劉人和　郭偉　劉洪林　湯小琪

摘 要：頁(yè)巖氣是一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣資源。研究表明：頁(yè)巖含氣量分布特征主要受頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層構(gòu)造形態(tài)、有機(jī)碳含量以及儲(chǔ)層物性等因素的影響。頁(yè)巖氣是吸附氣、游離氣和溶解氣三種賦存狀態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡。通過(guò)頁(yè)巖氣的勘探與開發(fā)實(shí)踐，我們獲得重要的理論認(rèn)識(shí)：頁(yè)巖含氣量與地層埋深是一種拋物線關(guān)系模型，即頁(yè)巖深度富集帶L-W模型。頁(yè)巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐表明， 向斜為頁(yè)巖氣富集的主要構(gòu)造控制因素。因此，在我國(guó)總體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈的地質(zhì)背景條件下，尋找構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較弱的部位，比如地層產(chǎn)狀比較平緩的向斜地區(qū)，確定有利勘探方向的頁(yè)巖氣目標(biāo)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣 向斜 吸附氣 游離氣 溶解氣 富集規(guī)律

中圖分類號(hào)：P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0010-05

頁(yè)巖氣是一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣資源，其富集規(guī)律除了受到沉積環(huán)境等因素影響外，還要受到含氣性、頁(yè)巖儲(chǔ)層、蓋層、控氣地質(zhì)背景等因素的影響。頁(yè)巖氣富集規(guī)律直接關(guān)系到頁(yè)巖氣的勘探與開發(fā)。理論和實(shí)踐研究表明，儲(chǔ)層埋深為頁(yè)巖氣富集的主要控制因素。中國(guó)頁(yè)巖氣資源勘探潛力大[1-5]，該文涉及到的研究區(qū)位于四川南部和云南東北部地區(qū)，對(duì)南方海相頁(yè)巖含氣量分布特征進(jìn)行了深入的剖析，同時(shí)利用等溫吸附測(cè)試結(jié)果建立了該地區(qū)的頁(yè)巖含氣量-深度關(guān)系模型，對(duì)該地區(qū)的頁(yè)巖氣含氣性進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。

1 南方海相頁(yè)巖含氣量分布特征

頁(yè)巖含氣量主要由游離氣、吸附氣和溶解氣構(gòu)成。研究表明：頁(yè)巖含氣量分布特征主要受頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層構(gòu)造形態(tài)、有機(jī)碳含量以及儲(chǔ)層物性等因素的影響。

1.1 頁(yè)巖含氣量與埋深的關(guān)系

南方海相頁(yè)巖含氣量普遍較低，統(tǒng)計(jì)分析了14口頁(yè)巖氣井含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖含氣量變化較大，總體偏低，頁(yè)巖含氣量在垂向上變化很大，高值只分布在下部富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的部分井段。頁(yè)巖氣實(shí)驗(yàn)研究表明：含氣量和埋深存在拋物線的關(guān)系，而且不同的埋深，頁(yè)巖氣的組成類型不同。埋深小于1000 m，吸附氣主導(dǎo)，埋深超過(guò)1000 m，游離氣開始迅速增加，并在3000 m以后占據(jù)主導(dǎo)地位，超過(guò)5000 m以后，大埋深、過(guò)成熟，經(jīng)歷強(qiáng)烈壓實(shí)導(dǎo)致孔隙度降低，影響含氣量，總體來(lái)看：頁(yè)巖含氣量與埋深呈拋物線的關(guān)系（圖1）。

