Question

页岩气储层及储集

Answer 1

一般来说，页岩气的商业性开采取决于若干条件的同时并存。源岩必须具有足够的厚度，并且有适当的有机质类型、数量和热成熟度。此外，页岩气储层必须符合一定的储集物性，并有足够的孔隙度和渗透率。这些有利于气体开采的特征不一定要恰好出现在同一层或同一地层单元内。更多的情况是，它们往往分布于相邻地层的组合中，其中不同的地层组分显示出所期望的一种或多种特征。例如，在一些地区，气体显然是从富含有机质的黑色页岩源岩经过相对较短的距离运移至孔隙度稍好的岩层中，这些岩层通常由颜色较浅的灰色或浅绿—灰色粉砂质或砂质页岩、粉砂岩和砂岩构成(Broadhead et al.，1982)。

(一)含气页岩的孔隙度及渗透率

与常规天然气不同，对于页岩气来说，页岩既是烃源岩又是储集层。另外，泥页岩储层的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同，天然气在其中的赋存方式也有所不同，因此，并非所有的页岩都有利于页岩气的储集。在常规储层分析中，孔隙度和渗透率是储层特征研究中最重要的两个参数，这对于页岩气藏同样适用。储集页岩气的泥页岩，其总孔隙度一般小于10%，适于含气的有效孔隙度一般不及总孔隙度的一半，渗透率则随裂缝的发育程度不同而有较大变化，美国五大页岩气储层渗透率一般均小于0.1×10^－3μm²，所以页岩气的大规模发育需要相当的储集空间(表6－6)。

表6－6美国含气页岩主要储集特征表

泥页岩类基质孔隙极不发育，多为微毛细管孔隙，渗透率也远小于致密砂岩，属于渗透率极低的沉积岩。但沉积环境、成岩作用、有机质演化、构造应力、水动力条件和围岩特征等诸多因素的综合效应，能够使有机质丰富的泥页岩形成一定规模、渗透性较好的封闭体系，即裂缝性泥页岩油气藏。这是分布广泛的北美泥盆系页岩只在部分区域具有商业开发价值的主要原因之一，也是油气公司确定页岩气经济、技术可采段的主要依据之一。

页岩中可能含有大量的孔隙并且在这些孔隙中含有大量的油和游离态的天然气，孔隙度大小直接控制着游离态天然气的含量。一些地质学家认为纽瓦克东场大约一半的天然气储存在基质孔隙中(Bowker，2003)。在阿巴拉契亚(Appalachia)盆地俄亥俄(Ohio)页岩和密执安(Michigan)盆地安特里姆郡(Antrim)页岩中，局部孔隙度可高达15%，游离气体积占孔隙总体积的50%。渗透率是判断页岩气藏是否具有开发经济价值的重要参数。页岩的基质渗透率非常低，一般小于0.11×10^－3μm²，平均孔喉半径不到0.1005μm，但随裂缝的发育而大幅度提高。

很少有实验室能够把不可渗透岩石的孔隙度精确地测算出来，页岩含水饱和度的测定则更难。当然，只有孔隙度和含水饱和度都知道的情况下才有助于新区的勘探。巴涅特(Barnett)页岩富含有机质部分评价孔隙度大约是5.5%，含水饱和度大约是25%(Bowk-er，2007)。

组成页岩的粘土矿物颗粒和不断的沉积结果导致地层有限的横向渗透性和极为有限的垂直渗透性。典型的非裂缝性页岩的基质渗透率是0.01×10^－3～0.00001×10^－3μm²。极低渗透率的结果是，除非经历极长的地质时间(几百万年)，否则气体在页岩中不能自由地移动，而被封堵在地层中。储层“总”渗透率与储层中天然裂缝系统的发育程度相一致，这通常通过测井和生产数据分析来确定。由于页岩具有低的渗透率，因此就需要产生大量的裂缝(人工压裂)来维持商业生产。

(二)页岩气的储集

页岩气主体以游离、吸附或者溶解方式存在，成藏过程中没有或仅有极短距离的运移。热裂解气和生物成因气主要以吸附气的储集方式存在，游离气一般储集在裂缝或粒间孔中，还有些气体存在于干酪根和沥青中(Martini et al.，1998)。

页岩气成藏的主要动力源自分子间作用力、生气膨胀和毛细管力等，在吸附平衡和游离平衡机理的约束下，产出的天然气经过初次运移吸附在富含有机质的表面和聚集在岩石颗粒孔隙和裂缝中。已有的研究成果表明，天然气在泥页岩中的赋存有三种基本方式:①以物理或化学的形式吸附在干酪根和粘土颗粒表面上;②以游离气的形式存在于有机质分解或其他成岩、构造作用所形成的孔隙或裂缝中;③少量页岩气甚至可以在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。

