頁巖氣儲層研究現狀及存在問題探討

胡明毅，邱小松，胡忠貴，鄧慶杰

(1.非常規油氣湖北省協同創新中心 長江大學， 湖北 武漢 430100；2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室 長江大學，湖北 武漢 430100；3.長江大學，湖北 武漢 430100)

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頁巖氣儲層研究現狀及存在問題探討

胡明毅1，2，3，邱小松2，3，胡忠貴1，2，3，鄧慶杰2，3

(1.非常規油氣湖北省協同創新中心 長江大學， 湖北 武漢 430100；2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室 長江大學，湖北 武漢 430100；3.長江大學，湖北 武漢 430100)

頁巖氣作為一種重要的非常規油氣資源，資源潛力巨大，已經在北美地區取得商業開發成功，中國正在積極尋找頁巖氣勘探有利區并爭取實現頁巖氣商業開發。儲層研究是頁巖氣勘探初期的主要研究任務，對準確尋找有利區具有重要的現實意義。通過對國內外相關文獻整理分析，概述了頁巖氣成藏機理、成藏過程及賦存狀態，并對頁巖氣儲層研究中的礦物組成、有機地球化學特征、物性特征、儲集空間、含氣性特征等方面的評價方法與標準進行了系統的總結。最后，探討性指出頁巖氣儲層研究中存在的問題及解決問題的關鍵。

頁巖氣儲層；有機地球化學；儲集空間；含氣性；研究現狀分析

引 言

頁巖氣是指主體上以吸附態和游離賦存于富有機質的暗色泥頁巖或高炭泥頁巖層系中的天然氣。它是天然氣生成之后在源巖層內就近聚集的結果，具有自生、自儲、自保、低孔、低滲等特點，為一種大規模、連續型、低豐度的非常規油氣資源[1-4]。近年來，世界上多個能源預測機構對全球頁巖氣資源進行了評價，其評價結果相差不大，資源量大致在450×1012m3左右，與全球常規天然氣資源量相當[5-6]，表明頁巖氣是一種資源潛力巨大的非常規油氣資源。目前北美地區已經進行了頁巖氣商業性勘探開發，而中國頁巖氣各項研究工作剛剛起步，處在資源評價與勘探開發啟動階段[7]。近2 a中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司在重慶涪陵地區開展的頁巖氣勘探開發實踐工作初見成效，其中JY1井可以穩產60 000 m3/d，但是依然存在很多難以解釋的現象，如：有些同一穩定區塊內的頁巖氣井，其頁巖氣日產量差別較大；有些有機碳含量高的地區其頁巖氣產量較低，而有機碳含量較低的地區頁巖氣產量反而很高等。國內部分學者認為造成以上現象的主要原因是由于頁巖氣儲層較強的非均質性。根據近年來國外頁巖氣儲層研究現狀與勘探經歷，分析探討頁巖氣儲層研究的主要內容及存在的問題，為頁巖氣儲層的研究提供一些可借鑒的方法和思路。

1 頁巖氣藏基本特征

1.1 頁巖氣成藏過程

頁巖氣藏是作為烴源巖的頁巖持續生氣、不間斷供氣和連續聚集成藏形成的，其生烴、排烴、運移、聚集和保存全部在烴源巖內部完成[3]。從成因、賦存、聚集機理等方面說明頁巖氣藏的形成過程非常復雜，具有多機理的特點，主要表現為典型的吸附機理、活塞式或置換式成藏機理，是天然氣成藏機理序列中的重要組成[8-10]。頁巖氣的成藏過程可以分為3個階段：第1階段，由生物化學作用生成的天然氣首先滿足有機質和巖石顆粒表面吸附的需要，當吸附氣量達到飽和時，剩余的天然氣則溶解在地層流體中，其富集機理和煤層氣大致相同，以吸附機理為主；第2階段，當吸附氣量和溶解氣量達到飽和后，富余的氣體便短距離運移到富有機質頁巖的基質孔隙中聚集，同時，隨著溫度、壓力的升高會使泥頁巖層產生大量裂縫，增加天然氣的儲集空間，其富集機理類似于孔隙型儲集層中的天然氣聚集；第3階段，天然氣大量生成過程形成的生烴膨脹作用使得天然氣向外運移、擴散，直至頁巖層系表現為普遍的含氣性。當富有機質頁巖持續大量生氣會發生排烴作用，就會形成根緣氣藏或者常規氣藏。

