页岩气的形成过程 页岩储层特征

页岩储层特征

页岩本身既是烃源岩又是储集层，是一种典型的“原位饱和成藏”机制形成。生物化学生气阶段，天然气或油裂解气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面或聚集在有机质孔隙内，原位滞留饱和后，过饱和的天然气以游离相或溶解相，向外初次运移到上覆无机质页岩地层的孔隙中聚集，一部分以游离相存在于粒内、粒间孔或裂缝中，再饱和后，一部分天然气二次运移到常规储集层，形成常规天然气藏(图5-9)。

图5-9 页岩气形成机理与饱和成藏模式

一、岩石矿物组成

脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩肢培石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，有利于页岩气开采。而高粘土矿物含量的页岩塑性强，吸收能量强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩体积改造。

美国产气页岩中石英含量为28%～52%，碳酸盐含量为4%～16%，总脆性矿物含量为46%～60%。Halliburton(2008)对北美地区多套页岩的统计及Jarvie(2007)对Barnett页岩矿物组成的分析(Daniel， et al.，2008;Jenking，2008)，认为页岩岩矿组成不存在统一模式，如路易斯安那地区位于二级层序海进体系域中的侏罗系Haynesville页岩，自下而上可划分为3个基本类型:生物碎屑泥灰岩、纹层状页岩及硅质页岩，其矿物组成粘土矿物含量为50%，石英和方解石含量为50%。加拿大三叠系Montney页岩，由纹层泥质粉砂岩、富有机质页岩互层组成，陆源碎屑石英含量呈现纵向波动变化。斯伦贝谢公司利用ECS(元素俘获能谱)测井及SpectroLith岩性处理解释技术分析同样说明(图5-10)，北美产气页岩矿物组成特征与Barnett页岩有很大区别。Barnett页岩以硅质含量高为特征，Eagle Ford页岩碳酸盐含量高(50%以上)。因此，富有机质页岩储层发育分布特征受沉积环境控制，不同沉积模式下的富有机质页岩储层矿物组有较大变化。

图5-10 北美页岩储层岩石矿物组成对比

中国海相页岩、海陆过渡相炭质页岩、湖相页岩3种页岩类型，脆性矿物含量总体比较高，均达到40%以上，如上扬子区古生界海相页岩石英含量为24.3%～52.0%，长石含量为4.3%～32.3%，方解石含量为8.5%～16.9%，总脆性矿物含量为40%～80%(表5-4;图5-11);四川盆地须家河组粘土矿物含量一般为15%～78%，平均为50%左右;石英、长石等脆性矿物含量一般为22%～86%，平均为50%左右。鄂尔多斯盆地上古生界含煤层系炭质页岩石英含量为32%～54%，平均48%，总脆性矿物含量为40%～58%;鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩石英含量为27%～47%，平均40%，总脆性矿物含量为58%～70%。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发的页岩，一般其脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量小于30%。

表5-4 中国四川盆地与北美页岩地质条件对比

图5-11 四川盆地下古生界富有机质页岩矿物组成百分含量

二、页岩储层孔渗与微裂缝特征

1.孔渗特征

页岩孔隙大小从1～3nm至400～750nm不等(Robert， et al.，2009)，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。页岩储层孔隙度、渗透率具有明显的正相关性，是页岩含气性的重要控制因素，如EagleFord页岩储层充气孔隙度高达10%，含气饱和度高达80%，相应的渗透率高达0.1×10-3μm2，为优质页岩储层。中国海相富有机质页岩微孔-纳米孔十分发育(图5-12)，既有粒间孔，也有粒内孔和有机质孔，尤其有机质成熟后形成的纳米级微孔甚为发育，这些纳米级微孔是页岩气赋存的主要让饥败空间。四川盆地华蓥山红岩煤矿龙马溪组和威远地区筇竹寺组页岩实测结果:龙马溪组页岩孔隙度为2.43%～15.72%，平均4.83%;筇竹寺组页岩孔隙度为0.34%～8.10%，平均3.02%。鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩实测孔隙度为0.4%～1.5%，渗透率为(0.012～0.653)×10-3μm2。