页岩生成的天然气首先被页岩中富含有机质的颗粒所吸附，形成吸附态的页岩气藏;随着天然气生气过程的继续，天然气开始以游离态聚集于页岩原生孔隙;当原生孔隙不足以容纳游离态天然气的聚集需求时，页岩中产生微裂缝并成为天然气新的聚集空间，游离态天然气聚集过程继续;当天然气生成量超过页岩所能提供的最大可容空间时，天然气进入与页岩相邻的储层，页岩气成藏阶段结束。

1.吸附气

页岩在地层组成上，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。在页岩中，页岩气(ab-sorbed－stategas)吸附状态主要以物理吸附方式存在，有机质富集程度、干酪根类型、热成熟度、矿物成分含量和地层压力都对页岩的吸附能力有影响。吸附状态天然气的赋存与有机质含量密切有关，它与游离状态天然气含量之间呈此消彼长关系，其中吸附状态天然气的含量变化于20%～85%之间。因此从赋存状态观察，页岩气介于煤层吸附气(吸附气含量在85%以上)和常规圈闭气(吸附气含量通常忽略为零)之间。页岩气成藏体现出了非常复杂的多机理递变特点，除天然气在孔隙水、干酪根以及液态烃类中的溶解作用机理以外，天然气从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚，再到生烃高峰时期的置换式运聚，体现出了页岩气自身所构成的完整性天然气成藏机理序列。

在天然气的最初生成阶段，主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要，当吸附气含量与溶解的逃逸气含量达到饱和时，天然气则以游离相或溶解相进行运移，条件适宜时可为水溶气藏的形成提供丰富气源。此时所形成的页岩气藏分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式，总体含气量有限。

有机碳含量是页岩气聚集成藏最重要的控制因素之一，不仅控制着页岩的物理化学性质(包括颜色、密度、抗风化能力、放射性和硫含量)，也在一定程度上控制着页岩裂缝的发育程度，更重要的是控制着页岩的含气量。同时，页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源，也可以“范德华力”将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系。在相同压力下，总有机碳含量较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳含量较低的页岩吸附的甲烷明显要高。在对安特里姆郡(Antrim)页岩总有机碳含量与含气量关系的研究中发现，二者呈密切的正相关关系，说明总有机碳含量对页岩气含气量有重要的影响作用。

例如，福特沃斯(Fort Worth)盆地巴涅特(Barnett)页岩有机碳含量0.5%～6%，平均值为4.5%(Bowker，2003)，吸附气的含量与有机碳含量成正比(Mavor，2003)。高有机碳含量页岩段往往存在高的天然气储量，并且通常需要基质具有高孔隙度及很低的粘土含量(Bowker，2007)。有机质的存在导致碳氢化合物以吸附气的形式存在于孔隙性有机物的表面。同时，干酪根也为页岩基质创造了混合润湿性环境，使干酪根附近的页岩呈现油湿特征，而远离干酪根的区域则呈现水湿特征(图6－8)。

图6－8页岩中干酪根的扫描电子显微镜照片 (据TerraTek公司，2006)

2.游离气

游离气(freegas)是天然气在页岩气藏中存在的主要方式之一，以游离态存在的天然气主要受岩层的孔隙度、构造裂缝和压力等因素控制。在热裂解气大量生成过程中，由于天然气的生成作用主要来自于热化学能的转化，它将较高密度的有机母质转换成较低密度的天然气。在相对密闭的系统中，物质密度的变小导致了体积的膨胀和压力的提高，天然气的大量生成作用使原有的地层压力不断增高，从而产生原始的高异常地层压力，即“高压锅”原理。由于压力的升高作用，页岩内部沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生裂缝，天然气聚集其中则易于形成以游离相为主的工业性页岩气藏，此时页岩气藏的形成在主体上表现为由生气膨胀力所导致的页岩气成藏过程，天然气原地或就近分布，构成了挤压孔隙式的运聚成藏特征。在该阶段，游离相的天然气以裂隙聚集为主，页岩地层的平均含气量达到较高水平。

在母质类型确定的情况下，游离相天然气排出量的大小主要取决于岩石的母质丰度、转化程度和岩石的残留烃能力。母质丰度高、转化程度亦较高的源岩天然气生成量大，如果岩石残留烃能力小，则有大量游离相天然气排出。游离相天然气在浮力作用下运移，遇到的阻力主要有毛细管力和反向的水动力。毛细管力的大小主要受气水界面张力、润湿角大小和孔喉半径的控制。润湿角越小，气水界面张力越大;孔喉半径越小，气相运移的阻力越大。

天然气在储层中运移除受到来自最小孔喉半径的阻力作用外，还受到来自最大孔喉半径的动力作用。从剖面上看，一般埋深在1500m以下的地层有利于游离相天然气的运聚成藏;埋深太浅时尚未大量生气，源岩以压实排水为主，生成的气大都溶解于水和油中或被吸附，很难呈游离相形式排出和存在。

