頁(yè)巖氣成藏及規(guī)律分析與探索

馬 帥

（長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100）

頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1，2]。從能源安全和需求的角度而言，我國(guó)天然氣產(chǎn)量仍然不能自給自足，存在巨大的缺口，對(duì)外依存度比較高，并且逐年增加。據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)的頁(yè)巖氣勘探潛力巨大，目前總體處于勘探早-中期階段，頁(yè)巖氣市場(chǎng)具備十分廣闊的潛力。因此，加強(qiáng)頁(yè)巖氣的研究，對(duì)發(fā)現(xiàn)新的頁(yè)巖氣資源、提升國(guó)家能源自給率以及確保國(guó)家能源安全都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 頁(yè)巖氣聚集機(jī)理

在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的靜水還原性沉積之后，頁(yè)巖就會(huì)連續(xù)生成生物型的天然氣，在此過程中，也會(huì)形成頁(yè)巖氣，并且頁(yè)巖氣的形成不要求特殊的構(gòu)造條件，聚集過程中幾乎沒有運(yùn)移距離，一般在頁(yè)巖層內(nèi)就近便會(huì)聚集起來，表現(xiàn)為典型的“原地”聚集模式，具有“早期成藏”、“隱蔽性”、“源儲(chǔ)一體”的特點(diǎn)。頁(yè)巖氣聚集是復(fù)雜的多機(jī)理遞變過程，在剛開始階段，有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面吸附的主要為生物型天然氣，當(dāng)天然氣的吸附量和溶解量達(dá)到一定的飽和度時(shí)，剩余的天然氣就會(huì)逃散（圖1）。這個(gè)階段形成的頁(yè)巖氣主要以吸附狀態(tài)存儲(chǔ)在頁(yè)巖內(nèi)部，總體含氣量有限。然后經(jīng)過一段時(shí)間的演化之后，頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)就會(huì)進(jìn)入成熟階段，這個(gè)階段天然氣主要是由于干酪根的降解和各種大分子烴類的裂解作用而形成的，生成的大量天然氣使地層產(chǎn)生了異常的高壓區(qū)。在高壓的作用下，頁(yè)巖內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生裂縫，使得大量天然氣聚集在裂縫中，最終形成了游離態(tài)為主、吸附態(tài)和溶解態(tài)為輔的頁(yè)巖氣。從某種程度上而言，頁(yè)巖氣的聚集本質(zhì)上是天然氣在頁(yè)巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果[3-4]。

圖1 頁(yè)巖氣聚集機(jī)理示意圖

2 頁(yè)巖氣地質(zhì)特征

頁(yè)巖氣的地質(zhì)特征主要有5點(diǎn)：賦存狀態(tài)、儲(chǔ)層特點(diǎn)、地化特征、成因類型、保存條件等。首先，大部分的頁(yè)巖氣在頁(yè)巖中都是以吸附態(tài)存在，其他則是以游離態(tài)、溶解態(tài)存在。頁(yè)巖氣的富集程度與儲(chǔ)層的孔滲條件和裂縫發(fā)育程度關(guān)系較大，孔滲條件較好、裂縫越發(fā)育，則頁(yè)巖氣的品質(zhì)和資源量越好。其次，在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中，絕大多數(shù)黏土礦物都已經(jīng)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定性的礦物，并且處于晚成巖時(shí)期，地層的厚度一般需要大于30m。頁(yè)巖儲(chǔ)層中的Toc含量較高，一般大于l%，而且有機(jī)質(zhì)豐度比較高，不同類型的有機(jī)質(zhì)在整個(gè)演化過程中都會(huì)生成頁(yè)巖氣。另外，頁(yè)巖氣的成因類型有3種：熱成因、生物化學(xué)成因以及二者的混合成因。最后，具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏對(duì)于保存條件有一定的要求。

