引用本文
琚宜文, 戚宇, 房立志, 朱洪建, 王国昌, 王桂梁. 中国页岩气的储层类型及其制约因素.地球科学进展, 2016, 31(8): 782-799
Ju Yiwen, Qi Yu, Fang Lizhi, Zhu Hongjian, Wang Guochang, Wang Guiliang. China Shale Gas Reservoir Types and Its Controlling Factors. Advances in Earth Science, 2016, 31(8): 782-799  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.08.0782.
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Copyright©2016, 地球科学进展 编辑部
中国页岩气的储层类型及其制约因素
琚宜文1,2, 戚宇1,2, 房立志1,2, 朱洪建1,2, 王国昌1,2, 王桂梁3
1.中国科学院计算地球动力学重点实验室,北京 100049
2.中国科学院大学地球科学学院,北京 100049
3.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221008

作者简介:琚宜文(1963-),男,安徽桐城人,教授,主要从事煤田地质、非常规天然气地质研究.E-mail:juyw03@163.com

基金:国家自然科学基金重点项目“构造演化过程中泥页岩层变形作用及其富气机理研究”(编号:41530315); 国家自然科学基金面上项目“页岩流变的纳米效应及其赋气机理研究”(编号:41372213)资助
摘要

页岩气是重要的非常规天然气能源。按页岩气储层的沉积环境将页岩分为海相、海陆过渡相和陆相页岩3种类型,由此总结了中国海相、海陆过渡相和陆相富有机质页岩的地层、分布及储层特征。海相页岩单层厚度大、分布范围大,空间连续性好;海陆过渡相地层中页岩具有单层薄、累积厚度大、频繁互层的特征;陆相页岩在平面上规模相对小、展布受到河湖相的控制。不同沉积相页岩在气体成分、赋存状态、气体成因等方面具有一定的共性,但由于页岩气储层的沉积环境不同,海相、海陆过渡相和陆相页岩在厚度、分布和岩性组合特征等方面又有较大差别。对比中美主要产气页岩储层的制约因素,结果表明,有机质丰度、有机质演化程度、有机质类型等因素制约着页岩的生烃;矿物的比例及结构、有机质的演化程度、有机质类型、孔隙及裂隙结构、页岩气赋存及运移条件、埋藏深度和有效厚度等因素影响页岩气富集成藏。

关键词: 页岩气; 储层类型; 生烃特征; 赋存特征; 制约因素
中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)08-0782-18
China Shale Gas Reservoir Types and Its Controlling Factors
Ju Yiwen1,2, Qi Yu1,2, Fang Lizhi1,2, Zhu Hongjian1,2, Wang Guochang1,2, Wang Guiliang3
1.Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
2.College of Earth Sciences, University of Chinese Academic of Sciences,Beijing 100049, China
3.School of Resource and Earth Science, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China
Fund:Project supported by the State Key Program of National Natural Science of China “Research on shale deformation and its gas enrichment mechanism in tectonic evolution” (No.41530315); the National Natural Science Foundation of China “Research on nanometer effect of shale rheology and its gas occurrence mechanism” (No.41372213)
Abstract

Shale gas is an important unconventional natural gas. This paper classified shale into three types, which are marine, marine-continental transitional and continental facies shales, and summarized strata, distributions and reservoir features of the three kinds of shales. Marine face shale usually occurs in large scale and great thickness, and has widespread distributions; transitional face shale has the characteristics of thin layers, large multiple thickness and frequent interbedding, while the distribution of terrestrial face shale is relative narrow. Different shale reservoirs have similarities in gas compositions, occurrence states, gas origins. But they also differ in thickness, distributions and rock associations, etc., because of different sedimentary environments. Comparing reservoir characteristics of Chinese and American shale, organic matter abundance, maturity and types control the gas generation; mineral compositions and structures, organic matter maturity and types, pore and fracture structures, gas occurrence and migration characteristics, burial depth, and effective thickness control the shale gas accumulation.

Keyword: Shale gas; Reservoir types; Gas generation features; Gas occurrence; Controlling factors.
1 引言

页岩气与煤层气、致密砂岩气和天然气水合物等均属于非常规天然气。21世纪以来, 页岩气在非常规天然气中占有越来越重要的地位; 而且, 页岩气勘探开发具有重要的能源战略意义。早在1821年, 美国在阿巴拉契亚盆地泥盆系Dunkirk页岩中完井获得页岩气; 近几十年来, 美国页岩气产量增长迅速, 实现了大规模商业化开发, 在天然气产业中占比持续增加, 到2035年美国页岩气产量将占天然气总产量的47%[1](图1)。

我国页岩气资源潜力大, 据国土资源部估算, 我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿m3, 页岩气可采资源量约为25万亿m3; 美国能源信息署评估结果的技术可采储量为36.1万亿m3。尽管如此, 我国页岩气赋存的地质条件复杂, 且勘探开发起步时间较晚, 目前主要在南方四川盆地周缘海相页岩和鄂尔多斯盆地陆相页岩取得重大突破, 并建立了涪陵、长宁、威远和延长四大页岩气产区。

