有机质类型及演化特征对页岩气富集规律的影响

王亚东　潘仁芳　曾俊峰　陶小锋　鄢 杰　陈 宽

(1. 长江大学地球科学学院， 武汉 430100； 2. 长江大学非常规油气中心， 武汉 430100；

3. 中国地质大学(武汉)资源学院， 武汉 430074)



有机质类型及演化特征对页岩气富集规律的影响

王亚东1潘仁芳2曾俊峰2陶小锋2鄢 杰2陈 宽3

(1. 长江大学地球科学学院， 武汉 430100； 2. 长江大学非常规油气中心， 武汉 430100；

3. 中国地质大学(武汉)资源学院， 武汉 430074)

摘要：页岩气是生成并存储于页岩、泥岩中的一种非常规天然油气，具典型的源储一体特征。页岩气的成藏基本没有“运移”“聚集”过程，因此页岩气富集规律成为页岩气研究的重点和难点。结合长宁地区现有勘探开发资料以及近年来页岩气勘探开发取得的新进展，分析有机质特征对页岩气富集规律的影响。页岩气的吸附量与泥页岩的有机质丰度具有明显的正相关关系，有机质丰度是生烃量和生烃强度的重要决定因素；不同的干酪根类型由于显微组分的差异而对页岩气具有不同的吸附能力；高成熟度能使有机质微孔隙增加，也能加快气体的流动，为页岩气的富集提供更多有利空间。

关键词：页岩气； 干酪根； 有机质丰度； 镜质体反射率； 富集规律

随着常规油气藏的普查勘探与油气资源的供不应求，非常规油气领域的突破掀起了油气勘探的新高潮。页岩气作为一种新型的清洁能源，正慢慢改变着天然气领域的格局，美国页岩气的勘探开发走在了世界的前列，而加拿大的页岩气勘探也正在全面进行。随着我国重庆焦石坝地区页岩气产量的突破，四川盆地长宁、威远地区古生代地层的成功测试，我国页岩气的勘探开发也迈入了新的台阶。

我国页岩气可采资源储量约为26×1012m3，与美国的页岩气可采储量大致相当[1]。四川盆地是我国页岩气重点勘探区，在威远和长宁地区古生界海相地层中已获得商业性气流。因此研究有机质特征及演化对页岩气富集规律的影响，对四川盆地勘探区页岩气资源的评价具有重要意义。

1页岩气藏的基本特征

页岩气是富集在有机质丰富，低孔低渗的黑色泥页岩层系中的天然气。具有典型的源储一体特点，基本没经过运移，原地成藏，成藏时间较早。作为烃源岩的泥页岩连续生气，连续聚集，所以其没有明显的气藏边界，并且生气区一般范围较广，进入生气窗范围内的所有烃源岩都可成藏，受构造影响不大[2]。赋存方式主要以吸附态和游离态为主，一般在干酪根、黏土矿物表面或者微孔隙中以吸附形式存在,而以游离态赋存于相对空间比较大的微裂缝、空隙或者其他储存空间。

页岩气的储集是在泥页岩层系，而不仅仅局限于理论上的泥页岩层段，其可能赋存于层系中的粉砂岩或者砂岩甚至碳酸岩夹层。页岩气可以来源于生物成因气，也可以来源于热解气。有机质类型和成熟度在烃源岩基础上是影响页岩气富集的重要影响因素[3]。

2页岩气的生成与富集

2.1有机质演化与页岩气的生成

页岩气的生成可以存在于整个有机质演化过程中，图1所示为有机质演化模式图。其过程大致可分为:(1)有机质成岩作用阶段,埋藏较浅，在生物降解作用下生成甲烷气,镜质体反射率Ro<0.4%；(2)热催化和热裂解作用阶段,随着埋深的增加，压实作用增强，干酪根热催化生成油气，原油热裂解生气,该阶段的气体主要是湿气,C4以上烃类较多，Ro介于0.4%～2.2%，在演化初期,有机质热演化可以生成甲烷气,页岩中的甲烷聚集成藏形成页岩气藏；(3)深部高温生气阶段，此时重烃大量裂解,产物为大量的干气,Ro>2.2%。

