页岩油气储集空间差异及赋存方式比较研究

李卓文 潘仁芳 邵 艳 杨宝刚

(长江大学地球科学学院， 武汉 430100)



页岩油气储集空间差异及赋存方式比较研究

李卓文 潘仁芳 邵 艳 杨宝刚

(长江大学地球科学学院， 武汉 430100)

同为非常规资源的页岩油、气在储集空间和赋存方式上具有较大的差别。由于页岩气有机质的演化程度较高，成岩作用较强烈，原生孔隙和次生孔隙保存较少，储集空间以有机质孔隙为主，裂缝的主要作用是增加渗流能力和提高解析速度，较大的比表面积决定了页岩气的赋存方式以吸附状态为主；对页岩油而言，由于分子量较大，黏度较高，有机孔发育较页岩气低，呈吸附状态下的原油难以像页岩气一样解析流动，其有效储集空间主要来自于无机孔隙(裂缝)，赋存方式也主要为游离态。

页岩油； 页岩气； 储集空间； 赋存方式

随着经济的不断发展，世界对能源的需求量也在不断上升，然而世界常规油气资源日益枯竭，开发成本不断上涨，油气的供需矛盾也日益凸显。随着勘探开发技术的不断进步，非常规油气资源逐步进入人们的视野。特别是美国在页岩气方面率先实现了规模化、商业化的开采，页岩气产量迅速增加，2010年年产量已达到1 378×108m3。于是众多石油公司开始把目光投向另外一种更具经济价值的非常规资源 —— 页岩油。

相较页岩气，页岩油的潜力也非常巨大，但其研究却相对滞后。本次研究通过对页岩油、气的对比分析，弄清页岩油、气在储集空间和赋存方式上的差异性，对页岩油的勘探开发具有一定的指导意义。

1 页岩气储集空间及其赋存方式

1.1 页岩气的定义

页岩气是指主体位于富有机质暗色泥页岩或高碳泥页岩层系中，以吸附、游离及溶解状态为主要存在方式的“持续式”天然气聚集，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点[1-4]。作为页岩气储层的泥页岩层系不仅包括泥页岩本身，还包括呈夹层状分布于其间的粉砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等地层单元[2]，具有典型的低孔低渗特征，其大规模开采必须通过水力压裂以形成网络状裂缝系统。

1.2 页岩气储层储集空间类型及特征

与常规储层相似，页岩气的储集空间也可以分为基质孔隙和裂缝2部分。但页岩气储层有其特殊性：矿物颗粒细小(属于泥质结构)，富含有机质和黏土矿物，孔隙度和渗透率极低，非均质性强烈，成岩作用和构造改造复杂，孔喉结构极其细小，呈吸附状态的天然气比例高等。

1.2.1 基质孔隙类型及演化

页岩气储层为特低孔低渗储集层，其基质孔隙以多种类型的纳米 — 微米级孔隙为主，包括原生孔隙、次生孔隙和有机质孔隙等3种类型，孔隙类型又以有机质孔隙为主。储层在成岩演化的不同阶段所对应的主要储集空间又有所不同。根据中国石油天然气总公司对成岩作用阶段划分及主要标志的初步方案，并参考孙风华等人[6]对成岩作用阶段的修改，得出泥页岩成岩作用阶段及孔隙演化模式(表1)。

早成岩A期，古地温小于65 ℃，镜质体反射率Ro<0.35%，伊蒙混层中蒙脱石含量在70%以上，以生物成因气为主。此阶段的成岩作用以机械压实为主，泥页岩孔隙度随深度的增加明显减小，孔隙空间为原生孔隙。

早成岩B期，随着上覆地层厚度的增加，地层压力增大，孔隙度减小的趋势比早成岩A期快，此阶段的成岩作用以机械压实为主，同时伴随有缓慢的黏土矿物转化和程度较轻的胶结作用，有机质未成熟，孔隙以原生孔隙为主，次生孔隙少量发育。

