页岩气形成与分布

发布网友 发布时间：2022-04-23 18:55

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热心网友 时间：2023-05-13 13:19

按天然气有机成因理论，任何富有机质页岩在适当的地质条件下都能形成页岩气藏。对液态烃而言，有机质沉积后，在成岩作用的中后期才逐渐生成液态烃，而天然气则在整个演化过程中都有生成。一般早期生气量较少，随着埋藏深度和时间的增加，生气量不断增加。有机质演化进入生气窗后，生气量剧增，是形成商业价值页岩气藏的主要阶段。勘探开发实践证明，页岩气的形成具有严格的地质地球化学条件。依据富有机质页岩生烃能力、排烃有效厚度及页岩气勘探开发要求，普遍认为形成商业价值页岩气需具有“五高”特征，即高有机质丰度(TOC＞2.0%)、高热演化程度(R_o大于2.0%～2.5%)、高石英含量、高脆性(易于水力压裂人工造缝，脆度＞80)和高吸附气含量。值得注意的是，一般海相富有机质页岩的最基本矿物成分是沉积成因的自生石英，石英、长石、方解石等矿物含量＞50%，粘土矿物如高岭石、蒙脱石等含量并不高，总的脆度较高;而陆相富有机质页岩粘土矿物含量则相对较高，石英等脆性矿物含量低，页岩脆度也较低。

一、有机质丰度

总有机碳含量是衡量岩石有机质丰度的重要指标和页岩气形成的基础。有经济开采价值的页岩气远景区带的页岩必须富含有机质，以生成足够的天然气。页岩中吸附气量一般与有机碳含量呈正比，较高有机碳含量的页岩地层通常具较高的含气性和页岩气资源。有机碳含量是决定页岩含气性和资源前景的重要指标，富有机质页岩成为有利页岩气远景区带的最低总有机碳含量为2.0%～3.0%。表5-4中美国产气页岩的TOC含量为0.45%～25%，含气量为0.4～9.91m³/t。

对中国上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩的有机碳含量分析结果见表5-7。从表中可知，寒武系筇竹寺组页岩有机碳含量为0.01%～22.15%，平均有机碳含量为1.49%～5.15%，有机碳含量＞4%的富集段位于地层的中下部—底部，富集段所占比例为20%～40%;志留系龙马溪组黑色页岩有机碳含量为0.06%～9.84%，平均有机碳含量为1.88%～4.36%，有机碳含量＞4%的富集段位于地层的中下部—底部，富集段所占比例为30%～45%。目前岩石中的有机碳含量是历经有机质演化生烃与地表氧化风化作用后的残余有机碳，实际原始总有机碳含量更丰富，按残余有机碳与原始总有机碳之间的经验比值1∶1.16～1∶1.22预测(张爱云等，1987)，寒武系筇竹寺组黑色页岩总有机碳含量平均为1.8%～5.4%，志留系龙马溪组黑色页岩总有机碳含量平均为2.24%～5.19%。由此推断，中国上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩具备形成有利页岩气远景区带所要求的最低总有机碳含量，陆相含煤地层中的高炭质页岩有机碳含量更高。

表5-7 中国上扬子区下古生界有机碳含量统计

二、有机质类型

尽管总有机碳含量和成熟度是决定源岩生气潜力的关键因素，但普遍认为富氢有机质主要生油，氢含量较低的有机质以生气为主(图5-14)，且不同干酪根、不同演化阶段生气量有较大变化。因此，在确定页岩气有利远景区带时，有机质类型研究仍必不可少。海洋或湖泊环境下形成的有机质(Ⅰ型和Ⅱ型)易于生油，随热演化程度增加，原油裂解成气;陆相环境下形成的有机质(Ⅲ型)主要生气，中间混合型(尤其是Ⅱ型和Ⅲ型)在海相页岩中最为普遍，产气潜力大。值得注意的是，当热演化程度较高时，所有类型有机质都能生成大量天然气。图5-14(《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)同时反映了有机碳含量与残余生烃潜量间的关系，总有机碳含量愈高，产气潜力愈大。北美产气页岩有机质类型主要为Ⅱ型，中国古生界海相页岩有机质类型为Ⅰ—Ⅱ型、中新生代陆相页岩有机质类型为Ⅱ—Ⅲ型、石炭-二叠系与三叠-侏罗系煤系炭质页岩有机质类型为Ⅲ型(表5-8)(邹才能等，2010a)，均可有较好的产气潜力，成为形成页岩气的有利领域。

