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页岩气成藏机理和分布

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页岩 气成藏 机理 分布
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第24卷第7期 天然气工业页岩气成藏机理和分布*张金川1 金之钧2 袁明生3(1.中国地质大学能源地质系 2.中国石化石油勘探开发研究院 3.中国石油吐哈油田分公司)张金川等.页岩气成藏机理和分布.天然气工业,2004;24(7):15~18摘要对页岩气成藏机理进行了全面分析,获得了四个方面的认识。①页岩气成藏机理兼具煤层吸附气和常规圈闭气藏特征,体现出了复杂的多机理递变特点。②在页岩气的成藏过程中,天然气的赋存方式和成藏类型逐渐改变,含气丰度和富集程度逐渐增加。③完整的页岩气成藏与演化可分为3个主要的作用过程,自身构成了从吸附聚集、膨胀造隙富集到活塞式推进或置换式运移的机理序列。④相应的成藏条件和成藏机理变化对页岩气的成藏与分布产生了控制和影响作用,岩性特征变化和裂缝发育状况对页岩气藏中天然气的赋存特征和分布规律具有控制作用。研究了我国的情况,认为我国的许多盆地存在工业性页岩气藏发育的基本地质条件,其中,吐哈盆地吐鲁番坳陷的水西沟群是页岩气发育的重要区域之一。主题词 页岩气 赋存状态 成藏机理 序列递变页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式。从某种意义来说,页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果,由于储集条件特殊,天然气在其中以多种相态存在。页岩气是目前经济技术条件下,天然气工业化勘探的重要领域和目标。页岩气成藏机理页岩在地层组成上,多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。在页岩中,天然气的赋存状态多种多样。除极少量的溶解状态天然气以外,大部分均以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面,或以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中。吸附状天然气的赋存与有机质含量密切有关∞,,它与游离状天然气含量之间呈彼此消长关系,其中吸附状态天然气的含量变化于20%~85%之间∞3。因此从赋存状态观察,页岩气介于煤层吸附气(吸附气含量在85%以上)和常规圈闭气(吸附气含量通常忽略为零)之间。页岩气成藏体现出了非常复杂的多机理递变特点,除天然气在孔隙水、干酪根有机质以及液态烃类中的溶解作用机理以外,天然气从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚,再到生烃高峰时期的置换式运聚,体现出了页岩气自身所构成的完整性天然气成藏机理序列∞3。上述一系列作用过程的发生使页岩中的天然气赋存相态本身也构成了从典型吸附到常规游离之间的序列过渡,因而页岩气成藏机理研究具有自身的独特意义,它至少将煤层气(典型吸附气成藏原理)、根缘气(活塞式气水排驱原理)和常规气(典型的置换式运聚机理)的运移、聚集和成藏过程联结在一起。由于页岩气在主体上表现为吸附状态与游离状态天然气之间的递变过渡,体现为成藏过程中的无运移或极短距离的有限运移,因此页岩气藏具有典型煤层气、典型根缘气和典型常规圈闭气成藏的多重机理意义,在表现特征上具有典型的过渡意义。第一阶段是天然气在页岩中的生成、吸附与溶解逃离(图1①),具有与煤层气成藏大致相同的机理过程。在天然气的最初生成阶段,主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要,当吸附气量与溶解的逃逸气量达到饱和时,富裕的天然气则以游离相或溶解相进行运移逃散,条件适宜时可为水溶气藏的形成提供丰富气源。*,本文系国家自然科学基金(40272062,40172052)和国家重大基础研究“973”项目(91999043309)部分研究成果。