晚成岩阶段A期是蒙脱石向伊利石迅速转化的时期，Ro介于0.5%～1.3%，处于“生油窗”时期，油气大量生成。有机质大量转化的同时释放出大量的有机酸和二氧化碳等酸性气体，使前期黏土矿物转化过程中形成胶结物(以碳酸盐矿物为主)，泥页岩地层中的碳酸盐矿物及部分长石矿物发生溶蚀，形成次生孔隙。同时伴随着有机质向油气的迅速转化，有机质孔隙开始大量生成。据Jarvie等人的研究，有机质含量为7%的页岩在生烃演化过程中，消耗35%的有机碳可使页岩孔隙度增加4.9%[7]。此阶段早、中期(A1期和A2早期)发生的成岩作用主要是压实作用和溶蚀作用，晚期(A2晚期)埋深在3 000 m左右，以胶结作用为主，可称为胶结带。原生孔隙和次生孔隙并存，有机质孔隙开始大量生成是此阶段的典型特征。

晚成岩B期，Ro为1.3%～2.0%，处于高成熟阶段，以生成凝析油和湿气为主，蒙脱石继续向伊利石缓慢转化，此期发生的成岩作用主要是胶结作用和溶蚀作用，原生孔隙和次生孔隙进一步减少，有机质孔隙开始占主导地位，裂缝开始出现。

表1 成岩阶段划分方案及其标志

晚成岩C期，Ro为2.0%～4.5%，处于过成熟阶段，已经形成的液态烃和重质气态烃强烈裂解，变成热力学上最稳定的甲烷CH4。伊蒙混层消失，储集空间以裂缝和有机质孔隙为主。

1.2.2 裂缝类型及演化

泥页岩储层中的裂缝不仅是非常重要的储集空间，而且也是天然气渗流的重要通道。裂缝的存在不仅增大了游离状态天然气体积，也有助于呈吸附状态天然气的解析。此外页岩地层中呈分散状态分布的有机质在演化过程中所形成的有机孔隙(包括残余原生孔隙和次生孔隙)间的连通性较差，裂缝的存在有利于有机孔隙的大面积连片，形成“网络状”孔隙系统。裂缝的存在可以极大地提高页岩储层的渗流能力，其发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素[10]。

页岩气储层中主要存在5种裂缝类型，即构造缝、层间页理缝、层面滑移裂缝、成岩收缩裂缝和有机质演化异常压力缝，其中最主要的是构造缝和热生烃成因裂缝[11]。控制裂缝发育的地质因素较多，主要包括沉积、成岩和构造作用。沉积作用主要体现在对泥页岩地层矿物组成的控制上，硅质、碳酸盐等脆性矿物含量越高，泥页岩地层脆性越大，后期的改造过程中越易产生裂缝。成岩作用越强，地层越致密，相应的脆性程度也越高，此外在成岩过程中呈片状分布的黏土矿物发生转化，体积缩小形成微裂缝。构造作用是裂缝大规模发育的触发因素，是页岩油气“甜点”形成的关键。因此控制裂缝发育的各因素中，沉积是首要条件，成岩是补充条件，构造是触发条件。

1.3 页岩气的赋存方式

泥页岩地层中，天然气的赋存状态多种多样，其细粒的成分和结构决定了页岩气的赋存状态与页岩的显微结构有密切的联系[10]。页岩地层中天然气主要以3种方式存在：吸附、游离和少量的溶解状态。不同的演化阶段各赋存状态所占比重不同，演化初始阶段所产生的天然气优先满足于有机质和黏土矿物颗粒表面的吸附，此时形成的页岩气主要以吸附状态赋存于页岩内部，随着演化程度不断提高，天然气的生成量也不断增多，当天然气的生成量大于有机质和黏土矿物表面的吸附量时，多余的天然气进入基质孔隙中，以游离态形式存在。当页岩地层中有少量地层水或液态烃时天然气就会以溶解态的形式存在。

2 页岩油储集空间及其赋存方式

2.1 页岩油的定义

页岩油是指赋存在富有机质泥页岩地层的纳米级孔喉 — 裂缝系统中，以游离(含凝析态)、吸附及溶解(溶解于天然气、干酪根和残余水等)态等多种形式存在，仅经过初步运移而未经过或只经过极短暂的二次运移的油气聚集[12-15]。其形成和分布受有机质演化程度的控制，油质一般较轻，黏度较低，凝析油或轻质油可能是实现工业开采的主要类型[16-17]。

