一頁巖氣成藏機理及控制因素_圖文

1、第一章頁巖氣成藏機理及控制因素頁巖氣(Shale gas,是一種重要的非常規(guī)天然氣類型,與常規(guī)天然氣相比,其生成、運移、賦存、聚集、保存等過程及成藏機理既有許多相似之處,又有一些不同點。頁巖氣成藏的生烴條件及過程與常規(guī)天然氣藏相同,泥頁巖的有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型和熱演化特征決定了其生烴能力和時間;在烴類氣體的運移方面,頁巖氣成藏體現(xiàn)出無運移或短距離運移的特征,泥頁巖中的裂縫和微孔隙成了主要的運移通道,而常規(guī)天然氣成藏除了烴類氣體在泥頁巖中的初次運移以外,還需在儲集層中通過斷裂、孔隙等輸導系統(tǒng)進行二次運移;在賦存方式上,二者差別較大,首先,儲集層和儲集空間不同(常規(guī)天然氣儲集于碎屑巖或碳酸鹽巖的

2、孔隙、裂縫、溶孔、溶洞中,頁巖氣儲集于泥頁巖粘土礦物和有機質(zhì)表面、微孔隙中。,其次,常規(guī)天然氣以游離賦存為主,頁巖氣以吸附和游離賦存方式為主;在蓋層條件方面,鑒于頁巖氣的賦存方式,其對上覆蓋層條件的要求比常規(guī)天然氣要低,地層壓力的降低可以造成頁巖氣解吸和散失。頁巖氣的成藏過程和成藏機理與煤層氣極其相似,吸附氣成藏機理、活塞式氣水排驅(qū)成藏機理和置換式運聚成藏機理在頁巖氣的成藏過程中均有體現(xiàn),進行頁巖氣的勘探開發(fā)研究,可以在基礎地質(zhì)條件研究的基礎上,借助煤層氣的研究手段,解釋頁巖氣成藏的特點及規(guī)律。第一節(jié)頁巖氣及其特征頁巖(Shale,主要由固結(jié)的粘土級顆粒組成,是地球上最普遍的沉積巖石。頁巖看起

3、來像是黑板一樣的板巖,具有超低的滲透率。在許多含油氣盆地中,頁巖作為烴源巖生成油氣,或是作為地質(zhì)蓋層使油氣保存在生產(chǎn)儲層中,防止烴類有機質(zhì)逸出到地表。然而在一些盆地中,具有幾十-幾百米厚、分布幾千-幾萬平方公里的富含有機質(zhì)頁巖層可以同時作為天然氣的源巖和儲層,形成并儲集大量的天然氣(頁巖氣。頁巖既是源巖又是儲集層,因此頁巖氣是典型的“自生自儲”成藏模式。這種氣藏是在天然氣生成之后在源巖內(nèi)部或附近就近聚集的結(jié)果,也由于儲集條件特殊,天然氣在其中以多種相態(tài)存在。這些天然氣可以在頁巖的天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。我們把這

4、些儲存在頁巖層中的天然氣稱為頁巖氣(Shale gas。頁巖氣是指賦存于暗色泥頁巖、高碳泥頁巖及其夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖中以自生自儲成藏的天然氣聚集。美國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源評價組(1995認為頁巖氣系統(tǒng)屬于典型的非常規(guī)天然氣藏即連續(xù)性天然氣聚集。Curtis(2002對頁巖氣進行了界定并認為,頁巖氣在本質(zhì)上就是連續(xù)生成的生物化學成因氣、熱成因氣或兩者的混合,它具有普遍的地層飽含氣性、含氣面積大、隱蔽聚集機理、多種巖性封閉以及相對很短的運移距離特點,它可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。因此

5、,可以將頁巖氣概括為:主體上以吸附和游離狀態(tài)賦存于泥頁巖地層中的天然氣聚集。我國學者張金川等(2004認為,頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。在頁巖氣藏中,天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中,為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果,表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。從某種意義來說,頁巖氣藏的形成是天然氣在烴源巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果。我們通過對國內(nèi)外關(guān)于頁巖氣形成及聚集方式描述的分析,從成因、賦存機理兩方面說明頁巖氣的概念、涵義。頁巖氣是由烴源巖連續(xù)生成的生物化學成因氣、熱成因氣或兩者的混合,在烴源巖系統(tǒng)(頁巖系

6、統(tǒng):頁巖及頁巖中夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖中以吸附、游離或溶解方式賦存的天然氣。與常規(guī)天然氣藏相比,頁巖氣藏具有以下幾個特點:早期成藏,天然氣邊形成邊賦存聚集,不需要構(gòu)造背景,為隱蔽圈閉氣藏;自生自儲,泥頁巖既是氣源巖層,又是儲氣層,頁巖氣以多種方式賦存,使得泥頁巖具有普遍的含氣性;天然氣運移距離較短,具有“原地”成藏特征;對蓋層條件要求沒有常規(guī)天然氣高;賦存方式及賦存空間多樣:吸附方式(有機質(zhì)、粘土顆粒表面微孔隙、游離方式(天然裂縫和孔隙或溶解方式均可(在干酪根和瀝青質(zhì)中;氣水關(guān)系復雜;儲層孔隙度較低(通常小于5%、孔隙半徑小(以微孔隙為主,裂縫發(fā)育程度不但控制游離狀頁

7、巖氣的含量,而且影響者頁巖氣的運移、聚集和單井產(chǎn)量;在開發(fā)過程中,頁巖氣井表現(xiàn)出日產(chǎn)量較低,但生產(chǎn)年限較長的特點。第二節(jié)頁巖氣的成藏機理前面已述,在頁巖系統(tǒng)中頁巖氣不單一是指存在與裂縫中的游離相天然氣,也不單一是服從常規(guī)成藏機理的天然氣聚集。頁巖氣成藏與常規(guī)氣藏有很大的不同,它屬于“連續(xù)型”天然氣成藏組合?！斑B續(xù)型”天然氣成藏組合由美國地質(zhì)調(diào)查所在1995年美國油氣資源全國評價中提出(Gautier et al.,1995;Schmoker,1995,是在研究非常規(guī)油氣系統(tǒng)和常規(guī)油氣系統(tǒng)之間隨意性更小、更有地質(zhì)根據(jù)的區(qū)別的結(jié)果。“連續(xù)型”天然氣成藏組合,實際上就是在一個大的區(qū)域(通常是區(qū)域范圍

8、內(nèi)不是主要受水柱壓力的影響天然氣成藏組合。根據(jù)不同的成藏條件,頁巖氣賦存方式表現(xiàn)為:吸附方式、游離方式、溶解方式;成藏機理表現(xiàn)為典型的吸附機理、活塞運聚機理或置換運聚機理;在成藏特征上介于煤層氣、根緣氣(深盆氣和常規(guī)天然氣三大類氣藏之間。因此,頁巖氣成藏體現(xiàn)出非常復雜的多機理多階段過程,是天然氣成藏機理序列中的重要組成(據(jù)張金川等,2003。頁巖氣成藏機理按成藏過程可以分成:生成機理(主導地位是成因機理、賦存機理、運聚機理、產(chǎn)出機理。一、頁巖氣生成機理通過對頁巖氣組分特征、成熟度特征分析,頁巖氣是連續(xù)生成的生物化學成因氣、熱成因氣或兩者的混合。生物成因氣是有機物在低溫下經(jīng)厭氧微生物分解作用形成