针对北美页岩气革命和我国页岩气勘探开发存在的重大科技难题, 目前我国已对大多数盆地及页岩气资源分布区进行了页岩含气性分析和资源的评估[2~12], 这些地区都发育具页岩气资源潜力的页岩; 而且在页岩气生烃、成藏和保存条件以及开发有利区优选等方面也取得了重要进展[13~17]。借鉴美国页岩气开发经验和中国资源赋存的特点, 海相页岩是我国近期勘探开发的重点, 陆相及海陆过渡相页岩同样具有很大的资源潜力[18~21]。

图1 1990— 2040年美国天然气产量对比(含预测)[1]Fig.1 Natural gas production in the United States from 1990 to 2040 (including forecast)[1]

国内外研究表明, 页岩气既可以以游离态赋存于页岩天然裂隙和孔隙中, 也可以以吸附态吸附于页岩干酪根和黏土矿物表面, 还可以以溶解态溶解于页岩可溶有机质(如沥青)或水中。不同于以游离气赋存的常规的天然气储层, 页岩中吸附气可占页岩气总含量的20%~85%[21]; 页岩气按其成因, 主要包括生物成因气、热/裂解成因气和混合成因气[13~17]; 页岩气成藏机理复杂, 主要有吸附机理、溶解机理、活塞运聚机理或置换运聚机理[22, 23]。

由于页岩气储层的沉积环境不同, 海相、海陆过渡相以及陆相页岩气在储层物质组成、生烃过程、赋存机理方面既有相近之处, 也有着显著的差异。本文拟探讨海相、海陆过渡相与陆相页岩类型及其特征的区别; 在此基础上, 选取我国典型沉积盆地页岩层, 对其有机质丰度、有机质演化程度、气体成因类型及有机质类型等数据进行深入分析, 同时将揭示页岩生烃、赋存过程等方面的制约因素, 因此, 这不仅对全面认识页岩气生成、赋存规律、储层特征等具有重要的理论意义, 而且对页岩气规模化勘探开发也具有重要的应用价值。

2 页岩气储层类型及分布

中国的板块构造格局经历了异常复杂的演变历史。现今的中国大陆由数十个大小不等的陆块(小板块)和时代不同、特征有异的构造活动带(断裂带、盆地、造山带等)增生拼接和碰撞挤压而成[24], 显生宙以来所经历的3期规模较大的板块碰撞, 对中国盆地演化具有重要影响[25]。我国能源盆地的类型多、结构复杂, 地质构造具多块体拼合、多期次、多旋回的复杂构造特征[26]。盆地类型差异导致不同页岩气储层类型、页岩气的生成和赋存特征的差异。由于中国含有机质页岩形成的地质条件复杂, 本文根据页岩气储层形成环境的不同, 结合前人的研究, 将中国页岩气储层类型分为海相、海陆过渡相和陆相页岩3种类型, 由此总结了中国海相、海陆过渡相和陆相富有机质页岩的地层、分布及储层特征。

2.1 海相页岩

由于海相沉积的碎屑物搬运分选好或内生形成, 能够形成很好的细粒沉积岩, 且相对缺氧的沉积环境有利于有机质保存, 是形成巨厚的富有机质页岩最有利的沉积环境[27]。根据海水深度, 海相沉积环境可以分为滨海相、浅海相、半深海相和深海相。而有利于页岩沉积的环境有:欠补偿深海— 半深海盆地、台地边缘深缓坡、半闭塞— 闭塞的欠补偿海湾等。我国的海相页岩地层主要有:上震旦统(陡山沱组)、下寒武统、上奥陶统(五峰组)— 下志留统(龙马溪组)、中泥盆统(罗富组)、下石炭统、下二叠统(栖霞组)、上二叠统(龙潭和大隆组)、下三叠统(青龙组)[28]。按照盆地来划分, 我国海相油气资源主要集中在三大盆地, 地层分别为四川盆地的寒武系、奥陶系和志留系; 塔里木盆地的寒武系和奥陶系, 埋深较大; 鄂尔多斯盆地的中奥陶统、石炭系和上二叠统, 资源丰度较低[29, 30]。总体来讲, 具有分布面积广、厚度大、有机质丰度高和成熟度高的特点, 具备了页岩气成藏地质条件。图2为中国古生界海相页岩气储层分布情况。

图2 中国海相页岩分布图[31]Fig.2 Distribution of marine shale in China[31]

