王亞東　潘仁芳　曾俊峰　陶小鋒　鄢 杰　陳 寬

(1. 長江大學地球科學學院， 武漢 430100； 2. 長江大學非常規(guī)油氣中心， 武漢 430100；

3. 中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院， 武漢 430074)

?

有機質(zhì)類型及演化特征對頁巖氣富集規(guī)律的影響

王亞東1潘仁芳2曾俊峰2陶小鋒2鄢 杰2陳 寬3

(1. 長江大學地球科學學院， 武漢 430100； 2. 長江大學非常規(guī)油氣中心， 武漢 430100；

3. 中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院， 武漢 430074)

摘要：頁巖氣是生成并存儲于頁巖、泥巖中的一種非常規(guī)天然油氣，具典型的源儲一體特征。頁巖氣的成藏基本沒有“運移”“聚集”過程，因此頁巖氣富集規(guī)律成為頁巖氣研究的重點和難點。結(jié)合長寧地區(qū)現(xiàn)有勘探開發(fā)資料以及近年來頁巖氣勘探開發(fā)取得的新進展，分析有機質(zhì)特征對頁巖氣富集規(guī)律的影響。頁巖氣的吸附量與泥頁巖的有機質(zhì)豐度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，有機質(zhì)豐度是生烴量和生烴強度的重要決定因素；不同的干酪根類型由于顯微組分的差異而對頁巖氣具有不同的吸附能力；高成熟度能使有機質(zhì)微孔隙增加，也能加快氣體的流動，為頁巖氣的富集提供更多有利空間。

關(guān)鍵詞：頁巖氣； 干酪根； 有機質(zhì)豐度； 鏡質(zhì)體反射率； 富集規(guī)律

隨著常規(guī)油氣藏的普查勘探與油氣資源的供不應(yīng)求，非常規(guī)油氣領(lǐng)域的突破掀起了油氣勘探的新高潮。頁巖氣作為一種新型的清潔能源，正慢慢改變著天然氣領(lǐng)域的格局，美國頁巖氣的勘探開發(fā)走在了世界的前列，而加拿大的頁巖氣勘探也正在全面進行。隨著我國重慶焦石壩地區(qū)頁巖氣產(chǎn)量的突破，四川盆地長寧、威遠地區(qū)古生代地層的成功測試，我國頁巖氣的勘探開發(fā)也邁入了新的臺階。

我國頁巖氣可采資源儲量約為26×1012m3，與美國的頁巖氣可采儲量大致相當[1]。四川盆地是我國頁巖氣重點勘探區(qū)，在威遠和長寧地區(qū)古生界海相地層中已獲得商業(yè)性氣流。因此研究有機質(zhì)特征及演化對頁巖氣富集規(guī)律的影響，對四川盆地勘探區(qū)頁巖氣資源的評價具有重要意義。

1頁巖氣藏的基本特征

頁巖氣是富集在有機質(zhì)豐富，低孔低滲的黑色泥頁巖層系中的天然氣。具有典型的源儲一體特點，基本沒經(jīng)過運移，原地成藏，成藏時間較早。作為烴源巖的泥頁巖連續(xù)生氣，連續(xù)聚集，所以其沒有明顯的氣藏邊界，并且生氣區(qū)一般范圍較廣，進入生氣窗范圍內(nèi)的所有烴源巖都可成藏，受構(gòu)造影響不大[2]。賦存方式主要以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，一般在干酪根、黏土礦物表面或者微孔隙中以吸附形式存在,而以游離態(tài)賦存于相對空間比較大的微裂縫、空隙或者其他儲存空間。

頁巖氣的儲集是在泥頁巖層系，而不僅僅局限于理論上的泥頁巖層段，其可能賦存于層系中的粉砂巖或者砂巖甚至碳酸巖夾層。頁巖氣可以來源于生物成因氣，也可以來源于熱解氣。有機質(zhì)類型和成熟度在烴源巖基礎(chǔ)上是影響頁巖氣富集的重要影響因素[3]。