9、的天然氣;熱成因氣是有機質(zhì)在較高溫度及持續(xù)加熱期間經(jīng)熱降解和裂解作用形成的天然氣。相對于熱成因氣,生物成因的頁巖氣分布極限,主要分布盆地邊緣的泥頁巖中,在美國研究比較深入的五個盆地的五套頁巖中,密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地發(fā)現(xiàn)了生物成因的頁巖氣藏,并且是勘探目標中的主要構(gòu)成(Schoell,1980;Malter 等,2000。1.生物成因在頁巖氣中有一部分是生物成因氣,通過在埋藏階段的早期成巖作用或近代富含細菌的大氣降水的侵入作用中厭氧微生物的活動形成;生物成因氣,生成于細菌的甲烷生成作用,菌生甲烷占世界天然氣資源總量的20%以上(Rice, 1993。微生物成因氣最普遍的標志是甲烷的13C值很

10、低(<-55。此外,由于一些中間微生物作用產(chǎn)生了CO2副產(chǎn)品,所以可以根據(jù)CO2的存在和同位素成分來判斷是否為生物作用形成的天然氣。因為微生物作用僅產(chǎn)生了大量甲烷(>1mol vo1.%,一般高鏈烴類是因熱成因而形成,因此天然氣的總體化學特征也可以表明了其成因。由于不同的生烴機理可以導致相似的同位素值和組分值,所以區(qū)分氣體成因是非常復雜的。一些次生作用,如運移、細菌氧化和二者的共同作用由于改變了主要診斷特征而使生氣機理的識別變得更加復雜。頁巖生物成因氣的生成導致甲烷生成的有機質(zhì)分解作用由不同的微生物群體完成的(Mah等, 1977。生物成因作用可以通過兩種方式:二氧化碳的還原作用、

11、醋酸鹽的發(fā)酵作用生成甲烷。醋酸鹽發(fā)酵作用:CH3COOHCH4 +CO2 (反應1CO2還原作用:CO2+4H2CH4+2H2O (反應2在菌生甲烷的形成過程中二氧化碳還原作用和醋酸鹽發(fā)酵作用是同時作用的。但是在不同的情況下,他們所生成的數(shù)量是不同。據(jù)同位素成分分析,大多數(shù)古代生物成因氣聚集可能是由二氧化碳還原作用生成的,而近代沉積環(huán)境中兩種作用都廣泛存在。近地表的、年輕的、新鮮的沉積物可以通過上述兩種作用形成生物氣。商業(yè)性天然氣聚集中生物成因氣的主要形成途徑是二氧化碳的還原。生成甲烷的還原作用所需的二氧化碳主要有三種來源:(1低溫下,淺層二氧化碳源,有機質(zhì)經(jīng)微生物作用(硫酸鹽還原和發(fā)酵而發(fā)生

12、的氧化作用;(2較高溫度下,深層二氧化碳源有機質(zhì)的熱脫羧作用;(3較大深度處生成的熱成烴類的分蝕作用。研究表明形成商業(yè)聚集的頁巖氣藏需要多種來源的二氧化碳。頁巖氣生物成因作用的條件頁巖生物成因作用受幾個關(guān)鍵因素控制。富含有機質(zhì)的泥頁巖是頁巖氣形成的物質(zhì)基礎,缺氧環(huán)境、低硫酸鹽環(huán)境、低溫環(huán)境是生物成因頁巖氣形成的必要外部條件,足夠的埋藏時間是生成大量生物成因氣的保證。另外,產(chǎn)菌甲烷個體的孔隙空間平均直徑為1m,因此菌類繁殖需要一定的空間,頁巖中有機質(zhì)富集的細粒沉積物的孔隙空間很有限,但是,富含有機質(zhì)的細粒頁巖中的裂隙可以為生物提供生存繁殖空間。2.熱成因熱成因作用主要指隨著埋深的增加,溫度、壓力

13、增大,泥頁巖中大量的有機質(zhì)由產(chǎn)甲烷菌的代謝發(fā)生的化學降解和熱裂解作用。干酪根降解過程中,首先產(chǎn)出可溶的有機質(zhì)瀝青,然后是原油,最后是天然氣。有機質(zhì)的熱模擬試驗表明,在沉積物的整個成熟過程中,干酪根、瀝青和原油均可以生成天然氣,對于有機質(zhì)豐度和類型相近或相似的泥頁巖,成熟度越高,形成的烴類氣體越多。頁巖的有機質(zhì)成熟度R o在0.41.88%之間,所以頁巖中的沉積物可以連續(xù)生成天然氣。在成熟作用的早期,天然氣是主要通過干酪根經(jīng)降解作用形成;在晚期階段,天然氣是主要通過干酪根、瀝青和石油裂解作用形成的。與生物成因氣相比,熱成因氣生成于較高的溫度和壓力下,因此,在干酪根熱成熟度(鏡煤反射率R o增加的

14、方向上,熱成因氣在盆地地層中的體積含量呈增大趨勢。另外,熱成因氣也很可能經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代和構(gòu)造作用從頁巖儲層中不斷泄漏出去。在Antrim頁巖氣研究中,采用甲烷/(乙烷+丙烷比例和產(chǎn)生乙烷(C13的同位素組成確定出其中的熱成因氣所占體積較小(小于20%,主要為生物成因氣?？傊?在頁巖氣的形成是熱成因和生物成因共同作用的結(jié)果。頁巖氣形成的根本是經(jīng)微生物作用和熱作用可以生成甲烷等烴類的埋藏有機質(zhì)。有機質(zhì)的豐度和類型對于頁巖氣的形成至關(guān)重要,溫度、壓力和還原環(huán)境是頁巖氣形成的必要條件。二、頁巖氣賦存機理與常規(guī)天然氣和根緣氣不同,對于頁巖氣來說,頁巖既是烴源巖又是儲集層,因此,無運移或極短距離運移,

15、就近賦存是頁巖氣成藏的特點;另外,泥頁巖儲層的儲集特征與碎屑巖、碳酸鹽巖儲層不同,天然氣在其中的賦存方式也有所不同。認識和了解頁巖氣在儲集層中的賦存機理是理解頁巖氣成藏機理的重要組成部分。由于頁巖氣在主體上表現(xiàn)為吸附或游離狀態(tài),體現(xiàn)為成藏過程中的沒有或僅有極短的距離的運移。頁巖氣可以在天然裂縫和粒間孔隙中以游離方式存在,在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在,甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。生成的天然氣一般情況下先滿足吸附,然后溶解和游離析出,在一定的成藏條件下,這三種狀態(tài)的頁巖氣處于一定的動態(tài)平衡體系。1.吸附機理頁巖中頁巖氣的含量超過了其自身孔隙的容積,用溶解機理和游離機理難以解釋這