作者简介:张金川,副教授,博士;主要从事非常规天然气、成藏机理及资源评价研究。地址:(100083)北京学院路中国地质大学。电话:13910841297。n· 15 ·万方数据天然气工业 2004年7月隧藤目页岩圜擎缈岩固㈣岩团椭裂带圆融图1 夭然气成藏的三个阶段(①页岩气成藏阶段;②根缘气成藏阶段}③常规圈闭气成藏阶段)此时所形成的页岩气藏分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式,总体含气量有限。在热裂解气大量生成过程中,由于天然气的生成作用主要来自于热化学能的转化,它将较高密度的有机母质转换成较低密度的天然气。在相对密闭的系统中,物质密度的变小导致了体积的膨胀和压力的提高,天然气的大量生成作用使原有的地层压力得到不断提高,从而产生原始的高异常地层压力,即“高压锅”原理。3。由于压力的升高作用,页岩内部沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生裂缝,天然气聚集其中则易于形成以游离相为主的工业性页岩气藏,此时页岩气藏的形成在主体上表现为由生气膨胀力所促动的成藏过程,天然气原地或就近分布,构成了挤压造隙式的运聚成藏特征(图1②)。在该阶段,游离相的天然气以裂隙聚集为主,页岩地层的平均含气量丰度达到较高水平。随着更多天然气源源不断地生成,越来越多的游离相天然气无法全部保留于页岩内部,从而产生以生烃膨胀作用为基本动力的天然气“逃逸”作用。在通常情况下,与页岩间互出现的储层主要为粉一细砂岩类,具有低孔低渗特点,它限定了天然气的运移方式为活塞式排水特点,这种气水排驱方式从页岩开始,从而在页岩边缘以活塞式推进方式产生根缘气聚集。此时的天然气聚集已经超越了页岩本身,表现为无边、底水和浮力作用发生的地层含气特点。因此从整套页岩层系考察,不论是页岩地层本身还是薄互层分布的砂岩储层,均表现为普遍的饱含气性(图1③)。若地层中的砂岩含量逐渐增多并逐步转变为以致密砂岩为主,则页岩气藏逐渐改变为根缘气藏(图1②)。如果生气量继续增加,则天然气分布范围进一步扩大,直到遇常规储层或输导通道后,天然气受浮力作用而进行置换式运移,从而导致常规圈闭气藏的大范围出现(图1③)。· 1 6 ·页岩气成藏主控地质因素及分布规律与根缘气藏的地层普遍含气性机理不同,页岩气藏普遍含气性的内涵较广,在岩性上包括了泥页岩、致密的砂岩或砂质细粒岩,在赋存状态上包容了吸附、游离与溶解,在成藏机理上则包含了吸附与扩散、溶解与析出、活塞与置换等运聚过程。在通常情况下,泥页岩与致密砂岩(泥质粉砂岩与粉砂质泥岩等)之间的互层分布为这种多相态、多机理的地层普遍含气性提供了有利条件。(1)页岩岩性多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩和高碳泥页岩类,岩石组成一般为30%,粘土矿物、15%~25%的粉砂质(石英颗粒)和4%~30%的有机质。页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础,要求生烃有机质含量达到一定标准,那些“肥沃”的黑色泥页岩通常是页岩气成藏的最好岩性,它们的形成需要较快速的沉积条件和封闭性较好的还原环境。在页岩气藏中,地层有机碳含量相对较高,一般大于2%,可以达到普通源岩有机碳含量的10~20倍。天然气的生成可来源于生物作用、热成熟作用或两者的结合,因此镜质体反射率一般在0.4%以上。在陆相盆地中,湖沼相和三角洲相沉积产物一般是页岩气成藏的最好条件,但通常位于或接近于盆地的沉降一沉积中心处,导致页岩气的分布有利区主要集中于盆地中心处。从天然气的生成角度分析,生物气的产生需要厌氧环境,而热成因气的产生也需要较高的温度条件,因此靠近盆地中心方向是页岩气成藏的有利区域。(2)页岩本身既是气源岩又是储集层,其总孔隙度一般小于10%,而含气的有效孔隙度一般不及总孔隙度的一半,渗透率则随裂缝的发育程度不同而有较大变化。页岩气虽然为地层普遍含气性特点,但目前具有工业勘探价值的页岩气藏或甜点主要依万方数据第24卷第7期 天然气工业赖于页岩地层中具有一定规模的裂缝系统。