1.2 頁巖氣賦存狀態

基于頁巖氣的成藏機理、成藏過程的研究，國內外學者[1-5 ，11-12]普遍認為頁巖氣以吸附氣、溶解氣和游離氣3種方式賦存于頁巖層系中，其中以吸附氣和游離氣為主，僅含少量溶解氣。

(1) 吸附氣。吸附氣是指由于吸附作用吸附于有機質和礦物顆粒表面的天然氣，吸附作用是指天然氣吸附于固體或者液體物質表面上的作用。吸附方式可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附是由于分子間存在范德華力，它能發生多級吸附。根據能量最小原理得出固體總是優先選擇能量最小一個能級范圍內的分子吸附，接著進行下一能級的分子吸附。物理吸附是頁巖的主要吸附方式，具有吸附時間短、普遍性、可逆性、無選擇性。化學吸附作用是物理吸附作用的繼續，當達到某一條件時就可以發生化學鍵的形成和斷裂。化學吸附所需的活化能比較大，所以在常溫下吸附速度比較慢。頁巖氣的化學吸附具有吸附時間長、不連續性、不可逆性、有選擇性[13]。兩者共同作用使頁巖完成對天然氣的吸附，但兩者處于主導優勢的地位隨聚集條件以及頁巖和氣體分子等改變而發生變化。吸附作用開始很快，越來越慢，由于是表面作用，被吸附到的氣體分子容易從頁巖顆粒表面解吸下來，進入溶解態或游離態，在吸附和解吸速度達到相等時，吸附達到動態平衡。

(2) 溶解氣。溶解氣是指由于溶解作用溶解于地層流體中的那部分天然氣。溶解作用是指天然氣在一定的物理、化學條件下進入流體的過程。溶解作用可以分為間隙填充溶解和氣體水和作用溶解。間隙填充是指在一定溫壓條件下，石油、瀝青等液態烴類分子之間存在一定的間隙，天然氣分子可以填充于這些間隙之中；氣體水和作用是指天然氣分子與水分子接觸并發生相互作用結合或者分解，當結合速率與分解速率相等時其達到一個動態平衡[14]。

(3) 游離氣。游離氣是指由于擴散作用以游離態充填于頁巖層系的孔隙或裂縫中的天然氣。擴散作用是指由于頁巖層系內部的非均質引起生氣的差異，在分子熱運動的影響下天然氣分子由濃度高的位置運移到濃度相對較低的位置，直到頁巖層系孔隙內天然氣達到平衡為止。

頁巖層系中吸附氣、溶解氣、游離氣三者之間在地層環境發生變化時可以相互轉換，即當壓力增大時，吸附氣和溶解氣量相對增加，游離氣相對減小，直至達到吸附與解吸速率相等，水合與分解速率相等使得吸附氣量、溶解氣量、游離氣量達到動態平衡。

2 頁巖氣儲層特征

通過對頁巖氣儲層與常規儲層特征的對比分析，認為頁巖氣儲層特征評價應該從影響吸附氣量和游離氣量兩方面進行綜合分析。其中影響吸附氣量包括儲層礦物組分、有機地球化學特征等因素，影響游離氣量包括儲層物性、儲集空間等因素；另外儲層含氣性也屬于頁巖氣儲層重要特征之一。

2.1 礦物成分

頁巖氣儲層的礦物組成一般包括黏土、石英、長石、碳酸鹽巖、有機質及黃鐵礦等礦物，其中黏土礦物包括伊利石、蒙脫石、伊-蒙混層、高嶺石、綠泥石等。國內很多學者[15-16]認為黏土礦物含量影響著頁巖氣吸附氣量大小，因此較高的黏土礦物含量有利于保存更多的吸附氣。另外，國外學者[17]通過研究美國頁巖氣商業開發經驗得出，作為優質的頁巖氣儲層，不僅需要較高的吸附氣量，而且頁巖本身還需要有一定的脆度。由于頁巖孔隙度和滲透率極低，在頁巖氣開采過程中需要采用壓裂技術使得地層中產生連通的孔隙和裂縫，因此頁巖中石英、碳酸鹽巖等脆性礦物的含量對壓裂效果有著重要的影響。美國成功取得頁巖氣商業開發的Fort Worth盆地泥盆系Barnett頁巖石英含量相對較高，約占總體積的29%～50%；黏土礦物含量較少，一般都小于35%[18-19]。中國南方古生界富有機質泥頁巖以石英礦物為主，石英礦物含量主要分布在20%～60%之間，個別樣品除外；黏土礦物含量較少，主要分布在25%～40%，極個別大于40%[20-21]，單項指標對比表明中國南方古生界能夠實現頁巖氣商業開發。