16、一現(xiàn)象。因此,吸附機理就占據(jù)著主導優(yōu)勢地位。吸附機理是通過吸附作用實現(xiàn)的,該過程可以是可逆或不可逆的。吸附方式可分為物理吸附和化學吸附。吸附量與頁巖的礦物成分、有機質(zhì)、比表面積(孔隙、裂隙等、溫度和壓力有關(guān)。(1吸附方式物理吸附作用一般認為是由范德華分子力引起的。能發(fā)生多級吸附,據(jù)能量最小原理得出固體總是優(yōu)先選擇能量最小一個能級范圍內(nèi)的分子吸附,接著進行下一能級的分子吸附。物理吸附是頁巖的主要吸附方式,具有吸附時間短、可逆性、普遍性、無選擇性?；瘜W吸附作用是物理吸附作用的繼續(xù),當達到某一條件是就可以發(fā)生化學作用(包括化學鍵的形成和斷裂?；瘜W吸附所需的活化能也比較大,所以在常溫下吸附速度比較慢(

17、據(jù)張開,1996。頁巖氣的化學吸附具有吸附時間長、不可逆性、不連續(xù)性、有選擇性。兩者共同作用使頁巖完成對天然氣的吸附,但兩者所處占主導優(yōu)勢的地位隨成藏條件以及頁巖和氣體分子等改變而發(fā)生變化。吸附作用開始很快,越后越慢,由于是表面作用,被吸附到的氣體分子容易從頁巖顆粒表面解吸下來,進入溶解相和游離相,在吸附和解吸速度達到相等時,吸附達到動態(tài)平衡。(2吸附氣量通過對美國五套頁巖系統(tǒng)的吸附氣量(吸附氣所占體積百分比研究:安特里姆頁巖:70%;俄亥俄頁巖:50%;新奧爾巴尼頁巖:4060%;巴訥特頁巖:20%;劉易斯頁巖:6085%。吸附氣量數(shù)學表示:由蘭氏理論方程 bp bpV V m +=1式中:

18、V 吸附體積;V m 單分子層體積;p 壓力;b 與溫度和吸附熱有關(guān)的常數(shù)。V m 與比表面積有關(guān)。000N V V m =式中:V 0標準狀態(tài)下氣體分子體積,cm 3;N 0阿佛加德羅常數(shù);比表面積,cm 2/g ;0一個吸附位的面積 將蘭氏理論方程轉(zhuǎn)化為直線方程:p V b V V pm m 11+=以p/V 對p 做圖,可以得到一條直線,從其斜率和截距可以求出 V m 和b 值。(3吸附能力頁巖氣在頁巖儲集層中一部分以吸附態(tài)存在,頁巖吸附能力的大小決定頁巖中氣的富集程度。最直接的表現(xiàn)為吸附氣量的大小。頁巖對天然氣具有較強的吸附能力,這與頁巖和天然氣分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有關(guān)。頁巖除了具有一種雙重

19、孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),還具有較大的內(nèi)表面積。特別是裂隙對天然氣分子的吸附起到關(guān)鍵的作用。吸附等溫線:與常規(guī)天然氣藏不同,部分頁巖氣以吸附方式賦存,當氣體產(chǎn)出儲層壓力下降時,吸附氣以非線性的方式釋放。在頁巖氣研究中,利用恒溫下的吸附實驗做出吸附氣等溫線,可以較直觀地反映出頁巖的吸附特性,從而了解頁巖對頁巖氣的吸附能力和壓力對應關(guān)系。例如一個肯塔基俄亥俄頁巖吸附等溫線(圖1-1。該圖顯示了三條曲線:上部一條曲線是吸附和充填在自由孔隙空間的總甲烷量(Total Methane ;中部一條曲線顯示了頁巖中的吸附甲烷量(Adsorbed Methane;下部一條曲線顯示了氦氣(Helium可以被忽略的吸附,僅僅充

20、填在自由孔隙空間中。吸附曲線解釋了當壓力減小時非線性自然解吸附作用性能。被測量巖樣的等溫吸附線應當包含本地的水和瀝青含量(圖1-2。如果測量的是干燥的巖樣,應該修正進行水含量和瀝青含量修正,這樣能夠降低總含氣量兩個以上百分點?？煽康奈降葴鼐€測量顯示,對于相同的巖樣其含氣量測量具有較好的一致性。對于不同的頁巖,總甲烷等溫線的含氣量與巖石的總有機含碳量較好的正相關(guān)聯(lián)系。 圖1-1 總甲烷含量、吸附甲烷含量與壓力的關(guān)系圖1-2 總吸附量與壓力的關(guān)系圖中:Total Methane-總甲烷量;Adsorbed Methane-吸附甲烷量;Helium-氦氣;Total-dry-干樣中總甲烷量;Ads

21、orbed-dry-干樣中吸附甲烷量;Adsorbed as received-修正后吸附甲烷量;Gas content as received-修正后氣體含量。(4吸附能力的控制因素頁巖對頁巖氣的吸附能力直接決定吸附氣量的大小,因此有必要對研究頁巖吸附能力的控制因素進行研究。在眾多的因素中,頁巖組成、孔隙裂縫度、孔隙結(jié)構(gòu)、溫度、壓力等對控制著頁巖的吸附能力具有明顯的控制作用。頁巖組成頁巖主要由粘土礦物、粉砂質(zhì)(石英顆粒、有機質(zhì)組成。石英等粉砂級礦物顆粒主要充填于頁巖的孔隙中,造成孔隙變小,從而減少了供天然氣分子吸附的比表面,所以礦物質(zhì)含量高,不利于天然氣分子的吸附;粘土礦物具有層間和晶間微孔

22、隙,增大了顆粒的比表面積,因此粘土礦物含量高,有利于天然氣分子的吸附;總有機質(zhì)含量與吸附量關(guān)系密切,在相同壓力下,總有機碳含量較高的頁巖比其含量較低的頁巖的甲烷吸附量明顯高(圖1-3。 圖1-3 吸附氣含量與總有機碳含量的關(guān)系裂縫、孔隙一般泥頁巖的裂縫、孔隙發(fā)育會使孔隙度增高,進而增大頁巖中顆粒的比表面積,因而,裂縫、孔隙的增加不但對游離方式天然氣的賦存有利,還有利于提高頁巖的吸附能力?？紫督Y(jié)構(gòu)巖石的孔隙結(jié)構(gòu),關(guān)系到比表面積的大小,從而對巖石的吸附有很大影響。溫度氣體吸附是放熱過程,要提高巖石的吸附能力,需要控制并降低溫度。無論是物理吸附,還是化學吸附,溫度升高引起解吸趨勢的增加,會降低巖石的

23、吸附能力(據(jù)張開,1996。壓力前面已述,頁巖對天然氣分子的吸附能力與壓力的關(guān)系密切,從吸附等溫線上可以看出,巖石中的吸附氣含量隨壓力的增加而增大。2.游離機理游離狀態(tài)的頁巖氣存在于頁巖的孔隙或裂隙中,氣體可以自由流動,其數(shù)量的多少決定于頁巖內(nèi)自由的空間。這一部分自由氣體,稱為游離態(tài)氣體。當氣體分子滿足了吸附后,多余的氣體分子一部分就以游離狀態(tài)進入巖石孔隙和裂隙中。游離氣量數(shù)學表示:對理想氣體,狀態(tài)方程為 :RT M PV =式中:V 氣體體積;cm 3; M 氣體質(zhì)量,kg;摩爾質(zhì)量,kg/mol;T 絕對溫度,K ;P 氣體壓力,MPa 。p nRTZV V V V Z ZMRT pV m