2.2 页岩油的储集空间

页岩油的储集空间可分为有机纳米级孔隙和无机孔隙(裂缝)等2类。与页岩气相似，在泥页岩储层演化的不同阶段各孔隙空间所占的比重不同，但由于页岩油的分子量较页岩气大，有机质的演化程度较页岩气气源岩低，因此有机纳米级孔隙对储层储集性能的贡献较小，这点在李吉君等人[18]对泌阳凹陷的研究中得到证实。有机质的热演化与无机矿物的成岩作用在时空上同步[19]，较低的演化程度(Ro<2.0%)对泥页岩原生孔隙的保存较为有利，沉积成岩过程中所形成的微裂缝(层理缝，成岩收缩缝和有机质演化的异常压力缝)也较少受到后期演化(成岩作用)的影响。因此对页岩油而言，有效储集空间主要来自于无机孔隙(裂缝)。

2.3 页岩油的赋存方式

与页岩气相似，页岩油在页岩地层中的赋存状态也包括游离、吸附以及溶解(高成熟状态下溶解于天然气中)状态，但与页岩气又有所差别。与页岩气相比，页岩油的分子量更大，吸附能力更强，渗流能力更差，其吸附部分在目前的技术条件下很难被开采出来。呈溶解状态的凝析油其分子量相对较小，渗透能力相对较高，当有机质演化程度较高时，其可能是页岩地层中页岩油的主要产出形式。

3 页岩油、气储集空间及其赋存方式比较

综上所述，对页岩油、气而言，其储集空间主要为基质孔隙和裂缝，其中基质孔隙又可分为有机质孔隙、原生粒间孔隙、粒内孔隙以及次生的溶蚀孔等；裂缝又可分为构造缝(张裂缝和剪裂缝)、层间页理缝、层面滑移裂缝、成岩收缩裂缝和有机质演化异常压力缝等5种类型[11]。由于页岩气储层有机质演化程度较高，储层成岩作用较强，其原生孔隙和次生孔隙的发育受到限制，因此主要以有机质孔隙为主，裂缝更多的是起到补充和提高渗流能力的作用；而页岩油由于分子量较大，有机质演化程度较低，其原生孔隙和次生孔隙受成岩作用的影响较小，有机质孔隙较为不发育，其储集空间主要为无机孔隙和裂缝。

泥页岩储层中页岩油、气的赋存方式主要包括吸附、游离和溶解态3种。由于有机孔隙和黏土矿物颗粒的比表面积较大，对天然气的吸附能力强，页岩气更多的是以吸附状态存在；页岩油由于分子量较大，有机质孔隙发育受限，呈吸附状态的石油在目前的经济技术条件下难以开采，所以页岩油主要指呈游离状态的原油。

4 结 语

(1)明确了泥页岩储层孔隙演化与成岩作用的对应关系以及各演化阶段主要的储集空间类型。

(2)页岩油、气的储集空间主要包括孔隙和裂缝，其中孔隙包括粒间孔隙、粒内孔隙和有机质孔隙，裂缝可进一步分为5种类型。对页岩气而言，其主要储集空间为有机质孔隙，裂缝更多的是起到渗流的作用；对页岩油而言，有机质孔隙较为不发育，其储集空间主要为无机孔隙(裂缝)。

(3)页岩油、气的赋存方式主要包括吸附、游离和溶解态，其中页岩气以吸附态为主，页岩油以游离态为主。

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Comparative Study on Reservoir Spaces and Occurrence Ways of Shale Gas and Oil

LIZhuowenPANRenfangSHAOYanYANGBaogang

(School of Geoscience, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

Both shale gas and shale oil are unconventional resources, but their reservoir spaces and occurrence ways are very different. For shale gas, due to the high degree of organic matter evolution and relatively strong diagenesis, primary pores and secondary pores are difficult to save. So organic pores become the main reservoir space of shale gas. In addition, larger surface area to volume ratio of organic matter and clay minerals also means that the main occurrence way of shale gas is adsorption state. For shale oil, because of its high molecular weight and viscosity and relatively low content of organic pores, the adsorption state of oil is hard to exploit in the current economical and technical condition. So the effective reservoir space is mainly determined by the contribution of inorganic space and fractures, and the occurrence way is mainly free.

shale oil; shale gas; reservoir space; occurrence way

2015-03-02

国家自然科学基金项目“页岩油气甜点地质构成要素研究”(2014Z1213)

李卓文(1989 — )，男，在读硕士研究生，研究方向为非常规油气成藏机理与储层描述。

P618

A

1673-1980(2015)05-0001-04