岩心取样分析化验结果显示：长宁地区龙马溪组泥页岩主要以I型干酪根为主。I型有机质烃源岩中成为有效烃源岩的Ro值最低约为1.4,而Ⅱ型和Ⅲ型为主的烃源岩要有足够数量的天然气生成，必须满足具有较高的氢指数[4-5]。

图1　有机质演化模式图

2.2页岩气富集原理

张金川等人对页岩气的富集规律进行了系统研究，提出了页岩气富集与成藏过程的4个阶段[6-7]。第一阶段，生成的天然气大量吸附在有机质或黏土矿物表面，该阶段与煤层气形成机理相似；第二阶段为满足吸附量之后,陆续生成的天然气排替到基质空隙中充填,此阶段富集机理类似于孔隙型天然气的聚集规律；第三阶段是随着大量气体的生成,有机质的大量热解，泥页岩内部形成异常高压，出现微裂缝，天然气则以游离状态进入页岩裂缝，具有典型的活塞式运聚特点；第四阶段天然气以游离态和吸附态聚集成为页岩气藏，即页岩气藏的形成阶段。若天然气继续产出，页岩内部的空间已不能满足天然气的聚集，天然气则逃逸进入砂岩等常规储层，从而形成规模较大的常规气藏(图2)。

图2　页岩气富集成藏过程示意图

3页岩气富集规律影响因素分析

在影响页岩气富集成藏的众多因素中，地质因素作为其主控因素，决定着页岩气藏是否具有开采价值。有机质特征(有机质类型、总有机碳TOC、成熟度)、微孔隙结构、黏土矿物组成以及厚度等对页岩气的富集有很重要的意义。本次着重研究有机质特征对页岩气富集规律的影响。

3.1有机质类型

不同干酪根类型其显微组分含量和化学组成结构特征导致了不同演化阶段其演化产物的不同。赵文智等人通过实验揭示了不同的干酪根类型，其生气高峰期具有不同的指标。就Ro值而言，Ⅰ型干酪根主要以生油为主，在演化阶段生气范围比较狭窄，Ro值集中在1.2%～2.3%；而混合型有机质Ⅱ型干酪根主要生气期的Ro值介于0.9%～2.4% ；Ⅲ型干酪根主要生成天然气，其生气范围比较广，Ro值介于0.7%～2.0%[8]。

在生气率方面，Ⅲ型干酪根的生气率远大于Ⅰ型干酪根，而偏腐泥混合型和偏腐殖混合型干酪根生气率分别是腐殖型干酪根的2～4倍[9]。同时在相同的地质背景下，类型不同的干酪根将影响天然气吸附率和扩散率，影响页岩气的富集规律。Ⅰ型干酪根H、C原子数之比越大,吸附量愈大；Ⅲ型干酪根O、C原子数之比愈大,吸附量愈小。不同有机质条件下页岩气等温吸附曲线存在明显差异[10]。这说明良好的有机质类型是页岩气生成与富集的重要条件之一。

3.2有机质丰度

有机质丰度是生烃量和生烃强度的重要决定因素，早在2006年Boyer等人对美国Barnett地区过成熟海相页岩样品进行等温吸附实验，得出：有机质丰度高,吸附气量就相对丰富,产量相对较高。之后Gareth等人对加拿大哥伦比亚省下白垩统Bucking Horse组页岩样品进行实验，验证了页岩有机碳含量与甲烷的吸附量存在明显的正相关关系的结论[10]。因此高TOC值是页岩气富集高产的必要因素。

在类似地质条件与地球动力学背景下，通过岩石力学数据表征，TOC含量在页岩裂缝发育中有重要的意义。TOC越高的页岩脆性越强，抗张强度越低，容易在外力作用下产生微裂缝，为页岩气的渗流及成藏提供有利条件[11]。Jarvie认为,TOC含量为7.0%，有机质体积占14%的页岩，在热裂解过程中损失35%的有机质碳，能净增4.9%的有效孔隙度[12]。有机质的有效孔隙度为页岩气典型的吸附富集空间。

