页岩气成藏浅析

摘 要：页岩气是近几年才被关注的非常规天然气，美国Curtis是研究页岩气的最早学者之一，给页岩气一完整的描述定义。页岩气主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，并以吸附状态或游离状态为主要存在方式在烃源岩层内就近聚集，表现为典型的“原地”成藏模式，即“自生自储”成藏模式。通过研究和技术指标测试，认为页岩气的成藏条件为埋藏温度高、有机质含量高的泥页岩气体发育；孔隙度小（平均为5.2%）、渗透率低（低于0.001毫达西）的岩层是页岩气成藏条件；页岩气具有吸附机理和游离气活塞式运聚机理，且具有明显的“混合型”特征。页岩的有机质含量和成熟度，岩层厚度，产层孔隙度及裂缝发育程度是影响页岩气富集的主要因素。掌握页岩气的特征，寻找靶区研究，便于更有效地进行页岩气资源勘探和开发。

关键词：页岩气；成藏条件；成藏机理分析

1 引言

页岩气是非常规天然气的重要类型，作为清洁、高效的能源，已被我国正式列为第172种矿产，不再归属于常规天然气范畴。美国是页岩气理论研究与勘探开发最早的国家，已取得了较显著的经济效益和社会效益技术，并且已经形成一定的商业规模[3]。近几年来，我国也加大了对页岩气的研究力度，通过实验区块的初步勘探，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，主要富集区产在南方海相页岩中，长宁-威远页岩气实验区已进入小规模商业化试运行；我国其它地区如江汉盆地的第三系、松辽盆地白垩系，以及南华北，渤海湾盆地、柴达木、酒泉盆地均有页岩气资源[1]。

我国陆域页岩气地质资源潜力约为134万亿立方米，可采资源潜力为25万亿立方米以上，落实程度较高的资源潜力约为16万亿立方米。目前，我国已有27个区块探矿权通过招标得到落实，各项技术规范和支持政策相继出台，区块的价值信息在于地下含气量、保存条件、储层厚度、页岩延伸面积及岩体是否适合压裂等因素。

2 成藏条件

2.1 气体来源

页岩气的形成是生物成因和热成因共同作用的结果。生物成因气是通过在埋藏阶段的早期成岩作用，或近代富含细菌的大气降水侵入中厌氧微生物活动作用形成；热成因气主要指随着埋深增加，温度和压力增大，泥页岩中大量的有机质由产甲烷菌的代谢发生化学降解和热裂解作用形成。

在埋藏温度升高或者有细菌侵入时，暗色泥页岩中的有机质，甚至包括已生成的液态烃，就裂解或降解成气态烃，游离于基质孔隙和裂缝中，或吸附于有机质和黏土矿物表面，在一定地质条件下就近聚集，因此页岩气的气体来源主要是生物气或热成熟气。页岩的生烃条件是有机碳含量大于2%、热演化程度处于生气窗范围内，有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩常是最好的页岩气发育条件。

2.2 储集介质

页岩气储集在泥、页岩及其间的砂质岩夹层内，页岩气藏储层具有典型的低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大。页岩是沉积岩中含有机质的细碎屑岩，很容易碎裂，原始孔隙度可达35%以上，随着岩层埋深增加，压力增大，孔隙度降低，在埋深2000m以后，孔隙度小于10%；页岩气储层孔隙度一般小于4%～6.5%，平均为5.2%，渗透率一般低于0.001毫达西，并随着埋深加大，物性变差。若处于断裂带或裂缝发育带，页岩孔隙度、渗透率增加。

2.3 盖层条件

页岩气与煤层气相似，具有“自生自储”的特点，没有或仅有短距离的运移，页岩本身就是良好的盖层，因此页岩气的存在是不需要其他岩性的介质作为盖层的。

2.4 圈闭条件

页岩气藏的形成也不需要常规意义上的“圈闭”，页岩气藏形成于烃源岩层内，不受构造体系和物理界面控制，页岩气藏在一定的构气藏范围可近似等于生气源岩面积。

2.5 运移条件

页岩气藏的形成取决于天然气在源岩中大规模地滞留和集聚，由于页岩气为自生自储气藏，所以页岩气藏的形成基本上没有运移或运移距离极短，厚层烃源岩排烃效率低或根本不能排烃，大量烃类滞留于烃源岩中形成页岩气。

