页岩中油气的滞留机制及富集机理差异性比较

鄢杰，潘仁芳，唐小玲，杨宝刚，潘勇利，李晓薇，李晨溪

（1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100；2.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552；3.中石化中原油建工程有限公司，河南 濮阳 457001；4.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249）

0 引言

页岩油气作为国际能源界的“博弈改变者”，正重塑世界能源版图，推动非常规油气理论的研究迅速发展。北美在页岩油气勘探开发上已经取得了显著成果，特别是美国的“页岩气革命”和“页岩油神话”正改变着>世界能源格局。我国有大量泥页岩分布，拥有巨大的页岩油气可采资源潜力；EIA统计预测也表明，我国是页岩油气可采资源量最为丰富的国家之一。2014年的我国页岩气产量接近 13×108m3，较 2013年增长了460%；但在天然气总产量中占比仅为1%左右，与美国3 700×108m3/a的页岩气产量和2.8×108t/a的页岩油产量相比，更是相去甚远。这一方面说明我国页岩油气还有非常大的拓展空间，另一方面说明我国页岩油气藏开发的相关理论、技术亟待完善和提高。

过去的研究中，泥页岩通常作为烃源岩或盖层，但随着非常规油气地质理论与技术的突破，泥页岩中富集达到成藏规模的烃类，成了油气资源领域探究与开发利用的热点。中国涪陵页岩气田是典型的优质海相页岩气田，气田储层为海相深水陆棚优质泥页岩，具有厚度大、丰度高、分布稳定、埋深适中、中间无夹层等特点，与北美典型海相页岩各项指标相当，商业开发价值高，开发前景良好。同属上扬子区的蜀南长宁—威远页岩气区块亦具有高的勘探开发价值。该区块为海相沉积，发育多套富有机质页岩，但年代老，高—过成熟，并受多期构造改造，致使大面积连续分布的泥页岩所滞留的富集气量不连续[1]。渤海湾盆地济阳坳陷页岩油处于初期探索阶段，其常规勘探程度高，潜力巨大。本文以大量实测数据为依据，同时结合北美页岩油气藏地质特征，比较研究了页岩中油气滞留和富集机理，并进行了具体描述，以期为我国页岩油气资源的评价与勘探开发提供理论依据。

1 页岩油气的地质特征及其差异性

常规油气藏通常是油气在烃源岩中经持续温度、压力作用下生成，之后部分向邻近渗透性岩石运移、聚集[2]。然而，受排烃作用的不彻底性及各种因素的制约，部分烃类最终会滞留于其中乃至富集成藏，其隐蔽成藏过程不受圈闭控制，具有连续性分布和自生、自储、自封闭的特点。泥页岩既是烃源岩又是储集层，甚至还可以充当圈闭，其中蕴含了可观的原处滞留油气资源。 美国页岩气盆地 Barnett，Marcellus，Haynesville，页岩油产区Bakken，Eagle ford等，以及我国的四川盆地，都是页岩油气商业开发成功的区域[3-7]。

1.1 地质特征

页岩油气是指页岩内的有机质在演化过程中生成但未能排出，主要呈游离态、吸附态或者溶解态残留下来的油气资源。

其地质特征主要有：1）早期形成，就近滞留聚集，源储一体，隐蔽成藏；2）成藏需要适当厚度和大面积分布的富有机质泥页岩；3）无明显的圈闭和油气水界面；4）泥页岩储层孔隙度小，渗透率低，分布受地层甜点（通常是裂缝性和孔隙性甜点）控制；5）致密储集系统环境，通常易于产生高的异常地层压力；6）与常规油气藏密切相关；7）具较强的抗构造破坏能力；8）地质储量大，但通常无自然产能，需要钻水平井和多次压裂而实现开发利用[6]；9）采收率低，单井产量年衰减率高，需要大量钻井以维持油井的产量稳定。

1.2 差异性

勘探生产发现，页岩油、页岩气和诸多常规油气藏密切相关[2]，它们在生成条件、富集机理和开发利用方式等方面都存在明显差异性（见表 1）[8]。

表1 页岩油气特征比较

通过大量调研和前期的地质勘探发现，我国探明的页岩气有利区块基本贫油，油气共生共储不明显，展布不集中，而且页岩油气藏分布多在已开发常规油气藏的烃源岩中，过去对其成藏模式及开发利用不曾深入研究。目前国内在多个陆相盆地地层中发现具有页岩油的形成条件，在多套海相地层中发现优质页岩气储层，并开展了一系列基础研究和工程试验。相比之下，美国的页岩油气伴生，主要分布在D，C，K的海相富有机质页岩中[6，9-12]。近年来，北美剧增的页岩油气产量打破了全球能源供需市场平衡，正深刻影响着世界