2頁巖氣的生成與富集

2.1有機質(zhì)演化與頁巖氣的生成

頁巖氣的生成可以存在于整個有機質(zhì)演化過程中，圖1所示為有機質(zhì)演化模式圖。其過程大致可分為:(1)有機質(zhì)成巖作用階段,埋藏較淺，在生物降解作用下生成甲烷氣,鏡質(zhì)體反射率Ro<0.4%；(2)熱催化和熱裂解作用階段,隨著埋深的增加，壓實作用增強，干酪根熱催化生成油氣，原油熱裂解生氣,該階段的氣體主要是濕氣,C4以上烴類較多，Ro介于0.4%～2.2%，在演化初期,有機質(zhì)熱演化可以生成甲烷氣,頁巖中的甲烷聚集成藏形成頁巖氣藏；(3)深部高溫生氣階段，此時重烴大量裂解,產(chǎn)物為大量的干氣,Ro>2.2%。

巖心取樣分析化驗結(jié)果顯示：長寧地區(qū)龍馬溪組泥頁巖主要以I型干酪根為主。I型有機質(zhì)烴源巖中成為有效烴源巖的Ro值最低約為1.4,而Ⅱ型和Ⅲ型為主的烴源巖要有足夠數(shù)量的天然氣生成，必須滿足具有較高的氫指數(shù)[4-5]。

圖1　有機質(zhì)演化模式圖

2.2頁巖氣富集原理

張金川等人對頁巖氣的富集規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，提出了頁巖氣富集與成藏過程的4個階段[6-7]。第一階段，生成的天然氣大量吸附在有機質(zhì)或黏土礦物表面，該階段與煤層氣形成機理相似；第二階段為滿足吸附量之后,陸續(xù)生成的天然氣排替到基質(zhì)空隙中充填,此階段富集機理類似于孔隙型天然氣的聚集規(guī)律；第三階段是隨著大量氣體的生成,有機質(zhì)的大量熱解，泥頁巖內(nèi)部形成異常高壓，出現(xiàn)微裂縫，天然氣則以游離狀態(tài)進入頁巖裂縫，具有典型的活塞式運聚特點；第四階段天然氣以游離態(tài)和吸附態(tài)聚集成為頁巖氣藏，即頁巖氣藏的形成階段。若天然氣繼續(xù)產(chǎn)出，頁巖內(nèi)部的空間已不能滿足天然氣的聚集，天然氣則逃逸進入砂巖等常規(guī)儲層，從而形成規(guī)模較大的常規(guī)氣藏(圖2)。

圖2　頁巖氣富集成藏過程示意圖

3頁巖氣富集規(guī)律影響因素分析

在影響頁巖氣富集成藏的眾多因素中，地質(zhì)因素作為其主控因素，決定著頁巖氣藏是否具有開采價值。有機質(zhì)特征(有機質(zhì)類型、總有機碳TOC、成熟度)、微孔隙結(jié)構(gòu)、黏土礦物組成以及厚度等對頁巖氣的富集有很重要的意義。本次著重研究有機質(zhì)特征對頁巖氣富集規(guī)律的影響。

3.1有機質(zhì)類型

不同干酪根類型其顯微組分含量和化學組成結(jié)構(gòu)特征導致了不同演化階段其演化產(chǎn)物的不同。趙文智等人通過實驗揭示了不同的干酪根類型，其生氣高峰期具有不同的指標。就Ro值而言，Ⅰ型干酪根主要以生油為主，在演化階段生氣范圍比較狹窄，Ro值集中在1.2%～2.3%；而混合型有機質(zhì)Ⅱ型干酪根主要生氣期的Ro值介于0.9%～2.4% ；Ⅲ型干酪根主要生成天然氣，其生氣范圍比較廣，Ro值介于0.7%～2.0%[8]。

