下载文档原格式
页岩气特点及成藏机理---陈栋、王杰页岩气作为一种重要的非常规油气资源，随着能源资源的日益匮乏，作为传统天然气的有益补充，其重要性已经日益突出。
随着国家新一轮页岩气勘探开发部署的大规模展开，正确认识和掌握页岩气的成因、成藏条件等知识，对于今后从事页岩气现场录井的工作人员提高录井质量具有较好的指导意义。
1.概况页岩气（shale gas）是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，与“煤层气”、“致密气”同属一类。
其形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的页岩烃源岩地层中。
2.特点2.1 页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50％）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间；以吸附状态（大约50％）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中为天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集表现为典型的原地的有利目标。
页岩气的资源量较大但单井产量较小，美国页岩气井的单井采气量为2800-28000m3/d。
2.5 在成藏机理上具有递变过渡的特点，盆地内构造较深部位是页岩气成藏的有利区，页岩气成藏和分布的最大范围与有效气源岩的面积相当。
2.6 原生页岩气藏以高异常压力为特征，当发生构造升降运动时，其异常压力相应升高或降低，因此页岩气藏的地层压力多变。
2.7 页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点—-大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，使得页岩气井能够长期地稳定产气。
但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大。
3.成因通过对页岩气组分特征、成熟度特征分析，页岩气是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合。
生物成因气是有机物在低温下经厌氧微生物分解作用形成的天然气；热成因气是有机质在较高温度及持续加热期间经热降解和裂解作用形成的天然气。
页岩气成藏机理研究徐祖新,郭少斌(中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083) 摘 要:页岩气藏大面积连续分布,而且不受构造作用的控制,页岩气的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成,页岩既是烃源岩、储层,也是盖层。
页岩气成藏机理具有明显的“混合型”特征,根据成藏条件的不同,成藏机理可分为吸附机理、活塞式成藏机理或置换式成藏机理两种类型[1]。
页岩气成藏机理兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏的特征,体现出了复杂的多机理递变特点。
页岩气成藏机理实质上就是页岩孔隙中的不同赋存方式的天然气空间比例分配问题[2]。
关键词:页岩气;成藏条件;成藏机理 中图分类号:P618.12 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2011)06—0122—03 页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附状态或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。
这是天然气生成之后在烃源岩层内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式[3]。
页岩气藏中的天然气主要存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩中,有时甚至也存在砂岩地层中。
页岩气藏中的天然气不仅包括了存在于裂缝中的游离相天然气,也包括了存在于岩石颗粒表面上的吸附气[4]。
从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果,由于生储盖条件特殊,天然气在其中以多种相态存在。
