頁巖氣成藏淺析

摘 要：頁巖氣是近幾年才被關注的非常規天然氣，美國Curtis是研究頁巖氣的最早學者之一，給頁巖氣一完整的描述定義。頁巖氣主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，并以吸附狀態或游離狀態為主要存在方式在烴源巖層內就近聚集，表現為典型的“原地”成藏模式，即“自生自儲”成藏模式。通過研究和技術指標測試，認為頁巖氣的成藏條件為埋藏溫度高、有機質含量高的泥頁巖氣體發育；孔隙度小（平均為5.2%）、滲透率低（低于0.001毫達西）的巖層是頁巖氣成藏條件；頁巖氣具有吸附機理和游離氣活塞式運聚機理，且具有明顯的“混合型”特征。頁巖的有機質含量和成熟度，巖層厚度，產層孔隙度及裂縫發育程度是影響頁巖氣富集的主要因素。掌握頁巖氣的特征，尋找靶區研究，便于更有效地進行頁巖氣資源勘探和開發。

關鍵詞：頁巖氣；成藏條件；成藏機理分析

1 引言

頁巖氣是非常規天然氣的重要類型，作為清潔、高效的能源，已被我國正式列為第172種礦產，不再歸屬于常規天然氣范疇。美國是頁巖氣理論研究與勘探開發最早的國家，已取得了較顯著的經濟效益和社會效益技術，并且已經形成一定的商業規模[3]。近幾年來，我國也加大了對頁巖氣的研究力度，通過實驗區塊的初步勘探，我國南方志留系地層中發育黑色頁巖，演化程度高，可形成的頁巖氣資源潛力大。特別是四川盆地的威遠和瀘州地區，其頁巖氣資源相當于四川盆地常規天然氣資源的總量，主要富集區產在南方海相頁巖中，長寧-威遠頁巖氣實驗區已進入小規模商業化試運行；我國其它地區如江漢盆地的第三系、松遼盆地白堊系，以及南華北，渤海灣盆地、柴達木、酒泉盆地均有頁巖氣資源[1]。

我國陸域頁巖氣地質資源潛力約為134萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米以上，落實程度較高的資源潛力約為16萬億立方米。目前，我國已有27個區塊探礦權通過招標得到落實，各項技術規范和支持政策相繼出臺，區塊的價值信息在于地下含氣量、保存條件、儲層厚度、頁巖延伸面積及巖體是否適合壓裂等因素。

2 成藏條件

2.1 氣體來源

頁巖氣的形成是生物成因和熱成因共同作用的結果。生物成因氣是通過在埋藏階段的早期成巖作用，或近代富含細菌的大氣降水侵入中厭氧微生物活動作用形成；熱成因氣主要指隨著埋深增加，溫度和壓力增大，泥頁巖中大量的有機質由產甲烷菌的代謝發生化學降解和熱裂解作用形成。

在埋藏溫度升高或者有細菌侵入時，暗色泥頁巖中的有機質，甚至包括已生成的液態烴，就裂解或降解成氣態烴，游離于基質孔隙和裂縫中，或吸附于有機質和黏土礦物表面，在一定地質條件下就近聚集，因此頁巖氣的氣體來源主要是生物氣或熱成熟氣。頁巖的生烴條件是有機碳含量大于2%、熱演化程度處于生氣窗范圍內，有機質含量高的黑色頁巖、高碳泥巖常是最好的頁巖氣發育條件。

2.2 儲集介質

頁巖氣儲集在泥、頁巖及其間的砂質巖夾層內，頁巖氣藏儲層具有典型的低孔、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比常規天然氣大。頁巖是沉積巖中含有機質的細碎屑巖，很容易碎裂，原始孔隙度可達35%以上，隨著巖層埋深增加，壓力增大，孔隙度降低，在埋深2000m以后，孔隙度小于10%；頁巖氣儲層孔隙度一般小于4%～6.5%，平均為5.2%，滲透率一般低于0.001毫達西，并隨著埋深加大，物性變差。若處于斷裂帶或裂縫發育帶，頁巖孔隙度、滲透率增加。

2.3 蓋層條件

頁巖氣與煤層氣相似，具有“自生自儲”的特點，沒有或僅有短距離的運移，頁巖本身就是良好的蓋層，因此頁巖氣的存在是不需要其他巖性的介質作為蓋層的。

2.4 圈閉條件

頁巖氣藏的形成也不需要常規意義上的“圈閉”，頁巖氣藏形成于烴源巖層內，不受構造體系和物理界面控制，頁巖氣藏在一定的構氣藏范圍可近似等于生氣源巖面積。

2.5 運移條件

頁巖氣藏的形成取決于天然氣在源巖中大規模地滯留和集聚，由于頁巖氣為自生自儲氣藏，所以頁巖氣藏的形成基本上沒有運移或運移距離極短，厚層烴源巖排烴效率低或根本不能排烴，大量烴類滯留于烴源巖中形成頁巖氣。