24、ol Mn ZnRTpV IT=-=游所以得:其中(式中:Z 氣體壓縮系數(shù):在一定溫度下,隨壓力改變,氣體體積的改變率。從中可以看出,游離氣體的含量的大小取決于孔隙體積、溫度、氣體壓力和氣體壓縮系數(shù)。3.溶解機理當天然氣分子從滿足吸附后很可能進入液態(tài)物質(zhì)中發(fā)生溶解作用。頁巖氣一部分以溶解態(tài)存在于干酪根、瀝青和水中。溶解機理主要以間隙充填和水合作用的形式表現(xiàn)出來。(1間隙充填頁巖氣體分子和液態(tài)烴類接觸,由于分子的擴散作用進入干酪根和瀝青等烴類分子間的空隙中的作用,稱為間隙充填。間隙充填主要受溫度和壓力影響較大。(2水合作用頁巖中氣體分子和水分子相互作用結(jié)合或分解的過程為水合作用。這是一個可逆過程

25、當結(jié)合和分解的速度相等時它們的達到了一種動態(tài)平衡。(3溶解氣量由亨利定律知: b c b C K p =式中:p b 溶質(zhì)在液態(tài)物質(zhì)上的蒸氣平衡分壓,Pa ;C b 氣體在液態(tài)物質(zhì)中的溶解度,mol/m 3;Kc 亨利常數(shù)。將上式變形得:p K p K C c c b 1=式中:Kc 溶解常數(shù)。 得出溶解氣量: RT V ZC V V RT V ZC ZnRT pV V V C n b b b b b bb /:=-=溶溶液的體積其中 式中:V b 溶液的體積,m 3。 ,(:p T R V C Z f V V b b b =-溶溶液的體積其中該定律表明,在一定溫度下氣體在液體中氣體的溶解度與

26、壓力成正比。溶解度取決于液體的溫度、礦化度、環(huán)境壓力和氣體成分等。4.綜合賦存機理頁巖氣以上述三種機理賦存并不是相互獨立的,一成不變的,當頁巖生烴量發(fā)生變化或外界條件改變時,三種賦存機理的表現(xiàn)形式可以相互轉(zhuǎn)化。頁巖氣量綜合表達 :P bpV ZC bp bpV p ZnRTV V V V V b b m +=+=1溶吸游式中:、分別是頁巖氣游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)綜合賦存系數(shù)。三、頁巖氣運聚機理常規(guī)天然氣在儲集層中主要以游離狀態(tài)為主,吸附狀態(tài)的少,而頁巖氣主要以吸附狀態(tài)(一般大于50%和游離狀態(tài)賦存于低孔隙、低滲透的頁巖儲集層中,所以其富集因素則不同于常規(guī)天然氣。頁巖氣的生氣層是頁巖層,儲集層也

27、是頁巖層(或頁巖中的粉砂質(zhì)泥頁巖夾層等,頁巖氣的運移始終限制在頁巖中,導致了頁巖氣的運移距離短的特點?？偟膩碚f,頁巖中生成的天然氣一部分將賦存在頁巖層表現(xiàn)出典型的吸附機理,并當生氣量達到一定規(guī)模的調(diào)整運移時表現(xiàn)出典型的活塞式運聚機理,同時有一部分天然氣運移出頁巖表現(xiàn)出典型的置換式運聚機理。下面分階段說明。1.賦存階段該階段生物成因和熱成因同時作用。主要特點是溫度和壓力比較低,天然氣生成量比較大,沉積層壓實不徹底,孔隙度和含水量均較大,所以本階段出現(xiàn)三種狀態(tài)的頁巖氣。但主體上為吸附態(tài)并存在一定量游離態(tài)。隨生氣量和埋深的增加,其含水量和孔隙有較大幅度的降低,頁巖被壓縮,游離態(tài)和溶解態(tài)的頁巖氣運移出

28、頁巖層。伴隨這一過程的發(fā)生,吸附量增多。該階段天然氣有擴散作用存在,主體上表現(xiàn)了典型的吸附機理。2.調(diào)整階段當溶解、吸附達到飽和以及自由空間(孔隙被天然氣占據(jù)滿時,而頁巖層還繼續(xù)產(chǎn)氣時,積存于頁巖中的天然氣量逐漸增加。當達到一定量時必然會使頁巖內(nèi)壓力不斷的增大,當內(nèi)壓力超過地層負荷重量的外壓力時,頁巖體就會產(chǎn)生微裂隙。游離態(tài)的頁巖氣就可以通過微裂隙運移,將天然氣排出,內(nèi)壓力逐漸減小,以前造出的微裂隙可能會閉合。但頁巖層產(chǎn)氣仍在繼續(xù),產(chǎn)氣量又開始增加,重復以上過程。裂隙的產(chǎn)生并不是一成不變的,而是在不斷產(chǎn)生新的裂隙,最終形成天然裂隙網(wǎng)絡。當天然氣被排出時也就是微裂隙閉合時,頁巖內(nèi)壓力和外壓力達到

29、一種動態(tài)平衡。這一動態(tài)平衡始終貫穿天然氣的造隙和排出過程。該階段,是天然氣的造隙及排出,由于天然氣的生成來自于化學能的轉(zhuǎn)化,可以形成高于地層壓力的排氣壓力,從而導致巖石薄弱面小規(guī)模破裂。由于泥頁巖中缺乏大規(guī)模的斷裂作用將以排出的天然氣及時運移出去,天然氣就近在裂縫中保存。天然氣主體上表現(xiàn)為由生氣膨脹力所推動成藏作用,近源分布且無浮力作用,構(gòu)成了活塞運聚特征,與根緣氣具有相同機理(據(jù)張金川等,2003。氣膨脹力:由頁巖氣溫度變化和勢能變化引起的機械膨脹力。頁巖中生氣膨脹力同時對頁巖、地層水和天然氣產(chǎn)生作用。 活塞式運聚機理:與通常條件相反,如果地層巖石足夠致密,儲層孔隙半徑足夠狹小,則當壓力較大

30、的天然氣被充足其中時,天然氣與孔隙壁之間所形成的束縛水膜厚度也就足夠薄,阻斷了地層水穿越天然氣所在孔隙段的流動,運移過程中天然氣頂、底界的地層水之間無法通過自由流動(地層水介質(zhì)的非連續(xù)性條件來實現(xiàn)勢能交換,則氣水排驅(qū)或天然氣的運移過程服從活塞式原理,表現(xiàn)為天然氣從底部對地層水的整體推移作用,邊、底水無以存在,浮力作用無法產(chǎn)生,出現(xiàn)天然氣位于地層水之下的氣水倒置分布關(guān)系,當氣柱的高度規(guī)模足夠大時,形成典型意義上活塞式機理(圖1-4。置換式運聚機理:如果天然氣的生存量繼續(xù)增加,則彼此連通性較差的裂隙網(wǎng)絡組合構(gòu)成較大的裂縫(運移高速通道,浮力作用促使天然氣以置換式向泥頁巖層外運移,為常規(guī)圈閉氣的氣藏