中国现阶段页岩气开发主要突破在南方海相页岩地层。在早寒武世, 中国南方地区处于浅水、水体流通不畅的缺氧古地理环境下, 加之沉积了大量低等植物, 因而发育有厚至几百米的暗色页岩[32, 33]。奥陶纪的海侵使五峰组发育有炭质页岩和硅质层[34]。川鄂— 湘黔、黔南— 桂中、黔东— 黔西、苏浙皖、川东南— 黔中、渝东南和渝东北的寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组2套海相页岩为主要页岩气勘探目标区和目标层位[35]。经过多期次构造运动改造是扬子地区含油气盆地的主要特点, 但一些盆地位置未受明显破坏[36, 37]。例如, 我国的四川盆地在多方向构造应力的作用下经历了多期改造[38], 震旦纪末抬升剥蚀后, 寒武纪沉降接受海相沉积[39], 在泥盆纪时上升为陆地, 接受陆相沉积, 与之前的海相沉积地层之间缺失很多地层[34]。但盆地内部经历的构造变形相对弱, 早期沉积的下寒武统筇竹寺组、上奥陶统五峰组、下志留统龙马溪组等海相地层得以保存并具备很好的天然气成藏基础[40~42], 其含气量较为可观。

2.2 海陆过渡相页岩

海陆过渡相页岩, 主要包括沼泽相, 形成于前陆和克拉通坳陷等类型盆地。以煤系富有机质页岩为主, 广泛分布于我国中东部石炭系— 二叠系和南方二叠系。含煤地层中除了煤层以外, 还广泛发育了暗色页岩及砂岩等。煤系页岩通常具有有机碳(Total Organic Carbon, TOC)含量高、单层簿、累计厚度大、频繁互层的特征, 薄层的粉砂岩夹层有利于增强储层可改造性[43]。因此, 尽管海陆过渡相页岩独立开发的优势差, 但与煤岩、致密砂岩层互为源岩、储层和盖层, 形成多种类型的叠置非常规天然气藏。可以进行煤层气、致密砂岩气和页岩气多气共采[43~46]。在鄂尔多斯盆地、沁水盆地、渤海湾盆地等盆地中, 本溪组、太原组、下石盒子组等就是典型的海陆过渡相地层。图3展示了中国海陆过渡相页岩的分布位置。

图3 中国海陆过渡相页岩分布图[31]Fig.3 Distribution of transitional shale in China[31]

2.3 陆相页岩

陆相暗色富含有机质页岩, 是指在陆地的自然地理环境下沉积形成的页岩。在陆相暗色富含有机质页岩中或者其夹层中形成, 并且赋存于陆相页岩中的天然气称为陆相页岩气。陆相包括湖泊相、河流相、沼泽相以及火山沉积相。形成富有机质页岩主要是深湖相和沼泽相。此外, 还有陆相煤系地层中也有富含有机质暗色泥岩存在。有利于形成页岩, 特别是作为页岩气储层的富有机质暗色页岩的环境包括:湖湾、半深湖— 深湖。

东北地区松辽盆地发育的下白垩统青山口组黑色泥岩、华北地区沁水盆地山西组页岩、渤海湾盆地发育的古近系沙河街组沙三上亚段和沙四下亚段页岩、鄂尔多斯盆地发育的上三叠统延长组页岩、西北地区吐哈盆地吐鲁番坳陷发育的水西沟群地层暗色泥岩和炭质页岩等均以陆相湖盆沉积为主[29], 都具有很好的成气前景。图4显示中国陆内湖相页岩气储层分布。

图4 中国湖相页岩分布图[31]Fig.4 Distribution Lacustrine shale in China[31]

2.4 不同类型页岩分布及地层特征

不同于美国页岩气主产层位主要为海相地层[27, 47, 48], 中国能源盆地具有特殊的构造演化历史和沉积环境, 海相页岩主要在下古生界至下三叠统发育, 由于构造运动, 地壳抬升, 海陆变迁, 在这些地区的富含有机质海相页岩之上又叠加了海陆过渡相页岩和陆相页岩, 但它们大多是有机质含量较低的浅色页岩; 海陆过渡相和陆相页岩现多发育于煤系地层, 主要是中生代至新生代地层。中国海盆的多期构造运动导致了多期成藏与调整、改造与破坏, 晚期强烈构造变形, 使得现今海相油气藏成藏期晚, 富含有机质海相页岩主要分布在扬子地区, 其中主要

以中上扬子地区为主; 新生界陆相及海陆过渡相页岩还有很多未达到成熟, 属于生油阶段。中国东部中、新生代张性深断陷一般具有高— 特高生烃丰度和油气资源丰度, 各断陷内湖相生油岩具有丰富的有机碳和较好的母质类型[49]。中新生代陆相煤系地层富含有机质页岩主要在2类盆地发育:一是大型坳陷, 如鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地侏罗系、四川盆地上三叠系; 二是断陷, 如中国东北地区含煤盆地中的断陷[14]。

不同沉积相页岩在气体成分、赋存状态、气体成因等方面具有一定的共性, 但由于烃源岩的沉积环境不同, 海相、海陆过渡相和陆相页岩在厚度、分布和岩性组合特征等方面又有较大差别(表1)。海相页岩分布范围大, 空间连续性好, 但受区域构造和碎屑物充填的影响比较明显, 可对比性下降; 海陆过渡相煤系地层中页岩具有单层薄、累积厚度大、频繁互层; 相比之下, 陆相沉积环境由于湖泊、河流分布范围局限, 地层可对比性较差, 各项参数差异明显, 如鄂尔多斯盆地和沁水盆地[50]。

