頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移機(jī)理分析及應(yīng)用

黃長(zhǎng)兵, 張 峰, 李順平, 楊 震, 張雪銳, 胡 泊, 童守強(qiáng)

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,鄭州 450000；2.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司鉆采工程研究院，酒泉 735000；3.中州期貨有限公司研究所,上海 200120；4.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，酒泉 735000)

隨著勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，頁(yè)巖氣逐步被人們所認(rèn)識(shí)，也漸漸成為中外勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。近年來(lái)在美國(guó)掀起的“頁(yè)巖氣革命”使得美國(guó)的天然氣產(chǎn)量逐年攀升[1]，并在2009年以6 240×108m3的產(chǎn)量超過(guò)俄羅斯，成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國(guó)[2]，其在福特沃斯盆地等地頁(yè)巖氣區(qū)的成功開(kāi)發(fā)引起了世界各國(guó)的注意[3]。截至2012年年底，美國(guó)的頁(yè)巖氣占總天然氣產(chǎn)量的30%，加拿大則占到了15%，而中國(guó)頁(yè)巖氣占了不到1%[4]。

包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家開(kāi)始吸取并學(xué)習(xí)美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，試圖將其應(yīng)用于中國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)。但美國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)在中國(guó)并不一定適用[5]。通過(guò)對(duì)上揚(yáng)子地臺(tái)和北美地臺(tái)中的部分層位的頁(yè)巖氣藏地質(zhì)特征進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其在地質(zhì)背景、烴源巖特征、儲(chǔ)集性、含氣性、保存條件、地表?xiàng)l件等方面均存在或多或少的差異[6]。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)學(xué)者逐漸意識(shí)到在學(xué)習(xí)美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合中國(guó)頁(yè)巖氣藏特點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)、設(shè)備、方案上的進(jìn)一步創(chuàng)新[7]，同時(shí)也需要從基礎(chǔ)地質(zhì)理論出發(fā)，重新認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣的賦存規(guī)律，來(lái)推進(jìn)中國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)。

在頁(yè)巖氣地質(zhì)理論的研究中，關(guān)注點(diǎn)之一是頁(yè)巖氣的吸附解吸規(guī)律以及其在納米級(jí)孔隙中的滲流狀態(tài)。氣體在頁(yè)巖中的賦存形式與砂巖有很大區(qū)別，其滲流規(guī)律也不能通過(guò)達(dá)西定律來(lái)解釋[8]。前人研究闡釋了頁(yè)巖氣生成之后由吸附態(tài)或溶解態(tài)向游離態(tài)的轉(zhuǎn)化規(guī)律[9-10]，由納米級(jí)孔隙逐漸向微裂縫等更大的空間中流動(dòng)的規(guī)律[11-12]，以及產(chǎn)生這些運(yùn)動(dòng)的控制因素[13]，并通過(guò)定量分析，提出了以滲流-擴(kuò)散-解吸附為主的頁(yè)巖氣微觀運(yùn)移機(jī)理模型[14-15]，這一觀點(diǎn)逐漸被大部分學(xué)者接受。但對(duì)于頁(yè)巖氣在宏觀層面的運(yùn)移目前仍存在很大爭(zhēng)議，若是向鄰近的高孔滲層運(yùn)移，頁(yè)巖就成為了烴源巖，但如果氣體并未排出或并未大量排出頁(yè)巖，是否會(huì)在頁(yè)巖內(nèi)部運(yùn)移導(dǎo)致其在局部富集。答案是顯而易見(jiàn)的，如果不能在層內(nèi)運(yùn)移，泥質(zhì)烴源巖內(nèi)部的氣體則不可能排出，同時(shí)在地質(zhì)環(huán)境相同或相似的范圍內(nèi)，氣體的分布應(yīng)當(dāng)相對(duì)均勻。

在研究常規(guī)油氣運(yùn)移規(guī)律時(shí)，油氣的流體勢(shì)大小及相互關(guān)系不僅能解釋油氣是否可以發(fā)生運(yùn)移，還可以直觀地表征不同區(qū)域油氣的運(yùn)移方向。因此分析不同地質(zhì)環(huán)境中流體勢(shì)大小的分布特點(diǎn)同樣對(duì)研究頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移機(jī)理具有重要意義。但由于泥頁(yè)巖本身所具有的超低孔超低滲的特性[16]，使得頁(yè)巖氣流體勢(shì)大小的主控因素會(huì)較常規(guī)油氣有所變化。

在不同的地質(zhì)環(huán)境中，同一頁(yè)巖層的不同區(qū)域之間流體勢(shì)的大小關(guān)系也會(huì)有所不同。可能產(chǎn)生流體勢(shì)差異的地質(zhì)環(huán)境有很多，比如褶皺的軸部和翼部、單斜或撓曲的高部位和低部位。不僅如此，不同成因的頁(yè)巖氣藏之間也存在著孔隙壓力的差異[17]。

