页岩气成藏机理及分布规律研究对勘探开发的影响

罗楚湘，陈建飞

（长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430000）

随着近些年来我国经济的持续快速增长，对能源的需求也大幅度增加，常规油气资源的产量已经无法满足我国经济快速发展的需求，类似页岩气的新型清洁能源亟待加快勘探开发。页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳质页岩中，以吸附态和游离态为主要存在方式的生物成因、热成因或者生物—热成因的连续型天然气聚集[1]。页岩气资源储量丰富，全球页岩气资源636.283×1012m3，其中技术可采资源量187×1012m3，主要分布在北美、北非、中东、中亚、中国和前苏联[2]。与美国页岩气相比，中国页岩气地质特征具有明显的独特性，海相页岩具有时代较老、构造运动复杂、演化程度高、有机碳含量高、成熟度高等特征，主要产天然气；陆相页岩具有时代较新、埋藏较深、成熟度偏低、脆性矿物含量较低等特征，油气兼产[3]。受中国页岩气藏独特的地质特征和成藏机理及分布规律影响，页岩气的成藏机理及分布规律研究对未来大规模页岩气勘探开发具有重大指导作用。

1 页岩储层特征及其特殊性的影响

页岩气，作为非常规天然气的范畴，有着不同于常规天然气气藏的储层特征：

（1）页岩气储层既是烃源岩又是储集层，具有一套独立的油气系统，生气层、储集层和盖层均为其本身，为典型的“自生自储”式气藏[4]。

（2）由于页岩气赋存于泥页岩或高碳质页岩类似岩层中，所以页岩气具有低孔、低渗的储层物性特征。储层岩石总孔隙度通常小于10%，含气储层的有效孔隙度通常为1%～5%[5]，基岩的渗透率极低，通常均小于1×10-3mD[6]。

（3）早前海陆相的沉积盆地环境决定了页岩气储层面积一般很大，且常呈区域性、连续性分布。页岩气储层的埋藏深度范围较广，从浅于200 m（最浅仅为8.2 m）到深至3 000 m都可能有页岩气藏[4]。这一储层特征将直接影响页岩气藏的开采效率，较大的埋藏深度往往需要更高的成本投入，低孔低渗的储层及其连续性分布特征在推动了水平井技术及井工厂技术发展的同时，也要求更高的钻井技术和更多的初期成本的投入，对技术和经济来说都是举足轻重的突破点。

（4）泥页岩中天然气赋存相态包括:游离态、吸附态及溶解态[7]。页岩气赋存相态的多样性，无疑给勘探开发提出了难题，不管是在油价低沉的当下还是在未来石油资源紧缺的后石油时代，多种相态共存开采技术不仅在开发方面还是在提高采收率方面始终是一个需要持续挖掘的新技术。

（5）页岩气藏储层通常具有压力异常，这主要取决于页岩气藏的成因类型。热成因类型的页岩气藏一般为高压异常，埋藏较深，然而生物成因类型的页岩气藏则一般为低压异常，埋藏较浅[4]。

2 页岩气成藏机理及过程

受页岩气储层特性的影响，其成藏过程复杂多变，除吸附和溶解外，活塞式推进和置换式运移也有不同程度发生，张金川等人从成藏条件出发，将页岩气成藏分为：吸附机理、活塞运聚机理或者置换运聚机理。根据不同的成藏机理，天然气成藏过程可分为3个主要阶段[1,8]，如表1。

表1 成藏过程阶段表

在页岩气成藏过程中，其吸附机理和活塞式运聚机理共同作用控制页岩气藏中吸附态和游离态天然气所占储层孔隙空间的比例变化。所以，页岩气的成藏机理实质是天然气在页岩储层孔隙中赋存状态之间的动态平衡[9]。

3 页岩气成藏控制因素及分布规律

地质因素是页岩气成藏的主要控制因素，决定了页岩气能否成藏及其分布规律，主要包括有机碳含量、有机质类型、有机质成熟度、裂缝发育程度、孔隙度、渗透率、页岩脆性矿物含量、页岩厚度及矿物组成等[4]。