表1 海相、海陆过渡相与陆相页岩地层特征 Table 1 The characteristics of marine, transitional and continental shale
3 页岩气储层制约因素
3.1 页岩气储层的有机质制约因素

当然, 页岩气储层首先与页岩中有机质类型、含量和分布有关。页岩生烃是指不同地质条件下页岩中有机质成熟演化伴随烃类物质生成的过程。衡量一套页岩生烃潜力的主要指标为有机质丰度、有机质演化程度、有机质类型以及富有机质页岩的有效厚度与平面分布等。表2总结了中美主要产气页岩有机地球化学特征。总体上, 各主要含油气盆地内, 中— 新生代页岩广泛发育, 以陆相沉积为主, 具有东部生油能力强, 西部生气能力强的特征; 古生界页岩主要发育于中、西部盆地和南方地区, 以海相沉积为主, 具有高热演化程度的特征[51, 52]。本节从有机质丰度、有机质演化程度和有机质类型3个方面详细探讨不同类型页岩气储层的有机质制约因素。

表2 中国和美国主要产气页岩有机地球化学特征 Table 2 The organic geochemical characteristics of the main gas producing shale in China and the United States

3.1.1 有机质丰度

有机质是含有机质岩石生烃的物质基础, TOC是衡量页岩生烃强度最重要的指标。TOC高, 生烃潜力大; 反之, 生烃潜力小。海相黑色页岩TOC一般在2%以上; 海陆过渡相暗色页岩与煤层互层, 岩性变化快, TOC含量不稳定, 平均值高, 由于有薄煤层的夹层存在, 煤系页岩TOC可能远高于正常的页岩[53]; 陆相(主要为湖相)暗色页岩的沉积中心附近TOC值一般也较高(图5)。高TOC值通常与细粒沉积(页岩)相关, 而粗碎屑沉积岩的有机质含量较低。因此页岩TOC含量很大程度受控于地层岩性。海相页岩的页岩层厚度大, 岩性变化慢; 海陆过渡相砂岩、泥岩频繁互层, TOC值垂向变化快, 极不稳定, 具有一定旋回性; 陆相页岩沉积盆地范围小, 细粒沉积通常出现在靠近沉积中心处, 横向可对比性差。但总体上, 中国很多地区页岩, 包括海相、海陆过渡相和陆相地层中的富含有机质页岩都可以具有较好的生烃潜力。

3.1.2 有机质热演化程度

有机质的热演化程度对生烃具有重要意义, 是评价高产页岩的重要参数[58]。对比美国产气页岩的TOC、RO及页岩的有效厚度等地质参数, 在其他参数相近时, RO对生烃和富集的影响极大[59]。Zhao等[60]认为Barnett页岩气能够勘探与开发的首要因素是热演化程度, 其次为厚度和TOC。按照Tissot划分方案:RO< 0.5%为低成熟作用阶段, 生油岩处于未成熟或低成熟作用阶段; RO介于0.5%~1.3%为成熟阶段, 处于生油窗; RO在1.3%~2.0%为高成熟阶段, 处于湿气和凝析油带; RO> 2%为过成熟作用阶段, 处于干气带[61]。具体到单一类型的干酪根, 成熟度优选指标不同, 美国含腐泥型干酪根一般要求RO大于1.4%, 中国腐泥型干酪根RO要求大于1.1%, 腐殖型干酪根RO大于0.5%[62]。

中国很多产气页岩的RO偏高, 这可能和中国复杂的构造热演化有关[6, 26]。经过中新生代改造后, 许多大中型盆地遭到破坏, 仅在四川、鄂尔多斯、塔里木等地保留下来一部分克拉通盆地。中生代以来, 陆相盆地广泛发育。下寒武统海相富含有机质页岩的热演化程度普遍较高, 仅在上扬子南部和北部、鄂西和下扬子中部地区RO< 3.0%, 其他地区下寒武统海相富含有机质页岩普遍RO> 3.0%, 页岩气的勘探前景不大。RO过高不利于页岩气储层的形成[13, 63]。图6为中美不同盆地、不同地层的页岩的变质程度或热演化程度, 总体来说, 中国海相古生界页岩热演化程度较高(RO=2.0%~5.0%), 以生气为主; 海陆过渡相页岩热成熟度相对海相页岩较低, 但有受其他热事件的叠加影响时, 可达较高的热演化程度, 海陆过渡相页岩以III型干酪根为主, 且大部分进入生气窗, 以生气为主; 陆相中新生界页岩热演化程度较低(RO=0.5%~2.0%), 陆相页岩以I型干酪根为主, 且热演化程度偏低, 以生油为主, 可能既有油又有气[64]。成熟度也影响着页岩的吸附能力, 此外, 随着热演化程度的增高, 大量生成的烃类物质会导致地层压力, 使吸附气含量增大。