2 页岩油气滞留机制及差异性比较能源格局。

对于常规油气领域的烃源岩，不仅强调有生成并排出油气的过程，而且要正在生成和排出油气。认识到页岩油气资源以后，人们发现烃源岩可只生成油气但并不一定排出，只有满足了自身的滞留需要，即生成烃量大于页岩层的吸附、溶解和孔隙充填量，饱和之余的油气才开始呈游离相排出。对门限控烃中排烃门限的研究表明，烃源岩演化过程中，油气滞留现象已呈现出一般规律性和必然性[13]。这种烃源岩滞留油气的现象，为页岩油气富集成藏提供了物质基础。

2.1 滞留机制

页岩油气在有机质演化过程中生成，由于岩石矿物颗粒及干酪根的吸附、介质溶解、层内孔隙充填和毛细管封堵作用，“原地”滞留聚集下来；当生烃量饱和了上述存留需要后，才会在多因素——如异常地层压力、扩散——作用下向外溢散或运移[14]。其中，残留的烃量达到一定规模成藏后，经过人工压裂工程改造，即同常规油气藏一样具有工业开采价值。

泥页岩中已产出油气的滞留，受控于有机质的丰度和类型、热演化程度、储存条件、岩相、温度、压力和原油物性等诸多要素。有机质丰度正相关于生烃能力，对吸附烃量和产生有机孔隙也有贡献；不同类型的干酪根都有各自相应的生油气窗，吸附承载页岩油气能力也大小不一；有机质演化程度决定生成烃类的体积与组成，而油气的体积与组成还取决于干酪根的性质和二次裂解反应[14]。页岩岩相控制了页岩的有机质丰度和脆性矿物体积分数，岩相的变化会导致有机质和矿物组成的变化，进而影响着页岩层的含油气性；物性控制着油气的存留形式和含油气量；温度、压力会影响油气赋存相态的转化和量的变化，以及原油物性的变化；含水饱和度也会影响游离油气的储集空间和溶解油气的含量，以及占据活性表面后减少吸附油气的吸附位[2]。

2.2 滞留机制差异性比较

研究表明，由于油气分子结构的特征和烃类在页岩储层内滞留形态的多样性，泥页岩储层滞留油的能力远大于滞留气的能力。油气滞留方式受多因素控制而具有显著差异性。

2.2.1 吸附态烃

页岩气的主要成分是甲烷，较页岩油来说，结构简单，分子质量小[15]。气分子吸附能力弱于油分子，故而在烃源岩内油气相伴生时，气分子很难与油分子竞争到吸附位；而且，一般情况下，石油的黏度要远大于天然气，扩散性和流动性不如天然气。图1表明：总有机碳质量分数（TOC）与页岩吸附能力呈正相关关系[16]；吸附烃量随镜质体反射率（Ro）在一定范围内（2.0%以下）增大而增加，其后随之增大而减少[17]。不同类型干酪根的化学结构决定了它们的吸附能力：Ⅰ—Ⅲ型干酪根吸附能力逐渐增强[18-19]；黏土矿物的吸附能力优于灰岩，却远弱于干酪根，且不同类型的泥页岩吸附能力也存在较大差异；海陆过渡相、海相与陆相泥页岩吸附能力依次减弱[20]；黏土矿物中，蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石吸附油气能力依次减弱[21]。温度升高、压力降低，有助于气体解吸并降低石油黏度；而压力升高、温度降低，有利于气体吸附（见图2）并使石油增黏。页岩孔隙的内外表面提供大量的吸附位，纳米孔较微米孔拥有更多的内表面积。

油分子的强吸附性和黏性，导致吸附在干酪根和黏土矿物表面的石油难以产出，可开采的主要是存于无机与有机物孔隙和微裂缝中的呈游离态的油。而吸附气具可采性，并且是页岩气井稳产期较长的重要因素。

图1 页岩吸附气含量与TOC的关系

图2 威202井不同岩样吸附能力与压力的关系

2.2.2 游离态烃

烃源岩生油气能力越强，孔隙空间越大，泥页岩储层的留存油气量就越充足（见图3）。泥页岩中，孔渗性好的甜点区通常都是高产区，特别是厚层烃源岩内部形成的异常高压区，孔渗性好，且易形成微裂缝，含油气量随之增大，具有高的开发价值。