3.溶解气

研究表明，少量页岩气甚至可以在水、干酪根和沥青质中以溶解状态存在，将其称为溶解气(solutegas)。众所周知，自然界中几乎所有的气体均能不同程度地溶解于水中。气体的溶解度，是指在一定的温度、压力和矿化度条件下，单位体积水溶液中所能溶解的最大气体量。它主要取决于地下水的温度、压力、矿化度及气体组分等。在压力不大(约<5MPa)时，水溶解气量与压力成正比，而在压力较高时，水溶解气量则随压力的增加而不呈比例地增大。在温度不高(<80～90℃)时，气的溶解度与温度成正比，而在温度较高(>90℃)时，则成反比。此外，几乎所有气体的溶解度都随矿化度的增加而降低。

目前，研究人员已经普遍承认水溶相是烃类天然气运移的重要相态。就页岩气而言，沉积盆地的有机质在生物改造和热化学动力学作用下生成的天然气，其中一部分会溶解在地层水中，随着地层水滞留在原地，或由于页岩孔渗性、构造作用的影响随地层水流动而发生短距离运移，成为溶解气。在气源充足和地层水总量变化较小的情况下，天然气会饱和地层水，在地层水中保持溶解与扩散的动平衡。这种动平衡会随着地层水状态的变化而发生变化，如地层水压力增大会使溶解度增大，会有更多的游离气溶解在地层水中从而达到饱和;但是当某种条件变化使得天然气的溶解度降低时，则过饱和的气会从水中扩散出来变成游离气，从而减少水中的溶解气量。水溶气的相态就是在这种溶解和扩散的动平衡下不断地在水溶相和游离相之间发生转化。

(三)异常压力

由于页岩气藏作为一个完全封闭的体系而存在，导致页岩气藏大多具有异常压力。从成岩演化上看，热裂解生气阶段形成的页岩气藏常具异常高压，而生物化学生气成藏方式常导致气藏具异常低压。因此，异常压力的存在可以作为页岩气藏的一个识别标志。

一般情况下，随压力的增大，无论以何种赋存方式存在的气体，含量都呈增大趋势，但压力增大到一定程度以后，含气量增加缓慢，因为孔隙和矿物(有机质)表面是一定的，前者控制游离状态气体含量，后者控制吸附状态气体含量。当压力较低时，吸附状态气体含量相对较高，如圣胡安盆地Lewis页岩气藏具有异常低地层压力梯度，为4.197kPa/m，吸附状态天然气含量高达88%，而福特沃斯(Fort Worth)盆地巴涅特(Barnett)页岩气藏具有微超高压力梯度的特征，为12.121kPa/m，其吸附状态气体的含量最高为60%，最低为40%。

压力对游离相天然气的封闭作用不像毛细管封闭作用存在的那么普遍，它只存在于特定的地质条件下，即欠压实具有异常孔隙流体压力的泥岩中，其封闭机理主要是由于泥岩盖层欠压实，大量的孔隙流体受上下致密层的阻止而滞留在泥岩的孔隙中，使其除承受静水压力外，还将承受部分来自上覆地层载荷重量的作用，使泥岩形成了较上下正常压实地层异常高的孔隙流体压力，正是由于这种异常孔隙流体压力的存在，阻止了游离相天然气通过泥岩渗滤运移。异常孔隙流体压力越大，其压力封闭游离天然气的能力越强，反之则越弱。因此，异常孔隙流体压力是反映泥岩压力封闭能力的最主要因素。

以巴涅特(Barnett)页岩为例，现今剩余压力梯度(约0.52psi/ft(11.76kPa/m))实际上保持了地质历史时期一个正常的压力梯度，或者说稍微超过最大热流存在时，烃类生成过程中的压力梯度。巴涅特页岩具有超低渗透率，极高的毛细管压力。福特沃斯盆地镜质组反射率曲线和盆地模拟(Pollastro et al.，2007)表明在二叠纪达到最大埋深时上古生界及中生界几千英尺的沉积地层被剥蚀。纽瓦克东场巴涅特页岩的平均深度是7500ft(2300m)，因此，巴涅特页岩平均储层压力是:

非常规油气资源

如果我们假设静水压力梯度为0.44psi/ft(9.95kPa/m)，我们可以得到剥蚀量:

非常规油气资源

巴涅特页岩是福特沃斯盆地目前发现的所有油气的烃源岩(Montgomery et al.，2005)。巴涅特页岩生成的油气必须在烃类生成之后的抬升过程中被排出，而且来自巴涅特的天然气目前正不停地运移至盆地地表。核心区域的生产井数据表明巴涅特页岩气藏亦具有异常超压(Bowker，2007)。