页岩气是非常规天然气的重要类型,在天然气中占的比重逐年增大,受到各国重视,其中美国在页岩气方面的理论与勘探开发技术完善,并且已经形成一定的商业规模[5]。
近几年来我国也进行了初步勘探,研究发现,我国南方志留系地层中发育黑色页岩,演化程度高,可形成的页岩气资源潜力大。
特别是四川盆地的威远和泸州地区,其页岩气资源相当于四川盆地常规天然气资源的总量。
我国松辽盆地白垩系、江汉盆地的第三系、渤海湾盆地、南华北、柴达木以及酒泉盆地均具有页岩气资源[3]。
可以这么说,页岩气是目前经济技术条件下天然气工业化勘探的重要领域和目标[6]。
页岩气成藏与运聚机理及前景趋势分析调查页岩气是一种在地下页岩岩石中储存的一种非常重要的天然气资源。
在过去几十年里，页岩气的勘探和开发取得了令人瞩目的成果，成为全球能源市场的重要组成部分。
本文将对页岩气的成藏与运聚机理进行分析，并对其未来的前景趋势进行调查。
首先，我们需要了解什么是页岩气的成藏机理。
页岩气的形成主要是通过古代有机质在地壳深部经过热解成熟、排水和干酪化等作用形成的。
在成熟过程中，有机质的碳元素会转化为天然气，并通过微孔和裂缝等储集空间储存起来。
因此，了解页岩气形成的沉积环境和地质构造对于寻找页岩气储层非常重要。
其次，我们需要了解页岩气的运聚机理。
与传统天然气不同，页岩气储层的孔隙度和渗透率比较低，气体的运聚主要依靠吸附和解吸作用。
吸附作用是指天然气分子与岩石表面形成物理吸附或化学吸附作用，将气体存储在页岩孔隙中；解吸作用则是指当压力降低时，气体从岩石孔隙中解吸出来，促使气体流动。
此外，裂缝和微孔等储集空间也起到了页岩气运聚的重要作用。
针对页岩气的前景趋势，我们可以从以下几个方面进行调查。
首先是技术的发展。
目前，页岩气的开发技术主要包括水力压裂和水平井钻探等。
随着技术的进步和成本的下降，预计未来页岩气产量将继续增加。
同时，还有一些新技术正在研发中，如化学品替代水力压裂技术和提高页岩气开采效率的新型压裂剂等。
其次，政府政策的支持也是关键因素。
很多国家和地区都意识到页岩气的重要性，并采取了一系列措施来促进其开发。
例如，美国通过优惠税收和减少管制等吸引投资者，加快了页岩气的开发进程。
其他国家如加拿大、中国和阿根廷等也制定了有利于页岩气开发的政策，为未来的发展铺平道路。
第三，环境的可持续发展也是未来页岩气开发的重要考虑因素之一。
页岩气开采对环境的影响引起了广泛关注，尤其是水资源的过度使用和水污染的问题。
因此，发展环保的开采技术和制定可持续发展的政策非常重要。
近年来，一些公司已经开始投资于环保友好型的页岩气开采技术研究，并逐步减少水资源的使用。
页岩气及其成藏机理页岩气及其成藏机理摘要：本文介绍了页岩气的特征、形成条件和富集机理等，认为不同阶段、不同成因类型的天然气都可能会在泥页岩中滞留形成页岩气；页岩气生气量的主要因素是有机质的成熟度、干酪根的类型和有机碳含量；吸附态的赋存状态是页岩气聚集的重要特征。
我国页岩地质结构特殊复杂，需要根据我国具体的地质环境进行分析以便更加合理的进行开采。
关键词：页岩气富集资源天然气作为一种高效、优质的清洁能源和化工原料，已成为实现低碳消费的最佳选择。
全球非常规天然气资源量非常巨大，是常规油气资源的1.65倍。
其中页岩气占非常规天然气量的49%约4561012m3，巨大的储量和其优质、高效、清洁的特点，使得页岩气这一非常规油气资源成为世界能源研究的热点之一。
我国页岩气可采储量丰富，约31 1012m3，与美国页岩气技术可采储量相当。
通过对页岩气资源的勘探和试采开发，发现其储集机理、生产机制与常规气藏有较大的差别。
一、页岩气及其特征页岩是一种具有纹层与页理构造由粒径小于0.004mm的细粒碎屑、黏土矿物、有机质等组成。
黑色页岩及含有机质高的碳质页岩是形成页岩气的主要岩石类型。
页岩气是从黑色页岩或者碳质泥岩地层中开采出来的天然气。
页岩气藏的形成是天然气在烃原岩中大规模滞留的结果，由于特殊的储集条件，天然气以多种相态存在，除了少数溶解状态的天然气以外，大部分在有机质和黏土颗粒表面上吸附存在和在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在。
吸附状态的天然气的赋存与有机质含量有关，从美国的开发情况来看，吸附气在85～20%之间，范围很宽，对应的游离气在15～80%，其中部分页岩气含少量溶解气。
页岩气主体上是以吸附态和游离态同时赋存与泥页岩地层且以自生自储为成藏特征的天然气聚集。
复杂的生成机理、聚集机理、赋存状态及富集条件等，使得页岩气具有明显的地质特殊性，具有低产量、产气时间长的特点（一般可稳产30～50年，递减率<5%）。
