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页岩气成藏机理及气藏特征
页岩气是泛指赋存于富含有机质的暗色页岩或高碳泥页岩中,主要以吸附或游离状态存在的非常规天然气资源。在埋藏温度升高或有细菌侵入时,暗色泥页岩中的有机质,甚至包括已生成的液态烃,裂解或降解成气态烃,游离于基质孔隙和裂缝中,或吸附于有机质和矿物表面,在一定地质条件下就近聚集,形成页岩气藏。
从全球范围来看,页岩气拥有巨大的资源量。据统计,×1012m3,相当于致密砂岩气和煤层气资源量的总和,具有很大的开发潜力,是一种非常重要的非常规资源[1-6]。页岩气资源量占3种非常规天然气(煤层气、致密砂岩气、页岩气)总资源量的50%左右,主要分布在北美、中亚和中国、中东和北非、拉丁美洲、前苏联等地区,与常规天然气相当。页岩气的资源潜力甚至还可能明显大于常规天然气。
页岩气成藏机理
成藏气源
页岩气藏的生烃、排烃、运移、聚集和保存全部在烃源岩内部完成,页岩既是烃源岩、储层,也是盖层。研究表明,烃源岩中生成的烃类能否排出,关键在于生烃量必须大于岩石和有机体对烃类的吸附量,同时必须克服页岩微孔隙强大的毛细管吸附等因素。因此,烃源岩所生成的烃类只有部分被排出,仍有大量烃类滞留于烃源岩中。
北美地区目前发现的页岩气藏存在3种气源,即生物成因、热成因以及两者的混合成因。其中以热成因为主,生物成因及混合成因仅存在于美国东部的个别盆地中,如Michigan盆地Antrim生物成因页岩气藏及Illinois盆地New Albany混合成因页岩气藏[21]。
成藏特点
页岩气藏中气体的赋存形式多种多样,其中绝大部分是以吸附气的形式赋存于页岩内有机质和黏土颗粒的表面,这与煤层气相似。游离气则聚集在页岩基质孔隙或裂缝中,这与常规气藏中的天然气相似。因此,页岩气的形成机理兼具煤层吸附气和常规天然气两者特征,为不间断充注、连续聚集成藏(图1-1)。
有机质和黏土颗粒表面吸附与解吸
最终形成
页岩气藏
气体进入
天然裂缝网络
气体流入
页岩基质孔隙
图1-1 页岩气赋存方式与成藏过程示意图
在页岩气成藏过程中,随天然气富集量增加,其赋存方式发生改变,完整的页岩气藏充注与成藏过程可分为4个阶段。第一阶段为天然气生成与吸附阶段,该阶段形成的页岩气藏具有与煤层气相似的成藏机理;第二阶段为吸附气量(包括部分溶解气量)达到饱和时,富余气体解吸或直接充注到页岩基质孔隙中(也不排除少量直接进入了微裂缝中),其富集机理类似于孔隙型储层中天然气的聚集;第三阶段是随着大量气体的生成,页岩基质孔隙内温度、压力升高,出现岩石造缝以及天然气以游离状态进入页岩裂缝中成藏;经过前述三个过程后,天然气最终以吸附气和游离气的形式富集形成页岩气藏,即页岩气藏形成阶段。
成藏阶段
页岩气成藏机理具有明显的“混合型”特征。根据成藏条件的不同,成藏机理可分为吸附机理、活塞式成藏机理或置换式成藏机理两种类型。按成藏机理的不同又可将页岩气的成藏划分为2个阶段:第一阶段以吸附作用为主,发生在页岩气藏形成初期;由于页岩层段富含具有吸附能力的有机碳,页岩所生成的天然气首先满足有机碳的吸附需求,具有与煤层气相同的成藏机理,也就是我们所说的吸附机理。第二阶段发生在生气高峰。随着页岩生气过程的继续,页岩有机质颗