頁(yè)巖氣存在運(yùn)移的動(dòng)力條件，卻沒(méi)有合適的運(yùn)移通道，運(yùn)移也不會(huì)發(fā)生。即使對(duì)于常規(guī)油氣藏來(lái)說(shuō)，裂縫的存在既為油氣的初次運(yùn)移提供了良好的輸導(dǎo)空間，促進(jìn)油氣成藏，也改善了巖石的滲透性，甚至直接充當(dāng)了油氣儲(chǔ)集的空間[18-19]。在致密砂巖當(dāng)中，裂縫為天然氣從烴源巖進(jìn)入儲(chǔ)集層提供了保證[20]，也為致密砂巖氣的高產(chǎn)提供了保證[21]，而這些特點(diǎn)在頁(yè)巖中同樣存在[22]。泥頁(yè)巖上部巖層的剝蝕卸載[23]以及頁(yè)巖氣的膨脹造隙作用[24]均可以產(chǎn)生微裂縫，一些構(gòu)造活動(dòng)也會(huì)使特定區(qū)域內(nèi)的泥巖內(nèi)發(fā)育微裂縫，這些微裂縫增強(qiáng)了頁(yè)巖氣在頁(yè)巖內(nèi)部流動(dòng)的能力[25]。

流體勢(shì)的大小差異為頁(yè)巖氣的層內(nèi)流動(dòng)提供了可能，裂縫的存在則為其提供了條件，頁(yè)巖氣的層內(nèi)運(yùn)移與微觀運(yùn)移之間的相互影響促進(jìn)了頁(yè)巖氣向外滲流。研究針對(duì)頁(yè)巖特低孔特低滲的特點(diǎn)，對(duì)Hubbert提出的流體勢(shì)大小計(jì)算公式[26]加以修改，并分析出其主要的影響因素，通過(guò)流體勢(shì)差異進(jìn)行定性計(jì)算，建立頁(yè)巖氣運(yùn)移的理論模型，揭示頁(yè)巖氣在小到微型構(gòu)造，大到局部構(gòu)造甚至區(qū)域中的運(yùn)移聚集規(guī)律，為高效率的勘探以及鉆進(jìn)、壓裂開(kāi)發(fā)方案提供依據(jù)。

1 頁(yè)巖氣流體勢(shì)大小的影響因素

頁(yè)巖氣是否會(huì)發(fā)生運(yùn)移，以何種方式運(yùn)移，向什么方向運(yùn)移，運(yùn)移距離的大小都是目前具有爭(zhēng)議的問(wèn)題，而在對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行討論之前，首先應(yīng)該厘清什么是頁(yè)巖，什么是頁(yè)巖氣。頁(yè)巖指成分復(fù)雜具薄頁(yè)狀或薄片狀層節(jié)理的黏土巖；頁(yè)巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主。若將頁(yè)巖描述為由基質(zhì)泥巖和微型砂巖條帶組成的巖石類(lèi)型，頁(yè)巖氣是砂巖條帶中的天然氣[27]，則泥頁(yè)巖仍然只被看作烴源巖，依然無(wú)法脫離巖性圈閉的局限，對(duì)正確認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣運(yùn)移聚集規(guī)律并無(wú)益處。

將集中對(duì)頁(yè)巖氣是否能夠在泥頁(yè)巖層內(nèi)而非其夾層內(nèi)運(yùn)移以及其運(yùn)移的動(dòng)力和方向問(wèn)題進(jìn)行探索。眾所周知，流體總是自發(fā)地由機(jī)械能高的地方流向機(jī)械能低的地方，而地下某處的流體所具有的總機(jī)械能大小可以用流體勢(shì)來(lái)表示。而地下流體流動(dòng)僅需滿(mǎn)足兩個(gè)條件：①具有足夠的動(dòng)力，即存在流體勢(shì)差；②具有合適的流動(dòng)通道。那么在地下的某兩個(gè)部位之間只要滿(mǎn)足具有流體勢(shì)差且兩者之間具有運(yùn)移的通道，即使是在極為致密的頁(yè)巖當(dāng)中，頁(yè)巖氣依然可以發(fā)生運(yùn)移，這一基礎(chǔ)推論是本研究的基礎(chǔ)。

頁(yè)巖氣在孔隙空間中的流動(dòng)遵循由高勢(shì)區(qū)流向低勢(shì)區(qū)這一規(guī)律，因此討論影響流體勢(shì)大小的因素，有利于研究頁(yè)巖氣在泥頁(yè)巖內(nèi)部的流體勢(shì)分布規(guī)律。針對(duì)流體勢(shì)研究，不同的學(xué)者提出了不同的表達(dá)式，其中最為常用的是Hubbert[26]提出的計(jì)算流體在某一點(diǎn)處的流體勢(shì)大小的表達(dá)式：