根据有关资料分析∞3,页岩的含气量变化幅度较大,从0.4m3/m3/t,在美国的大约30000口钻井中,钻遇具有自然工业产能的裂缝性甜点的井数只有大约10%,表明裂缝系统是提高页岩气钻井工业产能的重要影响因素。除了页岩地层中的自生裂缝系统以外,构造裂缝系统的规模性发育为页岩含气丰度的提高提供了条件保证。因此,构造转折带、地应力相对集中带以及褶皱一断裂发育带通常是页岩气富集的重要场所。(3)由于赋存状态的特殊性以及开采效率的局限性,较大的埋藏深度往往需要更高的成本投入,对页岩气藏的工业性勘探和开发来说,首先考虑较浅的埋藏深度尤为必要。从美国的有关资料考察,目前投入开发生产的页岩气埋深介于180~2600 00~8500 间∞3。同时,页岩气的大规模发育也需要相当的储集空间,即页岩发育还需要一定的地层厚度,一般在30 4)根据成藏机理分析,页岩气原生的地层压力为高异常特征。但从美国已发现页岩气的统计∞3规律来看,页岩气藏既有高异常地层压力,也有低异常地层压力。作者认为,产生理论分析与统计结果不相符合的主要原因在于构造的抬升或沉降运动,由于页岩气储层为致密的地层所构成,其间的孔隙地层水无法进行有效的流动,因此地层压力的封闭性相对较强。当已经成藏的页岩气发生相对的构造抬升或沉降运动时,原始的页岩气藏地层压力得到了一定程度的滞留,从而产生了更高或相对降低的异常地层压力。根据这一特点,页岩气藏的发育通常与高异常地层压力保持一致,除非在页岩气成藏后发生了较大幅度的构造沉降运动。但在使用这一原理进行异常地层压力分析时,需要确准良好的封闭性条件,否则可能产生恰好相反的分析结果,统计资料表明,页岩气藏的地层压力系数可有较大幅度变化。除此之外,水平方向的构造挤压作用亦对页岩气藏地层压力的发育产生重要影响,这种作用可以通过势场分析方法予以考虑,通常情况下,页岩气藏存在于流体的高势能区。结论与认识根据成藏机理分析,页岩气的成藏及分布具有广泛的地质意义,不论是在新沉积的年轻盆地还是在经过多次构造影响和改造的古老盆地中,页岩气的赋存都从天然气的生成开始,但是否能够成藏或达到工业勘探研究意义则随地质和地理条件的不同而有所变化。页岩气具有广泛的饱含气性,资源量潜力大并具有良好的勘探开发前景。吸附作用是天然气生成之后的第一个聚集过程,因此页岩内部的储集空间具有近水楼台先得月之优势,是天然气聚集的最优先场所,只有当页岩内部的储集空间达到饱含气之后,多余的天然气才能向外继续运移。页岩内部普遍的饱含气状态使其成为资源量大的天然气藏类型之一。页岩气成藏不需要常规圈闭的存在,页岩内部具有工业价值天然气的聚集(甜点,有隐蔽性特点。与常规气相比,页岩随普遍含气但单井产量变化较大,一般只有钻遇裂缝的页岩气井才具有较大的工业开发价值。从天然气聚集的有利性和开采的经济性分析,页岩气位居五大类已开发气藏中的第三位(图2)。页岩气的采收率变化较大(5%~60%)。3,钻井的产气量相对较低,但生产周期较长,在天然气产出的同时伴随有地层水的排出。美国页岩气井的单井总平均产气量约为1000 m3/d,但页岩气产区的单井产率一般介于2800~33000 m3/常情况下,盆地的构造较深部位是页岩和页岩气藏发育的有利区,页岩气成藏和分布的最大范围与有效气源岩面积相当。时间 时问园 固产气量 产水量图2不同类型天然气藏的生产曲线示意图(①常规圈闭气藏;②根缘气藏;③页岩气藏;④煤层气藏;⑤水溶气藏)时间· 17 ·万方数据天然气工业 2004年7月页岩气在中国具有良好的勘探前景,对页岩气(泥页岩气)的勘探研究也已经逐步展开@1,在四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、松辽盆地、吐哈盆地、江汉盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等均有页岩气成藏的地质条件,局部有机碳含量在30%以上,发现了典型页岩层中局部的天然气富集。其中,暗色页岩发育的地区和层位是需要重点研究的领域和目标。