2.6 分布特點

頁巖氣藏分布受生烴巖體的大小和分布面積控制，常呈區域性、連續性分布。頁巖氣藏通常位于或接近于盆地的沉降-沉積中心處，導致頁巖氣的有利區主要集中于盆地中心處。中國頁巖氣藏的儲層與美國有很大差異，美國的頁巖氣層埋深在800-2600米，而我國四川盆地的頁巖氣埋深在2000-3500米，這給我們研究和開采頁巖氣增加了技術難度。

3 成藏機理

3.1 成藏氣源分析

頁巖氣從生烴、吸附與擴散、溶解與析出、活塞式與置換式運聚過程，體現出自身所構成的完整性成藏機理序列，整個過程全部在烴源巖內部完成，并且表現為持續不間斷地充注、聚集成藏過程。研究表明，烴源巖中生成的烴類能否排出，關鍵在于生烴量必須大于巖石和有機體對烴類的吸附量，同時必須克服頁巖微孔隙強大的毛細管吸附等因素。Hunt認為從烴源巖中處次排出的烴量小于生烴總量的10%；Tissot和Pelet（1971）認為發生排烴的烴源巖總厚度也小于30m。因此，烴源巖所生成的烴類只有部分被排出，仍有大量烴類滯留于烴源巖中，以吸附和游離狀態存在，美國頁巖氣藏中，吸附氣含量最低為16%，最高達80%。

3.2 成藏特點分析

頁巖氣藏中氣體的賦存形式絕大部分是以吸附氣的形式存于頁巖內有機質和黏土顆粒的表面，這與煤層氣相似；游離氣則聚集在頁巖基質微小孔隙或裂縫中，這與常規氣藏中的天然氣相似。頁巖氣成藏機理具煤層氣和常規天然氣兩者特征；頁巖含有機質碳量的增加有助于生烴和微顆粒的吸附作用，頁巖基質的孔隙和微裂隙發育也有利于以游離形態存在的頁巖成藏。

3.3 成藏階段分析

頁巖氣成藏機理具有明顯的“混合型”特征。按成藏機理的不同可將頁巖氣的成藏劃分為2個階段：第一階段以吸附作用為主，發生在頁巖氣藏形成初期，甲烷生成后在頁巖微孔（孔徑小于2nm）中順序填充，在介孔（孔徑為2-50nm）中多層吸附至毛細管凝聚，在大孔（孔徑大于50nm）中甲烷以壓縮或溶解態賦存。同沉積的有機質通過化學和生物分解成氣，首先滿足有機質孔內表面飽和吸附需求，再解吸擴散至基質微孔中，以吸附、游離相原位飽和聚集，具有與煤層氣相同的吸附成藏機理，第二階段發生在生氣高峰，隨著頁巖生氣過程的繼續，當頁巖有機質顆粒和基質微孔所提供的吸附能力不能滿足所生成的天然氣聚集需求時，隨著生氣過程的繼續，頁巖基質孔隙內溫度和壓力升高，伴隨著巖石的造縫作用，導致過飽和氣沿頁巖微孔和薄弱面小規模裂縫運移，以游離態聚集并逐步形成氣藏，也就是活塞式成藏機理。

頁巖氣成藏過程中，吸附機理與活塞式運聚機理構成了頁巖氣的成藏過程，兩個階段各自的發展規模和成熟度控制著頁巖氣藏中吸附態和游離態天然氣比例的變化。

4 結束語

頁巖氣主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，并以吸附狀態或游離狀態為主要存在方式在烴源巖層內就近聚集，表現為典型的“原地”成藏模式；孔隙度小（平均為5.2%）、滲透率低（低于0.001毫達西）的巖層是頁巖氣成藏條件；富有機質碳含量高的黑色頁巖厚度愈大，氣藏富集程度就越高；頁巖孔隙與微裂縫愈發育，氣藏富集程度愈高；盆地邊緣斜坡頁巖厚度適當且易形成張性裂隙是頁巖氣藏發育的最有利區域。

參考文獻

[1]江懷友，宋新民，安曉璇等.世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述[J].天然氣技術，2008，2（6）.

[2]張金川，薛會，張德明，蒲軍.頁巖氣極其成藏機理[J].現代地質，2003，17（4）.466.

[3]李新景，胡素云，程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發的啟示[J].石油勘探與開發，2007，8（4）：392.

作者簡介：周玉增（1956-），男，高級工程師，山東聊城人，1982年1月畢業于山東礦業學院地質勘探專業。