(1)

式(1)中：Φ表示流體勢(shì)，J/kg；g表示重力加速度；Z表示相對(duì)于某一基準(zhǔn)面的高程，m；p表示孔隙流體壓力，Pa；ρ表示流體密度，kg/m3；v表示流體在該點(diǎn)處的流速，m/s。僅對(duì)局部空間內(nèi)頁(yè)巖氣的流體勢(shì)大小進(jìn)行靜態(tài)比較，因此v=0，且僅討論頁(yè)巖氣的單相流動(dòng)規(guī)律，所以認(rèn)為ρ不變，在此將ρ視作一個(gè)常數(shù)。并且將孔隙流體壓力表示為Pf，將Z視作以水平面為基準(zhǔn)面的深度，表示為h。則頁(yè)巖氣的流體勢(shì)大小表達(dá)式應(yīng)為

(2)

對(duì)式(2)兩邊同時(shí)乘以氣體密度，得到：

Φρ=ghρ+Pf

(3)

由于在不斷生成頁(yè)巖氣的過(guò)程中，氣體膨脹會(huì)導(dǎo)致泥頁(yè)巖破裂形成裂縫，此時(shí)孔隙流體壓力應(yīng)大于巖石的極限抗壓強(qiáng)度，因而也遠(yuǎn)大于在此深度下的靜水柱的液體壓強(qiáng)，而水的密度又遠(yuǎn)大于天然氣的密度，表示為Pf?ghρ水?ghρ甲烷，因此頁(yè)巖氣在泥頁(yè)巖內(nèi)部的流體勢(shì)大小主要取決于孔隙流體壓力。

2 3種頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移的理論模型

值得一提的是，所謂層內(nèi)運(yùn)移是相對(duì)于頁(yè)巖的另一個(gè)功能——烴源巖而言的。頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)成熟以后，在內(nèi)部異常高壓等作用下，生成的油氣向鄰近的儲(chǔ)集層運(yùn)移，這一過(guò)程被稱(chēng)為油氣的初次運(yùn)移。初次運(yùn)移針對(duì)的是油氣在層與層之間的運(yùn)移過(guò)程，與之相對(duì)的就是其在層內(nèi)的運(yùn)移過(guò)程，稱(chēng)為層內(nèi)運(yùn)移。而橫向運(yùn)移主要用于描述油氣在橫向上的運(yùn)移過(guò)程，既可以發(fā)生于單一巖層內(nèi)部，也可以發(fā)生在層間，而層內(nèi)運(yùn)移則更強(qiáng)調(diào)運(yùn)移發(fā)生在單一巖層內(nèi)，可以是橫向上的運(yùn)移，也可以是縱向上的運(yùn)移。

筆者提出的頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移模型是討論在理想情況下頁(yè)巖氣可能存在的運(yùn)移趨勢(shì)，但這并不意味著具有運(yùn)移趨勢(shì)的頁(yè)巖氣就一定會(huì)發(fā)生運(yùn)移，也不對(duì)可能發(fā)生的頁(yè)巖氣運(yùn)移的距離進(jìn)行討論。以下重點(diǎn)研究頁(yè)巖氣最終實(shí)現(xiàn)層內(nèi)運(yùn)移的條件。

首先應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移模型的相關(guān)環(huán)境條件加以限制。假設(shè)：①運(yùn)移模型中的頁(yè)巖層為均勻且飽含天然氣的頁(yè)巖層，天然氣只具有單一的成分甲烷；②天然氣的性質(zhì)(如密度、成分等)在整個(gè)過(guò)程中不發(fā)生變化，也不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

2.1 褶皺中的層內(nèi)運(yùn)移

頁(yè)巖發(fā)生褶皺的過(guò)程中，會(huì)在局部范圍內(nèi)發(fā)育微小裂縫，這使得局部裂縫孔隙度增大。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于背斜而言，軸部發(fā)育裂縫且所受上覆地層壓力較翼部小；對(duì)于向斜而言，軸部發(fā)育裂縫，但其所受來(lái)自上覆地層的壓力大于翼部。

在這里引入理想的背斜和向斜模型(圖1)來(lái)討論不同構(gòu)造部位孔隙流體壓力的差異。

圖1 理想的背斜和向斜模型Fig.1 The ideal model of anticlinal and syncline

先討論在理想的背斜模型中，不同的構(gòu)造部位所具有的孔隙流體壓力的差異。根據(jù)已有的非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙流體壓力計(jì)算方法，得到孔隙流體壓力的計(jì)算公式[28]如下：

(4)

(5)