31、打開了通道(據(jù)張金川等,20003。該階段孔隙度比以前明顯增大,主游離態(tài)的天然氣占優(yōu)勢地位,同時擴散作用也有很大的提高。表現(xiàn)為常規(guī)天然氣運聚機理。四、頁巖氣產(chǎn)出機理當頁巖層壓力降到一定程度時,頁巖中被吸附的氣體開始從裂隙表面分離下來,成為頁巖氣的解析。由于節(jié)理中的壓力降低,解析出的氣體和游離態(tài)、溶解wh 常規(guī)圈閉氣藏Normal Trapped Gash g氣源巖Source RockFormation Water圖1-4 典型活塞式機理(據(jù)張金川等,1997修改圖1-5 頁巖氣生產(chǎn)曲線示意圖 態(tài)天然氣混合通過基質(zhì)孔隙和裂隙擴散進入裂隙網(wǎng)絡中,再經(jīng)裂縫網(wǎng)絡等輸導系統(tǒng)流向井筒。頁巖氣的產(chǎn)出可以分

32、為三個階段。第一階段:隨著井筒附近中壓力微幅度的降低,首先產(chǎn)水,井筒附近只有單相流動。第二階段:當儲層壓力繼續(xù)降低時,開始有一部分甲烷從頁巖孔隙和裂隙中解析出來,并和游離態(tài)的天然氣混合,開始形成氣泡,阻礙著水的流動,水的相對滲透率下降,但氣體不能流動,無論在基質(zhì)還是在節(jié)理中,氣泡都是孤立的,并不相互連接為非飽和單相流。第三階段:當儲層壓力進一步降低時,有更多的氣體解析出來,水中含氣達到飽和,氣泡相互連接成線狀,氣的相對滲透率大于增大,隨著壓力下降,飽和度降低,氣產(chǎn)量不斷上升,呈現(xiàn)兩相流狀態(tài)。上述三個階段是連續(xù)的過程,隨時間的推進,從井孔向周圍的地層逐漸蔓延。這是一個循序漸進的過程,脫水降壓時間

33、較短,波及的范圍較大,吸附氣的解析范圍越來越大。從美國主要的五個頁巖氣系統(tǒng)的產(chǎn)水量和產(chǎn)氣量分析得出,頁巖氣產(chǎn)量常呈現(xiàn)出來負的下降曲線(圖1-5。開始水產(chǎn)量較高,隨著排水采氣作業(yè)的持續(xù)進行,水產(chǎn)量逐漸降低,而單井產(chǎn)氣量逐漸上升,一般在開采的兩年后達到高峰,此后緩慢降低。與常規(guī)天然氣的單井生產(chǎn)相比,頁巖氣單井日產(chǎn)量較小(一般小于1000m 3/D ,但是,日產(chǎn)量穩(wěn)定(產(chǎn)量下降較慢、生產(chǎn)周期較長。五、頁巖氣異常壓力根據(jù)成藏機理分析,頁巖氣原生的地層壓力為高異常特征。在國外有頁巖氣藏為異常高壓和異常低壓的兩種理論。但從美國五套頁巖氣系統(tǒng)參數(shù)可以看出(表1-1,頁巖氣藏既有高異常地層壓力,也有低異常地層

34、壓力,還有個別為常壓。產(chǎn)生理論分析與實際不相符合的主要原因在于構(gòu)造的抬升或沉降運動。由于頁巖氣地層壓力的封閉性好,當已經(jīng)成藏的頁巖氣發(fā)生相對的構(gòu)造抬升或沉降運動時,原始的頁巖氣藏地層壓力得到了一定程度的滯留,從而產(chǎn)生了更高或相對降低的異常地層壓力(據(jù)張金川等,2003。頁巖氣藏的發(fā)育通常與高異常地層壓力保持一致,據(jù)“構(gòu)造抬升泄壓”說,低異常壓力是構(gòu)造抬升后上覆巖層卸載而形成的。但橫向上的擠壓也能產(chǎn)生異常壓力。 第三節(jié)頁巖氣的成藏過程及特征頁巖系統(tǒng)的地層組成:多為暗色泥頁巖夾淺色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥頁巖的薄互層。在頁巖系統(tǒng)中,天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣。除極少量的溶解狀態(tài)天然氣以外,大部分均以吸附

35、狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機質(zhì)表面,或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀天然氣與游離狀天然氣含量之間呈彼此消長關(guān)系,其中吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20 %85 % 之間。因此從賦存狀態(tài)觀察頁巖氣介于煤層吸附氣(吸附氣含量在85 % 以上和常規(guī)圈閉氣(吸附氣含量通常忽略為零之間(張金川等,2004。頁巖氣成藏體現(xiàn)出了非常復雜的多機理遞變特點,除天然氣在孔隙水、干酪根有機質(zhì)以及液態(tài)烴類中的溶解作用機理以外,天然氣從生烴初期時的吸附聚集到大量生烴時期的活塞式運聚,再到生烴高峰的置換式運聚,體現(xiàn)出了頁巖氣自身所構(gòu)成的完整性天然氣成藏機理序列。一、頁巖氣的成藏過程頁巖氣成藏作用過程的發(fā)生使頁巖中的天然氣

36、賦存相態(tài)本身也構(gòu)成了從典型吸附到常規(guī)游離之間的序列過渡,因而頁巖氣成藏機理研究具有自身的獨特意義,它至少將煤層氣(典型吸附氣成藏過程 、根緣氣(活塞式氣水排驅(qū)過程 和常規(guī)氣(典型的置換式運聚過程 的運移、聚集和成藏過程聯(lián)結(jié)在一起。由于頁巖氣在主體上表現(xiàn)為吸附狀態(tài)與游離狀態(tài)天然氣之間的遞變過渡,體現(xiàn)為成藏過程中的無運移或極短距離的有限運移,因此頁巖氣藏具有典型煤層氣、典型根緣氣和典型常規(guī)圈閉氣成藏的多重機理意義,在表現(xiàn)特征上具有典型的過渡意義。頁巖氣的成藏過程可以劃分為三個成藏階段。1.第一階段(頁巖氣成藏階段該階段是天然氣在頁巖中的生成、吸附與溶解逃離(圖1-6 ,具有與煤層氣成藏大致相同的機

37、理過程。在天然氣的最初生成階段,主要由生物作用所產(chǎn)生的天然氣首先滿足巖石中有機質(zhì)和粘土礦物顆粒表面吸附的需要,當吸附氣量與溶解的逃逸氣量達到飽和時,富裕出來的天然氣則以游離相或溶解相進行運移逃散,條件適宜時可為水溶氣藏的形成提供豐富氣源。此時所形成的頁巖氣藏分布限于頁巖內(nèi)部且以吸附狀態(tài)為主要賦存方式,總體含氣量有限。2.第二階段(根緣氣成藏階段在熱裂解氣大量生成過程中,由于天然氣的生成作用主要來自于熱化學能的轉(zhuǎn)化,它將較高密度的有機母質(zhì)轉(zhuǎn)換成較低密度的天然氣。在相對密閉的系統(tǒng)中,物質(zhì)密度的變小導致了體積的膨脹和壓力的提高,天然氣的大量生成作用使原有的地層壓力得到不斷提高,從而產(chǎn)生原始的高異常地

