李卓文 潘仁芳 邵 艷 楊寶剛

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100)

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頁巖油氣儲(chǔ)集空間差異及賦存方式比較研究

李卓文 潘仁芳 邵 艷 楊寶剛

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100)

同為非常規(guī)資源的頁巖油、氣在儲(chǔ)集空間和賦存方式上具有較大的差別。由于頁巖氣有機(jī)質(zhì)的演化程度較高，成巖作用較強(qiáng)烈，原生孔隙和次生孔隙保存較少，儲(chǔ)集空間以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，裂縫的主要作用是增加滲流能力和提高解析速度，較大的比表面積決定了頁巖氣的賦存方式以吸附狀態(tài)為主；對(duì)頁巖油而言，由于分子量較大，黏度較高，有機(jī)孔發(fā)育較頁巖氣低，呈吸附狀態(tài)下的原油難以像頁巖氣一樣解析流動(dòng)，其有效儲(chǔ)集空間主要來自于無機(jī)孔隙(裂縫)，賦存方式也主要為游離態(tài)。

頁巖油； 頁巖氣； 儲(chǔ)集空間； 賦存方式

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界對(duì)能源的需求量也在不斷上升，然而世界常規(guī)油氣資源日益枯竭，開發(fā)成本不斷上漲，油氣的供需矛盾也日益凸顯。隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，非常規(guī)油氣資源逐步進(jìn)入人們的視野。特別是美國在頁巖氣方面率先實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?、商業(yè)化的開采，頁巖氣產(chǎn)量迅速增加，2010年年產(chǎn)量已達(dá)到1 378×108m3。于是眾多石油公司開始把目光投向另外一種更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的非常規(guī)資源 —— 頁巖油。

相較頁巖氣，頁巖油的潛力也非常巨大，但其研究卻相對(duì)滯后。本次研究通過對(duì)頁巖油、氣的對(duì)比分析，弄清頁巖油、氣在儲(chǔ)集空間和賦存方式上的差異性，對(duì)頁巖油的勘探開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 頁巖氣儲(chǔ)集空間及其賦存方式

1.1 頁巖氣的定義

頁巖氣是指主體位于富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖或高碳泥頁巖層系中，以吸附、游離及溶解狀態(tài)為主要存在方式的“持續(xù)式”天然氣聚集，具有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等地質(zhì)特點(diǎn)[1-4]。作為頁巖氣儲(chǔ)層的泥頁巖層系不僅包括泥頁巖本身，還包括呈夾層狀分布于其間的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖等地層單元[2]，具有典型的低孔低滲特征，其大規(guī)模開采必須通過水力壓裂以形成網(wǎng)絡(luò)狀裂縫系統(tǒng)。

1.2 頁巖氣儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型及特征

與常規(guī)儲(chǔ)層相似，頁巖氣的儲(chǔ)集空間也可以分為基質(zhì)孔隙和裂縫2部分。但頁巖氣儲(chǔ)層有其特殊性：礦物顆粒細(xì)小(屬于泥質(zhì)結(jié)構(gòu))，富含有機(jī)質(zhì)和黏土礦物，孔隙度和滲透率極低，非均質(zhì)性強(qiáng)烈，成巖作用和構(gòu)造改造復(fù)雜，孔喉結(jié)構(gòu)極其細(xì)小，呈吸附狀態(tài)的天然氣比例高等。

1.2.1 基質(zhì)孔隙類型及演化

頁巖氣儲(chǔ)層為特低孔低滲儲(chǔ)集層，其基質(zhì)孔隙以多種類型的納米 — 微米級(jí)孔隙為主，包括原生孔隙、次生孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙等3種類型，孔隙類型又以有機(jī)質(zhì)孔隙為主。儲(chǔ)層在成巖演化的不同階段所對(duì)應(yīng)的主要儲(chǔ)集空間又有所不同。根據(jù)中國石油天然氣總公司對(duì)成巖作用階段劃分及主要標(biāo)志的初步方案，并參考孫風(fēng)華等人[6]對(duì)成巖作用階段的修改，得出泥頁巖成巖作用階段及孔隙演化模式(表1)。

