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頁巖氣系列資料總結

藏南日喀則地區白堊紀泥巖、頁巖有機質豐度及其油氣地質意義

一、頁巖氣的定義

頁巖氣指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中(亦可存在于泥頁巖層系中的粉、細砂巖,粉砂質泥巖或砂巖夾層中),以吸附或游離狀態為主要存在方式(也包括溶解氣)的連續式富集(連續型油氣藏是指低孔低滲儲集體系中油氣運聚條件相似、含流體飽和度不均的非圈閉油氣藏,具有巨大的儲集空間和模糊的油氣藏邊界,其存在幾乎不依賴于水柱壓力,主要指非常規氣藏,包括致密砂巖氣、頁巖、深盆氣、煤層氣、淺層微生物氣、天然氣水合物6種主要類型/為不間斷充注、連續聚集/連續分布成藏)的天然氣聚集。從某種意義來說,頁巖氣藏的形成是天然氣在烴源巖中大規模滯留的結果。

Curtis認為頁巖氣系統基本上是生物成因、熱成因或者生物—熱成因的連續型天然氣聚集,頁巖氣可以是儲存在天然裂隙和粒間孔隙內的游離氣,也可以是干酪根和頁巖顆粒表面的吸附氣或是干酪根和瀝青中的溶解氣。張金川等認為頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中,以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集,為天然氣生成之后在源巖層內就近聚集的結果,表現為典型的“原地”成藏模式。 二、頁巖氣的類型 1、按氣源成因分類:

是最常采用的分類方式。北美地區目前發現的頁巖氣藏存在3種氣源,即生物成因、熱成因以及兩者的混合成因,其中以熱成因為主,生物成因及混合成因僅存在于美國東部的個別盆地中。盆地斜坡/中心,傾油有機質經歷充分熱降解或熱裂解,熱成因頁巖氣較發育;有機質成熟度較低、水動力條件優越的盆地邊緣,生物成因氣發育。

熱成因型頁巖氣又可分為3個亞類:①高熱成熟度型,如美國Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣藏;②低熱成熟度型,如Illinois盆地的New Albany頁巖氣藏;③混合巖性型,即大套頁巖與砂巖和粉砂巖夾層共同儲氣,如East Texas盆地的Bossier頁巖氣藏。

熱成因氣的形成有干酪根成氣、原油裂解成氣和瀝青裂解成氣3種途徑: 原油及瀝青二次裂解生成的天然氣量大小主要取決于烴源巖中有機質豐度、類型以及液態烴殘留量,和儲層的吸附作用。其中由烴源巖有機質熱演化直接成氣及原油裂解成氣是頁巖氣藏中天然氣的主要來源。

生物成因型頁巖氣藏又分兩類:①早成型,氣藏的平面形態為毯狀,從頁巖沉積形成初期就開始生氣,頁巖氣與伴生地層水的絕對年齡較大,可達66 Ma,如美國Williston盆地上白堊統Carlile頁巖氣藏;②晚成型,氣藏的平面形態為環狀,頁巖沉積形成與開始生氣間隔時間很長,主要表現為后期構造抬升埋藏變淺后開始生氣,頁巖氣與伴生地層水的絕對年齡接近現今,如美國Michigan盆地的Antrim頁巖氣藏。

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2、按有機質成熟度分類:

可分為高成熟度頁巖氣藏、低成熟度頁巖氣藏以及高低成熟度混合頁巖氣藏。與氣源分類相對應,低成熟度的頁巖氣藏的成因主要是生物成因,為埋藏后抬升經歷淡水淋濾而形成的第2次生氣,處在生物氣生成階段,為低成熟度的頁巖氣藏,如Antrim頁巖氣藏為低成熟度的頁巖氣藏(Ro0.4%~0.6%);由New Albany頁巖氣藏甲烷氣體的δ13C分析(淺層生物氣特征是炭同位素很輕),發現來自盆地南部深層的天然氣都是熱成因,而來自盆地北部相對淺層的天然氣為熱成因和生物成因的混合,為高、低成熟度混合的頁巖氣藏(Ro0.6%~1.3%);福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏為熱成因型,主要為熱解干氣,為高成熟度頁巖氣藏(Ro1.1%~1.4%)。此種分類并沒有明確的Ro界限劃分。 3、按有機質類型分類:

根據惠寬洋對鄂爾多斯盆地的天然氣研究,劃分為2類成因來源、6種類型:①腐殖型(陸生植物為主)成因來源的生物氣、改造型煤成氣和原生型煤成氣;②腐泥型(水生生物為主)(含混合型)成因來源的改造型熱解氣、原生型熱解氣和原生型裂解氣。 4、按埋藏深度分類