2.2 有機地球化學特征

有機質豐度、有機質類型、有機質成熟度是評價富有機質泥頁巖的3個重要指標，較高的有機質豐度、較好的有機質類型和適當的熱演化程度是形成頁巖氣儲層發育的前提條件。

目前有機質豐度評價中，總有機碳含量是最常用的指標[22]。有機碳是頁巖生氣的物質基礎，決定了生氣能力的大小，另外有機碳含量與吸附能力存在正相關關系。目前巖石中有機碳含量主要采用碳硫分析儀[23]進行測定，總有機碳含量運用實測殘余有機碳含量經過有機質演化過程逆向恢復得到[24]。

有機質類型是評價有機質生油氣潛力的基礎，其決定了烴類物質的生成速度和數量大小，最近研究發現有機質類型對頁巖氣儲層的吸附能力有著重要的影響[20，25-26]。有機質類型評價主體是干酪根類型的確定，常用的評價指標和技術很多，包括干酪根元素比、干酪根類型指數、干酪根碳同位素δ13C及巖石熱解參數等，其中應用最多的為干酪根類型指數和巖石熱解參數。根據干酪根的元素組成分析，利用“范克雷維倫類型圖解”氫碳原子比和氧碳原子比區分干酪根類型；通過干酪根內的無定形組、殼質組、鏡質組和惰質組等顯微組分對成烴貢獻大小進行干酪根類型分析；根據干酪根中穩定碳同位素δ13C確定有機質來源進而判別干酪根類型；運用巖石熱解分析結果的氫指數(IH)和類型指數(S2/S3)確定干酪根類型。綜上所述，有機質分為3類即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅱ型可以進一步劃分為Ⅱ1和Ⅱ2(表1)。

表1 有機質類型分類[27-30]

有機質成熟度是有機質生油氣的關鍵指標，成熟度評價的指標包括鏡質體反射率(Ro)、孢粉顏色指數(SCI)、巖石熱解最高峰溫(Tmax)等，其中最有效的為鏡質體反射率。鏡質體反射率是通過顯微光度計在波長為546±5 nm處測定的鏡質體拋光面的反射光強度與垂直入射光強度的百分比值；孢粉顏色指數是通過顯微鏡下觀察到孢粉化石及其他有機質碎片的顏色指數；巖石熱解最高峰溫是指沉積巖在熱解分析時產生的最大熱解峰溫度，即高碳烴大量裂解為甲烷分子的溫度。通過以上各項指標將有機質演化階段分為未成熟、低成熟、成熟、高成熟和過成熟階段(表2)。

表2 有機質成熟度劃分[31-32]

2.3 物性特征

物性參數是頁巖氣儲層評價中的重要參數之一，其主要包括控制游離氣含量的孔隙度和表征頁巖氣滲流特征的滲透率2個方面。孔隙度包括總孔隙度(巖石中所有孔隙體積之和與巖石總體積的比值)和有效孔隙度(巖石中互相連通的孔隙體積與巖石總體積之比)。由于頁巖氣商業開發需要經過壓裂措施造隙，在造隙過程中部分原先的孤立孔隙變為相互連通的孔隙，因此在頁巖氣儲層評價中除了采用汞侵入方法測試有效孔隙度外，還需要借助低壓N2、低壓CO2等方法測定孤立孔隙大小[33]。滲透率是表征流體運移能力的物理量，是影響頁巖氣井高效開發極為重要的因素[34]。目前測量滲透率常用方法包括壓力脈沖衰竭、壓力衰減及壓汞曲線分析[35-36]。泥頁巖巖石致密，其滲透率遠低于常規儲層，通過以上方法測試得出頁巖裂縫滲透率范圍為0.001×10-3～0.1×10-3μm2，基質滲透率范圍為10-9×10-3～10-5×10-3μm2[37]。由于頁巖氣開采一般都需要開展儲層壓裂改造，產生大量與井口相通的裂縫，使得儲層中的游離氣能夠順利流向井口，壓裂改造過程就是人為改造滲透率大小，因此儲層的原始滲透率沒有引起足夠的重視。