图5 中美典型页岩TOC值(数据收集于参考文献[21, 54~57])Fig.5 TOC value of typical Chinese and American shale (data from references[21, 54~57])

图6 中美典型页岩热演化程度(数据收集于参考文献[21, 54~57])Fig.6 Maturation of typical Chinese and American shale (data from references[21, 54~57])

3.1.3 有机质类型

按照形成的沉积环境和古生物来源, 有机质(干酪根)类型通常可以分为I, II, III和VI型[65]。有机质类型与页岩生气和储气能力有密切关系, 是研究页岩赋气机理的参数。已有研究表明, I型和Ⅱ 型干酪根主要以生油为主, 分别形成于内陆深湖相和海相沉积环境; Ⅲ 型干酪根主要以生气为主, 主要由高等植物形成于陆相沉积环境; 而IV型干酪根是残余有机质, 由较老沉积物侵蚀搬运或是风化、氧化而成, 生油气潜力极低; 而在实际情况下, 每个盆地页岩中的干酪根类型通常为2种以上的混合型[65]。根据美国页岩的数据, Barnett页岩原始总有机碳平均值为6.41%, 其中有95%来源于Ⅰ 型干酪根, 5%来自于Ⅱ 型干酪根[58]; Antrim页岩主要产气层以Ⅰ 型为主[66]。中国四川盆地海相龙马溪组等的同位素研究也证明其烃源岩干酪根类型为Ⅰ 和Ⅱ 型[67]; 鄂尔多斯盆地海陆过渡相煤系页岩干酪根类型以III型为主, 其煤层有机质生气起到很大贡献; 鄂尔多斯盆地陆相页岩干酪根则以I和II1型为主[68]。

由于不同干酪根的化学组成与结构特征具有显著差别, 因而不同阶段产气率会有较大变化。主要生气期(天然气的生成量占总生气量的70%~80%)对应的RO值不同[69]。I, II和III型干酪根主要生气期对应的RO分别为1.2%~2.3%, 1.1%~2.6%和0.7%~2.0%; 海相石油裂解成气的RO值为1.5%~3.5%[70]。在RO值相同的情况下, 陆相页岩比海相页岩先进入生气阶段。一般中国的陆相页岩具有RO值高的特点, 如沁水盆地RO值一般在2.24%~2.95%, 且不同的有机质类型的页岩气储层孔隙发育程度也不同, 在富含镜质体、惰质体的II型和III型干酪根中有机质孔最为发育, 并随成熟度增高, 而增加II型干酪根比I型和III型干酪根发育的孔隙更多[58, 71~74]。II型干酪根比I型干酪根拥有更强的甲烷吸附能力[75]。在高过成熟阶段, 不同类型干酪根芳构化程度增加, 化学结构趋于相同, 干酪根类型难以区分, 因此显微组分可能是影响有机质孔隙结构的主要因素[76]。

3.2 页岩气储层特征制约因素

除上述页岩气储层有机地球化学特征以外, 仍有很多因素是页岩气资源潜力评价需要重点考虑的, 包括页岩矿物组成、页岩物性、地层条件等。表3列出了中国和美国主要产气页岩储层的部分参数, 中国主要页岩气储层物性非均质性要明显高于美国, 这与中国复杂的盆地演化特征有直接关系。

中国学者早在20世纪90年代便对页岩气藏的基本特征进行了概括[77~85], 他们指出页岩自成一套生储盖体系, 页岩气藏具有高压异常、多种储集空间类型的特点, 介于根状气、根缘气、根远气三大气藏之间, 储层致密, 以纳米级孔隙和微裂缝为主, 单井产量低。页岩气藏为隐蔽圈闭气藏, 其赋存聚集不需要构造圈闭[86]。

3.2.1 页岩矿物比例和结构

页岩中的矿物主要有脆性矿物(石英和方解石等)、黏土矿物和微量矿物(黄铁矿、石膏、重晶石等)。脆性矿物含量是评价页岩可改造性的重要指标, 直接影响脆性指数大小[87~89]。如Barnett页岩产气岩段按体积, 有45%的石英, 7%的长石, 黏土少于30%[90]。但是Barnett页岩中石英、黏土及碳酸盐含量变化很大, 导致破裂梯度变化很大[58]。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, 岩石脆性越强, 在人工压裂外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝, 形成多树— 网状结构缝, 有利于页岩气开采。而高黏土矿物含量的页岩塑性强, 吸收能量, 以形成平面裂缝为主, 不利于页岩体积改造。黏土矿物包括伊利石、高岭石、蒙脱石、水云母、绿泥石等, 其含量高不利于形成裂缝, 但相对于脆性矿物, 黏土矿物吸附气体的能力更强[91], 因此黏土矿物含量多的页岩易于页岩气的微孔吸附, 但不利于页岩气的开采, 使用水基压裂液容易造成储层伤害[92]。