有利页岩气储层与一定区域地质背景下的构造、沉积、有机地球化坦颤学特征密切相关，如目的层大多为含油气系统中主力烃源岩，尤其以海进体系域黑色页岩为佳，有机质以倾油的Ⅱ型干酪根为主，且现今处于大量生气阶段或充注过程中，既保存了较高的残余有机质丰度，储集大量吸附气，又能够增加一定孔隙度，容纳足够数量的游离气，同时有助于提高基质系统的渗透性(王正普等，2007)，使得页岩储层品质提高，形成优质页岩储层。

2.微裂缝

裂缝的发育可为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量(程克明等，2009;张金川等，2004;Hill， et al.，2000;Bowker，2002;Hill，2002)。在不发育裂隙的情况下，页岩渗透能力非常低。石英含量高低是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的页岩段脆性好，裂缝的发育程度比富含方解石的泥页岩更强。Nelson认为，除石英外，长石和白云石也是泥页岩中易脆组分。一般页岩中具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩中的粘土矿物含量通常则较低。页岩气勘探必须寻找能够压裂成缝的页岩，即页岩的粘土矿物含量足够低(＜50%)、脆性矿物含量丰富，使其易于成功压裂。

中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，无论是野外地质剖面还是井下岩心观察，发现其均发育较多的裂缝系统。如:上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩性脆、质硬，节理和裂缝发育，在三维空间成网络状分布，岩石薄片显示，微裂缝细如发丝，部分被方解石、沥青等次生矿物充填;鄂尔多斯盆地上古生界山西组岩心切片可看到呈网状分布的微裂缝;鄂尔多斯盆地中生界长7段黑色页岩页理十分发育，风化后呈薄片状。

三、页岩储层含气性

根据含气性，页岩气区带可划分为核心区、外围区。页岩含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和进行资源潜力评估评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气等。哈里伯顿公司(2009)认为商业开发远景区页岩含气量最低为2.8m3/t。北美已实现商业开发的页岩气，其含气量最低约为1.1m3/t，最高达9.91m3/t(表5-4)。吸附气部分主要与有机质、粘土矿物相关，游离气部分主要与基质孔隙相关。图5-13说明页岩吸附能力与有机质含量呈现正相关关系。

图5-12 四川盆地下古生界页岩有机质微孔-纳米级孔隙分布特征

图5-13 Barnett页岩含气量与有机质丰度TOC关系

①1scf(标准立方英尺)=0.0283168m3

需要强调的是，从页岩生烃、富集成藏机理的角度看，页岩有机质数量与质量等都是页岩含气量的关键影响因素。进一步而言，页岩气藏形成的有机质丰度下限及成熟度就是很关键的问题。目前，斯伦贝谢(Charles Boyer et al.，2006，转引自《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)及Devon等在页岩气藏勘探开发实践中，将TOC含量下限值确定为2.0%。这一选值实际上相当于石油地球化学家在评定源岩等级时所确定的“好生油岩”标准。结合母质类型、热成熟度、矿物组成和岩石结构进行综合分析和判识，对于提高页岩气藏勘探开发的效果非常重要。有机质成熟度Ro大于1.2%往往被普遍作为形成有利的页岩气上限。

实测发现，四川盆地下寒武统筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17～6.02m3/t，龙马溪组黑色页岩含气量为1.73～5.1m3/t，与北美产气页岩的含气量(表5-4)相比，均达到了商业性页岩气开发的下限，具备商业性开发价值。由于中国页岩气尚未进入开发阶段，钻探页岩气井少，因此无法获取更多的页岩含气量数据。但根据老井复查结果(程克明等，2009;王兰生等，2009;王社教等，2009;王世谦等，2009;张金川等，2008)，在已往的钻井中，钻遇的黑色页岩段发现了大量的气测显示，有井涌和井喷现象发生，证明页岩段含气性很好。如四川盆地威远地区钻穿筇竹寺组的107口井中，有32口井52个井段出现不同级别的气测显示，威5井在钻至2795～2798m筇竹寺组页岩层段时发生井喷，中途测试获日产2.46×104m3的天然气;钻穿川南地区下志留统龙马溪组页岩层段的15口井中有32个层段见良好气测显示，阳63井3505～3518m龙马溪组页岩段，测试后获日产天然气3500m3。