式中:Pf表示非常規(guī)儲(chǔ)層的孔隙流體壓力，Pa；Pov表示上覆地層壓力，Pa；φ表示孔隙度，%；σ表示骨架有效應(yīng)力，N/m；ρ表示上覆地層平均密度，kg/m3；g表示重力加速度；h表示深度，m。將式(4)、式(5)式聯(lián)立得到用深度和孔隙度計(jì)算孔隙流體壓力的表達(dá)式：

(6)

已知巖石的褶皺過(guò)程中會(huì)在軸部形成裂縫，進(jìn)而使得該部位的孔隙度相比翼部較高。因此設(shè)Pf1、φ1、h1分別為圖1(a)中A處的孔隙流體壓力、孔隙度和深度，Pf2、φ2、h2分別為圖1(a)中B處的孔隙流體壓力、孔隙度和深度，則φ1>φ2，h1

通過(guò)計(jì)算Pf1和Pf2的比值來(lái)比較其大小，即

(7)

(ρgh1-1 000σ+10φ1σ)-(ρgh2-1 000σ+10φ2σ)=ρg(h1-h2)-

10σ(φ1-φ2)<0

(8)

因此推導(dǎo)出在背斜中，軸部的孔隙流體壓力小于翼部的孔隙流體壓力。

在向斜模型中，式(6)依然成立，設(shè)Pf1、φ1、h1分別為圖1(b)中A處的孔隙流體壓力、孔隙度和深度，Pf2、φ2、h2分別為圖1(b)中B處的孔隙流體壓力、孔隙度和深度，但φ1>φ2，h1>h2。下面通過(guò)

計(jì)算Pf1和Pf2的差值來(lái)比較其大小，即

(9)

式(9)中:-100σ(1/φ1-1/φ2)>0，若(h1/φ1-h2/φ2)>0則Pf1>Pf2；若(h1/φ1-h2/φ2)<0，則需要進(jìn)一步討論。

歐陽(yáng)鋒確實(shí)難受。難受得要命。他很想將上半夜發(fā)生的糗事原原本本地告訴妻子，好幾次話到嘴邊又給咽了回去。結(jié)婚兩年，七百多個(gè)日日夜夜，他與呂凌子互尊互愛(ài)相敬如賓，連臉都沒(méi)紅過(guò)一次。現(xiàn)在可好，自己闖了禍，犯了錯(cuò)，木已成舟，鐵證如山，他不知道妻子一旦了解真相會(huì)有什么樣的反應(yīng)，能否原諒自己。就算妻子呂凌子原諒自己，樓下兩口子又豈能善罷甘休？歐陽(yáng)鋒感覺(jué)頭疼得厲害，像是要爆炸了一般。他后悔自己不該去赴約，如果不去赴約，這樣的事情無(wú)論如何也不會(huì)落在自己頭上；他更后悔自己不該講那個(gè)黃段子，如果不講那個(gè)黃段子，自己就不會(huì)喝那么多酒，如果不喝那么多酒，自己決不會(huì)進(jìn)錯(cuò)房門(mén)上錯(cuò)床，胯下那根該死的玩意也不可能惹事生非……

下面用h1/φ1和h2/φ2的比值來(lái)說(shuō)明兩者的大小關(guān)系，令

(10)

[ρg(h1φ2-h2φ1)-1 000σ(φ2-φ1)]=N

(11)

式中：M表示A、B兩處的深部比值和孔隙度比值的比值，無(wú)量綱，并設(shè)置參數(shù)N。當(dāng)M<1且N>0或M≥1時(shí)，軸部的孔隙流體壓力大于翼部；反之，當(dāng)M<1且N≥0時(shí)，軸部的孔隙流體壓力小于翼部。

因此，對(duì)于背斜而言，軸部孔隙流體壓力低于翼部，具有由翼部指向軸部的流體勢(shì)差，是頁(yè)巖氣產(chǎn)生了由翼部指向軸部的流動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于向斜而言，軸部和翼部的孔隙流體壓力的大小取決于M、N值的關(guān)系。在孔隙流體壓力差的作用下，當(dāng)M<1且N>0或M≥1時(shí)，頁(yè)巖氣具有向翼部運(yùn)移的趨勢(shì)；當(dāng)M<1且N<0時(shí)，則具有指向軸部的運(yùn)移趨勢(shì)。

2.2 差異剝蝕引起的層內(nèi)運(yùn)移

沉積物沉積后在上覆水體或巖層的重荷下發(fā)生孔隙度降低、體積縮小的作用稱(chēng)為壓實(shí)作用。當(dāng)頁(yè)巖層抬升，上覆巖層遭受剝蝕時(shí)，沉積巖所受到的來(lái)自上覆巖層的壓力減少，將直接導(dǎo)致泥頁(yè)巖的孔隙壓力降低。隨著來(lái)自上覆巖層的壓力降低，將使頁(yè)巖發(fā)生孔隙回彈，而礦物本身的體積沒(méi)有明顯變化，因此進(jìn)一步導(dǎo)致孔隙流體壓力的下降。此外，地層抬升使地層溫度下降，在這一作用下，巖石和孔隙中的氣體分別發(fā)生了一定程度的收縮，但由于氣體的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于巖石，其收縮的程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖石，進(jìn)而也降低了孔隙流體壓力。因地層的構(gòu)造抬升并不是均勻地發(fā)生在各個(gè)區(qū)域，不同局部范圍內(nèi)的剝蝕量也有所不同，使得泥巖層受到上覆地層壓力的減小、孔隙體積的膨脹以及氣體收縮的程度也會(huì)不同。

