页岩气藏流动机理

气体在页岩储层中的渗流机理气体在页岩储层中的流动主要经历 ３ 个过程：（1） 吸附在页岩储层基质表面的天然气解吸附后形成自由气存储在基质孔隙中；（2） 基质孔隙中的自由气（包括游离态 、溶解态气体和解吸附后形成的气体）向低压区（裂缝网络系统）扩散 ；（3） 天然裂缝和压裂诱导裂缝中的自由气以渗流的方式流向井底 。

1． 解吸附作用页岩气藏与常规天然气藏最主要的区别是部分天然气以吸附状态存储于页岩基质中 。

气体在页岩储层基质颗粒表面上的吸附主要受温度 、压力 、吸附物（气体类型和性质）、吸附体（储层类型 、比表面积 、固体吸附能力）等的影响。

对于给定的页岩气藏 ，吸附体和吸附物性质保持不变 ，气藏内温度变化范围较小 ，气体吸附量是压力的函数 。

在钻井 、完井和开采过程中 ，孔隙压力下降 ，吸附在基质颗粒表面的气体开始解吸附 。

在平衡状态和特定温度条件下描述岩石表面气体吸附量的函数形式主要有 ３ 种 ：Henry 线性等温吸附定律 、Freundlich 指数等温吸附定律和Langmuir 等温吸附定律 。

Henry 等温吸附定律 ：E H V V p =Freundlich 等温吸附定律 ：n E FV V p =Langmuir 等温吸附定律 2 扩散页岩储层中的扩散作用是指在浓度差的作用下 ，游离相天然气从高浓度区域向低浓度区域运动 ，即天然气由基质向裂缝系统进行扩散 ，当区域浓度平衡时 ，扩散现象停止 。

依据扩散过程可以分为拟稳态扩散和非稳态扩散。

式（５）给出了拟稳态扩散方程（Fick 第一定律） ，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（扩散通量）与该面积处的浓度梯度成正比 。

式（６）给出了非稳态扩散方程（Fick 第二定律） ，即扩散过程中扩散物质的浓度随时间变化 。

拟稳非稳页岩气藏开发过程中 ，基质内的天然气浓度随时间变化 ，非稳态扩散方程能够更准确地描述页岩气的扩散过程 。

页岩气成藏机理1 前言页岩气是指那些聚集在暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气。

它与常规天然气的理化性质完全一样，只不过赋存于渗透率、孔隙度极低的泥页岩之中，气流的阻力比常规天然气大，很大程度上增加了页岩气的开采难度，因此被业界归为非常规油气资源。

在页岩气藏中,天然气不仅存在于泥页岩,也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和砂岩地层中。

页岩气藏烃源岩多为沥青质或富含有机质的暗色泥页岩和高碳泥页岩,有机质含量一般为4% ~30%,是普通烃源岩的10~20倍。

天然气的生成来源于生物作用、热成熟作用或两者的结合。

页岩自身的有效孔隙度很低,页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝,或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。

通常孔隙度最高仅为4% ~5%,渗透率小于1×10-3μm。

2 页岩气的成藏机理天然气以多种状态存在于页岩中。

少数为溶解状态天然气,大部分为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和裂缝之中。

吸附状天然气的赋存与有机质含量密切,它与游离状天然气含量之间呈彼消长关系,其中吸附状态天然气的含量变化于20% ~85%之间。

2.1 页岩气第一阶段－吸附状态（吸附与扩散）天然气在页岩中的生成、吸附与溶解逃离(图1①),具有与煤层气成藏大致相同的机理过程。

在天然气的最初生成阶段,主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要,当吸附气量与溶解的逃逸气量达到饱和时,富裕的天然气则以游离相或溶解相进行运移逃散,条件适宜时可为水溶气藏的形成提供丰富气源。

此时所形成的页岩气藏分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式,总体含气量有限。

2.2 页岩气第二阶段－游离状态（溶解与析出）在热裂解气大量生成过程中,由于天然气的生成作用主要来自于热化学能的转化,它将较高密度的有机母质转换成较低密度的天然气。

