氣囊式膨脹罐

頁巖氣與深盆氣、煤層氣一樣都屬于“持續(xù)式”聚集的非常規(guī)天然氣。

天然氣在頁巖中的生成、吸附與溶解逃離，具有與煤層氣大致相同的機(jī)理過程。如圖所示，通過生物作用或熱成熟作用所產(chǎn)生的天然氣首先滿足有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面吸附的需要，此時(shí)所形成的頁巖氣主要以吸附狀態(tài)賦存于頁巖內(nèi)部。當(dāng)吸附氣量與溶解的逃逸氣量達(dá)到飽和時(shí)，富裕的頁巖氣解吸進(jìn)入基質(zhì)孔隙。隨著天然氣的大量生成，頁巖內(nèi)壓力升高，出現(xiàn)造隙及排出，游離狀天然氣進(jìn)入頁巖裂縫中并聚積。

頁巖巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖和高碳泥頁巖類，巖石組成一般包括30%～50%的粘土礦物、15%～25%的粉砂質(zhì)（石英顆粒）和4%～30%的有機(jī)質(zhì)。正是由于頁巖具有這樣的特性，所以頁巖中的天然氣具有多種存在方式，主要包括了2種形式，即游離態(tài)（大量存在于頁巖孔隙和裂縫中）和吸附態(tài)（大量存在于粘土礦物、有機(jī)質(zhì)、干酪根顆粒及孔隙表面上），其中吸附態(tài)存在的天然氣占天然氣賦存總量的20%以上（BarnettShale）到85%（LewisShale）。

頁巖氣形成原因

前人對(duì)美國5大頁巖氣盆地頁巖氣的成因研究表明，頁巖氣可以通過以下2種途徑演變而來。

1、熱裂解成因氣（自然生成）

頁巖中熱成因氣的形成有3個(gè)途徑（如圖）：①干酪根分解成氣體和瀝青；②瀝青分解成油和氣體（步驟1和步驟2為初次裂解）；③油分解成氣體、高含碳量的焦炭或者瀝青殘余物（二次裂解）。最后一個(gè)步驟主要取決于系統(tǒng)中油的殘余量和儲(chǔ)層的吸附作用。德克薩斯州的Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣就是通過來源于干酪根熱降解和殘余油的二次裂解，主要以殘余油的二次裂解為主，正因?yàn)槿绱?，使得Barnett頁巖氣具有較大資源潛力。

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣，主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，頁巖氣是主體上以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣，它可以生成于有機(jī)成因的各種階段天然氣主體上以游離相態(tài)（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其它儲(chǔ)集空間，以吸附狀態(tài)（大約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。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。天然氣生成之后，在源巖層內(nèi)的就近聚集，表現(xiàn)為典型的原地成藏模式，與油頁巖、油砂、地瀝青等差別較大。與常規(guī)儲(chǔ)層氣藏不同，頁巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲(chǔ)層和蓋層。因此，有機(jī)質(zhì)含量高的黑色頁巖、高碳泥巖等常是最好的頁巖氣發(fā)育條件。

2、生物成因氣

一般指頁巖在成巖的生物化學(xué)階段直接由細(xì)菌降解而成的氣體，也有氣藏經(jīng)后期改造而成的生物氣。如美國密歇根盆地的Antrim頁巖氣是干酪根成熟過程中所產(chǎn)生的熱降解氣和產(chǎn)甲烷菌新陳代謝活動(dòng)中所產(chǎn)生的生物成因氣，以后者為主。其原因可能是發(fā)育良好的裂縫系統(tǒng)不僅使天然氣和攜帶大量細(xì)菌的原始地層水進(jìn)入Antrim頁巖內(nèi)，而且來自上覆更新統(tǒng)冰川漂移物中含水層的大氣降水也同時(shí)侵入，有利于細(xì)菌甲烷的形成。

頁巖氣形成條件

1、沉積環(huán)境

較快的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境是黑色頁巖形成的重要條件。沉積速率較快可以使得富含有機(jī)質(zhì)頁巖在被氧化破壞之前能夠大量沉積下來，而水體缺氧可以抑制微生物的活動(dòng)性，減小其對(duì)有機(jī)質(zhì)的破壞作用。如Fort Worth盆地Barnett組富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖沉積于深水（120～215米）前陸盆地，具有低于風(fēng)暴浪基面和低氧帶（OMZ）的缺氧—厭氧特征，與開放海溝通有限。

2、有效厚度

廣泛分布的泥頁巖是形成頁巖氣的重要條件。同時(shí)，沉積有效厚度是保證足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間的前提條件，頁巖的厚度越大，頁巖的封蓋能力越強(qiáng)，有利于氣體的保存，從而有利于頁巖氣成藏。美國5大頁巖氣勘探開采區(qū)的頁巖凈厚度為9.14～91.44米，其中產(chǎn)氣量較高的Barnett頁巖和Lewis頁巖的平均厚度在30.48米以上。