3.1 地质因素

3.1.1 有机碳含量

有机碳含量是页岩气藏评价的一个重要指标，是页岩气形成的重要地质基础，决定了页岩的生烃强度。据调查北美页岩气高产层有机碳含量均基本超过2%。

3.1.2 有机质类型

有机质类型即干酪根类型，是影响页岩气烃源岩生气能力的重要因素。干酪根一般分为三种：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型干酪根，前两种主要生油，第三种以生气为主，北美页岩气高产层为Ⅱ型干酪根。

3.1.3 有机质成熟度

有机质成熟度是确定有机质生油气的关键指标。一般来说，Ro稍微高点好，因为页岩生气主要以干酪根热降解、原油热裂解等为主，Ro低，含气量、产气量越小，Ro越高，含气量、产气量就越大。北美页岩气产层Ro主要集中于1.0%～ 2.0%，属于成熟—高熟阶段。

3.1.4 裂缝发育程度

裂缝发育程度决定页岩气藏储集空间的大小。裂缝发育有利于吸附态天然气的解析和游离态天然气的富集，提高了流体的渗流能力及压裂效率，有效地提高了产能。所以构造运动集中带及微构造发育带通常是页岩气富集的重要场所。人工压裂就是通过改善裂缝来提高流体的渗流能力增加产能。

3.1.5 其它地质因素

孔隙度、渗透率、页岩脆性矿物含量及页岩厚度是评价储层物性及其经济开采价值的重要参数[10]。孔隙度的大小影响着游离态天然气的富集，渗透率影响着流体的渗流能力，脆性矿物含量越高，越利于页岩的压裂，有效厚度越大，储层开采价值越高。

3.2 分布规律

页岩气成藏的分布规律主要受其地质因素的影响，可归纳出一些典型页岩气藏分布规律：

（1）总有机碳含量高的页岩气藏含有丰富的烃源物质基础，故总有机碳含量高的泥页岩储层是页岩气成藏的最佳岩性，有利于页岩气藏气源的富集分布。

（2）陆相沉积盆地中，湖沼相、三角洲相沉积通常是页岩气成藏的最佳条件，一般位于或相对接近于盆地的沉降—沉积中心处，故湖沼相、三角洲相沉积盆地中心处是页岩气藏的有利分布区[11]。

（3）页岩气储层具有低孔、低渗的特征，即使储层具有普遍含气性的特点，页岩气藏主要还是分布于裂缝系统发育带。因此，裂缝系统发育地段为页岩气富集的重要场所。

4 页岩气勘探开发策略

中国页岩气地质特征的独特性，决定了中国的页岩气勘探开发策略不能完全的照搬北美页岩气勘探开发的成功案列，中国需要在足够了解中国页岩气藏地质条件的基础上参考北美页岩气勘探开发的成功经验，总结出一套适合中国页岩气勘探开发的策略。页岩气勘探开发需要考虑的开发因素有决定页岩气藏是否具有经济开采价值的页岩气藏埋深、温度与压力等。

4.1 影响开发的因素

（1） 埋深。页岩气藏的埋深广，从200 m至深3 000 m都可形成页岩气藏，其埋深直接影响着页岩气藏的经济价值和经济效益[10]，埋藏越深，经济成本越高，开发难度越大。

（2）压力和温度。压力和温度影响页岩气的富集，页岩气藏的压力与吸附气含量呈正相关关系，页岩气藏的温度与吸附气含量呈负相关关系[10]。

4.2 页岩气的勘探开发

页岩气的勘探开发主要包括资源评价阶段、气田勘探阶段和气层开采阶段3个主要阶段[12]，其次，还包括开发增产阶段，如表2。

表2 勘探开发表

4.2.1 成藏机理及分布规律对资源评价的影响

资源评价即评价页岩气藏的资源地质储量和在当前技术条件下的经济可采性研究，同时挑选出有利区域来进一步勘探研究。页岩气储层特征及成藏机理对页岩气资源评价影响巨大，其储层特征中的储层厚度、矿物成分、渗透率、孔隙度、裂缝发育程度等和页岩气成藏机理的有机碳含量、有机质类型、成熟度、页岩气吸附能力等均一定程度上影响页岩气的资源评价。此外，页岩气藏的含气性和可压裂性(即脆性等力学性质)等因素影响页岩气的经济可采价值[12]。目前，主要采用实验分析法、测井评价法、地震解译法等对影响页岩气资源评价的因素进行研究，采用类比法、单井储量估算法、容积法等方法来估算页岩气资源储量[13]。