3 頁(yè)巖氣演化特征

頁(yè)巖氣的形成對(duì)于頁(yè)巖的種類沒有十分特殊的要求，在條件允許的情況下，只要是富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖就有機(jī)會(huì)生成頁(yè)巖氣，但是不同種類的頁(yè)巖生成頁(yè)巖氣的演化過程中具有不一樣的特征，按照有機(jī)質(zhì)來劃分，頁(yè)巖主要分為3種：腐泥型、混合型、腐殖型。前兩種頁(yè)巖在沉積之后埋藏的深度會(huì)日益加大，在深度達(dá)到一定的數(shù)值之前，頁(yè)巖在這一過程中生成了大量的以生物甲烷為主的烴類產(chǎn)物，這時(shí)頁(yè)巖的生油潛力非常大。在深度達(dá)到門限深度之后，頁(yè)巖中的大量有機(jī)質(zhì)-干酪根便逐漸降解生成原油并且排出。隨著埋藏深度的進(jìn)一步加大，干酪根和之前生成的原油發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成輕質(zhì)油和裂解氣[3，4]。最后，頁(yè)巖的生油潛力逐漸枯竭，但是干酪根和之前生成的原油仍然會(huì)發(fā)生熱裂解反應(yīng)，生成高溫甲烷。第三種頁(yè)巖以生氣為主，與前兩種頁(yè)巖的最大的區(qū)別在于沒有生油帶，在頁(yè)巖氣演化過程中沒有油產(chǎn)生，而其他演化特征基本相同。

4 頁(yè)巖氣主控因素

頁(yè)巖的物質(zhì)組成和類型主要由沉積環(huán)境決定，而頁(yè)巖的熱演化程度和分布情況主要由構(gòu)造條件決定。一般情況下，很多因素都會(huì)控制頁(yè)巖氣的聚集，主要為有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度以及裂縫。天然氣的生成方式主要由有機(jī)質(zhì)的成熟度決定，而且頁(yè)巖成熟度越高，氣體的生成速度越快，其含氣量越大。頁(yè)巖成熟度較低，頁(yè)巖中生成的天然氣會(huì)溶解在原油中，而基本不會(huì)產(chǎn)出頁(yè)巖氣。其次，有機(jī)碳含量也是控制頁(yè)巖氣聚集的主要因素，不但可以控制頁(yè)巖的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，而且在一定程度上也可以控制其裂縫發(fā)育情況，更為關(guān)鍵的是可以控制其含氣量的大小，有機(jī)碳含量越高，頁(yè)巖的含氣量越大，它們之間呈正相關(guān)。一般而言，頁(yè)巖氣含量多的頁(yè)巖中，裂縫都比較發(fā)育，而且其品質(zhì)也較好。但是，對(duì)于頁(yè)巖氣的成藏，裂縫發(fā)育是一把雙刃劍：頁(yè)巖中微裂縫比較發(fā)育，并且和大型斷裂相互連通，會(huì)破壞頁(yè)巖氣的保存，而且裂縫規(guī)模過大，甚至?xí)固烊粴馍⑹?；?yè)巖中微裂縫發(fā)育，不僅能為頁(yè)巖氣成藏提供一定的儲(chǔ)集空間，也可以為頁(yè)巖氣的運(yùn)移、開采提供通道[3-4]。

5 頁(yè)巖氣分布規(guī)律

頁(yè)巖氣的分布同樣由很多因素所決定，例如賦存條件、沉積條件、有機(jī)質(zhì)成熟度、埋藏深度等，使得頁(yè)巖氣分布具有一定的隱蔽性，導(dǎo)致頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)難度較大。想要形成具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣，就必須具有豐富的氣源條件，而通常富含有機(jī)質(zhì)的黑色泥頁(yè)巖是最好的氣源條件，這種黑色泥頁(yè)巖都是在條件比較好的還原環(huán)境中形成的。與此同時(shí)，頁(yè)巖氣的富集也需要非常大的儲(chǔ)集空間，這種空間其實(shí)就是厚度較大的地層（＞30m），而且從天然氣的生成條件而言，不僅需要厭氧環(huán)境，而且需要高溫條件，因此，頁(yè)巖氣的富集有利區(qū)是沉積的中心區(qū)域[4-5]。一般而言，具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層都是在一定規(guī)模的裂縫發(fā)育帶中發(fā)現(xiàn)的，除了頁(yè)巖自生的裂縫之外，構(gòu)造裂縫也可以給頁(yè)巖氣的聚集提供一定的條件。因此，頁(yè)巖氣的聚集場(chǎng)所還有地應(yīng)力集中帶、構(gòu)造轉(zhuǎn)折帶以及褶皺等[4-5]。

6 結(jié)論

與常規(guī)油氣資源相比，我國(guó)的頁(yè)巖氣資源量潛力巨大，并且具有十分良好的勘探開發(fā)前景。經(jīng)過近些年的發(fā)展，頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層研究取得一定的成果，但是對(duì)于頁(yè)巖氣成藏規(guī)律方面的研究，目前仍然不夠成熟，處于探索階段。因此，必須開展頁(yè)巖氣成藏和規(guī)律方面的分析與研究，對(duì)比和總結(jié)不同地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的規(guī)律，從而對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)進(jìn)行有效指導(dǎo)。