在生氣率方面，Ⅲ型干酪根的生氣率遠大于Ⅰ型干酪根，而偏腐泥混合型和偏腐殖混合型干酪根生氣率分別是腐殖型干酪根的2～4倍[9]。同時在相同的地質(zhì)背景下，類型不同的干酪根將影響天然氣吸附率和擴散率，影響頁巖氣的富集規(guī)律。Ⅰ型干酪根H、C原子數(shù)之比越大,吸附量愈大；Ⅲ型干酪根O、C原子數(shù)之比愈大,吸附量愈小。不同有機質(zhì)條件下頁巖氣等溫吸附曲線存在明顯差異[10]。這說明良好的有機質(zhì)類型是頁巖氣生成與富集的重要條件之一。

3.2有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是生烴量和生烴強度的重要決定因素，早在2006年Boyer等人對美國Barnett地區(qū)過成熟海相頁巖樣品進行等溫吸附實驗，得出：有機質(zhì)豐度高,吸附氣量就相對豐富,產(chǎn)量相對較高。之后Gareth等人對加拿大哥倫比亞省下白堊統(tǒng)Bucking Horse組頁巖樣品進行實驗，驗證了頁巖有機碳含量與甲烷的吸附量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論[10]。因此高TOC值是頁巖氣富集高產(chǎn)的必要因素。

在類似地質(zhì)條件與地球動力學背景下，通過巖石力學數(shù)據(jù)表征，TOC含量在頁巖裂縫發(fā)育中有重要的意義。TOC越高的頁巖脆性越強，抗張強度越低，容易在外力作用下產(chǎn)生微裂縫，為頁巖氣的滲流及成藏提供有利條件[11]。Jarvie認為,TOC含量為7.0%，有機質(zhì)體積占14%的頁巖，在熱裂解過程中損失35%的有機質(zhì)碳，能凈增4.9%的有效孔隙度[12]。有機質(zhì)的有效孔隙度為頁巖氣典型的吸附富集空間。

對于頁巖氣富集與成藏的有機碳下限值，一直都是研究的重點，結(jié)合具體地質(zhì)區(qū)塊學者們都開展了大量的研究。Bowker結(jié)合美國已勘探或投產(chǎn)的盆地指出具有勘探開發(fā)價值的有機碳下限值最低應(yīng)為2.6%[13]；Schmoker認為美國頁巖氣商業(yè)開采的有機碳的下限值大約為2%[14]；針對四川盆地，許多專家學者認為其下限值為3%，但隨著開采技術(shù)的進步，其下限值可能會降到0.5%,甚至更低。

3.3有機質(zhì)成熟度對富集規(guī)律的影響

美國頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀表明，頁巖未成熟或成熟的盆地中均有具有商業(yè)價值的頁巖氣顯示。Michigan盆地的Antrim頁巖有效產(chǎn)層段的Ro只有0.5%左右,埋藏較淺，為典型的生物成因頁巖氣藏；而圣胡安的Lewis頁巖氣藏為典型的熱成因頁巖氣藏，其Ro介于1.2%～2.1%；Barnett頁巖氣藏的產(chǎn)氣區(qū)烴源巖Ro平均為1.8%，東部為2.2%，西部為1.3%[15]。可見頁巖成熟度并不是制約頁巖氣成藏的主控因素，但是其對頁巖氣的富集卻有很大的影響。

已有成果表明，在溫度一定的條件下，天然氣的吸附量與壓力呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著演化程度的增高，有機質(zhì)大量生烴。異常高壓的形成將極大地提高天然氣在泥頁巖內(nèi)部的吸附能力，同時烴源巖內(nèi)部由于異常高壓誘導的微裂縫，也為頁巖氣的賦存提供了有利的存儲空間，而有機質(zhì)的演化也會使有機質(zhì)內(nèi)部的微孔隙大量增加。有機質(zhì)的納米、微米有機孔是頁巖氣吸附的主要場所。熱成熟度影響頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，從而影響頁巖的吸附解吸能力。

