页岩气成藏地质条件及成藏机理分析

页岩气成藏地质条件及成藏机理分析

摘要：页岩气是现在正在研究的能源领域的热点，本文通过对页岩气赋存地质条件的分析，阐明了有利于页岩气发育的生烃条件：有机碳含量高和热演化程度高；储层条件即其存在需要物性条件好，储集空间大，石英含量多对于采集页岩气是有利的保证。然后，在地质条件的基础上总结了前人的页岩气成藏机理主要分为生气与吸附、生气与孔隙充注、天然裂缝网络充注以及富集成藏四个阶段，提出天然气和常规气共生的模式。

关键词：页岩气；地质条件；成藏机理；赋存模式

1.前言

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中，天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式[3]。它与常规天然气藏最显著的区别是：它是一个自给的系统。页岩既是气源岩，又是储层和封盖层[1]。

1976年美国能源部启动了东部页岩气项目，对页岩气地质、地球化学和石油工程开始进行系统研究，分别发现了Michigan盆地泥盆系Ant-rim页岩、Appalachi- an盆地泥盆系Ohio页岩、Illi-nois盆地的泥盆系New Albany页岩、Fort Worth盆地密西西比系Barnett页岩和San Juan盆地白垩系Lewis页岩等五大页岩气系统，地质资源量达14×1012~22×1012m3，技术可采储量0.88×1012~2.15×1012m3[2]。1998年美国的页岩气当年采气量超过了100亿m3，其发现储量占美国天然气探明储量的2.3%，到2010年产量占美国天然气产量的20%增长速度飞快。页岩气是目前经济技术条件下天然气工业化勘探的重要领域和目标。因此，要加强页岩气的成藏地质条件以及成藏机理的研究，为我国的开发利用打好基础。

2.成藏地质条件

根据美国已发现的产页岩气盆地[14]主要分布在以阿巴拉契亚盆地为代表的东部早古生代前陆盆地带、以福特沃斯盆地为代表的南部晚古生代前陆盆地带和以圣胡安盆地为代表的西部中生代前陆盆地带以及以密执安盆地和伊利诺斯盆地为代表的古生代—中生代克拉通盆地带。前陆盆地主要位于被动大陆边缘且后期演化为褶皱带的区域，克拉通盆地位于地台之上，沉积了寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、密西西比系(下石炭统)、宾夕法尼亚系(上石炭统)和白垩系等地层的大量富含有机质的黑色页岩，发育了大量的页岩气资源。

页岩气藏形成的主体是富有机质页岩，它主要形成于盆地相、大陆斜坡、台地凹陷等水体相对稳定的海洋环境和深湖相、较深湖相以及部分浅湖相带的陆相湖盆沉积体系，如FortWorth盆地Barnett组沉积于深水(120~215m)前陆盆地，具有低于风暴浪基面和低氧带(OMZ)的缺氧厌氧特征，沉积营力基本上通过浊流、泥石流、密度流等悬浮机制完成，属于静水深斜坡盆地相。在这些有利的勘探区域，有利赋存条件包括：生烃条件，储集条件，有利的开采条件和保存条件等。

2.1 生烃条件

2.1.1烃源岩类型及有机碳含量(TOC)

页岩气藏按其天然气成因可分为两种主要类型：热成因型和生物成因型，此外还有上述两种类型的混合成因型。根据R.L.Gareth等(2008)[4]对加拿大不列颠哥伦比亚省下白垩统Buckinghorse组及与其相当的页岩气成藏机理研究中，提出页岩中的含气量(包括吸附气及游离气)与其TOC(%)含量呈正相关。研究表明:影响页岩气成藏因素很多，但其TOC含量应是控制页岩对甲烷吸附能力的地质主控因素。

有机质含量是生烃强度的主要影响因素，它决定着生烃的多少。同时，页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源，也可以“范德华力”将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系（图1）。原因有两方面：①是因为有机碳是页岩生气的物质基础，决定页岩的生烃能力。②是因为它决定了页岩的吸附气大小，并且是页岩孔隙空间增加的重要因素之一，决定页岩新增游离气的能力。在相同压力下，总有机碳含量较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳含量较低的页岩吸附的甲烷明显要高。在对Antrim页岩总有机碳含量与含气量关系的研究中发现，二者呈密切的正相关关系（图1.1）[9]，说明总有机碳含量对页岩气含气量有重要的影响作用

图1 Antrim页岩总有机碳含量与含气量关系

Fig.1 Correlation of total organic carbon and gas quantity of Antrim Shale

2.1.2热成熟度（Ro）

页岩要成为潜在的页岩气勘探目标，其成熟度必须进入生气窗[13]，但有研究者认为，页岩气具有多种生气机理，并且可以在美国不同的页岩盆地中找到存在实例[2]。根据众多研究成果[8，9]，页岩气要具备经济开采价值，页岩处于生气窗内

是甚佳的条件。含气页岩的热成熟度越高表明页岩生气量越大，研究发现，低成熟Barnett页岩的地方，产气速率比较低，这可能是由于生成天然气的量少，供气不足造成的。在许多Barnett页岩高成熟的井当中，产气速率比较高，这是因为干酪根和石油裂解产生的气量迅速增加。在Antrim页岩中，热成因气含量在向盆地中心方向即向干酪根热成熟度增加的方向增加（图2）[7]。干酪根的热成熟度大小也影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气量。随着热演化程度的增加，页岩气的吸附气量会逐渐变大[7]。因此，热成熟度是评价可能高产页岩气的关键地球化学参数。

图2 天然气产量随烃源岩热成熟度、脆性的增加而增加

Fig2 Gas Production increase with the increase of source rock thermal maturity and brittleness 例如在美国，五大页岩气系统的页岩气的类型较多，既有生物气、未熟-低熟气、热解气，又有原油、沥青裂解气据（Curtis[2]，2002），这些类型的天然气形成的成熟度(Ro)范围较宽，可以从0.400%变化到2.0%，页岩气的生成贯穿于有机质生烃的整个过程。不同类型的有机质在不同演化阶段生气量不同，页岩中只要有烃类气体生成（Ro＞0.4%），就有可能在页岩中聚集起来形成气藏。生物成因气一般形成于成熟度较差的岩层中。密执安盆地Antrim生物成因型页岩的Ro仅为0.4%~0.6%，未进入生气窗，页岩Ro越高，TOC越低，越不利于生物气的形成。而福特沃斯盆地Barnett页岩热成因型气藏的页岩处于成熟度大于1.1%的气窗内，Ro值越高越有利于天然气的生成。所以热成熟度不是判断页岩生烃能力的唯一标准。

2.2 储集条件

页岩气是一种连续性的气藏，不用发生油气的运移而是在原地聚集成藏，所以其聚集条件不受圈闭的影响。直接和烃源岩的物质组成，特性及其中的孔隙、裂隙发育有关，具体包括储层矿物成分，储集空间和储集物性等。

2.2.1矿物成分

页岩中的矿物成分主要是粘土矿物、陆源碎屑（石英、长石等）以及其他矿物（碳酸盐岩、黄铁矿和硫酸盐等）。由于矿物结构、力学性质的不同，所以矿物的