綜合3個(gè)部分對(duì)地層抬升過(guò)程中孔隙流體壓力變化的影響，得到：

ΔPf=ΔPo+ΔPV+ΔPT

(12)

式(12)中：ΔPf表示孔隙流體壓力的變化量；ΔPo表示上覆巖層壓力的變化量；ΔPV表示巖石體積改變帶來(lái)的孔隙流體壓力的變化量；ΔPT表示溫度改變帶來(lái)的孔隙流體壓力的變化量。ΔPo、ΔPV和ΔPT可以通過(guò)下式計(jì)算獲得：

(13)

(14)

(15)

根據(jù)對(duì)以上表達(dá)式的分析可以看出，在滿(mǎn)足假設(shè)條件的情況下，上覆巖層的抬升剝蝕以后，頁(yè)巖層內(nèi)的孔隙流體壓力將會(huì)降低，并且隨著抬升和剝蝕的高度越大，其降低的程度也會(huì)增大。對(duì)應(yīng)的抬升和剝蝕高度較大的區(qū)域的頁(yè)巖層內(nèi)部所具有的孔隙流體壓力較小，容易形成低勢(shì)區(qū)；而未抬升的區(qū)域及抬升剝蝕高度低的區(qū)域則相對(duì)為高勢(shì)區(qū)，進(jìn)而形成了頁(yè)巖氣由高勢(shì)區(qū)指向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移的趨勢(shì)。

綜合上述的各種因素建立了圖2所示的兩種模型，分別對(duì)應(yīng)上覆巖層是否抬升剝蝕以及上覆巖層抬升剝蝕高度存在差異兩種情況,于是有：

ΔHA>ΔHB=0，ΔHC>ΔHD

(16)

ΔhA>ΔhB，ΔhC>ΔhD

(17)

PfA

(18)

圖2 理想的抬升剝蝕模型Fig.2 The ideal model of uplift and denudation

因此抬升區(qū)域[圖2(a)中A]的頁(yè)巖氣流體勢(shì)要小于未抬升區(qū)域[圖2(a)中B]，抬升程度大的區(qū)域[圖2(b)中C]的頁(yè)巖氣流體勢(shì)要小于抬升程度小的區(qū)域[圖2(b)中D]。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度差異引起的層內(nèi)運(yùn)移

在同一套頁(yè)巖當(dāng)中，由于埋深的差異，其溫度在不同地區(qū)也有所差異，并導(dǎo)致了不同地區(qū)的有機(jī)質(zhì)成熟度具有差異。由于有機(jī)質(zhì)的成熟度不一樣，其生氣機(jī)理也有所不同，進(jìn)而對(duì)孔隙流體壓力產(chǎn)生影響。生物成因的頁(yè)巖氣藏通常以異常低壓為特征，而熱解成因的頁(yè)巖氣藏則往往在局部?jī)?nèi)呈現(xiàn)出異常高壓，熱解成因的頁(yè)巖氣藏也就具備了更高的孔隙流體壓力，因而在這兩個(gè)局部間產(chǎn)生了指向熱解成因頁(yè)巖氣藏的流體勢(shì)差，并具有在該方向上的流動(dòng)趨勢(shì)。

由于泥頁(yè)巖具有的超低孔超低滲特點(diǎn)，無(wú)論在哪一種運(yùn)移模型當(dāng)中，這種孔隙流體壓力差往往會(huì)長(zhǎng)期存在，并且實(shí)現(xiàn)運(yùn)移的天然氣數(shù)量以及速率遠(yuǎn)不及常規(guī)的砂巖儲(chǔ)層。但只要年代足夠久遠(yuǎn)，運(yùn)移經(jīng)歷的時(shí)間足夠長(zhǎng)，最終天然氣依然會(huì)在低勢(shì)區(qū)相對(duì)聚集，使得含氣量從高勢(shì)區(qū)到低勢(shì)區(qū)逐漸增高，而且頁(yè)巖形成的時(shí)代越久遠(yuǎn)，這一特征越明顯。