長寧探區(qū)的化驗結(jié)果表明(圖3)：隨著演化程度的增大，輕烴組分增多，烴類體積變大，排烴壓力隨之升高，氣體的流動速度相對加快，因此導致了氣體在高成熟度頁巖氣藏中流動較快[10]。產(chǎn)氣速度的增加，加快了頁巖氣的富集。

圖3　頁巖成熟度和產(chǎn)氣速度的關(guān)系

4結(jié)語

(1)頁巖氣存在于致密泥頁巖層系中，具有典型的源儲一體特征，其主要賦存方式有游離態(tài)和吸附態(tài)。不同地質(zhì)背景下，賦存方式不同。氣藏范圍一般較大，沒有明顯的邊界。

(2)頁巖氣可以在有機質(zhì)的整個演化過程中生成，完整的富集過程可以分為頁巖氣吸附、孔隙充注、天然裂縫的游離充注以及富集成藏等4個階段。

(3)頁巖氣成藏與富集是多種因素的綜合結(jié)果，包括地質(zhì)因素和非地質(zhì)因素。頁巖的有機質(zhì)特征，包括有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)成熟度，是影響頁巖氣富集規(guī)律的最為重要的因素之一。

參考文獻

[1] 張鴻翔.頁巖氣全球油氣資源開發(fā)的新亮點：我國頁巖氣開發(fā)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題[J].中國科學院院刊,2010,25(4):406-410.

[2] 陳更生.頁巖氣藏形成機理與富集規(guī)律初探[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):17-21.

[3] 閆建萍,張同偉,李艷芳,等.頁巖有機質(zhì)特征對甲烷吸附的影響[J].煤炭學報,2013,38(5):805-810.

[4] 蒲泊伶,董大忠,耳闖，等.川南地區(qū)龍馬溪組頁巖有利儲層發(fā)育特征及其影響因素[J].天然氣工業(yè)，2013,33(12)：41-47.

[5] 黃金亮,鄒才能,李建忠,等.川南志留系龍馬溪組頁巖氣形成條件與有利區(qū)分析[J].煤炭學報,2012,37(5):782-788.

[6] 張金川,金之鈞,袁明生.頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):15-18.

[7] 張金川,薛會,張德明,等.頁巖氣及其成藏機理[J].現(xiàn)代地質(zhì),2003,17(4):466.

[8] 趙文智,鄒才能,宋巖,等.石油地質(zhì)理論與方法進展[M].北京:石油工業(yè)出版社,1996：132-134.

[9] 林臘梅,張金川,唐玄,等.中國陸相頁巖氣的形成條件[J].天然氣工業(yè),2013,33(1):35-40.

[10] GARETH R,CHALAMSRS R, BUSTIN M. Lower Cretaceous Gas Shale of Northeastern British Columbia:GeologicalControls on Gas Capacity and Regional Evaluation of a Potential Resource[C]AAPG Annual Convention. Texas:AAPG, 2008:24-35.

[11] 潘仁芳,伍媛,宋爭.頁巖氣勘探的地球化學指標及測井分析方法初探[J].中國石油勘探,2009(3):6-9.

[12] JARVIE D M. Unconventional Shale Resource Plays:ShaleGas and Shale Oil Opportunities[C]Fort Worth Buiness Press Meeting.Texas:FortWorthness Press,2008:7-17.

[13] BOWKER K A.Barnett Shale Gas Production,Fort Worth Basin:Issues and Discussion[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):523-533.

[14] SCHMOKER J W.Determination of Organic-matter Content of Appalachian Devonian Shales from Gamma-ray Logs[J].AAPG Bulletin,1981,65(7):1285-1298.

[15] MARTINEAU D F.History of the New York East Field and the Barnett Shale as a Gas Reservoir [J ]. AAPG Bulletin,2007,91(4):399-403.

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

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1980(2016)01-0017-04

中圖分類號：P618

作者簡介：王亞東(1990 — )，男，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，研究方向為非常規(guī)油氣資源。

基金項目：國家自然科學基金項目“頁巖油、氣甜點構(gòu)成要素比較研究”(41472123)

收稿日期：2015-04-01