2.4 儲集空間特征

近年來，國內外學者采用高分辨率的場發射掃描電鏡(FE-SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等手段對頁巖氣儲層平面微觀特征進行了大量的工作，普遍認為頁巖氣儲層的儲集空間包括微孔隙和微裂縫，但不同學者認識各有差異。Slatt等[38]對Barnett和Woodford頁巖的孔隙研究過程中，認為頁巖氣儲層儲集空間包括黏土絮體間孔隙、有機質孔隙、糞球粒內孔隙、化石碎屑內孔隙、顆粒內孔隙和微裂縫等6種類型。龍鵬宇等[39]通過對渝頁1井樣品的薄片及掃描電鏡分析認為，頁巖氣儲集空間包括基質孔隙和裂縫，其中基質孔隙可進一步劃分為有機質(瀝青)微孔隙、礦物質孔隙及有機質(瀝青)和礦物間孔隙；裂縫可進一步劃分為構造縫和成巖縫。Loucks等[40]提出了頁巖氣儲層基質孔隙分類方案，認為頁巖氣儲層儲集空間包括粒間孔隙、粒內孔隙、有機質孔隙和裂縫孔隙4種類型。王玉滿等[41]按照碎屑巖孔隙類型劃分方案將頁巖氣儲集空間包括基質孔隙和裂縫2大類，其中基質孔隙可進一步劃分殘余原生孔隙、有機質微孔隙、黏土礦物層間微孔隙和不穩定礦物溶蝕孔隙；裂縫可進一步劃分為內因裂縫和外因裂縫。黃振凱等[42]通過對松遼盆地白堊系青山口組泥頁巖樣品進行場發射掃描電鏡實驗識別出基質晶間孔、有機質孔、溶蝕孔、粒間孔、晶內孔及微裂縫6種類型儲集空間。韓雙彪等[43]通過對渝東南下古生界泥頁巖樣品分析表明：頁巖氣儲層儲集空間包括有機質孔隙、顆粒內孔、粒間孔隙和微裂縫。

通過對以上儲集空間特征分析認為，頁巖氣儲層的儲集空間包括微孔隙和微裂縫2種類型，根據成因可將微孔隙進一步分為粒(晶)間孔、粒(晶)內孔和有機質孔3種大類及7種亞類；微裂縫分為構造縫和成巖縫2種大類6種亞類(表3)。

表3 頁巖氣儲層儲集空間分類[38-45]

2.5 含氣性特征

頁巖氣儲層中是否含有工業價值天然氣是頁巖氣儲層研究的重要內容之一。由于頁巖氣以游離氣、吸附氣和溶解氣3種方式賦存于頁巖氣儲層中，其中以游離氣和吸附氣為主，溶解氣少量。因此，在頁巖氣儲層研究中主要考慮游離氣和吸附氣。

(1) 游離氣。游離氣主要存在于泥頁巖微孔隙與微裂縫中，其含氣量可以通過現場解析和體積法計算得出游離氣量。由于現場解析成本較高，取樣有限，體積法計算游離氣量是最常用的方法，單位質量泥頁巖游離含氣量qf計算公式[46-48]為：

qf=ΦgSg/(Bgρ)

(1)

式中：Φg為孔隙度，%；Sg為含氣飽和度，%；Bg為壓縮因子；ρ為泥頁巖密度，t/m3。

(2) 吸附氣。吸附氣主要賦存于有機質和黏土礦物表面，其含氣量可以通過現場解析、等溫吸附模擬實驗及相關性分析法計算吸附氣量，其中現場解析和等溫吸附模擬實驗成本高，樣品數量有限，相關性分析法為較實用的方法[49]。通過研究頁巖氣儲層有機碳含量、黏土礦物含量對吸附能力的影響，建立它們之間的函數關系式，可以計算未進行等溫吸附模擬實驗的樣品的吸附氣量。

國內外學者對頁巖氣儲層含氣性影響因素的研究成果表明，含氣性影響因素可歸納為兩個方面：一方面為頁巖氣儲層內部因素(本身的性質)，即孔隙度、有機碳含量、礦物組分等；另一方面為外部因素，即溫度、壓力、埋深等。