3 頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移與微觀運(yùn)移的關(guān)系

頁(yè)巖氣在泥頁(yè)巖中的賦存狀態(tài)以吸附態(tài)、溶解態(tài)和游離態(tài)為主，而這三者之間可以在一定的條件下相互轉(zhuǎn)化，頁(yè)巖氣在一定條件下從有機(jī)質(zhì)、巖石表面解吸附或從有機(jī)質(zhì)中析出，并從微納米孔隙中運(yùn)移至滲流空間中的這一過(guò)程被稱(chēng)為頁(yè)巖氣的微觀運(yùn)移過(guò)程。微觀運(yùn)移是頁(yè)巖氣進(jìn)行層內(nèi)運(yùn)移的起點(diǎn)，在一定程度上控制著層內(nèi)運(yùn)移的特征。相反，頁(yè)巖氣在層內(nèi)運(yùn)移也會(huì)對(duì)其微觀運(yùn)移過(guò)程產(chǎn)生影響。

3.1 微觀運(yùn)移對(duì)層內(nèi)運(yùn)移的影響

頁(yè)巖氣的微觀運(yùn)移為層內(nèi)運(yùn)移提供了基礎(chǔ)。當(dāng)孔隙內(nèi)有機(jī)質(zhì)的熱演化進(jìn)入成熟階段后，大量生成的天然氣使泥頁(yè)巖內(nèi)部形成異常高壓。通過(guò)氣體的膨脹造隙，在巖石的脆性薄弱面或巖性接觸過(guò)渡面形成大量裂縫，這些裂縫成為頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移的通道[29]，為層內(nèi)運(yùn)移提供了必要的條件。盡管上述內(nèi)容已經(jīng)闡述了不同局部產(chǎn)生流體勢(shì)差的可能性，頁(yè)巖氣也具備膨脹造隙的能力，但裂縫能否有效地連接具有流體勢(shì)差的局部空間，仍值得探討。

裂縫產(chǎn)生的方向即頁(yè)巖氣易于膨脹造隙的方向，在這一方向上頁(yè)巖氣所產(chǎn)生的異常高壓更高，這也意味著這一方向上的頁(yè)巖氣的數(shù)量也更多。值得注意的是，氣體在巖層中不僅可以滲流，還能以擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示，當(dāng)高勢(shì)區(qū)產(chǎn)生了超過(guò)巖石極限抗壓強(qiáng)度的異常高壓時(shí)(圖3中①)，頁(yè)巖開(kāi)始發(fā)生破裂，裂縫從壓力中心向外輻射(圖3中②)。當(dāng)頁(yè)巖氣擴(kuò)散或順微裂縫運(yùn)移至低勢(shì)區(qū)時(shí)，在指向低勢(shì)區(qū)的方向上會(huì)出現(xiàn)明顯強(qiáng)于其他方向的流動(dòng)，進(jìn)而促使壓力中心朝這一方向偏移(圖3中③)，導(dǎo)致這一方向上的造隙能力更強(qiáng)，并為頁(yè)巖氣由高勢(shì)區(qū)流向低勢(shì)區(qū)提供了條件(圖3中④)。但受限于實(shí)驗(yàn)條件，這一規(guī)律僅作理論上的推測(cè)。

圖3 頁(yè)巖氣膨脹造隙的優(yōu)勢(shì)方向Fig.3 The dominant direction of shale gas expansion

3.2 層內(nèi)運(yùn)移對(duì)微觀運(yùn)移的影響

頁(yè)巖氣的層內(nèi)運(yùn)移從一定程度上促進(jìn)了微觀運(yùn)移的過(guò)程。逐漸增大的孔隙流體壓力會(huì)抑制其解吸附和析出的過(guò)程，而當(dāng)微裂縫形成以后，頁(yè)巖氣在流體勢(shì)差的控制下向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移，這使得生氣區(qū)的異常高壓要低于該區(qū)域在密閉狀態(tài)下應(yīng)達(dá)到的異常高壓。

通過(guò)繪制模擬曲線對(duì)密閉條件和地層條件下，孔隙流體壓力以及天然氣的析出和解吸附數(shù)量隨有機(jī)質(zhì)成熟度變化而變化的趨勢(shì)進(jìn)行分析。如圖4所示，將這一過(guò)程的變化情況劃分為4個(gè)階段。

圖4 高流體勢(shì)區(qū)的孔隙流體壓力隨有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程的變化Fig.4 Variation of pore fluid pressure with organic matter evolution in high fluid potential region

第1階段和第2階段：即圖4中的①、②區(qū)域，在這兩個(gè)階段中有機(jī)質(zhì)由未成熟逐漸演變?yōu)槌墒欤商烊粴獾臄?shù)量也逐漸增大，速度也逐漸增快。與此同時(shí)，孔隙流體壓力也因此逐漸增大，其增大的速度也在逐漸加快。但由于此時(shí)的孔隙流體壓力尚未超過(guò)頁(yè)巖的極限抗壓強(qiáng)度，增大的壓力不能使巖石破裂產(chǎn)生裂縫，也就無(wú)法使頁(yè)巖氣向別處運(yùn)移。因此兩種情況中，孔隙流體壓力以及壓力增高對(duì)天然氣的析出和解吸附影響的變化一致。