泥页岩储层特征及油气藏描述1、页岩气地质理论页岩气藏因其自身的有效基质孔隙度很低，主要由大范围发育的区域性裂缝或热裂解生气阶段异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面、脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的储集孔隙度和渗透率，孔隙度最高仅为4%-5%，渗透率小于1x10-3µm2。
页岩在地层组成上多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。
在页岩中，天然气的赋存状态多种多样，除极少量的溶解状态天然气以外，大部分以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面，或以游离状态赋存于孔隙、裂缝中。
吸附状态天然气的赋存与有机质含量关系密切，其中吸附状态天然气的含量为20%-85%，其成藏体现出非常复杂的多机理递变特点，表现为成藏过程中的无运移或极短距离的有限运移，因此页岩气藏具有典型煤层气、典型常规圈闭气成藏的多重机理。
页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果，是“自生自储”式气藏，运移距离极短，现今保存状态基本上可以反映烃类运移时的状态，即天然气主要以游离相、吸附相和溶解相存在。
在生物化学生气阶段，天然气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面，饱和后则富余的天然气以游离相或溶解相进行运移，当达到热裂解生气阶段，由于压力升高，若页岩内部产生裂缝，则天然气以游离相为主向其中运移聚集，受周围致密页岩烃源岩层遮挡、圈闭，易形成工业性页岩气藏。
由于扩散作用对气态烃的运移起到相当大的作用，天然气继续大量生成，将因生烃膨胀作用使富余的天然气向外扩散运移，此时无论是页岩地层本身还是薄互层分布的砂岩储层，均表现为普遍的饱含气性。
在陆相盆地中，湖沼相和三角洲相沉积产物一般是页岩气成藏的最好条件，但通常位于或接近盆地的沉降-沉积中心，导致页岩气的有利分布区集中于盆地中心处。
从天然气的生成角度分析，生物气的产生需要厌氧环境，而热成因气的产生也需要较高的温度条件，因此靠近盆地中心方向是页岩气成藏的有利区域。
2、页岩气的主要特征2.1页岩气的成因特征页岩气的成因类型有生物成因型、热解成因型和热裂解成因3类型及其混合类型。
页岩气及其成藏机理张金川!，薛会"，张德明!，蒲军"（!#中国地质大学能源地质系，北京!$$$%&；"#石油大学盆地中心，北京!$""’(）收稿日期："$$&)$*)"*基金项目：国家自然科学基金项目（’$"+"$,"；’$!+"$*"）。
作者简介：张金川，男，副教授，博士，!(,’年出生，石油地质学专业，从事非常规天然气、成藏机理及资源评价的研究。
页岩气是以多种相态存在并富集于泥页岩（部分粉砂岩）地层中的天然气。
!%"!年在美国-./01/020/县钻探的第一口天然气生产井就是页岩气井（在井深"!3处，从%3厚的页岩裂缝中产出天然气）。
!((%年美国的页岩气当年采气量超过了!$$亿3&，其发现储量占美国天然气探明储量的"#&4。
页岩气是目前经济技术条件下天然气工业化勘探的重要领域和目标。
根据-05167等人的资料分析页岩气具有如下基本特征：（!）岩性多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩（高炭泥页岩类），岩石组成一般为&$48*$4的粘土矿物、!*48"*4的粉砂质（石英颗粒）和!48"$4的有机质，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层；（"）页岩气可以主要来源于生物作用或热成熟作用，!（9:-）介于$8"*4之间，镜质体反射率介于$#’48"4之间；（&）页岩本身既是气源岩又是储集层，目前可采的工业性页岩气藏埋深最浅为!%"3。
页岩总孔隙度一般小于!$4，而含气的有效孔隙度一般只有!48*4，渗透率则随裂缝发育程度的不同而有较大的变化；（’）页岩具有广泛的饱含气性，天然气的赋存状态多变，吸附态天然气的含量变化于"$48%*4之间；（*）页岩气成藏具有隐蔽性特点，不以常规圈闭的形成存在，但当页岩中裂缝发育时，有助于游离相天然气的富集和自然产能的提高。
页岩气成藏机理及气藏特征
页岩气是泛指赋存于富含有机质的暗色页岩或高碳泥页岩中，主要以吸附或游离状态存在的非常规天然气资源。