3、總有機(jī)碳含量（TOC）

總有機(jī)碳含量是烴源巖豐度評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是衡量生烴強(qiáng)度和生烴量的重要參數(shù)。有機(jī)碳含量隨巖性變化而變化，對(duì)于富含粘土的泥頁巖來說，由于吸附量很大，有機(jī)碳含量最高，因此，泥頁巖作為潛力源巖的有機(jī)含量下限值就愈高，而當(dāng)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型愈好，熱演化程度高時(shí)，相應(yīng)的有機(jī)碳含量下限值就低。對(duì)泥質(zhì)油源巖中有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外的看法基本一致，為0.4%～0.6%，而泥質(zhì)氣源巖有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)則有所不同。大量研究結(jié)果表明，氣態(tài)烴分子小，在水中的溶解能力強(qiáng)，易于運(yùn)移，氣源巖有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)要比油源巖低得多。美國5大頁巖氣系統(tǒng)頁巖總有機(jī)碳含量較高，分布范圍大（0.5%～25%），可分為2類，Antrim頁巖和New Albany頁巖的TOC含量較高，一般分布于0.3%～25%之間；而Ohio頁巖、Barnett頁巖和Lewis頁巖的TOC含量在0.45%～4.7%之間。

4、干酪根類型和成熟度

在不同的沉積環(huán)境中，由不同來源有機(jī)質(zhì)形成的干酪根，其組成有明顯的差別，其性質(zhì)和生油氣潛能也有很大差別。因此，研究干酪根的類型（性質(zhì)）是油氣地球化學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是評(píng)價(jià)干酪根生油、生氣潛力的基礎(chǔ)。干酪根類型是衡量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)烴能力的參數(shù)，不同類型的干酪根同時(shí)也決定了產(chǎn)物以油為主還是以氣為主。一般來說，Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根以生油為主，Ⅲ型干酪根則以生氣為主?？v觀美國頁巖氣盆地的頁巖干酪根類型，主要以Ⅰ型干酪根與Ⅱ型干酪根為主，也有部分Ⅲ型干酪根，而且不同干酪根類型的頁巖都生成了數(shù)量可觀的氣，有理由相信，干酪根類型并不是決定產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素。沉積巖石中分散有機(jī)質(zhì)的豐度和成烴母質(zhì)類型是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而有機(jī)質(zhì)的成熟度則是油氣生成的關(guān)鍵。干酪根只有達(dá)到一定的成熟度才能開始大量生烴和排烴。不同類型的干酪根在熱演化的不同階段生烴量也不同。在低熟階段（0.4%～0.6%），有機(jī)質(zhì)就可以向烴類轉(zhuǎn)變。美國5大頁巖盆地頁巖的熱成熟度分布范圍在0.4%～2.0%之間，可見在有機(jī)質(zhì)生烴的整個(gè)過程都有頁巖氣的生成。隨著成熟度的增加，早期所生成的原油開始裂解成氣。美國Barnett頁巖之所以含氣量大，主要源于生烴體積（有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛力和頁巖厚度引起的結(jié)果），成熟度以及部分液態(tài)烴持續(xù)裂解生氣。成熟度越低的Barnett頁巖區(qū)，其氣體產(chǎn)量就越低，這可能是因?yàn)樯鷼馍?，殘留烴的流動(dòng)阻塞孔隙的緣故。許多高熟的Barnett頁巖區(qū)干酪根和油的裂解使生氣量大幅提高，導(dǎo)致頁巖氣井氣體流量大。因此，成熟度是評(píng)價(jià)高流量頁巖氣相似性的關(guān)鍵地球化學(xué)參數(shù)。

頁巖氣影響成藏因素

1、孔隙度

在常規(guī)儲(chǔ)層中，孔隙度是描述儲(chǔ)層特性的一個(gè)重要方面。頁巖儲(chǔ)層也是如此。作為儲(chǔ)層，頁巖多顯示出較低的孔隙度（<10%），當(dāng)然也可以有很大的孔隙度，且在這些孔隙里儲(chǔ)存大量的游離氣，即使在較老的巖層，游離氣也可以充填孔隙的50%。游離氣含量與孔隙體積的大小密切聯(lián)系。一般來說，孔隙體積越大，所含的游離氣量就越大。

2、裂縫發(fā)育

頁巖的礦物成分較復(fù)雜，石英含量高，且多呈粘土粒級(jí)，常以紋層形式出現(xiàn)，而有機(jī)質(zhì)、石英含量都很高的頁巖脆性較強(qiáng)，容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于天然氣滲流，說明巖性、巖石礦物成分是控制裂縫發(fā)育程度的主要內(nèi)在因素。