第3階段：即圖4中的③區(qū)域，在這一階段中，增大的孔隙流體壓力超過(guò)了巖石的極限抗壓強(qiáng)度，使得巖石破裂產(chǎn)生微裂縫，地層條件下頁(yè)巖氣開(kāi)始具備向外運(yùn)移的能力，而在密閉條件下的頁(yè)巖氣即使存在裂縫也不能向外運(yùn)移。在頁(yè)巖氣向外運(yùn)移后，其孔隙流體壓力增大的速度開(kāi)始減緩；而密閉條件下，隨著干酪根和石油的裂解產(chǎn)生大量天然氣，孔隙流體壓力則依然而持續(xù)升高。

第4階段：即圖4中的④區(qū)域，此時(shí)巖石破裂產(chǎn)生裂縫的速度達(dá)到最大，地層條件下也達(dá)到了最大的孔隙流體壓力，而在密閉情況下孔隙流體壓力增大的速度也開(kāi)始減緩。隨著干酪根和石油裂解生氣的能力逐漸下降，產(chǎn)生裂縫的能力消失，在密閉條件中孔隙流體壓力逐漸趨于平穩(wěn)，此時(shí)天然氣的賦存狀態(tài)以吸附態(tài)和溶解態(tài)為主。在地層條件下，生成天然氣以及析出和解吸附天然氣的數(shù)量與向外運(yùn)移的天然氣數(shù)量達(dá)到平衡，這一平衡一直延續(xù)到干酪根和石油失去產(chǎn)生生氣能力。

白兆華等[24]認(rèn)為地層壓力越大則吸附氣的含量越高，相反，若壓力小則游離氣的含量高。因此壓力越高，會(huì)抑制氣體由液體中析出，也會(huì)抑制吸附態(tài)的天然氣向游離態(tài)轉(zhuǎn)化。因此，相比于理想的密閉條件，地層條件下最終具有的孔隙流體壓力較低。一方面，這在一定程度上抵消了異常高壓對(duì)析出和解吸附的抑制，保證了游離氣的數(shù)量；另一方面，也在一定程度上維持了頁(yè)巖氣向?qū)觾?nèi)其他區(qū)域運(yùn)移的動(dòng)力。因此，由于低勢(shì)區(qū)和裂縫的存在，可以避免因高孔隙流體壓力而抑制吸附態(tài)和溶解態(tài)的天然氣向游離態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了在一定程度上促進(jìn)頁(yè)巖氣由高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移的過(guò)程。

4 不同運(yùn)移模式對(duì)焦石壩頁(yè)巖氣運(yùn)移的影響

焦石壩龍馬溪組頁(yè)巖氣田位于四川盆地東部重慶市涪陵區(qū)焦石壩鎮(zhèn)，處于川東隔擋式褶皺帶，盆地邊界斷裂齊岳山斷裂以西，是萬(wàn)縣復(fù)向斜內(nèi)一個(gè)特殊的正向構(gòu)造[30]。在該地區(qū)海相地層中鉆探發(fā)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖氣層，取得了良好的單井產(chǎn)量，2013年的年產(chǎn)量達(dá)5×108m3[31]。焦石壩構(gòu)造由四周的4條壓扭性斷層所圍，中間為主體寬緩斷背斜，是鉆井的主要部署位置。現(xiàn)就這一地區(qū)的孔隙流體壓力和泥頁(yè)巖物性分布特點(diǎn)對(duì)頁(yè)巖氣在這一地區(qū)的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行討論。通過(guò)焦石壩地區(qū)部分井位的相關(guān)地層資料，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)。進(jìn)而分析焦石壩斷背斜泥頁(yè)巖層的孔隙壓力分布情況，結(jié)合前文所建立的運(yùn)移模型中的壓力分布情況，對(duì)運(yùn)移模型進(jìn)行分析。

4.1 褶皺中的層內(nèi)運(yùn)移模式

焦石壩區(qū)域的早古生界地層構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層發(fā)育，有斷層切斷了背斜構(gòu)造的翼部。這對(duì)頁(yè)巖層內(nèi)的裂縫發(fā)育和壓力分布情況都有較大的影響，一定程度上破壞了背斜中由翼部向軸部運(yùn)移的通道，容易使頁(yè)巖氣從斷層附近的裂縫帶向外散失。而主體寬緩段背斜上的構(gòu)造活動(dòng)弱，巖層厚度變化小，因此在礁石壩主體區(qū)域由褶皺引起的層內(nèi)運(yùn)移程度小。