早成巖A期，古地溫小于65 ℃，鏡質(zhì)體反射率Ro<0.35%，伊蒙混層中蒙脫石含量在70%以上，以生物成因氣為主。此階段的成巖作用以機(jī)械壓實(shí)為主，泥頁巖孔隙度隨深度的增加明顯減小，孔隙空間為原生孔隙。

早成巖B期，隨著上覆地層厚度的增加，地層壓力增大，孔隙度減小的趨勢(shì)比早成巖A期快，此階段的成巖作用以機(jī)械壓實(shí)為主，同時(shí)伴隨有緩慢的黏土礦物轉(zhuǎn)化和程度較輕的膠結(jié)作用，有機(jī)質(zhì)未成熟，孔隙以原生孔隙為主，次生孔隙少量發(fā)育。

晚成巖階段A期是蒙脫石向伊利石迅速轉(zhuǎn)化的時(shí)期，Ro介于0.5%～1.3%，處于“生油窗”時(shí)期，油氣大量生成。有機(jī)質(zhì)大量轉(zhuǎn)化的同時(shí)釋放出大量的有機(jī)酸和二氧化碳等酸性氣體，使前期黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中形成膠結(jié)物(以碳酸鹽礦物為主)，泥頁巖地層中的碳酸鹽礦物及部分長石礦物發(fā)生溶蝕，形成次生孔隙。同時(shí)伴隨著有機(jī)質(zhì)向油氣的迅速轉(zhuǎn)化，有機(jī)質(zhì)孔隙開始大量生成。據(jù)Jarvie等人的研究，有機(jī)質(zhì)含量為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機(jī)碳可使頁巖孔隙度增加4.9%[7]。此階段早、中期(A1期和A2早期)發(fā)生的成巖作用主要是壓實(shí)作用和溶蝕作用，晚期(A2晚期)埋深在3 000 m左右，以膠結(jié)作用為主，可稱為膠結(jié)帶。原生孔隙和次生孔隙并存，有機(jī)質(zhì)孔隙開始大量生成是此階段的典型特征。

晚成巖B期，Ro為1.3%～2.0%，處于高成熟階段，以生成凝析油和濕氣為主，蒙脫石繼續(xù)向伊利石緩慢轉(zhuǎn)化，此期發(fā)生的成巖作用主要是膠結(jié)作用和溶蝕作用，原生孔隙和次生孔隙進(jìn)一步減少，有機(jī)質(zhì)孔隙開始占主導(dǎo)地位，裂縫開始出現(xiàn)。

表1 成巖階段劃分方案及其標(biāo)志

晚成巖C期，Ro為2.0%～4.5%，處于過成熟階段，已經(jīng)形成的液態(tài)烴和重質(zhì)氣態(tài)烴強(qiáng)烈裂解，變成熱力學(xué)上最穩(wěn)定的甲烷CH4。伊蒙混層消失，儲(chǔ)集空間以裂縫和有機(jī)質(zhì)孔隙為主。

1.2.2 裂縫類型及演化

泥頁巖儲(chǔ)層中的裂縫不僅是非常重要的儲(chǔ)集空間，而且也是天然氣滲流的重要通道。裂縫的存在不僅增大了游離狀態(tài)天然氣體積，也有助于呈吸附狀態(tài)天然氣的解析。此外頁巖地層中呈分散狀態(tài)分布的有機(jī)質(zhì)在演化過程中所形成的有機(jī)孔隙(包括殘余原生孔隙和次生孔隙)間的連通性較差，裂縫的存在有利于有機(jī)孔隙的大面積連片，形成“網(wǎng)絡(luò)狀”孔隙系統(tǒng)。裂縫的存在可以極大地提高頁巖儲(chǔ)層的滲流能力，其發(fā)育程度是決定頁巖氣藏品質(zhì)的重要因素[10]。