四、页岩储层评价标准

根据Barnett和Haynesville等北美主要页岩气藏的地质特点，页岩气优质储层一般具备如(表5-5)所示特点，此标准对于开展中国页岩气储层评价具有重要指导意义。

中国页岩勘探开发尚处于起步阶段，页岩气地质条件与美国相比既有相似性，也存在很多差异。因此，对页岩储层评价的标准还不能完全照搬北美页岩气储层评价标准(蒋裕强等，2009)。根据中国南方海相和北方海陆交互相页岩气富集特征，从厚度、地化指标、脆性矿物含量、物性、孔隙流体和力学性质等方面确定的中国页岩储层评价标准(表5-6)为:厚度大于30m，热成熟度为1.1%～4.5%，有机质含量＞2%，具有较好脆性(石英、方解石等脆性矿物含量大于40%，粘土含量小于30%)，有效孔隙度在2%以上，含油饱和度低于5%，岩石杨氏弹性模量在3.03MPa以上，泊松比小于0.25。

表5-5 北美主要产气页岩储层特征

表5-6 中国页岩气储层评价标准

【科普】页岩气——未来主导能源之一

引言：页岩气是不可再生能源，属于非常规低品味天然气。美国由于发现和开采天然气最早，给它带来了巨大经济效益，目前美国正在集中攻关页岩气开发技术领域，即增加产能降低成本。而国内目前页岩气正处于起步阶段，面临着诸多挑战，例如：理论研究和勘探调查程度低、开发技术瓶颈未突破、前期风险投入高、收益见效慢等。可燃冰、页岩气、氢能被普遍认为会成为未来能源的三大新兴能源。

页岩气是指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙，使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因、热解成因及二者混合成因的天然气。

页岩中热成因气的形成有3个途径（如图）：①干酪根分解成气体和沥青；②沥青分解成油和气体（步骤1和步骤2为初次裂解）；③油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物（二次裂解）。最后一个步骤主要取决于系统中油的残余量和储层的吸附作用。德克萨斯州的Fort Worth盆地的Barnett页岩气就是通过来源于干酪根热降解和残余油的二次裂解，主要以残余油的二次裂解为主，正因为如此，使得Barnett页岩气具有较大资源潜力。

一般指页岩在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体，也有气藏经后期改造而成的生物气。如美国密歇根盆地的Antrim页岩气是干酪根成熟过程中所产生的热降解气和产甲烷菌新陈代谢活动中所产生的生物成因气，以后者为主。其原因可能是发育良好的裂缝系统不仅使天然气和携带大量细菌的原始地层水进入Antrim页岩内，而且来自上覆更新统冰川漂移物中含水层的大气降水也同时侵入，有利于细菌甲烷的形成。

全球页岩气资源十分丰富且分布普遍，据美国国家石油委员会(NPC)统计，截至2009年底，全球页岩气资源量约为456.2万亿立方米，占全球非常规气资源量近50%，与常规天然气相当，页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、太平洋国家、拉美、其他地区等。

垂直井是页岩气早期开采的主要手段。在钻小于1000米的浅井时，一般采用钻进速度较快的欠平衡旋冲法，可有效减小对地层的破坏；在钻进1000~2500米的深井时，则采用轻质钻井液液随随钻常规旋转钻井法，但是传统的垂直井开采技术，不经过压裂，一般无磨孝手自然产能。