1.2 頁(yè)巖含氣量與構(gòu)造形態(tài)關(guān)系

與北美環(huán)加拿大克拉通形成一系列沉積盆地的格局不同，中國(guó)分布著揚(yáng)子、華北和塔里木三個(gè)交互影響的板塊，相互之間的共同作用影響著中國(guó)不同時(shí)期沉積盆地及其中頁(yè)巖的沉積，后期的構(gòu)造變動(dòng)決定了頁(yè)巖現(xiàn)今的宏觀分布。南方海相頁(yè)巖形成時(shí)間早，后期構(gòu)造活動(dòng)對(duì)頁(yè)巖氣保存條件影響很大，儲(chǔ)層構(gòu)造形態(tài)對(duì)頁(yè)巖含氣量具有重要的影響。經(jīng)過(guò)近幾年的勘探開發(fā)工作，構(gòu)造形態(tài)對(duì)頁(yè)巖含氣量的影響業(yè)已形成共識(shí)。穩(wěn)定區(qū)及相對(duì)穩(wěn)定區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣保存有利，向斜區(qū)最為有利，其次為斜坡區(qū)。背斜區(qū)斷層及裂隙對(duì)頁(yè)巖氣保存不利，埋深生烴期較晚、且后期抬升到適當(dāng)位置的地區(qū)有利于頁(yè)巖氣保存和形成超壓，多期抬升和長(zhǎng)期抬升不利于頁(yè)巖氣保存。例如YQ2井井位構(gòu)造位于滇黔北坳陷威信凹陷牛街背斜帶大雪山背斜北緣；YQ3井位于滇黔北坳陷威信凹陷孔壩背斜帶東北部。YQ2和YQ3井埋深分別為12 m和34 m，頁(yè)巖含氣量分別只有0.11方/t和0.06方/t（如圖2）。

我國(guó)海相頁(yè)巖構(gòu)造改造強(qiáng)烈，頁(yè)巖儲(chǔ)層受多次改造、斷裂發(fā)育、天然裂隙發(fā)育等的影響。而頁(yè)巖脆性強(qiáng)，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)條件下容易破裂，產(chǎn)生大量裂縫，造成氣藏破壞。在我國(guó)總體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈的地質(zhì)背景條件，應(yīng)該尋找構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較弱的部位，比如寬緩的向向斜、地層產(chǎn)狀比較平緩地區(qū)。

1.3 頁(yè)巖含氣量與有機(jī)碳碳含量（TOC）的關(guān)系

頁(yè)巖有機(jī)碳控制著頁(yè)巖的物理化學(xué)性質(zhì)；一定程度上控制頁(yè)巖裂縫的發(fā)育程度；更重要的是控制著頁(yè)巖的含氣量。通過(guò)統(tǒng)計(jì)14口井頁(yè)巖氣井的有機(jī)碳含量與頁(yè)巖含氣量125個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)，而且是有機(jī)質(zhì)作為吸附氣的核心載體。頁(yè)巖對(duì)氣的吸附能力與頁(yè)巖的總有機(jī)碳豐度之間存在正相關(guān)關(guān)系（圖3）。

有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到多少才能形成商業(yè)性頁(yè)巖氣藏，這個(gè)參數(shù)至關(guān)重要。關(guān)于頁(yè)巖氣藏形成的有機(jī)碳下限值，很多學(xué)者都進(jìn)行過(guò)研究[6-8]，認(rèn)為1%～3%不等。本次研究的四川南部和云南東北部海相烴源巖主要為黑色泥巖，與美國(guó)相比，熱演化程度較高，都已達(dá)高過(guò)成熟階段，大量形態(tài)有機(jī)質(zhì)可能已經(jīng)無(wú)法用正常方法測(cè)試和觀察到。因此，綜合考慮各方面因素，認(rèn)為形成頁(yè)巖氣藏的源巖有機(jī)碳含量下限應(yīng)該采用傳統(tǒng)的烴源巖生烴標(biāo)準(zhǔn)，定為0.5%較為合適。

1.4 頁(yè)巖含氣量與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

與美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地對(duì)比，我國(guó)南方海相頁(yè)巖儲(chǔ)層物性條件中等，儲(chǔ)層石英含量高、孔隙度低、滲透率較高。我國(guó)南方海相頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度一般0.8%～5.8%，平均值2.7%；孔隙度在4%以上的占14.1%；滲透率一般范圍1～4058 md，平均值136 md；大于200 md的占11.3%。儲(chǔ)層屬于超低滲儲(chǔ)層的范圍?？紫抖戎苯臃从持鴥?chǔ)集能力，滲透率反映的是滲濾能力。根據(jù)孔隙度、滲透率值與該區(qū)的油氣產(chǎn)能的關(guān)系來(lái)評(píng)判儲(chǔ)集巖十分重要，但受多方面因素的影響，孔隙度、滲透率與頁(yè)巖氣含量關(guān)系不明顯（圖4）。頁(yè)巖儲(chǔ)層只有經(jīng)過(guò)壓裂改造后方能獲得工業(yè)氣流。