38、層壓力。由于壓力的升高作 致密砂巖含氣破裂帶常規(guī)砂巖天然氣頁巖用,頁巖內(nèi)部沿應力集中面、巖性接觸過渡面或脆性薄弱面產(chǎn)生微裂縫,天然氣與孔隙壁之間所形成的束縛水膜阻斷了地層水穿越天然氣所在孔隙段的流動(浮力作用,此時頁巖氣藏的形成在主體上表現(xiàn)為由生氣膨脹力所促動的氣排水活塞式成藏過程,天然氣原地或就近分布,構(gòu)成了擠壓造隙式的運聚成藏特征(圖1-6 。在通常情況下,與頁巖間互的致密粉砂巖夾層,具有低孔低滲特點,它限定了天然氣通過氣排水的活塞式運移、聚集逐漸形成根緣氣藏。此時的天然氣聚集已經(jīng)超越了頁巖本身,表現(xiàn)為無邊、底水和浮力作用發(fā)生的地層含氣特點,從整套頁巖層系考察,不論是頁巖地層本身還是薄互層

39、分布的粉砂巖儲層,均表現(xiàn)為普遍的飽含氣性在該階段,游離相的天然氣以裂隙聚集、孔隙為主,頁巖地層的平均含氣量豐度達到較高水平。 3.第三階段(常規(guī)氣成藏階段隨著更多天然氣源源不斷地生成,則彼此連通性較差的裂隙網(wǎng)絡組合構(gòu)成較大的裂縫網(wǎng)絡,可以作為天然氣游離賦存場所和運移高速通道,由于空間的增大,天然氣的運移方式由活塞式轉(zhuǎn)變微置換式。如果生氣量繼續(xù)增加,則天然氣分布范圍進一步擴大,直到遇常規(guī)儲層或輸導通道后,天然氣受浮力作用而進行置換式運移,從而導致常規(guī)圈閉氣藏的大范圍出現(xiàn)(圖1-6 。圖1-6 頁巖氣成藏的三個階段(據(jù)張金川等,2004注:頁巖氣成藏階段;根緣氣成藏階段;常規(guī)圈閉氣成藏階段圖二、頁

40、巖氣藏的基本地質(zhì)特征與煤層氣類似,富含有機質(zhì)的頁巖本身可以作為頁巖氣的氣源巖,又可以作為儲集層,頁巖氣的賦存方式、成藏機理和成藏過程與常規(guī)天然氣有很大不同,因此,頁巖氣藏具有獨特的地質(zhì)特征。1.頁巖系統(tǒng)本身自組生儲蓋體系在頁巖氣藏中,富含有機質(zhì)的頁巖是良好的烴源巖,頁巖中的有機質(zhì)、粘土礦物、瀝青質(zhì)等,以及裂隙系統(tǒng)和粉砂質(zhì)巖夾層又可以作為儲氣層,滲透性差的泥質(zhì)頁巖為頁巖氣藏充當封蓋層。烴源巖:含有大量的有機質(zhì)含量、分布廣泛、厚度較大的泥頁巖。可以生成大量的天然氣,并且具有供氣長期穩(wěn)定持續(xù)的特點。儲集層:與常規(guī)天然氣的砂巖儲集層不同(表1-2,其要的特點:儲集巖為泥頁巖及其粉砂巖夾層;微孔隙、裂縫

41、是頁巖氣儲集的主要空間,裂縫發(fā)育程度和走向變化復雜。一般頁巖裂縫的寬度在2毫米內(nèi),裂縫密度一般較大;天然氣的賦存狀態(tài)多變性(據(jù)張金川等,2003。吸附、游離是頁巖氣賦存的主要方式,少量以溶解方式賦存;巖石物性較差。因為頁巖較為致密,孔隙度、滲透率都比常規(guī)儲層巖石低,僅在裂縫發(fā)育處,滲透率才能有所改善,但對孔隙度的改善不明顯。蓋層:在常規(guī)天然氣藏中,因為泥頁巖較為致密、滲透率較低,通?？梢宰鳛樯w層。雖然頁巖氣的賦存方式與常規(guī)天然氣有所不同,但是致密的泥頁巖仍然對頁巖氣藏具有封蓋作用。美國的五大頁巖氣系統(tǒng)蓋層的巖性多變,包括頁巖(阿巴拉契亞盆地和福特沃斯盆地、冰磧巖(密執(zhí)安盆地、斑脫巖(圣胡安盆地

42、和頁巖/碳酸鹽巖(伊利諾斯盆地(Curtis和Faure,1997;Hill和Nelson, 2000;Walter等,2000。2.頁巖氣成藏具有隱蔽性,圈閉類型為裂縫圈閉頁巖氣的賦存方式和賦存空間的特殊性,決定了頁巖氣藏具有隱蔽性特征和裂縫型圈閉。構(gòu)造圈閉對頁巖氣藏的形成并不起主導作用,但是一個長期長期穩(wěn)定的構(gòu)造背景,對頁巖氣聚集可能具有一定的積極作用。泥頁巖的孔隙較小且不發(fā)育,游離狀態(tài)的頁巖氣主要賦存于裂縫系統(tǒng)中,泥頁巖中的裂縫發(fā)育帶往往是頁巖氣的有利聚集帶,因此,裂縫型圈閉是頁巖氣藏的主要圈閉類型。裂縫產(chǎn)生的原因主要是上文中提到的氣體的連續(xù)生產(chǎn)所產(chǎn)生的頁巖內(nèi)外壓力差,另外構(gòu)造作用也是產(chǎn)

43、生裂縫的原因之一。3.頁巖具有普遍含氣性特征,但含氣量較低、含大分子烴飽和度低由于泥頁巖既是烴源巖、又是儲集層,頁巖氣可以以吸附方式賦存,因此頁巖具有廣泛的含氣性,在大面積內(nèi)為頁巖氣所飽和(Curtis和Faure,1997;Hill 和Nelson,2000;Walter等,2000。與根緣氣藏的地層普遍含氣性機理不同,頁巖氣藏普遍含氣性的內(nèi)涵較廣,在巖性上包括了泥頁巖、致密的砂巖或砂質(zhì)細粒巖,在賦存狀態(tài)上包容了吸附、游離與溶解,在成藏機理上則包含了吸附與擴散、溶解與析出、活塞與置換等運聚過程。在通常情況下,泥頁巖與致密砂巖(泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖等 之間的互層分布為這種多相態(tài)、多機理的地層

44、普遍含氣性提供了有利條件。 因為頁巖較為致密,孔隙度、滲透率都比常規(guī)儲層巖石低,使得頁巖的含氣量較低,頁巖的含氣量變化幅度較大,從0.4m 3/t 到10m 3/t ,一般小于5m 3/t 。同時由于頁巖的孔隙半徑小,所以大分子烴飽和度含量較低。4.頁巖氣成藏條件與儲量豐度關(guān)系復雜我們選取美國正在進行商業(yè)性開采的5套頁巖層系的成藏條件參數(shù)-熱成熟度(鏡煤反射率Ro 、儲層厚度(Thickness 、總有機碳含量(Toc 和頁巖氣資源特征參數(shù)-吸附氣含量(Absorbed Gas 、頁巖氣資源豐度(GIP 作圖,進行頁巖氣的有機地化特征與地質(zhì)特征比較,發(fā)現(xiàn)關(guān)系圖形狀各異(圖1-7,五項關(guān)鍵 參數(shù)

