页岩气成藏特征浅析

张 广

（华北石油工程有限公司 录井分公司，河南 郑州 450006）

1 页岩气赋存方式

页岩气是指以多种相态存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩以及泥页岩内呈夹层状分布的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩中的天然气，作为一种非常规连续型天然气，其赋存方式、成藏过程、成藏特征等方面都与常规天然气有重大差别。

按照气体在储层中的赋存方式的不同，页岩气藏中的烃类气体可以分为三类：吸附气、游离气、溶解气[1]。 吸附气是以吸附状态赋存于粘土矿物颗粒和有机质的表面。 游离气是存在于页岩孔隙、微裂缝中的游离态气体，相较于吸附气来说，游离气更容易自页岩储层中采出。溶解气是指溶解于页岩中孔隙水、沥青质内的烃类气体。 一般情况下，在进行页岩含气量分析时，不易将溶解气与吸附气区分开来， 因此经常只用吸附气量和游离气量及二者的相对含量来表述页岩气藏的含气特征。

以北美地区开采最为成功的页岩气藏为例，其吸附气量在页岩总含气量中的比例范围为16%～80%（图1）。Muskwa 组页岩的吸附气量最低，为16%，其页岩气主要以游离气为主。 吸附气量较高的有Antrim 组、Lewis 组和Woodford 组三组页岩，所占比例在60%～80%之间[2]。

分析页岩气藏吸附气及游离气含量的主要意义在于，二者对采气效果及对开发动态的影响不同。 吸附气的开采过程与煤层气相似，要经历解吸、扩散、运移等不同阶段，整个采气过程时间较长，产量下降较慢，使得页岩气井具备生产周期长的特征，一般可达30～50年。而游离气存在于裂缝和较大孔隙中，生产时首先排除的就是存在于裂缝中的游离气，其渗流速度较快。 若页岩中游离气含量高， 则页岩气井初期产量较大， 形成相对高产期，对页岩气井的成本回收及开采经济性较为有利，但是游离气产量下降较快， 会在开采过程中逐渐过渡到以吸附气为主的稳产期。 因此，可以看到，吸附气含量高有利于页岩气井的长期稳产，游离气含量高有利于页岩气井初期处于相对高产期，有利于提高开采经济性，加快成本回收。

图1 北美地区页岩气藏中吸附气与游离气相对含量示意图（据陈更生等，2009）

2 页岩气形成过程及成藏特征

2.1 页岩气形成过程

页岩气主要以吸附态和游离态赋存在页岩储层中，吸附态气体的赋存方式与煤层气相似， 游离态气体的聚集特征与常规天然气藏相似，因此，页岩气成藏过程与二者有相似之处，主要表现在吸附气赋存和游离气聚集两个方面。 一般情况下，页岩气的形成过程可以分为4 个阶段：吸附阶段、孔隙充填阶段、裂缝充填阶段和页岩气藏形成阶段。

在页岩气成藏的初期阶段， 岩石内有机质的生烃量有限，而岩石内存在大量粘土矿物及有机质。 由于这些物质微孔隙较为发育，吸附能力强，因此生成的烃类会被吸附在这些物质的表面（图2，1）。 随着生烃量进一步增大，当页岩内部的吸附气在烃源的供给下达到饱和状态时， 多余的烃类气体就会在页岩基质的孔隙空间中聚集，进而充满整个基质孔隙（图2，2）。 由于泥页岩渗透性较差， 大量的烃类无法自岩石内部排出而在页岩孔隙内聚集，形成超压。当压力达到泥页岩中某些薄弱面的强度极限时，会在页岩薄弱面产生小规模微裂缝，进而相互贯通形成较大规模裂缝系统。天然气则在裂缝系统中大量聚集，即进入页岩气成藏的裂缝充填阶段（图2，3）。 在经历前述的三个成藏阶段后，页岩气最终以吸附态和游离态在页岩储层中富集起来， 形成页岩气藏[2]（图2，4）。

图2 页岩气形成过程示意图（据陈更生等，2009）

2.2 页岩气成藏特征

页岩气作为一种非常规连续型油气藏， 同常规油气藏相比，具有成藏时间早、无明显圈闭、储层超致密、气体赋存状态多样等特征[3]。

（1）成藏时间早。 相对于常规油气藏，页岩气藏作为一种生、储、盖“三位一体”的成藏系统，由烃源岩生成的烃类会首先吸附于矿物颗粒和有机质表面， 达到饱和后才会自烃源层中排出。 由于烃类气体可以呈吸附态赋存，因此排烃过程中，必然会有一部分烃类滞留于烃源岩中，因此，页岩气藏在成藏序列上早于其他天然气藏（图3）。

图3 天然气成藏的三个阶段（据张金川等，2004）

（2）气藏无明显圈闭。 页岩气藏在赋存机理上与常规天然气藏差别较大，部分气体以吸附态存在，储层孔渗性较差，使得页岩气藏无明显的气水边界。 页岩气的聚集在进入生气窗范围内的烃源岩中都可发生， 常规油气藏中的圈闭和侧向封堵不是必要条件。

（3）储层超致密。页岩气以泥页岩为储层。以美国含气页岩为例，其孔隙度一般小于6.5%，平均约5.2%，渗透率一般介于0.001～2.0md，远低于常规油气藏。 当断裂带或微裂缝发育时，页岩的孔渗性会有所改善。

（4）页岩气较易保存。 由于页岩气多以吸附态赋存，多存在于构造低部位或盆地中心， 而且在成藏过程中可以持续生烃并补充散失掉的天然气，因此相对于常规天然气藏，页岩气藏更不易遭受破坏。

（5）可与常规油气藏共生共处。 事实上，页岩气赋存层位都具备良好的生烃能力，是邻区及相邻层位油气成藏的物质基础。因此，在含油气盆地中，页岩气藏常与常规油气藏伴生，且页岩气藏多分布在构造低部位或盆地中心（图4）。

图4 页岩气藏与常规油气藏分布关系

3 结论

页岩气的形成过程分为四个阶段，从而造成了页岩气的三种不同的赋存方式及特有的成藏特征， 而赋存方式的不同和成藏特征的变化又决定了采气效果及对开发动态的影响不同。 因此， 深入研究页岩的赋存方式及成藏特征对页岩气的勘探和后期开发具有深远意义。

[1]江怀友，宋新民，安晓璇等.世界页岩气资源与勘探开发技术综述.天然气技术.2008，2（6）:26-30.

[2]陈更生，董大忠，王世谦等.页岩气藏形成机理与富集规律初探.天然气工业，2009，29（5）:17-21.

[3]闫存章，黄玉珍，葛春梅等.页岩气是潜力巨大的非常规天然气资源.天然气工业，2009，29（5）:1-6.