淺析頁巖氣富集狀態(tài)及其保存條件

(成都理工大學(xué) 成都 610059)

一、頁巖氣的基本概述

頁巖氣被發(fā)現(xiàn)的很早，但在20世紀(jì)70年代以后頁巖氣的概念才形成。1821年，美國以第一口頁巖氣商業(yè)性鉆井拉開了美國天然氣工業(yè)發(fā)展的序幕(curtis,2002)。在我國，最初張愛云等(1987)指出中國南方早古生代一套黑色頁巖建造具有地質(zhì)找礦意義，同時含有極高的泥頁巖成藏意義(關(guān)德師等，1995；戴金星等，1996)。雖然研究者將注意力集中在了不同的方面，但是這些研究成果都為頁巖氣的研究奠定了基礎(chǔ)。

John B.Curtis(2002)對頁巖氣進(jìn)行了如下描述：頁巖氣系統(tǒng)本質(zhì)上是連續(xù)類型的生物成因(或生物成因為主)、熱液成因或生物-熱成因混合型天然氣聚集，它具有普遍的天然氣飽和度，并聚集機理復(fù)雜，巖石學(xué)特征多變性顯著，成藏過程具有相對較短的烴類運移距離。

頁巖氣(shale gas)是指主題位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖、以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集(張金川等，2003、2004)。

A.Bustin(2005,2009)對頁巖氣的界定是，自生自儲于細(xì)粒儲層中的天然氣，其中部分天然氣以吸附狀態(tài)儲集。但頁巖氣(儲層)不只是“頁巖”。

2008年以來我國頁巖氣被多家單位以類比法和體積法的方法，進(jìn)行了初步的估測，由于選取的評價范圍和參數(shù)值不同，導(dǎo)致估測的結(jié)果存在較大的差異。2011年，國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心預(yù)測，我國可采頁巖氣量31×1012m3，美國能源信息署以我國多個盆地為依據(jù)進(jìn)行探測，預(yù)測可采資源量為36×1012m3。估測結(jié)果很樂觀，但與近幾年的頁巖氣分布研究的結(jié)果有出入。例如四川盆地的部分頁巖埋藏較深，松遼、渤海灣盆地還處于生油高峰期等。

二、頁巖氣富集狀態(tài)

頁巖氣是天然氣在頁巖儲層中的富集，存在的狀態(tài)主要有三種方式：①在孔隙或裂隙中以游離態(tài)存在；②在干酪根有機質(zhì)、黏土礦物等的表面以吸附態(tài)存在；③在干酪根、瀝青質(zhì)、殘留水和液態(tài)烴中以溶解態(tài)存在。

頁巖氣的成藏和富集是個非常復(fù)雜的地質(zhì)過程，但在成藏富集模式上，將頁巖氣藏的形成和演化分為三個主要的階段：

⑴ 在頁巖中生成、吸附于溶解的天然氣，與煤層氣成藏的機理大致相似。在成巖作用早期，深度、壓力都較小，微生物大量存在而產(chǎn)生的天然氣首先吸附于有機質(zhì)及巖石顆粒表面，當(dāng)吸附量和溶解的逃逸氣量達(dá)到飽和時，天然氣開始運移逸散，以游離相或溶解相的形式。

⑵隨著溫度、壓力的增加加上流體的存在，熱化學(xué)能成為天然氣的主要生成作用，將有機干酪根轉(zhuǎn)化為天然氣，從較高密度到較低密度的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致氣體體積的增大。當(dāng)壓力升高時，頁巖內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，天然氣在此聚集，就易形成以游離相為主的頁巖氣藏。

⑶當(dāng)更多的游離相天然氣形成時，頁巖內(nèi)部沒有辦法全部保存下來，至使產(chǎn)生天然氣“逃逸作用。”

三、頁巖氣保存條件

頁巖氣藏在保存條件方面與常規(guī)天然氣不盡相同，常規(guī)天然氣資源的保存條件主要取決于蓋層質(zhì)量與構(gòu)造條件，而頁巖氣藏集生儲蓋于一體，本身就是蓋層。本次主要從構(gòu)造作用、火山活動、水文地質(zhì)條件和頁巖氣組分四個方面對頁巖氣保存條件進(jìn)行分析。