由于頁巖具有低孔隙度低滲透率的特性，產(chǎn)氣量不高，而那些開放的矩形天然裂縫彌補(bǔ)了這一不足，大大提高了頁巖氣產(chǎn)量。裂縫改善了泥頁巖的滲流能力，裂縫既是儲(chǔ)集空間，也是滲流通道，是頁巖氣從基質(zhì)孔隙流入井底的必要途徑。并不是所有優(yōu)質(zhì)烴源巖都能夠形成具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的裂縫性油氣藏，只有那些低泊松比、高彈性模量、富含有機(jī)質(zhì)的脆性頁巖才是頁巖氣資源的首要勘探目標(biāo)。

3、有機(jī)碳含量

在裂縫性頁巖氣系統(tǒng)中，頁巖對(duì)氣的吸附能力與頁巖的總有機(jī)碳含量之間存在線性關(guān)系。

在相同壓力下，總有機(jī)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要高。頁巖氣除了被有機(jī)質(zhì)表面所吸附之外，還可以吸附在粘土的表面（干燥）。在有機(jī)碳含量接近和壓力相同的情況下，粘土含量高的頁巖所吸附的氣體量要比粘土含量低的頁巖高。而且隨著壓力的增大，差距也隨之增大。

4、地層壓力

地層壓力也是影響頁巖氣產(chǎn)量的因素之一。研究表明，地層壓力與吸附氣有著正相關(guān)性，地層壓力越大，頁巖的吸附能力就越大，吸附氣的含量也就越高。游離氣含量也會(huì)隨著壓力的增加而增加，兩者基本上呈線性關(guān)系。值得注意的是，壓力在6.89MPa以前，吸附氣含量隨壓力增加的幅度很明顯，而在其之后，增加的幅度不太明顯，類似于常規(guī)的致密氣藏。當(dāng)然，不同地區(qū)由于有機(jī)質(zhì)含量和周圍圍巖封存能力的不同，壓力梯度也會(huì)產(chǎn)生差異。

除了上述影響因素之外，有機(jī)質(zhì)類型、成熟度等也會(huì)影響頁巖氣含量。

頁巖氣成藏過程

頁巖氣經(jīng)歷了復(fù)雜多變的成藏過程，是天然氣成藏機(jī)理序列中的重要構(gòu)成和典型代表。根據(jù)不同的成藏條件，頁巖氣成藏可以表現(xiàn)為典型的吸附機(jī)理、活塞運(yùn)聚機(jī)理或置換運(yùn)聚機(jī)理。按照成藏機(jī)理的不同，可將天然氣成藏過程分為3個(gè)主要階段，而前2個(gè)階段即是頁巖氣的成藏過程。

第1階段是天然氣的生成與吸附。該階段發(fā)生在成藏初期，與煤層氣的成藏機(jī)理相同。由于頁巖中的有機(jī)碳等物質(zhì)表面具有吸附能力，頁巖生氣過程中，最開始生成的少量天然氣均被有機(jī)碳等物質(zhì)吸附，故頁巖層中僅存有吸附態(tài)的天然氣（圖A）。

第2階段是天然氣的造隙及排出。該階段處于生氣高峰期，與根緣氣的形成機(jī)理類似。隨著天然氣的大量生成，頁巖中的有機(jī)碳無法將其完全吸附，因此未被吸附的天然氣在頁巖層中以游離態(tài)聚集。隨著頁巖氣的不斷生成，聚集的大量游離氣因膨脹而形成高壓，直至巖層破裂并產(chǎn)生微裂隙。由于此時(shí)產(chǎn)生的裂縫或孔隙極其微小，使得頁巖氣無法在頁巖層內(nèi)部自由流動(dòng)。在此后的強(qiáng)力生烴作用即生氣膨脹力的作用下，頁巖氣沿構(gòu)造上傾方向從底部高壓區(qū)向高部相對(duì)低壓區(qū)發(fā)生排驅(qū)和整體推進(jìn)作用，從而使地層處于大面積包含氣狀態(tài)。此階段生成的天然氣不受浮力作用，表現(xiàn)為活塞式的運(yùn)聚特征（圖B）。

第3階段是天然氣的置換與運(yùn)移。如果天然氣的生成量持續(xù)增加而頁巖層的外部又有合適的儲(chǔ)層，則在浮力作用下，天然氣將以置換方式沿裂縫從泥頁巖層向儲(chǔ)層運(yùn)移，從而形成常規(guī)天然氣藏（圖C）。

頁巖氣成藏過程中，吸附機(jī)理與活塞式運(yùn)聚機(jī)理共同作用，控制著頁巖氣藏中吸附態(tài)和游離態(tài)天然氣所占空間比例變化。因此，頁巖氣的成藏機(jī)理實(shí)質(zhì)上是天然氣在頁巖孔隙中賦存狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)平衡。頁巖中吸附態(tài)天然氣的存在是由其本身所含巖石特性決定的，與保存條件沒有直接關(guān)系，故頁巖氣成藏后對(duì)保存條件沒有特殊要求。在四川盆地海相地層中監(jiān)測(cè)到的氣測(cè)異常也證實(shí)了即便是多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)頁巖氣藏有太大的影響。