2 南方海相頁(yè)巖含氣量理論模型

2.1 頁(yè)巖含氣量預(yù)測(cè)模型

頁(yè)巖氣存在三種賦存狀態(tài)，即吸附在頁(yè)巖孔隙表面的吸附態(tài)、分布在頁(yè)巖孔隙及裂隙中游離態(tài)和溶解在頁(yè)巖地層水中的溶解態(tài)。一般情況下，在頁(yè)巖熱演化作用過(guò)程中生成的甲烷氣體，首先滿足吸附，然后溶解和游離析出，在一定的溫度和壓力調(diào)節(jié)下，這三種狀態(tài)氣處于同一動(dòng)態(tài)平衡體系之中，當(dāng)頁(yè)巖的生烴量增大或外界條件改變時(shí)，三種存儲(chǔ)形式可以相互轉(zhuǎn)換。

2.1.1 吸附甲烷氣

吸附狀態(tài)的天然氣量可以通過(guò)等溫吸附曲線模擬確定。在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件和理論水平下，均勻孔隙介質(zhì)的langmuir單分子吸附動(dòng)力學(xué)模型仍是實(shí)驗(yàn)研究的理論依據(jù)。頁(yè)巖氣是以甲烷氣體為主的混合氣體，可利用langmuir等溫吸附方程來(lái)描述。

根據(jù)頁(yè)巖氣的氣體組成，配制實(shí)驗(yàn)氣體，模擬儲(chǔ)層溫度條件下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)平衡壓力點(diǎn)氣體組分分析和氣體壓縮因子計(jì)算，可以得到該平衡壓力點(diǎn)吸附混合氣體的氣量；對(duì)各測(cè)試點(diǎn)氣體平衡壓力和吸附混合氣體氣量，用方程式

P/V吸=PL混/VL混+P/VL混

做線性擬合，通過(guò)直線斜率和截距求得儲(chǔ)層溫度條件下混合氣體Langmuir吸附

常數(shù)VL混、PL混。可進(jìn)一步確定混合氣體的等溫吸附方程

V吸=VL混P/（P+PL混）

根據(jù)儲(chǔ)層壓力P就可以得到吸附氣的儲(chǔ)集潛力V吸。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們建立了頁(yè)巖氣在上揚(yáng)子地區(qū)含氣量與埋深、TOC的關(guān)系模型，用于吸附氣量的計(jì)算。

2.1.2 游離氣

對(duì)于頁(yè)巖氣來(lái)言，孔隙為頁(yè)巖氣的富集提供了儲(chǔ)集空間，同時(shí)也是液態(tài)地層水儲(chǔ)集的空間。這些儲(chǔ)存了氣水流體的孔隙是滲流孔隙，基本上是中孔、大孔及其以上的孔隙，我們稱為有效孔隙度。有效孔隙度與總孔隙度相比，一般占50%～80%，與頁(yè)巖的成熟度和TOC含量有密切關(guān)系。游離氣量為孔隙中不同氣體的氣量之和，即

V游=

式中，V游為游離氣的儲(chǔ)集氣量，V游i為游離氣中第i種氣體的儲(chǔ)集氣量。當(dāng)甲烷濃度很高時(shí)或作近似計(jì)算時(shí)，可以將頁(yè)巖氣簡(jiǎn)化為甲烷氣體。

在儲(chǔ)層的溫度和壓力條件下，煤層氣作為真實(shí)氣體，與理想氣體存在一定偏差，溫度和壓力越大，理想氣體就越需要?dú)怏w的壓縮因子校正，計(jì)算公式：

Ni=piVpSg/ZiRT

式中：pi為儲(chǔ)層壓力，Pa；T為儲(chǔ)層溫度，K；Vp為煤儲(chǔ)層滲流孔隙孔容，Cm3/t； Sg為頁(yè)巖氣含氣飽和度，%；Zi為第i種氣體組分的壓縮因子。

通過(guò)計(jì)算，我們獲得了不同埋深條件下頁(yè)巖含氣量與埋深關(guān)系圖版。

2.1.3 溶解氣

溶解狀態(tài)的天然氣即頁(yè)巖中水溶氣和油溶氣。其數(shù)量的大小由孔隙中油水?dāng)?shù)量和特定溫度和壓力下對(duì)氣體的溶解量的大小決定。各種氣體在油水中溶解能力差別很大，一般頁(yè)巖含油水的量都在5%以下。在頁(yè)巖氣產(chǎn)液態(tài)烴的階段，油溶氣占了比較大的比例，在成熟度比較高的階段，頁(yè)巖中的油已經(jīng)全部裂解，沒有液態(tài)烴的存在，雖然油溶氣溶解能力大，但是沒有油溶氣存在。