(一)構(gòu)造作用。頁巖氣藏保存條件受到多種多樣的地質(zhì)因素影響，主要包括構(gòu)造抬升剝蝕、火山活動、縫隙與斷裂等。

1.構(gòu)造抬升剝蝕。地殼抬升剝蝕的構(gòu)造運動導(dǎo)致含氣頁巖層段之上的上覆巖層和區(qū)域蓋層減薄或剝蝕，至使上覆的壓力減小，從而使殘余蓋層的孔隙度、滲透率提高，同時開啟蓋層的脆性破裂或已形成的斷裂(含微斷裂)狀態(tài)，降低蓋層的封閉能力。如果抬升剝蝕的幅度較大，整個在含氣頁巖之上的蓋層將被完全剝蝕，至使失去含氣頁巖段的蓋層保護(hù)。在抬升剝蝕的同時，也可以發(fā)生頁巖層的深埋過淺，與地表大氣水連通或因為斷裂的存在與地表連通，造成頁巖含氣段壓力降低，游離氣散逸，進(jìn)一步導(dǎo)致吸附氣解吸，結(jié)果是總含氣量降低，同時甲烷被具有更強吸附力的氮氣、二氧化碳置換，不利于頁巖氣藏的保存。

2.火山活動。在頁巖氣成藏期內(nèi)或成藏期以后的火山活動，對頁巖氣藏都有影響。富有機質(zhì)泥頁巖在形成后若經(jīng)歷大規(guī)模的巖漿入侵，巖層的空間展布會被巨大的上拱作用力破壞，影響頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。若巖漿經(jīng)過的斷層直接連通烴源巖與儲集層，必定會烘烤或破壞斷裂周圍的烴源巖和頁巖氣藏，造成頁巖氣藏的破壞。

3.裂縫與斷裂。在頁巖氣藏中，天然裂縫的存在是有利于頁巖氣的運輸與聚集的，如果過于發(fā)育的裂縫，獨立封閉體系就易受到破壞，頁巖氣很容易通過裂縫散逸，所以裂縫特別發(fā)育的地區(qū)，難以形成頁巖氣藏或不能成藏。

斷層提供了向上的通道使頁巖氣散逸，并破壞了蓋層的封儲能力。無論是通天斷層，還是潛伏通天斷層，都可以使局部頁巖散失，破壞蓋層的有效性。

(二)蓋層與隔層封閉性。頁巖本身不但是儲層，而且還是蓋層，由于我國具有區(qū)域構(gòu)造較頻繁，且強度大的特點，蓋層的就顯得尤為重要。頁巖氣藏蓋層的巖性要求沒有常規(guī)氣藏的要求高，但是泥巖、白云巖、頁巖互層是對頁巖氣藏保存較好的巖性組合。

但對于構(gòu)造活動頻繁，強度較大的區(qū)域來說，不能忽視蓋層對頁巖氣藏的作用。有效保存頁巖氣需要良好的封蓋層。

(三)水文地質(zhì)條件。區(qū)域水動力對頁巖氣保存起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)水動力較強時，頁巖氣會被推動前進(jìn)，形成的頁巖氣藏易遭到破壞，當(dāng)該區(qū)域水動力較弱使才能聚集成頁巖氣藏。

地層水化學(xué)性質(zhì)是反映地下水動力的重要指標(biāo)，地層水礦化度對頁巖氣保存的影響表現(xiàn)為：礦化度越高，則地層封閉程度高，保存條件好；地層水水型對頁巖氣保存條件的影響表現(xiàn)為：大氣水含量越高，水型越差，保存條件差。

(四)頁巖氣組分。頁巖內(nèi)的吸附能力與頁巖氣的組分有關(guān)。傅國旗等(2000)、張淮浩等(2005)通過研究發(fā)現(xiàn)乙烷、丙烷等碳?xì)浠衔锬芙档臀轿镂郊淄榈哪芰Α?/p>

富氮氣體是指氮氣體積分?jǐn)?shù)大于20%的氣體，其中氮氣大部分來自大氣，其體現(xiàn)了地表與地下的連通程度，是蓋層封閉性變差進(jìn)而導(dǎo)致大氣水下滲的重要證據(jù)。

四、結(jié)語

目前，頁巖氣已經(jīng)成為全球油氣工業(yè)中的新亮點，其勘探與開發(fā)的成功是以豐富、全面的理論知識為基礎(chǔ)。本文簡單的分析了頁巖氣的富集狀態(tài)及保存條件，但根據(jù)不同的區(qū)域，不同地質(zhì)條件，所遇到的情況又有所不同，這是就需要進(jìn)行針對性的研究。