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。

1.页岩气藏储层孔隙结构分析页岩气藏有独特的天然气存储特征，在形式上游离气和吸附气并存。

吸附气主要吸附在基质孔隙表面，而游离气存在于基质孔隙和次生裂缝中。

页岩气基质由有机质和无机质组成，裂缝也分为基质微裂缝和人工裂缝两种，显然，不同的孔隙或裂缝之间存在很大的尺度区别。

页岩气储层一共包括4种不同尺度的孔隙介质，分别是无机质、有机质、天然裂缝和水力诱导裂缝。

页岩有机质和无机质中的孔隙为纳米级尺度的微孔隙，有机质中的孔隙产生在页岩气生成阶段，孔隙尺寸为5～1000nm，是游离气主要的存储空间。

同时，不管是有机质还是无机质，都存在有孔隙的基质和无孔隙的基质。

页岩自身的有效孔隙度很低,页岩气藏主要是由于大范围发育的区域性裂缝,或热裂解生气阶段产生异常高压在沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生的裂缝提供成藏所需的最低限度的储集孔隙度和渗透率。

通常孔隙度最高仅为4% ~5%,渗透率小于1×10-3μm。

2.页岩气渗流机理分析页岩气藏的特殊孔隙结构决定了具有特殊的渗流方式，孔隙结构的多尺度也决定了渗流方式的多尺度，从分子尺度到宏观尺度都有页岩气渗流发生，主要有解吸附、扩散、渗吸吸入、达西渗流和非达西渗流。

扩散作用：发生在远离孔隙和裂缝的基质中。

当吸附了天然气的有机质不属于多孔介质时，只有暴露于基质孔隙或裂缝处的吸附气才能直接被释放，但那些远离孔隙和裂缝的吸附气只能沿着有机质表面以扩散作用运移。

解吸附：发生在多孔介质的有机质中。

当吸附了天然气的有机质属于多孔介质时，绝大部分吸附气通过解吸作用直接释放到有机质孔隙中，此时，天然气流动以解吸附为主，扩散作用被极大地削弱。

达西渗流：主要发生在天然裂缝或水力诱导裂缝中。

不论是基质吸附气还是孔隙中的游离气，以各种方式进入到天然裂缝或水力诱导裂缝以后，在页岩气产出过程中，在裂缝中的渗流遵循达西定律。

非达西渗流：发生在基质孔隙中。

在无机质和有机质的孔隙中流动时，由于气体滑脱效应的影响，游离气的流动偏离了直线，呈现出非达西渗流特征。

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。

一页岩气成藏机理及控制因素第一章页岩气成藏机理及控制因素页岩气（Shale gas），是一种重要的非常规天然气类型，与常规天然气相比，其生成、运移、赋存、聚集、保存等过程及成藏机理既有许多相似之处，又有一些不同点。

页岩气成藏的生烃条件及过程与常规天然气藏相同，泥页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定了其生烃能力和时间；在烃类气体的运移方面，页岩气成藏体现出无运移或短距离运移的特征，泥页岩中的裂缝和微孔隙成了主要的运移通道，而常规天然气成藏除了烃类气体在泥页岩中的初次运移以外，还需在储集层中通过断裂、孔隙等输导系统进行二次运移；在赋存方式上，二者差别较大，首先，储集层和储集空间不同（常规天然气储集于碎屑岩或碳酸盐岩的孔隙、裂缝、溶孔、溶洞中，页岩气储集于泥页岩粘土矿物和有机质表面、微孔隙中。

），其次，常规天然气以游离赋存为主，页岩气以吸附和游离赋存方式为主；在盖层条件方面，鉴于页岩气的赋存方式，其对上覆盖层条件的要求比常规天然气要低，地层压力的降低可以造成页岩气解吸和散失。

页岩气的成藏过程和成藏机理与煤层气极其相似，吸附气成藏机理、活塞式气水排驱成藏机理和置换式运聚成藏机理在页岩气的成藏过程中均有体现，进行页岩气的勘探开发研究，可以在基础地质条件研究的基础上，借助煤层气的研究手段，解释页岩气成藏的特点及规律。

第一节页岩气及其特征页岩（Shale），主要由固结的粘土级颗粒组成，是地球上最普遍的沉积岩石。

页岩看起来像是黑板一样的板岩，具有超低的渗透率。

在许多含油气盆地中，页岩作为烃源岩生成油气，或是作为地质盖层使油气保存在生产储层中，防止烃类有机质逸出到地表。

然而在一些盆地中，具有几十－几百米厚、分布几千－几万平方公里的富含有机质页岩层可以同时作为天然气的源岩和储层，形成并储集大量的天然气（页岩气）。

页岩既是源岩又是储集层，因此页岩气是典型的“自生自储”成藏模式。

这种气藏是在天然气生成之后在源岩内部或附近就近聚集的结果，也由于储集条件特殊，天然气在其中以多种相态存在。