此種分類劃分標準較多,如根據美國頁巖氣開采情況分為四類:①深度段小于1000m, New Albany頁巖氣藏和Antrim頁巖氣藏大約有9000口井,深度范圍是200~610m;②深度段為1 000~1 600m, Ohio頁巖氣藏和圣胡安盆地Lewis頁巖氣藏大約有20000口井,分布深度為915~1 524m;③深度段為1600~2600m, Barnett頁巖氣藏和阿科馬盆地Fayetteville(Arkansas)和Caney(Oklahoma)頁巖氣藏分布較深,為1981~2591m;④深度段為2600~3600m,如帕落杜羅盆地Bend頁巖氣藏中氣井的深度在2515~2896m之間,阿科馬盆地Woodford頁巖氣藏氣井深度分布范圍是1729~3657m,黑勇士盆地Floyd頁巖氣藏氣井的深度為1524~3658m。

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或以某一深度為界(1000m或2000m不等)劃分為淺層、深層頁巖氣藏兩種類型:①淺層(埋深<2000m),吸附氣主導,Toc是關鍵因素(每1%TOC氣量約為7scf/t),成熟度不重要,典型如Antrim頁巖,埋藏淺,頁巖氣為生物成因,埋深和壓力條件(3000-2000ft),游離氣和溶解氣量很少,GIP主要由有機質吸附氣貢獻,所以類似于微生物成因的淺層煤層氣,Antrim頁巖氣量與TOC正相關。②深層(埋深>2000m),游離氣主導,孔隙度是關鍵因素(每1%孔隙度單位,氣量20scf/t),TOC相對次要,高成熟度十分重要(油要裂解生氣),更高的壓力和孔隙度是關鍵。目前在美國開發的頁巖氣盆地主要是第二類頁巖氣。實際地質條件下大多數是上述兩種類型的過渡。

5、按壓力特征分類:

頁巖氣藏可分為異常高壓和異常低壓兩類。由于頁巖氣藏作為一個完全封閉的體系而存在,導致頁巖氣藏大多具有異常壓力。熱成因氣是在足夠的埋深下,在溫度和壓力的共同作用下生成,具有熱成因氣的頁巖氣藏通常都是經歷過足夠的埋藏作用,壓實作用,上覆地層壓力的作用,流體熱增壓及有機質向烴類轉化過程中由于體積的膨大等引起了高異常地層壓力,如Barnett頁巖;而生物成因氣埋藏深度比較淺,易形成異常低壓,如Antrim頁巖。

6、按盆地類型分類:

頁巖氣藏可分為前陸盆地和克拉通盆地兩種類型。分布于前陸盆地的頁巖氣藏發育2套或多套頁巖層,埋藏較深,壓力和成熟度較高,天然氣為熱成因,具有高氣體飽和度、低吸附氣含量(圣胡安盆地除外)、低孔滲、平緩的等溫吸附線和較高的開采成本等特點,足夠高的頁巖成熟度是頁巖氣藏發育的關鍵,由于前陸盆地構造運動比較強,裂縫比較發育,所以應尋找高氣體含量、易擴散及能進行壓裂的頁巖氣區;而位于克拉通盆地的頁巖氣藏則埋藏較淺,壓力和成熟度較低,天然氣為生物成因或混合成因,具有低氣體飽和度、高吸附氣含量、高孔滲、陡峭的等溫吸附線、較低的開采成本等特點,裂縫的發育程度是決定頁巖氣藏品質的重要因素。克拉通盆地的構造形態為四周高、中間低,這種形態決定了淡水由盆地邊緣向中心注入,成為克拉通盆地一種典型的頁巖氣藏模式。

7、按沉積環境條件和特點分類:

含氣頁巖可分為海相和陸相,海陸過渡相3種類型: ①海相黑色頁巖主要形成于沉積速率較快、地質條件較為封閉、有機質供給豐富的臺地或陸棚環境中。②陸相暗色泥頁巖主要形成于湖泊沉積環境中,主要表現為與海相頁巖相似的水進體系域沉積背景。雖然平面分布受限于分隔性較強的陸相環境,但泥頁巖累計厚度大(50~2 000 m)、總有機碳含量高(局部平均值大于4%),總有機質成熟度變化大,是我國有待發現頁巖氣的又一重要領域。③海陸過渡相泥頁巖主要分布在前三角洲。海陸過渡相頁巖多為砂質頁巖和炭質頁巖。此外,也可分別把陸相和海相歸結為直接型(干酪根直接生成天然氣)和間接型(原油裂解氣)兩類頁巖氣。

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以上幾種分類雖然劃分角度不同,但以氣源成因劃分為核心,存在著緊密的因果關系,相輔相成。各個分類之間的內在聯系可大致表述為:生物成因——低成熟度——腐殖型——淺層——低壓——克拉通盆地——陸相;熱成因——高成熟度——腐泥型——深層——高壓——前陸盆地——海相。