图3 页岩游离气含量与孔隙度的关系

泥页岩中油气主要赋存在有机纳米孔隙和无机孔隙中。天然气的小分子和易缩胀特性，决定了它比油具有更大的自由存储空间。相互连通的无机孔隙（含微裂缝），才是油的主要赋存空间，而纳米孔隙作用有限[22]。TOC和Ro控制着有机纳米孔隙的演变，并影响着页岩中总的孔隙空间（见图4），Ro还影响着生成油气的物性。低孔渗的页岩储层中，低密度、低黏度的游离态原油更易被采出。无机孔隙的体积与沉积作用、成岩作用以及构造演化相关联，孔隙大小和喉道半径影响着含油气性和油气的运移，温度、压力影响流体的赋存相态和性质，温度升高，天然气解吸脱溶，石油降黏降稠，都会增加游离态烃量。

图4 页岩中总孔隙度与TOC的关系

游离态烃是勘探过程中发现页岩油气的关键因素，是页岩资源最终可采出的有效状态，是前期产量的主要贡献者。

2.2.3 溶解态烃

石油微溶于天然气、干酪根和地层水中，而天然气在石油、干酪根和地层水中的溶解量要远大于页岩层中的溶解态油量。溶解态油不易采出或随天然气采出。

油气饱和度、孔隙水饱和度、干酪根与沥青丰度都直接控制着溶解量而影响溶解能力。温度和压力则决定着不同条件下油气的溶解性：当温度升高、压力不变或温度不变、压力降低时，溶解量随之减少；温度降低、压力不变，或温度不变、压力升高时，溶解量增多。

页岩油开发过程中，随着产量的增加，地层压力降低，天然气溶解。这往往带来不利影响——原油黏度大幅上升，并且页岩地层的强应力敏感性使得储集层孔渗性进一步降低，对页岩油产出不利。因此，页岩油的有利勘探区应具气油比较高的特征[23]，且在开采过程中应尽量延缓储层压力的降低[22]。

3 富集主控因素分析及差异性比较

3.1 富集主控因素

页岩油气生成后滞留下来，无运移或发生极短距离运移而形成量的累积，最终就可能富集成藏。其富集程度受多种因素的综合影响。

3.1.1 泥页岩有效厚度和分布面积

泥页岩储层的有效厚度和分布面积是提供油气存留和富集空间的重要条件[24]，富有机质泥页岩厚度大于有效排烃厚度是成藏的基础。过去常规油气研究中强调烃源岩的单层厚度应不超过有效排烃厚度，否则，其中部生成的烃类是不能有效排出的。这种能够生烃但不能有效排出的岩层无效论，显然不再适用于非常规油气理论。烃源岩层厚度（大于30 m）和分布面积（大于 50 km2）[8]越大，显然生烃潜力就越大，其中可残留油气量也越大。

3.1.2 埋藏深度和温度、压力

地层埋深影响着层内的温度和压力。埋深加大，温度和压力会随之升高，有机质成熟度增大，生烃量会逐渐增多，油气赋存相态会相应发生改变。当温度、压力升高到某一限度时，因吸附和溶解作用而滞留的烃量会增至饱和[13]。

3.1.3 有机质丰度和类型

TOC与生烃潜能呈正相关性（见图5），并显著影响着吸附烃量和总烃量[25]。有机质类型不同，其生油气窗口不一致，生成的油气性质与体积组成也大不相同。有机质还可作为烃类的吸附载体，并为其提供赋存空间，是页岩油气成藏的物质基础。

图5 威201井龙马溪组总含气量与TOC的关系

3.1.4 有机质热演化程度

有机质成熟度升高的过程中，生成的烃类逐渐增多，有机质吸附能力增强，低孔渗页岩层滞留烃类使地层压力增大，容易产生微裂缝，进一步为油气提供储集空间而富集至成藏，有利于油气产出。

3.1.5 储集空间

页岩油气与常规油气成藏主要的共性就是基于对储集空间的需求[26]。泥页岩低孔低渗的特征，决定了要形成大规模的利于工业开采的页岩油气藏，必须有适当的裂缝和孔隙。岩石中矿物颗粒之间的无机孔隙、恰当的天然裂缝或后期的构造裂缝、有机质生烃消耗形成的有机纳米级孔隙、生烃量增大形成高异常地层压力而产生的诱导缝等，都可以为油气聚集提供存储空间；泥页岩层系中的粉砂岩、碳酸盐岩及特殊岩性的薄夹层，也提供了有效孔隙。研究区的高脆性矿物体积分数（见图6）[21]既有助于页岩储层成岩生烃过程中形成增生缝，也利于后期人工压裂改造[27-28]。强烈的构造运动生成的破坏性向外输导断裂不利于成藏。