頁巖氣儲(chǔ)層中主要存在5種裂縫類型，即構(gòu)造縫、層間頁理縫、層面滑移裂縫、成巖收縮裂縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫，其中最主要的是構(gòu)造縫和熱生烴成因裂縫[11]?？刂屏芽p發(fā)育的地質(zhì)因素較多，主要包括沉積、成巖和構(gòu)造作用。沉積作用主要體現(xiàn)在對(duì)泥頁巖地層礦物組成的控制上，硅質(zhì)、碳酸鹽等脆性礦物含量越高，泥頁巖地層脆性越大，后期的改造過程中越易產(chǎn)生裂縫。成巖作用越強(qiáng)，地層越致密，相應(yīng)的脆性程度也越高，此外在成巖過程中呈片狀分布的黏土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化，體積縮小形成微裂縫。構(gòu)造作用是裂縫大規(guī)模發(fā)育的觸發(fā)因素，是頁巖油氣“甜點(diǎn)”形成的關(guān)鍵。因此控制裂縫發(fā)育的各因素中，沉積是首要條件，成巖是補(bǔ)充條件，構(gòu)造是觸發(fā)條件。

1.3 頁巖氣的賦存方式

泥頁巖地層中，天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣，其細(xì)粒的成分和結(jié)構(gòu)決定了頁巖氣的賦存狀態(tài)與頁巖的顯微結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系[10]。頁巖地層中天然氣主要以3種方式存在：吸附、游離和少量的溶解狀態(tài)。不同的演化階段各賦存狀態(tài)所占比重不同，演化初始階段所產(chǎn)生的天然氣優(yōu)先滿足于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物顆粒表面的吸附，此時(shí)形成的頁巖氣主要以吸附狀態(tài)賦存于頁巖內(nèi)部，隨著演化程度不斷提高，天然氣的生成量也不斷增多，當(dāng)天然氣的生成量大于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面的吸附量時(shí)，多余的天然氣進(jìn)入基質(zhì)孔隙中，以游離態(tài)形式存在。當(dāng)頁巖地層中有少量地層水或液態(tài)烴時(shí)天然氣就會(huì)以溶解態(tài)的形式存在。

2 頁巖油儲(chǔ)集空間及其賦存方式

2.1 頁巖油的定義

頁巖油是指賦存在富有機(jī)質(zhì)泥頁巖地層的納米級(jí)孔喉 — 裂縫系統(tǒng)中，以游離(含凝析態(tài))、吸附及溶解(溶解于天然氣、干酪根和殘余水等)態(tài)等多種形式存在，僅經(jīng)過初步運(yùn)移而未經(jīng)過或只經(jīng)過極短暫的二次運(yùn)移的油氣聚集[12-15]。其形成和分布受有機(jī)質(zhì)演化程度的控制，油質(zhì)一般較輕，黏度較低，凝析油或輕質(zhì)油可能是實(shí)現(xiàn)工業(yè)開采的主要類型[16-17]。

2.2 頁巖油的儲(chǔ)集空間

頁巖油的儲(chǔ)集空間可分為有機(jī)納米級(jí)孔隙和無機(jī)孔隙(裂縫)等2類。與頁巖氣相似，在泥頁巖儲(chǔ)層演化的不同階段各孔隙空間所占的比重不同，但由于頁巖油的分子量較頁巖氣大，有機(jī)質(zhì)的演化程度較頁巖氣氣源巖低，因此有機(jī)納米級(jí)孔隙對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的貢獻(xiàn)較小，這點(diǎn)在李吉君等人[18]對(duì)泌陽凹陷的研究中得到證實(shí)。有機(jī)質(zhì)的熱演化與無機(jī)礦物的成巖作用在時(shí)空上同步[19]，較低的演化程度(Ro<2.0%)對(duì)泥頁巖原生孔隙的保存較為有利，沉積成巖過程中所形成的微裂縫(層理縫，成巖收縮縫和有機(jī)質(zhì)演化的異常壓力縫)也較少受到后期演化(成巖作用)的影響。因此對(duì)頁巖油而言，有效儲(chǔ)集空間主要來自于無機(jī)孔隙(裂縫)。