45、之間的關(guān)系有出人意料的變化,說明,頁巖氣成藏條件與儲量豐度關(guān)系復雜。因為頁巖較為致密,孔隙度、滲透率都比常規(guī)儲層巖石低,使得頁巖的含氣量較低,頁巖的含氣量變化幅度較大,從0.4m 3/t 到10m 3/t ,一般小于5m 3/t 。同時由于頁巖的孔隙半徑小,所以大分子烴飽和度含量較低。圖1-7 美國五大含氣頁巖地球化學特征與地質(zhì)特征對比圖 (據(jù)Hill 和Nelson ,2000 美國不同盆地頁巖氣成藏條件的互補性圖(數(shù)據(jù)選自Curtis ,2002頁巖氣成藏邊界條件廣義上的頁巖氣普遍發(fā)育且分布廣泛,但要形成具有工業(yè)勘探開發(fā)價值的頁巖氣尚需具備相應的地質(zhì)條件。結(jié)合對美國具有工業(yè)勘探開發(fā)價值頁巖

46、氣的統(tǒng)計研究,可對頁巖氣的形成條件簡單作一討論。按照常規(guī)的烴源巖評價指標,有機碳含量( TOC 0.5 %和成熟度( Ro 0.5 %是有效烴源巖的底限邊界,但由于頁巖氣的成藏機理和過程特殊,其中天然氣的聚集不需要考慮運移、圈閉等復雜條件。因此有機碳含量和成熟度等條件不再苛刻。在有機碳含量0. 3 %、有機質(zhì)成熟度0. 4 %、巖石總孔隙度3 %、凈頁巖厚度6 m 等條件下亦可分別形成頁巖氣。在頁巖氣成藏條件中,盡管某一項地質(zhì)要素要求條件很低,但其他地質(zhì)條件的補償將會使頁巖氣具有更好的產(chǎn)能。對比分析美國不同盆地的頁巖氣成藏地質(zhì)條件發(fā)現(xiàn),各影響因素之間具有不同程度的相互彌補性(圖1 。在圣胡安盆

47、地上白堊統(tǒng)的Lewis 頁巖,有機碳含量及其成熟度、吸附氣含量等各項主要因素均較好,頁巖地層總含氣量較高;在密執(zhí)安盆地泥盆系的Ant rim 頁巖,有機質(zhì)成熟度較低但平均有機碳含量較高,彌補了成熟有機質(zhì)生氣量不足的局限性;在福特沃斯盆地泥盆系的Barnett 頁巖,雖然頁巖地層厚度有限且孔隙度較小,但有機質(zhì)含量及成熟度較高,致使地層總含氣量較高。進一步,為了使聚集的頁巖氣具有更好的工業(yè)勘探開發(fā)價值,還要求聚氣的頁巖最大埋藏深度小于4 000 m (目前的經(jīng)濟有效深度 。5.頁巖氣富集帶以裂縫發(fā)育為特征裂縫發(fā)育在大部分頁巖中,以多種成因(壓力差、斷裂作用、順層作用等的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)為特征。在頁巖中

48、裂縫、溶蝕頁理縫是主要的儲集空間。次要儲集空間:鈣質(zhì)條帶中的溶孔、生物體腔孔、晶間孔、粒間孔等。粒間孔主要是指的砂質(zhì)及泥質(zhì)雙重孔隙。在鈣質(zhì)泥頁巖互層為主的夾薄層砂巖的地層中,具有泥頁巖裂縫、層理縫和薄層砂巖孔隙等儲集空間。裂縫發(fā)育帶不但提供了游離態(tài)頁巖氣賦存的空間,而且為頁巖氣的運移、聚集提供了輸導通道,并且對頁巖氣的開發(fā)十分有利。美國頁巖氣的開發(fā)實踐證明只有裂縫發(fā)育的頁巖氣藏不需壓裂就可以獲得工業(yè)氣流,多數(shù)的頁巖氣藏必須經(jīng)過壓裂才能達到工業(yè)產(chǎn)量要求。頁巖氣雖然具有地層普遍含氣性特點,但目前具有工業(yè)勘探價值的頁巖氣藏或甜點主要依賴于頁巖地層中具有一定規(guī)模的裂縫系統(tǒng)。在美國的大約30000 口鉆

49、井中,鉆遇具有自然工業(yè)產(chǎn)能的裂縫性甜點的井數(shù)只有大約10 %,表明裂縫系統(tǒng)是提高頁巖氣鉆井工業(yè)產(chǎn)能的重要影響因素。除了頁巖地層中的自生裂縫系統(tǒng)以外,構(gòu)造裂縫系統(tǒng)的規(guī)模性發(fā)育為頁巖含氣豐度的提高提供了條件保證。因此,構(gòu)造轉(zhuǎn)折帶、地應力相對集中帶以及褶皺斷裂發(fā)育帶通常是頁巖氣富集的重要場所。6.頁巖氣由生物成因氣和熱成因氣組成前面已述,頁巖氣可以分為:生物成因氣和熱成因氣,兩種成因的頁巖氣可以同時存在于頁巖氣藏中,但由于成藏條件的不同,表現(xiàn)出不同的主導地位。隨不同時期條件的改變,兩者的含量比例可以發(fā)生相互的轉(zhuǎn)變。7.頁巖氣藏具有異常高壓特征常規(guī)儲層由于其孔隙度大,滲透率高,對壓力的傳導有利,是一個

50、相對開放的壓力系統(tǒng),因此壓力系統(tǒng)與地層壓力接近。對較厚頁巖儲層孔隙度小、滲透率低,是一個相對封閉的壓力系統(tǒng),由于欠壓實作用和天然氣量的增多、生氣膨脹力等作用容易形成高壓異常帶,平均壓力梯度在0.343psi/ft。原生頁巖氣藏以高異常壓力為特征,當發(fā)生構(gòu)造升降運動時,其異常壓力相應升高或降低。因此頁巖氣藏可為高異常、正常或低異常壓力特征(據(jù)張金川等,2003。從美國已發(fā)現(xiàn)頁巖氣的統(tǒng)計規(guī)律來看,頁巖氣藏既有高異常地層壓力,也有低異常地層壓力。產(chǎn)生理論分析與統(tǒng)計結(jié)果不相符合的主要原因在于構(gòu)造的抬升或沉降運動,由于頁巖氣儲層為致密的地層所構(gòu)成,其間的孔隙地層水無法進行有效的流動,因此地層壓力的封閉性

51、相對較強。當已經(jīng)成藏的頁巖氣發(fā)生相對的構(gòu)造抬升或沉降運動時,原始的頁巖氣藏地層壓力得到了一定程度的滯留,從而產(chǎn)生了更高或相對降低的異常地層壓力。根據(jù)這一特點,頁巖氣藏的發(fā)育通常與高異常地層壓力保持一致,除非在頁巖氣成藏后發(fā)生了較大幅度的構(gòu)造沉降運動。但在使用這一原理進行異常地層壓力分析時,需要對是否具有良好的封閉性條件進行確定,否則可能產(chǎn)生恰好相反的分析結(jié)果,統(tǒng)計資料表明,頁巖氣藏的地層壓力系數(shù)可有較大幅度變化。除此之外,水平方向的構(gòu)造擠壓作用亦對頁巖氣藏地層壓力的發(fā)育產(chǎn)生重要影響,這種作用可以通過勢場分析方法予以考慮,通常情況下,頁巖氣藏存在于流體的高勢能區(qū)。8.頁巖氣成藏機理上具有遞變過渡

