ)集性能,對(duì)儲(chǔ)層滲透率的改善尤其明顯。由于大約半數(shù)的頁(yè)巖氣是以吸附方式存在,而頁(yè)巖又具有最優(yōu)先的聚集和保存條件。因此它具有較強(qiáng)的抗構(gòu)造破壞能力,能夠在一般常規(guī)氣藏難以形成或保存的地區(qū)形成工業(yè)規(guī)模聚集。即使在構(gòu)造作用破壞程度較高的地區(qū),只要有天然氣的不斷生成,就仍會(huì)有頁(yè)巖氣的持續(xù)存在。7頁(yè)巖氣成藏模式及量化(1)從全世界范圍看,泥、頁(yè)巖約占全部沉積巖的60%,頁(yè)巖氣資源前景巨大。全球頁(yè)巖氣資源量為456.24×1012m3,主要分布在北美、中亞和中國(guó)、拉美、中東和北非、前蘇聯(lián)。根據(jù)地質(zhì)背景,可將我國(guó)的頁(yè)巖氣發(fā)育區(qū)大致劃分為四大區(qū)域,即南方、中東部(華北—東北)、西北及青藏等四大地區(qū)。(2)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