在埋藏温度升高或有细菌侵入时，暗色泥页岩中的有机质，甚至包括已生成的液态烃，裂解或降解成气态烃，游离于基质孔隙和裂缝中，或吸附于有机质和矿物表面，在一定地质条件下就近聚集，形成页岩气藏。
从全球范围来看，页岩气拥有巨大的资源量。
据统计，全世界的页岩气资源量约为456.24xl0i2m3，相当于致密砂岩气和煤层气资源量的总和，具有很大的开发潜力，是一种非常重要的非常规资源［1-6］。
页岩气资源量占3种非常规天然气（煤层气、致密砂岩气、页岩气）总资源量的50%左右，主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区，与常规天然气相当。
页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。
1.1 页岩气成藏机理
1.1.1成藏气源
页岩气藏的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成，页岩既是烃源岩、储层，也是盖层。
研究表明，烃源岩中生成的烃类能否排出，关键在于生烃量必须大于岩石和有机体对烃类的吸附量，同时必须克服页岩微孔隙强大的毛细管吸附等因素。
因此，烃源岩所生成的烃类只有部分被排出，仍有大量烃类滞留于烃源岩中。
北美地区目前发现的页岩气藏存在3种气源，即生物成因、热成因以及两者的混合成因。
其中以热成因为主，生物成因及混合成因仅存在于美国东部的个别盆地中，如Michigan盆地Antrim生物成因页岩气藏及Illinois盆地NewAlbany混合成因页岩气藏
［2l］。
1.1.2成藏特点
页岩气藏中气体的赋存形式多种多样，其中绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和黏土颗粒的表面，这与煤层气相似。
游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝中，这与常规气藏中的天然气相似。
因此，页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气两者特征，为不间断充注、连续聚集成藏（图l-l）。
有机质和黏土颗粒气体流入气体进入最终形成
表面吸附与解吸页岩基质孔隙天然裂缝网络页岩气藏
图1-1页岩气赋存方式与成藏过程示意图
在页岩气成藏过程中，随天然气富集量增加，其赋存方式发生改变，完整的页岩气藏充注与成藏过程可分为4个阶段。
第一阶段为天然气生成与吸附阶段，该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理；第二阶段为吸附气量（包括部分溶解气量）达到饱和时，富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中（也不排除少量直接进入了微裂缝中），其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集；第三阶段是随着大量气体的生成，页岩基质孔隙内温度、压力升高，出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏；经过前述三个过程后，天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏，即页岩气藏形成阶段。
1.1.3成藏阶段
页岩气成藏机理具有明显的“混合型”特征。
根据成藏条件的不同，成藏机理可分为吸附机理、活塞式成藏机理或置换式成藏机理两种类型。
按成藏机理的不同又可将页岩气的成藏划分为2个阶段：第一阶段以吸附作用为主，发生在页岩气藏形成初期；由于页岩层段富含具有吸附能力的有机碳，页岩所生成的天然气首先满足有机碳的吸附需求，具有与煤层气相同的成藏机理，也就是我们所说的吸附机理。
第二阶段发生在生气高峰。
随着页岩生气过程的继续，页岩有机质颗粒所提供的最大吸附气量不足以满足所生成的天然气聚集需求时，游离态天然气开始出现。
随着生气过程的继续，天然气在地层中逐渐形成高压，从而导致沿岩石的薄弱面小规模裂缝的形成，天然气开始在裂缝中以游离态运移聚集。
此时，天然气主体上受生气膨胀力的推动而成藏，近源分布且不受浮力作用，反映了活塞式的运聚特征，与根缘气具有相同的成藏机理，也就是活塞式成藏机理。
如果天然气生成量继续增加，则裂隙彼此连通构成较大的裂缝网络（运移高速通道），浮力作用促使天然气以置换方式从泥页岩层向外运移，为常规圈闭气的成藏打开了通道，天然气将选择大孔隙通道进行置换式运移，气在上面水在下面，表现为裂缝系统中的置换成藏机理。