对于页岩气富集与成藏的有机碳下限值，一直都是研究的重点，结合具体地质区块学者们都开展了大量的研究。Bowker结合美国已勘探或投产的盆地指出具有勘探开发价值的有机碳下限值最低应为2.6%[13]；Schmoker认为美国页岩气商业开采的有机碳的下限值大约为2%[14]；针对四川盆地，许多专家学者认为其下限值为3%，但随着开采技术的进步，其下限值可能会降到0.5%,甚至更低。

3.3有机质成熟度对富集规律的影响

美国页岩气勘探开发现状表明，页岩未成熟或成熟的盆地中均有具有商业价值的页岩气显示。Michigan盆地的Antrim页岩有效产层段的Ro只有0.5%左右,埋藏较浅，为典型的生物成因页岩气藏；而圣胡安的Lewis页岩气藏为典型的热成因页岩气藏，其Ro介于1.2%～2.1%；Barnett页岩气藏的产气区烃源岩Ro平均为1.8%，东部为2.2%，西部为1.3%[15]。可见页岩成熟度并不是制约页岩气成藏的主控因素，但是其对页岩气的富集却有很大的影响。

已有成果表明，在温度一定的条件下，天然气的吸附量与压力呈明显的正相关关系。随着演化程度的增高，有机质大量生烃。异常高压的形成将极大地提高天然气在泥页岩内部的吸附能力，同时烃源岩内部由于异常高压诱导的微裂缝，也为页岩气的赋存提供了有利的存储空间，而有机质的演化也会使有机质内部的微孔隙大量增加。有机质的纳米、微米有机孔是页岩气吸附的主要场所。热成熟度影响页岩的孔隙结构特征，从而影响页岩的吸附解吸能力。

长宁探区的化验结果表明(图3)：随着演化程度的增大，轻烃组分增多，烃类体积变大，排烃压力随之升高，气体的流动速度相对加快，因此导致了气体在高成熟度页岩气藏中流动较快[10]。产气速度的增加，加快了页岩气的富集。

图3　页岩成熟度和产气速度的关系

4结语

(1)页岩气存在于致密泥页岩层系中，具有典型的源储一体特征，其主要赋存方式有游离态和吸附态。不同地质背景下，赋存方式不同。气藏范围一般较大，没有明显的边界。

(2)页岩气可以在有机质的整个演化过程中生成，完整的富集过程可以分为页岩气吸附、孔隙充注、天然裂缝的游离充注以及富集成藏等4个阶段。

(3)页岩气成藏与富集是多种因素的综合结果，包括地质因素和非地质因素。页岩的有机质特征，包括有机质类型、有机质丰度、有机质成熟度，是影响页岩气富集规律的最为重要的因素之一。

参考文献

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The Impact of Organic Matter Type and Its Evolution Characteristics on the Enrichment Regularity of Shale Gas

WANGYadong1PANRenfang2ZENGJunfeng2TAOXiaofeng2YANJie2CHENKuan3

(1. Earth Science College of Yangtze University, Wuhan 430100, China;2. Hubei Coperation Innovation Center of Unconventinal Oil and Gas, Wuhan 430100, China;3. Resources Institute, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Abstract:Shale gas, a kind of unconventional natural gas, is generated and stored in shale or mudstone, containing source reservoir characteristics. There are no typical features like ′gather′ and ′migration′ of conventional petroleum geology in shale gas, so the enrichment regularity of shale gas has been the key point of the research of shale gas. Based on the exploration and development data available in Changning area and the new progress of exploration and development in China recently, this paper focuses on the elaboration of the impact of organic matter characteristics on the enrichment regularity of shale gas. The adsorption of shale gas is positive correlation with organic matter abundance, and the index of organic matter abundance controls the production of the shale gas and the development cracks. Shale gas can be produced during all the time of organic matter evolution, but different kerogen has different effect on shale gas adsorption ability. High maturity can increase organic micropore and speed up the flow of gas, and can provide more favorable space of the enrichment of shale gas as well.

Key words:shale gas; kerogen; organic matter abundance; reflectance of vitrinite; enrichment regularity

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0017-04

中图分类号：P618

作者简介：王亚东(1990 — )，男，湖北仙桃人，在读硕士研究生，研究方向为非常规油气资源。

基金项目：国家自然科学基金项目“页岩油、气甜点构成要素比较研究”(41472123)

收稿日期：2015-04-01