頁(yè)巖中水的溶解量是氣體溶解度、孔隙度和含水飽和度的函數(shù)，可具體表達(dá)為：

式中，V溶為溶解氣的儲(chǔ)集潛力，cm3/t； Vp為煤儲(chǔ)層孔容，cm3/g；Sw為含水飽和度，%；Rsi為第i種組分的溶解度（體積比），cm3/cm3。當(dāng)甲烷濃度很高時(shí)近視為頁(yè)巖氣全部為甲烷氣體。天然氣在水中溶解度受溫度、壓力和礦化度等多種因素的影響，付曉泰（1996）提出天然氣組分溶解度方程如下：

式中：Csi為第i種組分在鹽溶液中溶解度，mol/m3；f為鹽溶液的游離水體積分?jǐn)?shù)，m3/m3；Ki為第i種組分在純水中的水合常數(shù)；Фi為有效孔隙度中的水對(duì)第i種氣體組分的溶解度m3/m3；Фsi為有效孔隙度中的水對(duì)第i種氣體組分的溶解度，m3/m3；bi為氣體組分i的范德華體積，甲烷氣體的值為4.28*10-5，m3/mol；pi為氣體組分i的分壓，Pa；i為第i中氣體組分；T為絕對(duì)溫度，K；R為摩爾氣體常數(shù)，8.3J/（mol·K）。

2.2 頁(yè)巖深度富集帶L-W模型

頁(yè)巖氣是吸附氣、游離氣和溶解氣三種賦存狀態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡。通過(guò)我們的前期研究，我們獲得重要的理論認(rèn)識(shí)：頁(yè)巖含氣量與地層埋深是一種拋物線關(guān)系模型，我們這里簡(jiǎn)稱為頁(yè)巖深度富集帶L-W模型。

我們知道影響頁(yè)巖吸附的地質(zhì)因素主要包括：地層溫度（與埋深有關(guān)）、地層壓力（與埋深有關(guān)）、TOC含量、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度以及粘土礦物含量等因素。其中影響最重要的三個(gè)因素是溫度、壓力和有機(jī)質(zhì)含量等三個(gè)因素。為此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室室內(nèi)，利用FY-2000型等溫吸附儀，開展了不同TOC、溫度和壓力的吸附模擬實(shí)驗(yàn)，建立了南方海相頁(yè)巖吸附氣與埋深關(guān)系LW模型和南方海相頁(yè)巖游離氣與埋深LW模型。在這兩個(gè)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合14口頁(yè)巖氣井的鉆井和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，我們本次研究建立了頁(yè)巖深度富集帶L-W模型。

頁(yè)巖深度富集帶L-W模型中，頁(yè)巖深度和含氣量是一種拋物線的關(guān)系。在埋深在1.5～2.5 km區(qū)間內(nèi)，頁(yè)巖含氣量普遍較高。有機(jī)質(zhì)含量小于0.5%時(shí)，頁(yè)巖含氣量隨埋深的增加，普遍低于0.5方/噸；有機(jī)質(zhì)含量介于0.5%～1.0%時(shí)，頁(yè)巖含氣量普遍在1.0方/t以內(nèi)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量大于1%時(shí)，頁(yè)巖含氣量增高趨勢(shì)明顯。目前在中國(guó)南方海相頁(yè)巖還沒有鉆井深度為4 km的頁(yè)巖氣井。

3 南方海相頁(yè)巖向斜富集特征

3.1 向斜構(gòu)造具有天然保持地層壓力條件

勘探實(shí)踐證實(shí)，當(dāng)頁(yè)巖氣層遭受抬升剝蝕從而埋深過(guò)淺并與地表大氣水連通或由于斷裂與地表溝通時(shí)，除游離氣散失外，吸附氣一方面由于降壓解吸變?yōu)橛坞x氣散失，另一方面由于氮?dú)?、二氧化碳具有更?qiáng)的吸附性而置換甲烷，頁(yè)巖氣保存條件喪失。因此地層壓力保持條件非常重要。