52、特征從成藏機理中,頁巖氣表現(xiàn)出明顯的從煤層氣根緣氣常規(guī)氣的過渡,即體現(xiàn)在吸附機理中的吸附氣含量上,煤層氣(7595%頁巖氣(大于50%常規(guī)氣(表現(xiàn)典型游離態(tài)。9.頁巖氣藏以產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長為特征由于泥頁巖巖性致密、孔隙度和滲透率較低,以及賦存方式多樣,因此,頁巖氣生產(chǎn)以產(chǎn)量低、生產(chǎn)周期長為特征,并呈現(xiàn)負下降曲線特征,產(chǎn)氣量由低先上升,很快達到高峰后緩慢下降。第四節(jié)頁巖氣成藏的主控因素及成藏模式一、頁巖氣成藏的主要控制因素鑒于頁巖氣的生成、運移、富集特點,頁巖氣成藏主要受泥頁巖礦物組成、有機質(zhì)含量及類型、熱演化程度、構(gòu)造作用及裂縫發(fā)育程度等因素控制。1.巖性及礦物組成頁巖作為巖石通常被定義為“

53、細粒的碎屑沉積巖”,但它在礦物組成(例如粘土質(zhì)、硅質(zhì)和碳質(zhì)等、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上卻多種多樣。盡管含氣頁巖通常被稱作“黑色頁巖”,這對于我們在頁巖氣的研究中可能是個誤導。頁巖的巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖(高炭泥頁巖類,巖石組成一般為30% 50%的粘土礦物、15%25%的粉砂質(zhì)(石英顆粒和1%20%的有機質(zhì),多為暗色泥巖與淺色粉砂巖的薄互層。頁巖的礦物組成包括一定數(shù)量的碳酸鹽、黃鐵礦、粘土質(zhì)、石英和有機碳。Barnett頁巖在巖性上是由含硅頁巖、石灰?guī)r和少量白云巖組成。總體上,巖層中硅含量相對較多(占體積的35%-50%而粘土礦物含量較少(35%。Lewis 頁巖為富含石英的泥巖,其

54、總有機碳含量變化在0.5%2.5%之間。Antrim 頁巖由薄層狀粉砂質(zhì)黃鐵礦和富含有機質(zhì)頁巖組成,夾灰色、綠色頁巖和碳酸鹽巖層。2.巖石有機地化特征泥頁巖有機地化特征不但影響著巖石的生氣能力,而且對巖石的儲集能力(尤其是吸附能力具有重要的控制作用。富含有機質(zhì)頁巖中生成天然氣的數(shù)量主要取決于以下三個因素:巖石中原始沉積的有機物質(zhì)的數(shù)量,即巖石中的有機碳含量;不同類型有機物質(zhì)成因的聯(lián)系和原始生成天然氣的能力,即有機質(zhì)類型;有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化成烴類天然氣的程度,有機質(zhì)熱演化程度。前兩個因素主要取決于沉積位置的環(huán)境,而第三個主要取決于沉積后熱演化的強度和持續(xù)時間,或是在最大埋深下的壓實變質(zhì)作用。有機質(zhì)含量

55、的控制作用:頁巖中有機質(zhì)含量對頁巖氣成藏的控制作用主要體現(xiàn)在頁巖氣的生成過程和賦存過程中。巖石中總有機碳含量不僅在烴源巖中是重要的,在以吸附和溶解作用為儲集天然氣方式的頁巖氣儲層中也是很重要的。有機質(zhì)的含量是生烴強度的主要影響因素,它決定著生烴的多少,因此,對頁巖氣成藏的具有重要的控制作用。Schmoker將有機質(zhì)超過2%(包括2%的泥盆系頁巖定為“富有機質(zhì)的”頁巖。頁巖氣藏要求大面積的供氣,而有機質(zhì)頁巖的分布和面積決定有效氣源巖的分布和面積;從裂縫中聚集的天然氣以大面積的活塞式整體推進為主要方式,因此必須有大量的天然氣生成;頁巖氣藏要求源巖長期生氣供氣過程,而有機質(zhì)含量決定生氣量的一個主要因

56、素。高的有機碳含量意味著更高的生烴潛力(圖1-8。0.61.0圖1-8 阿巴拉契亞盆地中泥盆系頁巖產(chǎn)氣區(qū)有機碳含量和熱成熟度的關(guān)系(據(jù)Schmoker,1993頁巖的總有機碳含量與頁巖對氣的吸附能力之間存在正相關(guān)的線性關(guān)系。在相同壓力下,頁巖有機碳含量越高,甲烷吸附量越高。在對Antrim頁巖總有機碳含量與含氣量關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),頁巖的含氣量主要取決于其總有機碳含量。有機碳含量進而影響到頁巖氣的產(chǎn)量,在有機碳含量高的地區(qū)頁巖氣的產(chǎn)量比有機碳含量低的地區(qū)要高。而且總有機碳含量還可以幫助我們準確地確定儲層中的巖石孔隙度和含水飽和度。含氣頁巖中的總有機碳含量一般在1.5%-20%。Barnett頁巖

57、的總有機碳含量平均在4.5%,未熟的巖石露頭高達11%-13%。干酪根類型:頁巖中干酪根的類型,可以為我們提供有關(guān)烴源巖可能的沉積環(huán)境的信息。干酪根的類型不但對巖石的生烴能力有一定的影響作用,還可以影響天然氣吸附率和擴散率。一般來說,在湖沼沉積環(huán)境形成的煤系地層的泥頁巖中,富含有機質(zhì),并以腐殖質(zhì)的型干酪根為主,有利于天然氣的形成和吸附富集,煤層氣的生成和富集成藏也正好說明了這一點(煤層中有機質(zhì)的含量更加豐富,煤層的含氣率一般為頁巖含氣率氣的2-4倍。在半深湖-深湖相、海相沉積的泥頁巖中,型干酪根的生烴能力和吸附能力一般高于型或型干酪根。鏡煤反射率(熱成熟度:在熱成因頁巖氣的儲層中,烴類氣體是在

58、時間、溫度和壓力的共同作用下生成的。熱成熟度可以幫助我們了解儲層中是以石油為主,還是以天然氣為主或是不產(chǎn)油氣。干酪根的成熟度不僅可以用來預測源巖中生烴潛能,還可以用于高變質(zhì)地區(qū)尋找裂縫性頁巖氣儲層潛能,作為頁巖儲層系統(tǒng)有機成因氣研究的指標。干酪根的熱成熟度也影響頁巖中能夠被吸附在有機物質(zhì)表面的天然氣量。含氣頁巖的熱成熟度通常用Ro來表示,對于質(zhì)量相同或相近的烴源巖,一般來說Ro越高表明生氣的可能越大(生氣量越大,裂縫發(fā)育的可能性越大(游離態(tài)的頁巖氣相對含量越大,頁巖氣的產(chǎn)量越大。熱成熟度控制有機質(zhì)的生烴能力,不但直接影響頁巖氣的生氣量,而且影響生烴后天然氣的賦存狀態(tài)、運移程度、聚集場所。適當?shù)臒岢墒於扰浜线m宜的生烴條件使生氣作用處于最佳狀態(tài)。以俄亥俄東部和賓夕尼亞西北部產(chǎn)頁巖