图5-14 北美产气页岩总有机碳含量-残余生烃潜量关系

表5-8 中国3类页岩有机地球化学参数

三、有机质成熟度

成熟度是确定有机质生油、生气或有机质向烃类转化程度的关键指标。通常成熟度指标R_o≥1.0%为生油高峰，R_o≥1.3%为生气阶段。表5-4统计的北美产气页岩成熟度R_o为0.4%～4.0%，表明有机质向烃类转化的整个过程中都可以形成页岩气，即页岩气的成因可以是有机质生物降解、干酪根热降解、原油热裂解以及它们的混合成因。但从页岩含气量与产量参数对比看，有机质成熟度低，页岩含气量低、产气量小，成熟度越高，含气量、产气量越大，说明页岩气以干酪根热降解、原油热裂解等热成因为主。Daniel M.Jarvie等(2007)的研究认为，有利页岩气远景区应在热生气窗内，成熟度R_o为1.1%～3.5%(Daniel， et al.，2008)。由于干酪根和原油热裂解生气量大幅度增加，高成熟页岩气产区单井产量可以大幅增加。中国古生界海相页岩成熟度普遍较高(表5-8)，R_o一般为2.0%～4.0%，处于高—过成熟、生干气为主阶段;而中新生界陆相页岩成熟度普遍偏低，成熟度R_o一般为0.8%～1.2%，处于成熟—高成熟、以生油为主阶段，兼生气。澳大利亚Be et aloo盆地钻井揭示的全球最老地层(约14亿年)热演化成熟度最高，在元古宇发现了页岩气，平均有机碳含量为4%，R_o=3.49%，页岩气资源约5600×10⁸m³。

四、有效页岩厚度

与常规油气形成一样，形成商业性页岩气，页岩有效厚度需要达到一定界限，以保证有足够的有机质及充足的储集空间。有效页岩是指总有机碳含量＞2%、处于热成熟生气窗内、石英等脆性矿物含量＞40%与粘土矿物含量＜30%、充气孔隙度＞2%与渗透率＞0.0001×10^-3μm²的页岩。经证实，有效页岩厚度大于30～50m(有效页岩连续发育时＞30m即可，有效页岩断续发育或TOC含量低于2%时，累计厚度需＞50m)时足以满足商业开发要求。有效页岩厚度愈大，尤其是连续有效厚度愈大，有机质总量愈大，天然气生成量愈多，页岩气富集程度越高。北美页岩气富集区内有效页岩厚度最小为6m(Fayetteville)，最厚高达304m(Marcellus)，页岩气核心产区厚度都在30m以上(表5-4)。中国上扬子区寒武系筇竹寺组与志留系龙马溪组黑色页岩中TOC含量＞2.0%的富有机质页岩厚度为80～180m，其分布受深水陆棚沉积相带控制，川南、黔北和川东北3个地区富有机质页岩最发育。

五、含气性

含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和资源潜力评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气等。哈里伯顿(2010)认为具商业开发远景区的页岩含气量最低为2.8m³/t_页岩，目前北美商业开发的页岩含气量最低约1.1m³/t_页岩，最高达9.91m³/t_页岩。实测发现，四川盆地寒武系筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17～6.02m³/t，平均为1.9m³/t;龙马溪组黑色页岩含气量为1.73～5.1m³/t，平均为2.8m³/t，与北美产气页岩的含气量相比，均达到了商业性页岩气开发的下限，具备商业性开发价值。

六、矿物组成

一般页岩具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩的粘土矿物含量通常较低。页岩气勘探必须寻找能够压裂成缝的页岩，即页岩的粘土矿物含量足够低(＜50%)、脆性矿物含量丰富，使其易于成功压裂。脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发价值的页岩，一般脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量小于30%(图5-15)(《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)。

七、孔渗特征与微裂缝

岩石孔隙是储存油气的重要空间，孔隙度是确定游离气含量的主要参数。根据资料(邹才能等，2010a，2010b;《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)，有平均50%左右的页岩气存储在页岩基质孔隙中。页岩储层为特低孔、渗储集层，以发育多种类型微孔为特征，包括颗粒间微孔、粘土片间微孔、颗粒溶孔、溶蚀杂基内孔、粒内溶蚀孔及有机质孔等。孔隙＜2μm，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体(King，1994)。一般页岩的基质孔隙度为0.5%～6%，众数多为2%～4%。

裂缝的发育可以为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量(John，2002)。中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，无论是野外地质剖面还是井下岩心观察，均发现其发育较多的裂缝系统。