向斜圈閉是應(yīng)力圈閉，這種封閉是壓性和壓扭性應(yīng)力作用的結(jié)果[9]。向斜低部位一般為相對(duì)的流體高勢(shì)區(qū)，常伴隨有超壓現(xiàn)象。這是因?yàn)橄蛐睒?gòu)造具有天然保持地層壓力的條件。向斜構(gòu)造的兩翼與軸部中和面以上表現(xiàn)為壓應(yīng)力，頂板與頁(yè)巖層斷裂或裂隙不發(fā)育，阻止了頁(yè)巖氣向上逸散，有利于頁(yè)巖氣在此部位的富集（圖8）。因此向斜構(gòu)造具有天然氣保持地層壓力的先天優(yōu)勢(shì)條件。

3.2 向斜構(gòu)造具有頁(yè)巖氣成藏的有利構(gòu)造條件

地質(zhì)家們一直根據(jù)背斜成藏模式指導(dǎo)著常規(guī)天然氣的勘探?jīng)Q策。頁(yè)巖氣與常規(guī)天然氣相比，頁(yè)巖氣藏是“自生自儲(chǔ)”式氣藏，運(yùn)移距離極短，其現(xiàn)今保存狀態(tài)基本上可以反映烴類運(yùn)移的狀況，即天然氣主要以游離相、吸附相和溶解相存在。在生物化學(xué)生氣階段，天然氣首先吸附在有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面，飽和后則富余的天然氣以游離相或溶解相進(jìn)行運(yùn)移；當(dāng)達(dá)到熱裂解生氣階段，由于壓力升高，若頁(yè)巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，則天然氣以游離相為主向其中運(yùn)移聚集，受周圍致密頁(yè)巖烴源巖層遮擋、圈閉，易形成工業(yè)性頁(yè)巖氣藏。從剖面上看，向斜構(gòu)造儲(chǔ)集體呈“凹”形或元寶狀，最有利形成高產(chǎn)的部位在中部，大致呈上部收斂、下部張開的截錐狀，可以是單層的，也可以是多層組合的。從平面上看，在傾伏向斜中儲(chǔ)集體呈箕狀，在鞍狀向斜中儲(chǔ)集體約成四邊形。在頁(yè)巖含氣量總體在埋深的因素控制下，對(duì)含氣量起控制性的主要因素為大中型褶皺構(gòu)造及撓曲構(gòu)造，按照褶皺構(gòu)造與撓曲構(gòu)造的具體類型及部位不同，其對(duì)頁(yè)巖含氣量的影響不同?？碧綄?shí)踐證明，向斜部位頁(yè)巖含氣量最高，向斜構(gòu)造具有頁(yè)巖氣成藏的有利構(gòu)造條件。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

4.1 深度富集帶模型

中國(guó)大陸含油盆地可分為經(jīng)向的伊蘭一伊通一渤海灣一江漢等盆地帶和緯向的準(zhǔn)噶爾一二連一松遼等盆地帶，兩帶共擁有中國(guó)石油產(chǎn)量和儲(chǔ)量的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因而分別被稱為經(jīng)向和緯向石油富集“黃金帶”[10]。頁(yè)巖氣為大面積連續(xù)性氣藏，尋找甜點(diǎn)區(qū)是提高單井產(chǎn)量和開發(fā)效益的關(guān)鍵，隨著開發(fā)的全球化，頁(yè)巖氣成藏理論不斷得到創(chuàng)新發(fā)展，其地質(zhì)評(píng)價(jià)和選區(qū)技術(shù)開始體現(xiàn)盆地的特殊性和個(gè)性。頁(yè)巖氣的勘探與開發(fā)是我們面臨的嶄新課題，通過(guò)前期研究我們發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣含量的富集受深度控制，本次研究建立了深度富集帶理論模型（W-L模型），對(duì)于頁(yè)巖氣的勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 向斜富集論的勘探實(shí)踐

“油氣從低處往高處運(yùn)移，并聚集在背斜之中，低部位向斜無(wú)油氣聚集”，這就是眾所周知的背斜理論。頁(yè)巖氣作為油氣勘探新領(lǐng)域，隨著勘探的深入和擴(kuò)大，向斜富集論越來(lái)越為大家接受。中國(guó)南方是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)的重點(diǎn)地區(qū)，發(fā)育海相、陸相多套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，具備形成頁(yè)巖氣的基本地質(zhì)條件。但與美國(guó)頁(yè)巖氣相比，我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣具有多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造、熱演化程度高、保存條件復(fù)雜的特點(diǎn)，與美國(guó)已成功開發(fā)的頁(yè)巖氣相比，具有明顯的差異性，面臨諸多挑戰(zhàn)，因此向斜富集論的提出具有重大的理論指導(dǎo)意義。

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