黏土矿物组成对页岩赋气具有重要贡献, 在有机碳较低的页岩中, 伊利石的吸附作用至关重要[93]。并且黏土矿物对有机质的热演化具有催化作用, 加速了有机质的成熟, 有机质的生气率明显增高, 在较低成熟度时使生油率降低, 较高成熟度时则使有机质的生油率大幅度增加[94]。孔径分布也与矿物类型相关, 大孔的孔隙体积与石英相关, 而介孔、微孔体积和孔隙比表面积与黏土矿物和有机质含量呈正相关, 即黏土矿物含量和TOC增大, 有利于吸附气含量增大[95~97]。黏土矿物能不同程度地降低原生和次生孔隙度, 当晶体生长堵塞喉道或流体流动使集晶散碎堵塞孔喉时, 自然就会降低渗透率。

表3 中国和美国主要产气页岩的储层特征 Table 3 The characteristics of the main gas shale in China and the United States

图7展示了中国典型海相、海陆过渡相和陆相页岩与美国Barnett和Marcellus页岩的矿物类型组成, 可见海相页岩碳酸盐岩矿物明显要多于海陆过渡相和陆相页岩。管全中等[98]对中国海相和陆相页岩进行的矿物成分分析表明, 海相页岩中, 石英、长石等脆性矿物成分较多, 这些矿物具有一定的抗压实作用, 能够有效地保护部分粒间孔隙, 并且还发育一定量的碳酸盐岩矿物, 容易形成溶蚀孔; 陆相页岩由于陆源碎屑的稀释作用, 主要富含黏土矿物, 集中于55%~68%, 而且黏土矿物中伊蒙混层和高岭石水敏矿物含量也较高[26]。这是由于在还原环境中, 长石、方解石等碎屑矿物容易保存; 在氧化环境中, 长石易于风化成伊利石、蒙脱石等黏土矿物。

3.2.2 页岩孔隙与裂隙特征

页岩孔隙空间类型主要分为有机质孔、粒间孔、溶蚀孔、粒内孔和微裂隙5类。页岩的孔裂隙结构是多种类型的复杂组合。除物理压实外, 影响储层孔裂隙体积的其他因素包括化学压实、胶结、黄铁矿结晶和交代作用、石英和方解石等矿物溶解和重结晶、蒙脱石伊利石的相互转化、有机质酸溶蚀作用和有机质降解孔隙等[101~104]。有机质孔多为纳米级孔隙, 分布在有机质内部或与矿物颗粒吸附的有机质中, 是页岩在埋藏成岩与有机质演化过程中形成的孔隙, 有机质孔的发育与有机质成熟度、有机质显微组分以及总有机碳含量等因素有关[105]。

图7 中国典型海相、海陆过渡相和陆相页岩与美国典型页岩矿物组成(据参考文献[99, 100]修改)Fig.7 Mineral components of typical Chinese marine, transitional and terrestrial shale, and typical American Marcellus and Barnett shale(modified after references[99, 100])

页岩孔裂隙多尺度表征迅速发展, 形成了工业CT— 微米CT— 纳米CT/FIB系列辐射扫描方法和压汞(MICP)— 氮气吸附— 二氧化碳吸附流体法的完整方法体系[106, 107]。同时离子抛光技术和扫描电镜的结合为页岩孔隙形态学研究提供了有效的途径。图8展示了中国主要海相、海陆过渡相和陆相页岩的微观孔隙特征。总体来说, 海相页岩有机质孔更为发育、密度更高, 这主要是由于其变质程度更高, 同时也可能与有机质类型有关; 而陆相页岩较海相页岩埋藏深度更小, 压实相对较弱, 物源多样性强, 孔隙类型和孔隙形态更为多样。

页岩矿物粒间孔隙一般存在于一些粒度较大、硬度较高的碎屑颗粒之间(如石英、方解石、长石、白云石等), 这些碎屑颗粒阻挡了外力, 从而使孔隙保存下来, 大小从几纳米到超过1 μ m[111]; 不稳定矿物如石英、长石、碳酸盐、黏土矿物等会形成溶蚀孔, 特别是黏土矿物中的溶蚀孔发育很普遍, 有机质在分解过程中会产生有机酸, 有机酸能够溶蚀大量长石和碳酸盐矿物, 这是一种次生孔隙; 粒内孔在页岩中广泛发育, 孔隙大小主要为微米级, 其形态多样, 成因复杂; 微裂缝是连接微观孔隙与宏观裂缝的桥梁, 页岩中的有机质颗粒、骨架矿物、黏土矿物中都能发育微裂缝, 或发育在颗粒内部或发育在矿物与矿物之间或贯穿于大面积区域, 微裂缝可以有效地改善储层的渗流能力, 裂缝发育程度是评价储层好坏的重要指标[112]。