在吐哈盆地,吐鲁番坳陷水西沟群地层广泛发育了暗色泥岩和炭质泥页岩(图3),炭质泥岩累积平均厚度在30 机碳含量一般介于6%~30%;暗色泥页岩厚度更大,如八道湾组暗色泥页岩厚度一般大于100 地中北部达到200山窑组暗色泥页岩最大厚度大于600 机质的成熟度目前大都处于0.4%~1.5%之间,非常有利于页岩气藏的形成和发育。此外,我国南方志留系广布区中泥页岩气的勘探前景亦不可忽视‘豹。图3 吐哈盆地吐鲁番坳陷水西沟群炭质泥岩分布等厚图(上接第14页)注受到极大的限制。依南2井以北的依南4井区,断层较发育,物性普遍变好,尽管有丰富的气源供给,但缺少构造圈闭,天然气向上倾方向好储层及断裂带快速逸散,形成依南深盆气藏的气水过渡带(图2)。而北部的依深4井虽然储层物性好,由于天然气的散失更快,形成水层,因此依南2气藏是一种动态圈闭气藏,下倾部位是天然气强烈的不断充注,上倾部位天然气不断散失是天然气的充注与散失形成一种动态平衡的产物。以上各方面的分析表明,依南2气藏是深盆气藏,具有可观的经济开发价值。该论文在撰写过程中得到了李日俊、罗金海博士的指导和帮助,在此表示衷心的感谢!参 考 文 献1 T.18 ·致谢:张德明、赵江岭、白秀丽、杨博丽在资料收集和整理方面完成了大量工作,特表示谢意。参考文献1 E, B.to 002;86(1I):1851~18522 B.002;86(11):1921~19383 C. G,ed,of S 570:253~2784 .re—of 995;60(2):128~1355樊明珠,王树华.高变质煤区的煤层气可采性.石油勘探与开发,1997;24(2):87~906张金川,金之钧,袁明生等.基于运移动力暂时平衡条件下的运移气.天然气工业,2002;22(5):101~1037张金川.深盆气成藏及分布预测.中国地质大学博士后研究报告,北京,20018戴金星,裴锡古,戚厚发.中国天然气地质学(卷二).北京:石油工业出版社,1996:76~79(收稿日期 2004—04—05编辑黄君权) A.of a 984;382 A.979;34(2):152~1813袁政文,许化政等编译.阿尔伯达深盆气研究.北京:石油工业出版社,19964 M.a A.of a 984;385 金之均,庞雄奇等.吐哈盆地深盆气藏地质特征及其分布范围理论预测.见:傅诚德等,鄂尔多斯深盆气研究.北京:石油工业出版社,2001:45~53(收稿日期2004方数据页岩气成藏机理和分布作者: 张金川, 金之钧, 袁明生作者单位: 张金川(中国地质大学能源地质系), 金之钧(中国石化石油勘探开发研究院), 袁明生(中国石油吐哈油田分公司)刊名: 天然气工业英文刊名: (期): 2004,24(7)被引用次数: 50次参考文献(8条)锡古;戚厚发 中国天然气地质学(卷二) 盆气成藏及分布预测 之钧;袁明生 基于运移动力暂时平衡条件下的运移气[期刊论文]002(05)树华 高变质煤区的煤层气可采性 1997(02) 995(02) C B 文期刊] 2002(11) E; B to 文期刊] 2002(11)引证文献(77条)岩气藏分布地质规律与特征[期刊论文]然科学版) 2010(2)界页岩气勘探开发现状及对中国的启示[期刊论文])岩气:全球油气资源开发的新亮点——我国页岩气开发的现状与关键问题[期刊论文])南地区龙马溪组页岩气成藏基础分析[期刊论文]010(6)岩气测井技术的应用[期刊论文]010(7)河东部凹陷古近系页岩气聚集条件分析[期刊论文]然科学版) 2010(2)速我国页岩气资源调查和勘探开发战略构想[期刊论文]010(2)响页岩气开发因素及勘探开发技术展望[期刊论文]010(6)国页岩气研究现状与发展趋势[期刊论文])上扬子地区下古生界页岩气资源前景分析[期刊论文]010(3)扬子区上震旦统一志留系页岩气勘探远景[期刊论文]010(6)层气与页岩气聚集主控因素对比[期刊论文]010(6)造生烃理论及其在页岩气上的应用[期刊论文]010(4)岩气形成条件及成藏影响因素研究[期刊论文]010(2)国天然气勘探开发现状与前景分析[期刊论文]010(9)气运聚成藏机理实验模拟研究进展[期刊论文]010(25)扬子区上震旦统一志留系页岩气勘探远景[期刊论文]010(6)国页岩气资源及其勘探潜力分析