水平井能够扩大井筒与地层的接触面积，增加储层泄流面积、提高产量。在直井中水力压裂技术可以将井筒与储层的接触面积扩大数百倍，而水平井中，慎陆井筒与储层的接触面积会呈指数增长。目前美国页岩气开发中，水平井成本是直井的2~3倍，产量可以达到直井的15~20倍。水平井的关键问题是井身结构设计、钻井工艺、固井与完井，由于页岩地层裂缝发育、机械承受能力低，需要采用快速、高效、稳定、目标区域可准确控制的钻井工艺，最大化泄流面积和产量，同时保证生产的安全稳定。

水力压裂的原理是利用地面高压泵组，将超过地层吸液能力的大量压裂液泵入井内，在井底或封隔器封堵的井间产生高压，当压力超过井壁附近岩石的破裂压力时，就 会 产 生 裂 缝。随 着 压 裂 液 注 入 裂 缝 会逐渐延伸，进一步注入带有支撑剂的混砂液，在裂缝中填充支 撑 剂。停 泵 后，由 于 支 撑 剂 对 裂 缝 壁 面 有支撑作用，在地层中就形成了有一定长度、宽度的填砂裂缝。

中国页岩气资源潜力大，勘探开发还处于起步阶段，海相页岩是开发的有利对象，陆相页岩是重瞎嫌要的资源领域。美国的海相页岩开发经验不能直接应用于中国陆相页岩开发，需要加强基础研究和科技攻关。“十二五”规划明确了页岩气发展的重要地位，积极开发页岩气对保障中国能源安全，缓解天然气供给压力有重要意义。