2.6 分布特点

页岩气藏分布受生烃岩体的大小和分布面积控制，常呈区域性、连续性分布。页岩气藏通常位于或接近于盆地的沉降-沉积中心处，导致页岩气的有利区主要集中于盆地中心处。中国页岩气藏的储层与美国有很大差异，美国的页岩气层埋深在800-2600米，而我国四川盆地的页岩气埋深在2000-3500米，这给我们研究和开采页岩气增加了技术难度。

3 成藏机理

3.1 成藏气源分析

页岩气从生烃、吸附与扩散、溶解与析出、活塞式与置换式运聚过程，体现出自身所构成的完整性成藏机理序列，整个过程全部在烃源岩内部完成，并且表现为持续不间断地充注、聚集成藏过程。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。Hunt认为从烃源岩中处次排出的烃量小于生烃总量的10%；Tissot和Pelet（1971）认为发生排烃的烃源岩总厚度也小于30m。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，以吸附和游离状态存在，美国页岩气藏中，吸附气含量最低为16%，最高达80%。

3.2 成藏特点分析

页岩气藏中气体的赋存形式绝大部分是以吸附气的形式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微小孔隙或裂缝中，这与常规气藏中的天然气相似。页岩气成藏机理具煤层气和常规天然气两者特征；页岩含有机质碳量的增加有助于生烃和微颗粒的吸附作用，页岩基质的孔隙和微裂隙发育也有利于以游离形态存在的页岩成藏。

3.3 成藏阶段分析

页岩气成藏机理具有明显的“混合型”特征。按成藏机理的不同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，甲烷生成后在页岩微孔（孔径小于2nm）中顺序填充，在介孔（孔径为2-50nm）中多层吸附至毛细管凝聚，在大孔（孔径大于50nm）中甲烷以压缩或溶解态赋存。同沉积的有机质通过化学和生物分解成气，首先满足有机质孔内表面饱和吸附需求，再解吸扩散至基质微孔中，以吸附、游离相原位饱和聚集，具有与煤层气相同的吸附成藏机理，第二阶段发生在生气高峰，随着页岩生气过程的继续，当页岩有机质颗粒和基质微孔所提供的吸附能力不能满足所生成的天然气聚集需求时，随着生气过程的继续，页岩基质孔隙内温度和压力升高，伴随着岩石的造缝作用，导致过饱和气沿页岩微孔和薄弱面小规模裂缝运移，以游离态聚集并逐步形成气藏，也就是活塞式成藏机理。

页岩气成藏过程中，吸附机理与活塞式运聚机理构成了页岩气的成藏过程，两个阶段各自的发展规模和成熟度控制着页岩气藏中吸附态和游离态天然气比例的变化。

4 结束语

页岩气主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，并以吸附状态或游离状态为主要存在方式在烃源岩层内就近聚集，表现为典型的“原地”成藏模式；孔隙度小（平均为5.2%）、渗透率低（低于0.001毫达西）的岩层是页岩气成藏条件；富有机质碳含量高的黑色页岩厚度愈大，气藏富集程度就越高；页岩孔隙与微裂缝愈发育，气藏富集程度愈高；盆地边缘斜坡页岩厚度适当且易形成张性裂隙是页岩气藏发育的最有利区域。

参考文献

[1]江怀友，宋新民，安晓璇等.世界页岩气资源与勘探开发技术综述[J].天然气技术，2008，2（6）.

[2]张金川，薛会，张德明，蒲军.页岩气极其成藏机理[J].现代地质，2003，17（4）.466.

[3]李新景，胡素云，程克明.北美裂缝性页岩气勘探开发的启示[J].石油勘探与开发，2007，8（4）：392.

作者简介：周玉增（1956-），男，高级工程师，山东聊城人，1982年1月毕业于山东矿业学院地质勘探专业。