页岩气及其成藏机理

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456

1012m3，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%）。页岩中的天然气成因和赋存状态都具有多样性的特点，其成因机理包括了未熟—低熟气、成熟气、高—过熟生物气等，也包括了二次生气、沥青生气及生物再作用生气等复杂成因机理，几乎覆盖了所有可能的有机生气作用机理。赋存状态上主要包括了溶解态、游离态及吸附态，其中吸附态的存在使得页岩气有较稳定的保存能力和抗破坏能力，同时也导致了页岩气开发周期长、产量低的特点。

二、页岩气的形成条件

页岩气的成因主要包括三种：热成因、生物成因以及生物与热成因的混合成因。生物成因的页岩气是页岩在成岩阶段直接有细菌降解而成的气体，也有气藏是经后期改造而成的生物气，生物成因气最普通标志是甲烷的 13C值很低（<-55‰）。热成因的页岩气是有机质埋藏演化到高—过成熟阶段后，干酪根的短侧链直接热裂解成气，或干酪根上的长侧链所生成了液态油进一步裂解成气而形成的。由于油的存在使致密页岩体系的渗透率降低，天然气很难排出来，致使气体的生产效率非常低。混合成因页岩气是指不同成因类型的天然气在页岩中的共存。由于地质演化历史复杂，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。

页岩气是沉积岩中的有机质在热作用或生物作用下形成的天然气。要形成有工业开发价值的气藏要有丰富的气源物质基础，要求生烃有机质含量达到一定标准。有机质含量高的黑色泥页岩是页岩气藏的最好烃源岩，它们的形成需要较好的还原环境和较快的沉积速度。在整个有机质生烃的过程中都伴随有页岩气的生成，影响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。

有机质的成熟度不仅可以用来预测页岩的生烃潜能，还可以用来评价高变质地区页岩储层的潜能，是页岩气成藏的重要指标。页岩的生气能力与有机质的成熟度和类型有关，在同一热演化阶段不同类型的有机质的生气特征不同；在不同的热演化阶段同一类型的有机质随着埋深和地温的升高，生气特征也不同。因此，页岩气可以在不同有机质类型的烃源岩中产出。有机质的总量和成熟度才是决定烃源岩生

产能力的重要因素。根据美国开发页岩气的特征，页岩气盆地页岩从未成熟到成熟都有发现，可见成熟度的高低并不是制约页岩气成藏的主要因素，在热成熟度高的地区可能形成页岩气，但当成熟度超过一定门限后，单井的产能会有所下降。

干酪根是沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和非极性有机溶剂的分散有机质。沉积有机物主要是干酪根，约占80%-90%。干酪根根据碳氢原子比和原始含氢、氧量可分为三种类型：I型原始氢含量高，氧含量低，氢碳原子比为1.25-1.75；II型的原始氢含量较高，氧含量中等，氢碳原子比为0.65-1.25；III型的原始氢含量低，氧含量高，氢碳原子比为0.46-0.93。

有机质是页岩气生成的物质基础，有机质对生成页岩气的作用主要表现在两个方面：一是由于有机质是页岩气生成的物质基础，页岩中有机质含量越大，其生烃能力越强；二是页岩气中大部分天然气以吸附态存在于有机质颗粒表面。有机质作为页岩中天然气的赋存介质，其有机质的含量越高，吸附气含量越高。

三、页岩气的富集

页岩气在页岩中的赋存主要有三种状态：①以溶解态赋存于有机质、液态烃和残留水中；②以吸附态存于黏土矿物、干酪根等表面；

③以游离态存于孔隙和裂隙中，其中吸附态的赋存状态是其聚集的重要特征。据已开发的页岩气研究，吸附态页岩气占总量的20%—85%。页岩气是介于根缘气和煤层吸附气之间的一种存在形式。页岩气藏体现出了天然气聚集机理递变的复杂特点，即从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚，再到生烃高峰时期的置换式运聚，都具有这一特点。

页岩气藏的形成与演化，从整体上可分为三个主要阶段。第一阶段天然气在页岩中生成、吸附与溶解逃离，与煤层气藏机理大致相同。在天然气生成的初期阶段主要由生物作用产生天然气，首先吸附在有机质和岩石颗粒表面上，当吸附量和溶解量达到饱和时，富裕的天然气则从溶解相或游离相进行运移逃散。在一定条件下可为水溶气藏提供丰富的气源。此时所形成的页岩气藏总体含气量有限，其分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式。第二阶段热裂解气大量生