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页岩气的成藏机理

对页岩气成藏机理进行了全面分析，获得了四个方面的认识。①页岩气成藏机理兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏特征，体现出了复杂的多机理递变特点。②在页岩气的成藏过程中，天然气的赋存方式和成藏类型逐渐改变，含气丰度和富集程度逐渐增加。③完整的页岩气成藏与演化可分为3个主要的作用过程，自身构成了从吸附聚集、膨胀造隙富集到活塞式推进或置换式运移的机理序列。④相应的成藏条件和成藏机理变化对页岩气的成藏与分布产生了控制和影响作用，岩性特征变化和裂缝发育状况对页岩气藏中天然气的赋存特征和分布规律具有控制作用。研究了中国的情况，认为中国的许多盆地存在工业性页岩气藏发育的基本地质条件，其中，吐哈盆地吐鲁番坳陷的水西沟群是页岩气发育的重要区域之一。 页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气，它可以生成于有机成因的各种阶段天然气主体上以游离相态（大约50%）存在于裂缝、孔隙及其它储集空间，以吸附状态（大野橘约50%）存在于干酪根、粘土颗粒及孔隙表面，极少量以溶解状态储存于干酪根、沥青质及石油中。天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中。天然气生成之后，在源岩层内的就近聚集，表现为典型的原地成藏模式，与油页岩、油砂、地沥青等差别较大。与常规储层气藏不同，页岩既是天然气生成的源岩，也是聚集和保存天然气的储层和盖层。因此，有机质含量高的黑色页岩、高碳泥岩等常是最好的页岩气发育条件。
页岩气发育具有广泛的地质意义，存在于几乎所有的盆地中，只是由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大分别具有不同的工业价值。中国传统意义上的泥页岩裂隙气、泥页岩油气藏、泥岩裂缝油气藏、裂缝性油气藏等大致与此相当，但其中没有考虑吸附作用机理也不考虑其中天然气的原生属性，并在主体上理解为聚集于泥页岩裂缝中的游离相油气。因此属于不完整意义上的页岩气。因此，中国的泥页岩裂缝性油气藏概念与美国现今的页岩气内涵并不完全相同，分别在烃类的物质内容、储存相态、来源特点及成分组成等方面存在较大差异。 2004年以来，以中国地质大学张金川教授、中国石油勘探开发研究院李新景和王社教授、中国石油勘探开发研究院廊坊分院王红岩和李景明教授以及长江大学潘仁芳教授为代表的杰出石油地质科技工作者开始了页岩气勘探开发基础理论的相关研究，在页岩气成藏机理、储量评价、资源量分类、页岩气渗流机理等方面取得了可喜的成果，为我国页岩气勘探开发奠定了理论基础；2009年，我国启动“中国重点地区页岩气资源潜力及有利区优选”项目；2010年，我国分三个梯次开展了研究工作，第一启动了“川渝黔鄂页岩气调查先导试验区”工作开展重点调查，第二在下扬子苏皖浙地区开展页岩气资源调查，第三在北方地区（华北、东北和西北）开展页岩气资源前期调查研究；2011年，结合前期调查研究成果，国土资源部在川渝黔鄂开展了5个项目的陆春先导性试验，在上扬子及滇黔桂区、中扬子及东南区、西北区、青藏区、华东-东北区5个大区继续开展资源潜力调查，同时开展了5个页岩气勘探开发相关工艺技术的攻关项目。
其中，中国石油在川南、黔北地区选取了4个有利区块，已完钻11口评价井，其中有4口直井见气；中国石化在黔东、皖南、川东地区优选了2个有利区块，已完钻5口评价井，其中有2口直井见气；延长石油在延安完钻3口页岩气井，取得陆相页岩气技术突破；中国海油、中联煤也开始在皖浙地区、山西沁水盆地开展前颂悉团期调查。
据国内最大的石油公司中国石油天然气股份有限公司披露，中国石油计划在2015年从中国西南部的四川盆地生产出10×10m的页岩气，四川盆地届时将向中国市场提供第一批商业页岩气产量。
经过7年的勘测调查和反复研究，专家跑遍滇、黔、桂、湘、鄂、川、渝、陕等8省区，最终将优势区域锁定在重庆东南部，并确定了一条以綦江为起点，经万盛、南川、武隆、彭水、黔江、酉阳、秀山的开发路线。也就是说，中国页岩气开发将会从綦江起步，走向全国。綦江有着独特的地理位置和资源优势，它处于云贵高原到四川盆地过渡区域，沉积地层齐全，页岩气埋藏浅，深度大概在200米到700百米之间，有利于开发。 中国的页岩气勘探开发将会迅速发展。
郑州中牟地下发现丰富页岩气 可开采127亿立方米 。中牟区块地下3500米以上有可开采的页岩气127.5亿立方米。 页岩气分布北美克拉通盆地、前陆盆地侏罗系、泥盆系，密西西比系富集多种成因、多种成熟度页岩气资源。
中国许多盆地发育有多套煤系及暗色泥、页岩地层，互层分布大套的致密砂岩存在根缘气、页岩气发育有利条件，不同规模的天然气发现，尚未在大面积区域内实现天然气勘探的进一步突破。资料显示，中国南方海相页岩地层可能是页岩气的主要富集地区。除此之外，松辽、鄂尔多斯、吐哈、准噶尔等陆相沉积盆地的页岩地层也有页岩气富集的基础和条件。重庆綦江、万盛、南川、武隆、彭水、酉阳、秀山和巫溪等区县是页岩气资源最有利的成矿区带，因此被确定为首批实地勘查工作目标区。
据估计，全球页岩气资源约为456万亿立方米，主要分布在北美、中亚、中国、拉美、中东、北非和前苏联，其中北美最多。但其丰度低，技术可采量占资源总量的比例较低，同时页岩气的储层具有低孔隙率和低渗透率的特点，开采难度大，需要高水平的钻井和完井技术。在21世纪刚开始开采页岩气时，多采用水平钻井技术和水基液压裂技术提高采收率。
2012年前后，已实现对页岩气商业开发的国家有美国和加拿大，其中美国已实现大规模商业化生产。我国页岩气资源也很丰富，但开发还处于起始阶段。国家正在积极推进页岩气的开发利用工作。