頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)-頁巖氣的成藏過程及特征

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1、頁巖氣的成藏過程及特征頁巖系統(tǒng)的地層組成：多為暗色泥頁巖夾淺色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥頁巖的薄互層。在頁巖系統(tǒng)中，天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣。除極少量的溶解狀態(tài)天然氣以外，大部分均以吸附狀態(tài)賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面，或以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。吸附狀天然氣與游離狀天然氣含量之間呈彼此消長關(guān)系，其中吸附狀態(tài)天然氣的含量變化于20%～85%之間。因此從賦存狀態(tài)觀察頁巖氣介于煤層吸附氣（吸附氣含量在85%以上）和常規(guī)圈閉氣（吸附氣含量通常忽略為零）之間（張金川等，2004）。頁巖氣成藏體現(xiàn)出了非常復(fù)雜的多機(jī)理遞變特點(diǎn)，除天然氣在孔隙水、干酪根有機(jī)質(zhì)以及液態(tài)烴類中的溶解作

2、用機(jī)理以外，天然氣從生烴初期時的吸附聚集到大量生烴時期的活塞式運(yùn)聚，再到生烴高峰的置換式運(yùn)聚，體現(xiàn)出了頁巖氣自身所構(gòu)成的完整性天然氣成藏機(jī)理序列。一、頁巖氣的成藏過程頁巖氣成藏作用過程的發(fā)生使頁巖中的天然氣賦存相態(tài)本身也構(gòu)成了從典型吸附到常規(guī)游離之間的序列過渡，因而頁巖氣成藏機(jī)理研究具有自身的獨(dú)特意義，它至少將煤層氣(典型吸附氣成藏過程)、根緣氣(活塞式氣水排驅(qū)過程)和常規(guī)氣(典型的置換式運(yùn)聚過程)的運(yùn)移、聚集和成藏過程聯(lián)結(jié)在一起。由于頁巖氣在主體上表現(xiàn)為吸附狀態(tài)與游離狀態(tài)天然氣之間的遞變過渡，體現(xiàn)為成藏過程中的無運(yùn)移或極短距離的有限運(yùn)移，因此頁巖氣藏具有典型煤層氣

3、、典型根緣氣和典型常規(guī)圈閉氣成藏的多重機(jī)理意義，在表現(xiàn)特征上具有典型的過渡意義。頁巖氣的成藏過程可以劃分為三個成藏階段。1．第一階段（頁巖氣成藏階段）該階段是天然氣在頁巖中的生成、吸附與溶解逃離（圖1－6①），具有與煤層氣成藏大致相同的機(jī)理過程。在天然氣的最初生成階段，主要由生物作用所產(chǎn)生的天然氣首先滿足巖石中有機(jī)質(zhì)和粘土礦物顆粒表面吸附的需要，當(dāng)吸附氣量與溶解的逃逸氣量達(dá)到飽和時，富裕出來的天然氣則以游離相或溶解相進(jìn)行運(yùn)移逃散，條件適宜時可為水溶氣藏的形成提供豐富氣源。此時所形成的頁巖氣藏分布限于頁巖內(nèi)部且以吸附狀態(tài)為主要賦存方式，總體含氣量有限。2．第二階段（根

4、緣氣成藏階段）在熱裂解氣大量生成過程中，由于天然氣的生成作用主要來自于熱化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，它將較高密度的有機(jī)母質(zhì)轉(zhuǎn)換成較低密度的天然氣。在相對密閉的系統(tǒng)中，物質(zhì)密度的變小導(dǎo)致了體積的膨脹和壓力的提高，天然氣的大量生成作用使原有的地層壓力得到不斷提高，從而產(chǎn)生原始的高異常地層壓力。由于壓力的升高作用，頁巖內(nèi)部沿應(yīng)力集中面、巖性接觸過渡面或脆性薄弱面產(chǎn)生微裂縫，天然氣與孔隙壁之間所形成的束縛水膜阻斷了地層水穿越天然氣所在孔隙段的流動（浮力作用），此時頁巖氣藏的形成在主體上表現(xiàn)為由生氣膨脹力所促動的氣排水活塞式成藏過程，天然氣原地或就近分布，構(gòu)成了擠壓造隙式的運(yùn)聚成藏特征（圖

5、1－6②）。在通常情況下，與頁巖間互的致密粉砂巖夾層，具有低孔低滲特點(diǎn)，它限定了天然氣通過氣排水的活塞式運(yùn)移、聚集逐漸形成根緣氣藏。此時的天然氣聚集已經(jīng)超越了頁巖本身，表現(xiàn)為無邊、底水和浮力作用發(fā)生的地層含氣特點(diǎn)，從整套頁巖層系考察，不論是頁巖地層本身還是薄互層分布的粉砂巖儲層，均表現(xiàn)為普遍的飽含氣性在該階段，游離相的天然氣以裂隙聚集、孔隙為主，頁巖地層的平均含氣量豐度達(dá)到較高水平。3．第三階段（常規(guī)氣成藏階段）隨著更多天然氣源源不斷地生成，則彼此連通性較差的裂隙網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成較大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，可以作為天然氣游離賦存場所和運(yùn)移高速通道，由于空間的增大，天然氣的運(yùn)移方式由

6、活塞式轉(zhuǎn)變微置換式。如果生氣量繼續(xù)增加，則天然氣分布范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，直到遇常規(guī)儲層或輸導(dǎo)通道后，天然氣受浮力作用而進(jìn)行置換式運(yùn)移，從而導(dǎo)致常規(guī)圈閉氣藏的大范圍出現(xiàn)(圖1－6③)。③②①致密砂巖含氣破裂帶常規(guī)砂巖天然氣頁巖圖1－6頁巖氣成藏的三個階段（據(jù)張金川等，2004）注：①頁巖氣成藏階段；②根緣氣成藏階段；③常規(guī)圈閉氣成藏階段圖二、頁巖氣藏的基本地質(zhì)特征與煤層氣類似，富含有機(jī)質(zhì)的頁巖本身可以作為頁巖氣的氣源巖，又可以作為儲集層，頁巖氣的賦存方式、成藏機(jī)理和成藏過程與常規(guī)天然氣有很大不同，因此，頁巖氣藏具有獨(dú)特的地質(zhì)特征。1．頁巖系統(tǒng)本身自組生儲蓋體系在頁巖氣藏中

7、，富含有機(jī)質(zhì)的頁巖是良好的烴源巖，頁巖中的有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、瀝青質(zhì)等，以及裂隙系統(tǒng)和粉砂質(zhì)巖夾層又可以作為儲氣層，滲透性差的泥質(zhì)頁巖為頁巖氣藏充當(dāng)封蓋層。烴源巖：含有大量的有機(jī)質(zhì)含量、分布廣泛、厚度較大的泥頁巖?？梢陨纱罅康奶烊粴?，并且具有供氣長期穩(wěn)定持續(xù)的特點(diǎn)。儲集層：與常規(guī)天然氣的砂巖儲集層不同（表1-2），其要的特點(diǎn):①儲集巖為泥頁巖及其粉砂巖夾層；②微孔隙、裂縫是頁巖氣儲集的主要空間，裂縫發(fā)育程度和走向變化復(fù)雜。一般頁巖裂縫的寬度在2毫米內(nèi)，裂縫密度一般較大；③天然氣的賦存狀態(tài)多變性（據(jù)張金川等，2003）。吸附、游離是頁巖氣賦存的主要方式，少量以溶解