4.2 差異剝蝕引起的層內(nèi)運(yùn)移

在焦石壩背斜上選擇A、B、C、D 4口井，其中A、B、D井連線為焦石壩背斜的樞紐，且目的層位的埋深依次增大，C井位于B井的翼部，如圖5所示。

通過(guò)式(6)對(duì)不同井位龍馬溪組-五峰組的孔隙流體壓力進(jìn)行計(jì)算，并用壓力系數(shù)來(lái)對(duì)不同部位的孔隙流體壓力進(jìn)行比較，得到結(jié)果如表1所示。

圖5 焦石壩構(gòu)造特征Fig.5 Jiaoshiba structure

表1 焦石壩構(gòu)造不同部位的壓力系數(shù)對(duì)比Table 1 Comparisons of pressure coefficients at different locations of Jiaoshiba structure

結(jié)果表明：①在背斜樞紐上沿下傾方向的頁(yè)巖層上覆地層的厚度逐漸增大，孔隙度逐漸減小，且孔隙流體壓力逐漸增大，甲烷含量逐漸增大，則符合該運(yùn)移機(jī)理的基本規(guī)律(圖6)；②在鄰近的部位間，其孔隙流體壓力越小，甲烷含量越大，符合頁(yè)巖氣易在低勢(shì)區(qū)聚集的規(guī)律，并且在近距離的運(yùn)移中更加凸顯。

圖6 甲烷的百分含量與壓力系數(shù)的相關(guān)性Fig.6 Correlation between methane content and pressure coefficient

4.3 有機(jī)質(zhì)成熟度差異引起的層內(nèi)運(yùn)移探討

礁石壩主體主要為含炭質(zhì)硅質(zhì)泥頁(yè)巖，有機(jī)碳(TOC)含量平均值為2.54%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為2.20%～3.06%，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ型[32]，各井間有機(jī)質(zhì)成熟度差異小，頁(yè)巖氣成因類(lèi)型相似，因此，該類(lèi)層內(nèi)運(yùn)移模式對(duì)礁石壩頁(yè)巖氣分布的影響較小。

5 結(jié)論

(1)頁(yè)巖氣在頁(yè)巖內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律仍然受流體勢(shì)大小的控制，而某一局部的頁(yè)巖氣流體勢(shì)大小主要取決于其孔隙流體壓力的大小，因此通過(guò)研究頁(yè)巖氣的孔隙流體壓力，可以定性地判斷頁(yè)巖氣在層內(nèi)運(yùn)移的大致方向。

(2)根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境，提出了3種頁(yè)巖氣層內(nèi)運(yùn)移機(jī)理：褶皺中的層內(nèi)運(yùn)移、差異剝蝕引起的層內(nèi)運(yùn)移和成熟度差異引起的層內(nèi)運(yùn)移機(jī)理。對(duì)于背斜而言，頁(yè)巖氣具有由翼部指向軸部的運(yùn)移趨勢(shì)；對(duì)于向斜而言，當(dāng)M<1且N>0或M≥1時(shí)，頁(yè)巖氣具有由軸部指向翼部運(yùn)移的趨勢(shì)，否則運(yùn)移方向相反；對(duì)于發(fā)生抬升剝蝕的地區(qū)，頁(yè)巖氣具有由上覆巖層未受剝蝕或剝蝕量小的地區(qū)指向受剝蝕或剝蝕量大的地區(qū)的運(yùn)移趨勢(shì)；生物化學(xué)成因頁(yè)巖氣藏具有異常低壓，熱解成因的天然氣藏具有異常高壓，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域間連通時(shí)，頁(yè)巖氣則具有向異常低壓處運(yùn)移的趨勢(shì)。

(3)頁(yè)巖氣大量生成后，其微觀運(yùn)移使得孔隙流體壓力逐漸增大而壓破巖石形成裂縫，為層內(nèi)運(yùn)移提供了基礎(chǔ)，也控制著裂縫發(fā)育的方向；而層內(nèi)運(yùn)移則通過(guò)降低孔隙流體壓力，來(lái)抵消其對(duì)吸附態(tài)和溶解態(tài)的頁(yè)巖氣轉(zhuǎn)化游離態(tài)的抑制，從而在一定程度上促進(jìn)了微觀運(yùn)移的過(guò)程。

(4)川東焦石壩地區(qū)發(fā)育了一個(gè)斷背斜，頁(yè)巖氣資源豐富，根據(jù)計(jì)算的壓力系數(shù)，該背斜的樞紐上沿上傾方向孔隙流體壓力逐漸下降，甲烷含量逐漸升高。相比于B井，鄰近的C井所在位置孔隙流體壓力較低，甲烷含量明顯較高，差異剝蝕引起的層內(nèi)運(yùn)移作用強(qiáng),另外兩種模式引起的層內(nèi)運(yùn)移在研究區(qū)難以體現(xiàn)。