综上所述，在页岩气成藏过程中，吸附机理与活塞式运聚机理共同作用，控制着页岩气藏中吸附态和游离态天然气比例的变化。
页岩气成藏机理实质上就是页岩孔隙中的不同赋存方式的天然气空间比例分配问题［7］。
1.2页岩气藏特征
1.2.1页岩气成因类型
页岩气主要有两种成因类型。
作为生物成因气，由于全新世富含细菌的大气降水的侵入作用，厌氧细菌在埋藏早成岩作用阶段的活动形成。
作为热成因气，是高温高压下干酪根化学降解产生。
页岩气可以是由有机物质初次裂解，也可以是由沥青质和石油二次裂解，或是热成因、生物成因的混合作用生成。
（1）生物成因气；页岩生物成因作用受几个关键因素影响。
富含有机质的泥页岩是页岩气形成的物质基础，缺氧、低硫酸盐、低温环境是生物成因的页岩气形成的必要外部条件，足够的埋藏时间是生成大量生物成因气的保证。
生物成因气通常形成在至少1000米的埋深下，但是可以储存在深达4527米的储层中。
生物成因甲烷也可以在低于550米比较浅的埋深下，在成岩地质历史后期由于氧化的地层水在岩层中循环形成。
密歇根大学新闻和信息所认为密歇根盆地的Antrim页岩中的浅层生物成因气，是在过去的2.2万年中以此类型的地层水循环中的生物作用生成。
与其相同时代的伊利诺斯盆地的NewAlbany页岩也产生物成因气，但不知道是由于全新世地层水的循环产生的，还是在沉积后就形成的原生的生物气。
明显的是不管成熟水平如何，所有富含有机质的页岩源岩都是有潜力的含气页岩。
（2）热成因气；随着埋深的增加，温度、压力增大，有机质在较高温度及持续加热期间经热降解作用和热裂解作用生成大量油气。
页岩中热成因气的形成有以下三个明显的过程：①酪根分解成天然气和沥青；②沥青分解成石油和天然气；③石油分解成天然气和富碳的焦炭或焦沥青残留物。
其中①、②是初次裂解，③为二次裂解。
有机质的热模拟试验表明，在沉积物的整个成熟过程中，干酪根、沥青和原油均可以生成天然气，对于有机质丰度和类型相近或相似的泥页岩，成熟度越高，形成的烃类气越多。
在成熟作用的早期，天然气主要通过干酪根降解作用形成；在晚期阶段，天然气主要通过干酪根、沥青和石油裂解作用形成。
与生物成因气相比，热成因气生成于较高的温度和压力下，因此，在干酪根热成熟度增加的方向上，热成因气在盆地地层中的体积含量呈增大趋势。
另外，热成因气也很可能经过漫长的地质年代和构造作用从页岩储层中不断泄漏出去。
1.2.2页岩气产出特征
不同的储存机理影响天然气的储量及天然气生产的速度和效率。
天然气往往以逐步释放的形式产出，首先排出的是裂缝中的游离气；然后是附在裂缝面上的吸附气；最后逸出的是页岩基质中的吸收气。
游离气快速释放，吸附气的产出具有速度慢、产量低的特点，而吸收气则以非常稳定而又及其缓慢的速度排出。
页岩气井以依次连续排出的机制进行生产，并表现出具有多孔隙系统的特征。
气体的解吸作用是页岩气产出的根本机理，生产中通过排出页岩中的地下水来降低地层原始压力，促使气体解吸过程发生。
解吸的气体通过扩散作用进入裂缝系统，然后在地层压差的驱动下，经裂缝网络流向井筒（如图1-2）。
渗透率是储层的一个重要参数，当降低一口生产井的井底流压时，渗透率就会影响到页岩储层外围的压降。
当渗透率增加时，就可能在泄气边界处形成理想的压降。
图1-2气体通过页岩运移示意图
从岩石颗粒解吸 通过原生孔隙扩散
向井眼的达西流
参考文献
[1]李武广，杨胜来，殷丹丹，等.页岩气开发技术与策略综述[J].天然气与石油，
2011,29(1)：34~37.
[2]张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业，2004，24(7)：
15~18.
⑶崔青，高金龙.世界页岩气勘探开发技术及我国勘探前景J].内蒙古石油化工，2011，
17：122~124.
[4]PatRoche.MostShaleGasGrowthTo2015WillComeFromU.S.AndCanada[R].DailyOilBulletin.20
11-02-14.
[5]C.D.Rokosh，J.G.Pawlowicz，H.Berhane，
S.D.A.AndersonandA.P.Beaton.WhatisShaleGas?AnIntroductiontoShale-
GasGeologyinAlberta.ERCB/AGSOpenFileReport：2008-08.
⑹张金川，姜生玲，唐玄，等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业，
2009,29(12)：109~112.。