图8 中国海相、海陆过渡相和陆相页岩孔隙特征[108~110]
(a)为四川盆地东部海相龙马溪页岩矿物粒间孔; (b)为四川盆地东部海相筇竹寺组页岩有机质孔; (c)和(d)分别为湘中涟源凹陷海陆过渡相二叠系龙潭组页岩矿物残留粒间孔和有机质孔; (e)和(f)为鄂尔多斯盆地湖相延长组页岩粒间孔、微裂隙和有机质孔等, 均为扫描电镜图片Fig.8 OM pores within marine, transitional and terrestrial shale in China[108~110]
(a) and (b) are marine shale in the eastern part of Sichuan Basin; (c) and (d) are transitional shale in middle of Hunan Province; (e) and (f) are terrestrial shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

页岩裂缝可为页岩气提供聚集空间、运移通道[113, 114], 裂缝是游离气和部分吸附气的储集场所, 所以裂缝的发育是页岩气储存的必要因素, 天然裂缝系统发育程度不仅直接影响页岩油气藏的开采效益。页岩裂缝可以分为构造缝和非构造缝, 构造缝包括剪切裂缝、张剪性裂缝、滑脱裂缝、构造压溶缝合线、垂向载荷裂缝、垂向差异载荷裂缝; 非构造缝包括成岩收缩裂缝、热收缩裂缝、溶蚀裂缝和风化裂缝[112]。而影响裂缝发育的因素很复杂, 包括岩层的力学性质、湿度、构造变形因素、溶蚀和充填作用、岩层受力环境、埋藏深度等[115], 还包括页岩的厚度和有机碳含量[116]、生烃压力或应力[117]。美国阿巴拉契亚盆地Barnett中产气量高的井, 大部分都在裂缝发育区, 相反在裂缝不发育地区, 井的产气量很低[118]。水的含量会影响较浅层次页岩的裂缝发育, 从而间接影响页岩气的赋存。硬脆性页岩具有较显著的毛细管效应, 岩石矿物颗粒间微孔缝自吸水后产生较强的水化作用, 促使次生微裂纹的产生、扩展与连通, 微裂纹不断发展成裂缝直至贯通[119]。再如Barnett页岩气的开采过程中, 发现很多天然裂缝被胶结, 所以Barnett页岩主要断层附近的裂缝型页岩产能很低, 其原因就是水分引起天然裂缝的胶结[120]。裂缝的密度及走向控制了煤层气、页岩气井的产能[121]。

3.2.3 页岩气赋存及运移条件

中国页岩的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同, 天然气在其中的赋存方式也有所不同。页岩气主要以吸附和游离态同时赋存于天然裂隙和粒间孔隙、干酪根和页岩颗粒表面或是干酪根和沥青中[21], 体现为成藏过程中没有或仅有极短距离的运移, 为自生自储型。页岩对甲烷气体的吸附能力受到矿物(主要是黏土矿物)的比例及结构、有机质成熟度、类型及含量、孔裂隙结构(如孔径分布、比表面积等)、水分含量、温度压力条件、页岩的有效厚度等影响[122, 123]。页岩气储集和保存与微纳米孔隙具有密切的关系[124, 125]。

页岩气流动机理主要包括解吸、扩散和渗流。具体为气体从纳米孔隙壁上的解吸; 在干酪根/黏土中以及纳米孔隙中气体流动属于扩散。井筒附近, 大孔隙及裂缝中气体流动遵循达西定律[126]。目前测量页岩裂缝的渗透率一般在0.001× 10-3~0.1× 10-3 μ m2, 基质渗透率在10-12× 10-3~10-6× 10-3 μ m2[127]。岩样实验得出页岩的基质渗透率在10-9 μ m2数量级, 因此页岩气的天然运移产出机制主要受微观孔隙结构制约。由于页岩的碎屑颗粒小, 导致孔隙度小; 同时黏土矿物和有机质的存在使压实效应对孔隙度的影响更为显著[128]。气体在页岩的孔隙中的运移是一个扩散过程[129]。

中国页岩孔隙度和渗透率的差异性强。页岩气储层低孔、低渗的物性特征以及无效孔隙度高都是造成页岩气流的阻力比常规天然气大的因素。页岩中游离相天然气的采出, 能够自然达到降压目的, 导致吸附态天然气游离化, 进一步提高了天然气的产能, 实现长期稳产目的[130]。由于孔隙度和渗透率较低, 页岩天然气的生产率和采收率亦低。因此, 页岩气的最终工业产率依赖有效的人工压裂措施[120]。压裂技术和开采工艺直接影响页岩气井的经济效益。