[期刊论文]010(9)岩气资源分布、开发现状及展望[期刊论文]010(2)岩气成藏模式研究[期刊论文]010(5)南地区龙马溪组页岩气成藏基础分析[期刊论文]010(6)层气与页岩气聚集主控因素对比[期刊论文]010(6)响页岩气开发因素及勘探开发技术展望[期刊论文]010(6)岩气富集与高产的地质因素和过程[期刊论文]010(5)国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[期刊论文]010(6)车拗陷页岩气聚集条件与勘探前景[期刊论文]010(6)国页岩气勘探研究现状[期刊论文]然科学版) 2010(造生烃理论及其在页岩气上的应用[期刊论文]010(4)车拗陷页岩气聚集条件与勘探前景[期刊论文]010(6)岩气的主要成藏要素与气储改造[期刊论文]009(3)岩气无限导流压裂井压力动态分析[期刊论文]010(10)岩气成藏条件及我国黔南坳陷页岩气勘探前景浅析[期刊论文])岩气勘探的地球化学指标及测井分析方法初探[期刊论文]009(3)川盆地页岩气与煤层气勘探前景分析[期刊论文]009(2)岩气储层的基本特征及其评价[期刊论文]010(10)川盆地下古生界存在页岩气的地球化学依据[期刊论文]009(5)岩气藏形成机理与富集规律初探[期刊论文]009(5)岩气是潜力巨大的非常规天然气资源[期刊论文])岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[期刊论文]009(4)国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[期刊论文]010(6)国新能源资源基础及发展前景展望[期刊论文]009(3)特沃斯盆地刊论文]009(2)岩气的形成与开发[期刊论文]009(1)岩气富集与高产的地质因素和过程[期刊论文]010(5)岩气和根缘气成藏特征及成藏机理对比研究[期刊论文]009(1)界页岩气资源潜力和开采现状及中国页岩气发展前景[期刊论文]009(3)川盆地页岩气藏和连续型刊论文]然科学版) 2009(6)岩气资源评价方法体系及其应用——以川西坳陷为例[期刊论文]009(12)国页岩气勘探研究现状[期刊论文]然科学版) 2010(质异常找矿理论在页岩气勘探中的应用[期刊论文]009(12)庆及其周缘地区下古生界页岩气资源勘探潜力[期刊论文]009(12)国富含有机质泥页岩发育特点与页岩气战略选区[期刊论文]009(12)岩气成藏模式研究[期刊论文]010(5)国页岩气富集类型及资源特点[期刊论文]009(12)岩气储量计算方法探讨[期刊论文]009(3)尔多斯盆地三叠系延长组页岩气形成条件及有利发育区预测[期刊论文])国新能源资源潜力及前景展望[期刊论文]008(1)外页岩气研究热点——基于可视化文献分析软件刊论文])川盆地页岩气成藏地质条件[期刊论文]008(2)川盆地页岩气藏勘探开发与技术探讨[期刊论文]008(3)种油气藏地质特征[期刊论文]008(3)国天然气勘探开发现状与前景分析[期刊论文]010(9)国页岩气资源勘探潜力[期刊论文]008(6)岩气及其勘探研究意义[期刊论文]008(4)界页岩气资源勘探开发现状与展望[期刊论文]008(6)阳坳陷古近系存在页岩气资源的可能性[期刊论文]2)上扬子地区下古生界页岩气资源前景分析[期刊论文]010(3)西须家河组泥页岩气成藏条件与勘探潜力[期刊论文]008(12)内外非常规油气资源勘探开发现状及建议[期刊论文]008(12)国能源现状、发展趋势及对策[期刊论文]008(6)气成藏及分布序列的连续聚集和非连续聚集[期刊论文])岩气与深盆气成藏的相似与相关性[期刊论文]007(1)美裂缝性页岩气勘探开发的启示[期刊论文]007(4)国天然气勘探的两个重要领域[期刊论文]007(11)国页岩气资源及其勘探潜力分析[期刊论文]010(9)气运聚成藏机理实验模拟研究进展[期刊论文]010(25)岩气资源分布、开发现状及展望[期刊论文]010(2)本文链接:
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