此外,也有可能存在非原地成藏的次生頁巖氣藏,如沿跨層深大斷裂二次運移而形成的。劉樹根等在連續型頁巖氣藏的基礎上提出了介于常規油氣藏圈閉與非常規氣藏之間的過渡類型——連續型-非連續型油氣藏,針對四川地區為頁巖氣短距離運移形成的油氣藏,它是氣-水-干層共生的混相成藏系統。認為后期構造運動會進一步削減頁巖成藏潛力,使連續型頁巖氣藏向非連續型或過渡型氣藏轉變。 三、頁巖氣的賦存相態及其影響因素

頁巖中的天然氣具有多種存在方式,主要包括了2種形式:游離態(大量存在于頁巖孔隙和裂縫中)的壓縮自由氣和吸收非自由氣,后者又包括了兩種相態,即固體吸附態(大量存在于粘土礦物、有機質、干酪根顆粒及孔隙表面上)和液體溶解態(溶解于液態烴,干酪根,瀝青,孔隙水中)。其中對于吸附態與溶解態二者的分配比例尚未明確。但胡文瑄等指出,在CH4-CO2-H2O三元體系中,作為天然氣主要成分的CH4,其溶解態含量僅占總含量的0.1%,游離態與吸附態是頁巖氣的主要賦存狀態。

氣體在頁巖層中以何種相態存在,主要取決于它們在流體體系中溶解度的大小。游離氣含量受孔隙度和飽和度控制,其含量的高低與構造保存條件密切相關。泥頁巖的生供氣有效性、儲集物性、連續氣柱高度以及埋藏深度等均是影響游離相天然氣聚集的基本因素。當頁巖中較低孔隙度下飽和度較高就說明產出的氣體主要是游離氣和溶解氣,特別是生產的最初階段。游離氣相中一般甲烷含量較高,這是由于在生油窗中,源巖中剩余油將與天然氣競爭干酪根中的吸附空間位置,而較重的氣體分子(C2-C5)將優先吸附在干酪根中或溶解在石油中(但所能吸附濕氣的量并不大?)。

吸附態天然氣的賦存與游離態天然氣含量之間呈彼此消長關系(總氣量一定,連續生氣?即使游離氣散失殆盡,吸附氣也可保存下來),其中吸附狀態天然氣的含量變化于20%~85%之間。影響吸附能力的影響因素包括: 1、氣源成因的影響:

頁巖氣的組成影響其在頁巖內的吸附行為。傅國旗,張淮浩等通過實驗研究發現乙烷、丙烷等碳氫化合物對活性炭吸附存儲甲烷能力有顯著的影響,當混合氣體中含有乙烷(4. 1% )和丙烷(2% )時,甲烷的吸附能力分別下降了25%和27%。由此可見,微生物降解成因氣由于乙烷和丙烷等高碳鏈烷烴含量較少,巖石對其吸附能力較強,如Antrim生物降解成因氣,其吸附態頁巖氣占氣體總量的70% ~75%。

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2、巖石物質組成的影響:

①有機碳含量:有機質作為吸附氣的核心載體?,TOC值的高低會導致吸附氣發生數量級變化。頁巖的有機碳含量(TOC)越高,則頁巖氣的吸附能力就越大。Lu等和Hill等通過實驗研究得出有機碳含量與甲烷吸附能力之間存在良好的正相關線性關系。一方面是由于TOC值高,頁巖的生氣潛力就大,則單位體積頁巖的含氣率就高;另一方面,由于干酪根中微孔隙發育,且表面具親油性,對氣態烴有較強的吸附能力, 同時烴類氣體在無定形和無結構基質瀝青質體中的溶解作用也對增加氣體的吸附能力作出了貢獻。

②干酪根類型:不同干酪根類型的頁巖中都可以生成天然氣,干酪根的類型并不影響烴源巖層的產氣數量,它只影響天然氣吸附率和擴散率。通過對鄂爾多斯盆地延長組野外露頭樣品的實測數據分析,H/C原子比越大,吸附量越大;O/C原子比越大,吸附量越小。這充分說明有機質的類型對泥頁巖吸附能力影響比較大,偏于生油型干酪根的吸附能力要強于偏生氣型干酪根的吸附能力,即Ⅰ—Ⅱ型有機質的吸附能力要強于Ⅲ型有機質的吸附能力。頁巖有機質類型越好,甲烷的吸附量越大。

③熱成熟度:干酪根的熱成熟度影響頁巖中能夠被吸附在有機物質表面的天然氣數量。。此外,隨著演化程度的增高,由于烴類氣體生成引起的地層壓力增大也可以提高頁巖對氣體的吸附性能。但是王社教等也注意到在四川盆地長芯1井志留系吸附能力較低,認為可能是由于其頁巖已進入過成熟階段(成熟度Ro達到了3.26%)。同樣,美國5大頁巖氣盆地中Lewis頁巖的成熟度最高,為1.6%~1.88%,其頁巖的吸附能力則最小。

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