3.2.4 页岩埋藏深度和有效厚度

页岩的埋藏深度和有效厚度是控制页岩气成藏的关键因素。美国页岩气盆地的有关资料表明, 页岩气储层的埋藏深度范围比较广泛, 埋深从最浅的76 m到最深的2 439 m, 主要为762~1 372 m。一般地, 页岩的厚度在91.5~183 m[131]。页岩的原始孔隙度可达35%以上, 随埋藏深度增加, 迅速减少, 在埋深2 000 m以后, 孔隙度仅残留10%或更低[116], 物理压实对孔隙度的影响最大, 数千米的埋藏可使孔隙度降低88%[73]。页岩气成藏的关键因素是埋藏深度和有效厚度, 因为形成工业性的页岩气藏的页岩必须达到一定厚度并具有连续分布面积, 才能提供足够的气源和储集空间形成有效的烃源岩层。足够的埋深, 配合复杂的沉降史, 能保证温度、压力条件, 多期的抬升与深埋使有机质多次进入生烃门限[117]。美国海相页岩气储层埋深从浅到深均有分布, 为800~2 600 m。中国海相地层主要是古生代地层, 埋深较深, 如四川盆地下寒武统九老洞组、筇竹寺组、下志留统龙马溪组等, 埋深都在2 000~3 500 m[130]; 中国陆相和海陆过渡相页岩主要是晚古生代以来沉积形成的, 埋深较早古生代地层较浅, 如沁水盆地山西组、太原组, 鄂尔多斯盆地延长组等, 埋藏深度大多在1 000 m以内(表3)。页岩层埋藏深度越大, 岩性越致密, 页岩气保存条件越好, 但开发难度也增大。

按照美国海相页岩气开发经验, 一般有效厚度大于30 m才有经济开采价值。富有机质页岩厚度愈大, 气藏富集程度愈高[116]。要形成工业性的页岩气藏, 页岩必须达到一定的厚度并具有连续分布面积, 提供足够的气源和储集空间, 这样才能成为有效的烃源岩层和储集层[132]。页岩越厚, 对气藏形成越有利, 足够的埋藏深度能够保证有机质具备向油气转化所必需的温度和压力。一般海相地层单层厚度大, 利于有机质的生烃; 而陆相和海陆过渡相页岩单层厚度小, 但因其互层较多, 累计厚度大, 同样也可能具有开发价值。如沁水盆地石炭系太原组富有机质页岩累计有效厚度达到46.61~64.15 m, 且具有生烃能力[133], 因此具有潜在的开发价值(表3)。累计厚度大有利于烃类的聚集, 可以弥补TOC较低的影响。

4 结论

本文通过分析国内外页岩气研究进展, 并对中国页岩气储层和美国主要产气页岩储层类型及其特征进行对比研究, 得到以下结论:

(1) 在划分页岩气储层类型的基础上, 总结了中国海相、海陆过渡相和陆相富有机质页岩的地层及分布特征。海相页岩单层厚度大、分布范围大, 空间连续性好, 其中欠补偿深海— 半深海盆地、台地边缘深缓坡、半闭塞— 闭塞的欠补偿海湾最利于富含有机质页岩发育; 海陆过渡相煤系地层中页岩具有单层薄、累积厚度大、频繁互层等特点, 中新生代陆相煤系地层富含有机质泥岩主要在大型坳陷和断陷盆地发育; 陆相页岩在平面上规模相对小、展布受到河湖相控制, 以湖湾和半深湖— 深湖沉的沉积环境最易形成富有机质页岩。

(2) 从页岩有机质丰度、有机质演化程度、有机质类型3个方面探讨有机质对页岩气储层的制约。海相页岩厚度大, TOC普遍较高, 热演化程度高, 有机质类型以Ⅰ 和Ⅱ 型为主; 海陆过渡相页岩TOC垂向变化快, 具有一定旋回性, 热演化程度适中, 当叠加有其他热事件时, 可达较高成熟度度, 干酪根类型以III型为主; 陆相页岩分布范围有限, TOC在沉积中心处较高, 成熟度较低, 以I型和II1型为主, 以生油为主。干酪根类型会影响生气窗对应的成熟度、生烃潜力、有机质孔发育程度和气体的吸附能力。

(3) 从页岩矿物组成、孔裂隙特征、气体赋存和运移条件、层埋藏深度和有效厚度等方面探讨页岩气储层的制约因素。页岩矿物组成与页岩物性(如孔隙度、吸附能力、渗透性和可改造性等)密切相关。海相页岩碳酸盐岩矿物相对较高, 有机质孔更为发育; 而陆相页岩较海相页岩埋藏深度更小, 压实相对较弱, 物源多样性强, 孔隙类型和孔隙形态更为丰富。而裂缝可为页岩气提供聚集空间、运移通道。低孔、低渗特征决定了页岩气开采需要依赖有效的人工压裂措施。页岩层埋藏深度越大, 岩性越致密, 页岩气保存条件越好, 但开发难度也增大; 对于海相页岩而言, 有效厚度通常指单层厚度, 但对于岩性频繁交互的海陆过渡相页岩, 有效厚度应拓展为累计有效厚度, 有效厚度越大, 越有利于页岩气富集。

The authors have declared that no competing interests exist.

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