3 存在問題及建議

3.1 存在問題

目前國內外學者主要從頁巖氣儲層礦物組分、有機地球化學、微觀孔縫特征及含氣性特征4個方面對頁巖氣儲層進行了大量的研究工作，但目前研究尚存在3個主要問題。

(1) 研究思路和內容模式化，限制了頁巖氣儲層評價的發展。目前國內絕大多數學者[50-54]對頁巖氣儲層評價沿用了常規儲層評價參數，主要包括頁巖氣儲層厚度、礦物組成、有機地球化學、物性特征、儲集空間等方面，部分學者[55-57]在頁巖氣的資源潛力評價過程中進行了含氣性和影響因素的研究。基于頁巖氣成藏機理及賦存方式的特殊性，其評價思路和內容與常規儲層應該有所區別。

(2) 實驗手段的局限性，降低了實驗結果的可靠性。在頁巖氣儲層研究中主要實驗參數的獲取手段具有局限性。其中有機碳含量測試方面測試結果為殘余有機碳含量，國內學者普遍認為吸附氣量與有機碳含量呈正相關關系，但未注明有機碳含量是殘余有機碳含量還是經過恢復后的原始有機碳含量。在有機質成熟度評價中存在的問題較多，首先，中國南方早古生代泥頁巖有機質經過了漫長的演化且演化程度較高，適合高演化程度成熟度的定量計算方法較少；另外，該泥頁巖中沒有高等植物的輸入，缺乏鏡質組，常用的鏡質體放射率測試方法不可行，只能依靠測試瀝青質反射率來表征有機質成熟度。孔隙度測試方面，有效孔隙度可以通過巖心常規分析直接測試出來，而無法測試不連通的孤立孔隙(經過壓裂改造后可連通)，雖然近年來采用氬離子拋光掃描電鏡可見大量有機質孔隙，但還未實現量化分析。有機質在泥頁巖的分布極不均勻，即使計算出局部孤立孔隙所占比例，其是否具有代表性還有待于分析評價。由于實驗手段的局限性，實驗結果的可靠系數降低，以實驗數據為基礎的總結出的規律性認識可靠性也隨之下降。

(3) 缺乏系統研究，難以形成統一的規律性認識。國內外學者在頁巖氣研究方面做了大量的工作，尤以儲集空間和含氣性控制因素方面工作最多，總結出大量的成果認識，如：儲集空間以納米級的微觀孔縫為主，有機碳含量和黏土礦物含量與頁巖氣吸附能力具有正相關關系，不同黏土礦物對甲烷的吸附能力差異較大，泥頁巖的孔徑分布對吸附能力的影響等；而未見礦物組分、有機地球化學、物性、儲集空間及含氣性等綜合研究成果。

3.2 建議

針對以上存在的問題和不足，建議今后對頁巖氣儲層研究進行如下改進。

(1) 在分析頁巖氣成藏機理及賦存方式的基礎上，明確頁巖氣儲層研究思路與研究內容。由于在常規儲層中以游離氣為主，頁巖氣則以游離氣和吸附氣并存，在評價思路上可以從游離氣、吸附氣的賦存位置考慮，因而明確頁巖氣儲層研究的內容。

(2) 隨著科學技術和工業技術進步，實驗手段應該向多元化發展，相互印證實驗結果，從而提高實驗結果的可靠性。

(3) 在可靠的實驗數據的基礎上，加強包括礦物組分、有機地球化學、物性特征、儲集空間及含氣性互關系研究，最終達到優選較好的頁巖氣儲層的目的。

4 結束語

中國富有機質泥頁巖廣泛發育，頁巖氣資源潛力巨大，具有良好的頁巖氣開發前景，但由于起步較晚，相關基礎研究較薄弱，還未形成工業產能。近年來，國土資源部開展的全國頁巖氣資源調查評價及有利區優選工作，旨在優選有利區和資源評價，其中有利區優選的重要環節為頁巖氣儲層研究，其直接控制著中國頁巖氣勘探開發進程。為中國早日實現頁巖氣商業開發，本著科學、客觀、適用原則開展頁巖氣儲層研究是至關重要的。

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編輯 劉兆芝

20141221；改回日期：20150115

非常規油氣湖北省協同創新中心創新基金項目“中揚子地區下寒武統水井沱組頁巖氣儲層綜合特征及評價方法與技術研究”(HBUOG-2014-13)；油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)開放基金資助項目“中揚子地區下寒武統水井沱組頁巖氣儲層特征及主控因素研究”(K2014-10)

胡明毅(1965-)，男，教授，1986年畢業于武漢地質學院地質學專業，2003年畢業于中國地質大學(北京)礦產普查與勘探專業，獲博士學位，現主要從事沉積學與層序地層學方面的教學和研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.001

TE122.2

A

1006-6535(2015)02-0001-07