图6 长宁—威远地区优质泥页岩矿物组成

3.1.6 岩相

不同沉积环境下形成的泥页岩性质差异显著。如图7所示，四川盆地龙马溪组浅水或深水陆棚环境下形成的页岩，含有机质情况差异较大。

图7 不同岩相TOC的变化

高沉积速率和长时间深水缺氧的还原环境，有利于富含有机质的黑色页岩的形成，而富有机质页岩相空间分布的差异，还会影响矿物组成和岩石力学特征。如：浅水陆棚硅质主要为陆源输入，而深水陆棚硅质主要为自生石英成因，深水陆棚发育的富有机质硅质页岩脆性，TOC与含气量更高。

3.1.7 含水饱和度

地层水一方面占据孔隙空间，抢占颗粒表面吸附位，减少吸附烃的含量，另一方面则增加溶解态烃量。

3.2 富集因素差异性比较

大量研究表明，页岩油藏和页岩气藏具有相似的地质特征和开发技术要求。然而，油气分子结构不同导致两者的富集成藏模式始终存在一定差异（见表1）。

经腐泥型有机质演化形成的偏生油的Ⅰ或Ⅱ1型干酪根，含有较多的长链，在适宜的埋深、一定温度的作用下，发生热催化作用或裂解作用而断裂，以生油为主；Ⅱ2和Ⅲ型干酪根则以生气为主。但是随着温度的增加，若受热时间足够长，干酪根、沥青质甚至原油中所有化学键都会发生断裂变短链，且裂开的过程都会伴生出相对分子质量低的气态烃。页岩油来源具特定性，而页岩气产生具多渠道性。

对于富有机质泥页岩中的Ⅰ或Ⅱ1型干酪根来说，只有在有机质热演化程度主体处于生油状态时，才利于页岩油的生成，即热解生油；而页岩气在有机质演化的全过程中都会生成，具有多阶段性，包括浅层生物气、热解气和裂解气。

页岩油相较页岩气黏度更高，分子直径更大，且油源的特定性表明，页岩油富集成藏需要更高的有机质丰度[29]。页岩油的可运移性不如页岩气，主要赋存在微裂缝和高孔渗无机孔隙中，而页岩气还可以充填、吸附在有机纳米孔隙中。页岩气在高压、常压、低压条件下均可开采，而流动性能相对较差的页岩油，毛细管阻力大，更适于维持高压或尽量延缓压力降低来开采。

4 结论

1）泥页岩滞留油气具有普遍性，油气滞留形式主要有游离态、吸附态和溶解态。油气存留受烃源岩地球化学特征、储存地质特征、温度、压力等诸多要素综合影响，体现在页岩层内干酪根和黏土矿物对油气的吸附作用，干酪根、沥青质和地层水溶解油气以及油气的互溶作用，有机纳米孔隙、无机孔隙和微裂缝对油气的容纳，以及毛细管阻力对油气的封堵作用。

2）油气分子结构上的不同，其物理化学性质特征决定着页岩储层滞留油气存在差异的必然性。页岩油与页岩气相比较，前者密度大，表现出更强的黏稠度和吸附性，后者密度小，具有更大的溶解度和扩散运移能力。泥页岩滞留油的能力远大于滞留气的能力。

3）烃源岩中，油气生成后滞留下来达到量的积累，就有可能富集成藏。其富集性主要受控于生烃基础、存储空间和保存条件，即地层条件（泥页岩有效厚度和分布面积、有机质丰度和类型、热成熟度、矿物成分、储层物性、裂缝发育情况）和外部因素（温度和压力、埋深、构造作用、含水量与湿度、沉积环境）。

4）从可采性方面来说，泥页岩中油气富集的差异性体现在生烃条件（有机质丰度和类型、有机质演化程度、埋深）、储集空间和开发方式（地层压力）等。页岩气的生成具有多阶性和多源性，页岩油需要更多的Ⅰ或Ⅱ1型干酪根且在有机质成熟阶段生成；页岩气因小分子性和自由流动性可充填在有机纳米孔隙中，页岩油主要赋存在连通性更好的无机孔隙和微裂缝中；人工压裂工程改造利于页岩气藏开采，而页岩油藏更适于在储层高压条件下开采。

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