4.2.2 成藏机理及分布规律对页岩气勘探的影响

页岩气成藏机理及分布规律主要通过其储层特性和成藏机理的差异来控制影响页岩气勘探方法的因素，即通过影响决定地球物理化学等勘探方法结果的关键性因素来影响页岩气勘探。

（1）地震勘探技术。页岩气藏的泥页岩储层与其上下围岩的地震传播速度有差异，在泥页岩的顶底界面处会产生较强的波阻抗界面，再结合相应录井、测井等资料可以识别泥页岩层。

（2）测井技术。测井解释可进行储层的评价和裂缝的预测，其储层特征及裂缝发育程度及其分布规律将直接影响测井解释的结果。

4.2.3 成藏机理及分布规律对页岩气开发的影响

页岩气独特的地质条件，需要水平井生产技术和压裂技术相结合，配以特殊的完井技术来生产。

（1）水平井技术。目前页岩气藏勘探开发大多数采用直井勘探获取地层参数和水平井生产。页岩气低孔低渗的储层特性限定了页岩气主要富集在页岩储层的裂缝系统中，故页岩气开采应当尽量利用天然裂缝的导流能力，使之尽可能快而多的直接流入井筒，连通多个裂缝系统，且把水平井井位与井眼方位适当地选在有机质富集、裂缝发育程度偏好、成熟度相对较高的区域会达到明显的增产效果。

（2）压裂技术。页岩气藏低孔低渗的储层很难直接生产油气，需要进行大规模储层改造，主要包括压裂和酸化2种方法。储层岩石的脆性矿物含量对压裂效果有极大的影响，脆性矿物多将有利于压裂，反之不利于压裂。

（3）特殊固井、完井技术。页岩气藏以吸附态为主的赋存状态和低孔低渗的储层特征要求完井技术不仅要提高其渗透率又能有效地避免地层损害，才能达到预期的页岩气采收率，这需要特殊的固井、完井方式。泡沫水泥有良好的防窜效果，能顺利解决低压易漏等复杂井的固井问题[12]。

4.2.4 页岩气开发对环境的影响

页岩气是种环保的新能源，但页岩气生产过程却存在着大量的环境风险。水力压裂需要消耗大量的水资源，压裂一次需要消耗大量水，并且通常在注入的压裂液中还会加入一些化学试剂，废水和压裂液将会污染地下水源或者发生泄漏。大型的体积压裂不仅会消耗大量的水资源，同时会破坏地下地层的稳定性，后期可能会带来不可估量的地质灾害。此外，与常规油气勘探开发相比，页岩气的勘探开采一般以井工厂的规模开采，要求钻更多的生产井，这将导致地貌景观和地表环境的严重破坏。

5 结束语

（1）我国页岩气储量丰富，页岩气藏成藏机理复杂，赋存状态多样，成藏过程复杂多变，具有独特的地质特征及普遍发育、广泛分布的特点，需要进一步加强页岩气成藏机理及分布规律对勘探开发不同阶段的影响研究，深入探讨其影响的根源及其主次，致力研究出一套符合中国页岩气藏的勘探开发策略，使开发更准确，开发效果更佳。

（2）我国页岩气勘探开发总体上还处在起步阶段，部分有利目标区达到试开采阶段，面对我国页岩气地质条件的复杂性和特殊性以及国内资源的严峻性，决定了中国的页岩气勘探开发策略不能完全的照搬北美页岩气勘探开发的案列，中国需要在足够了解中国页岩气藏地质条件的基础上参考北美页岩气勘探开发的成功经验，只能在一定程度上给予借鉴。

（3）页岩气作为一种新型清洁能源具有很大的开发潜力，对页岩气进行规模性开发只是时间的问题，为更好、更快的开发页岩气，我国今后应：加强对页岩气聚集机理、赋存状态、成藏机理和分布规律等地质理论研究；加大对页岩气勘探开发技术的研究与完善。

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