2.3 頁巖油的賦存方式

與頁巖氣相似，頁巖油在頁巖地層中的賦存狀態(tài)也包括游離、吸附以及溶解(高成熟狀態(tài)下溶解于天然氣中)狀態(tài)，但與頁巖氣又有所差別。與頁巖氣相比，頁巖油的分子量更大，吸附能力更強(qiáng)，滲流能力更差，其吸附部分在目前的技術(shù)條件下很難被開采出來。呈溶解狀態(tài)的凝析油其分子量相對(duì)較小，滲透能力相對(duì)較高，當(dāng)有機(jī)質(zhì)演化程度較高時(shí)，其可能是頁巖地層中頁巖油的主要產(chǎn)出形式。

3 頁巖油、氣儲(chǔ)集空間及其賦存方式比較

綜上所述，對(duì)頁巖油、氣而言，其儲(chǔ)集空間主要為基質(zhì)孔隙和裂縫，其中基質(zhì)孔隙又可分為有機(jī)質(zhì)孔隙、原生粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙以及次生的溶蝕孔等；裂縫又可分為構(gòu)造縫(張裂縫和剪裂縫)、層間頁理縫、層面滑移裂縫、成巖收縮裂縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫等5種類型[11]。由于頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)演化程度較高，儲(chǔ)層成巖作用較強(qiáng)，其原生孔隙和次生孔隙的發(fā)育受到限制，因此主要以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，裂縫更多的是起到補(bǔ)充和提高滲流能力的作用；而頁巖油由于分子量較大，有機(jī)質(zhì)演化程度較低，其原生孔隙和次生孔隙受成巖作用的影響較小，有機(jī)質(zhì)孔隙較為不發(fā)育，其儲(chǔ)集空間主要為無機(jī)孔隙和裂縫。

泥頁巖儲(chǔ)層中頁巖油、氣的賦存方式主要包括吸附、游離和溶解態(tài)3種。由于有機(jī)孔隙和黏土礦物顆粒的比表面積較大，對(duì)天然氣的吸附能力強(qiáng)，頁巖氣更多的是以吸附狀態(tài)存在；頁巖油由于分子量較大，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育受限，呈吸附狀態(tài)的石油在目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下難以開采，所以頁巖油主要指呈游離狀態(tài)的原油。

4 結(jié) 語

(1)明確了泥頁巖儲(chǔ)層孔隙演化與成巖作用的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及各演化階段主要的儲(chǔ)集空間類型。

(2)頁巖油、氣的儲(chǔ)集空間主要包括孔隙和裂縫，其中孔隙包括粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和有機(jī)質(zhì)孔隙，裂縫可進(jìn)一步分為5種類型。對(duì)頁巖氣而言，其主要儲(chǔ)集空間為有機(jī)質(zhì)孔隙，裂縫更多的是起到滲流的作用；對(duì)頁巖油而言，有機(jī)質(zhì)孔隙較為不發(fā)育，其儲(chǔ)集空間主要為無機(jī)孔隙(裂縫)。

(3)頁巖油、氣的賦存方式主要包括吸附、游離和溶解態(tài)，其中頁巖氣以吸附態(tài)為主，頁巖油以游離態(tài)為主。

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Comparative Study on Reservoir Spaces and Occurrence Ways of Shale Gas and Oil

LIZhuowenPANRenfangSHAOYanYANGBaogang

(School of Geoscience, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

Both shale gas and shale oil are unconventional resources, but their reservoir spaces and occurrence ways are very different. For shale gas, due to the high degree of organic matter evolution and relatively strong diagenesis, primary pores and secondary pores are difficult to save. So organic pores become the main reservoir space of shale gas. In addition, larger surface area to volume ratio of organic matter and clay minerals also means that the main occurrence way of shale gas is adsorption state. For shale oil, because of its high molecular weight and viscosity and relatively low content of organic pores, the adsorption state of oil is hard to exploit in the current economical and technical condition. So the effective reservoir space is mainly determined by the contribution of inorganic space and fractures, and the occurrence way is mainly free.

shale oil; shale gas; reservoir space; occurrence way

2015-03-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“頁巖油氣甜點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)成要素研究”(2014Z1213)

李卓文(1989 — )，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣成藏機(jī)理與儲(chǔ)層描述。

P618

A

1673-1980(2015)05-0001-04