页岩气成藏的主控因素

1．2　页岩气成藏的主控因素

页岩气藏是一种区域性连续聚集型非常规天然气藏；页岩具有一定厚度、有机质含量丰富、处于生气窗演化阶段以上、天然裂缝发育、位于构造低部位或盆地中心等是页岩气藏形成的主要条件；自生自储、不间断供气与连续聚集、未经运移或极短距离运移等是页岩气藏形成机理的重要特征；页岩有效厚度、有机碳含量、基质孔隙与天然裂缝发育程度是页岩气富集成藏的关键因素。控制页岩气成藏的因素则主要有内部和外部地质因素。

1．2．1　内部因素

内部因素是指页岩本身的因素，主要包括有机质类型及含量、成熟度、裂缝、孔隙度和渗透率、矿物组成、厚度、湿度等，其中内部因素中的有机质类型和含量、成熟度、裂缝以及孔隙度和渗透率是控制页岩气成藏的主要因素。正确评价这些参数的作用及其影响对合理评价页岩气藏具有重要意义。

有机质类型及含量　有机碳含量是页岩气聚集成藏最重要的控制因素之一，不仅控制着页岩的物理化学性质，包括颜色、密度、抗风化能力、放射性和硫含量，也在一定程度上控制着页岩裂缝的发育程度，更重要的是控制着页岩的含气量。福特沃斯盆地Barnett页岩气藏生产表明，气体产量大的地方，有机碳含量对应也高，有机碳含量和气体含量有很好的正相关关系。同时干酪根类型也影响着气体含量、赋存方式及气体成分。不同类型的干酪根，其微观组分也不一样，微观组分也是控制气体含量的主要因素。关于页岩气藏形成的有机碳下限值，很多学者都进行过研究。Jarvie等（2009）认为，有机碳含量和热成熟度是决定页岩产气能力的重要变量。Schmoker（2009）认为产气页岩的有机碳含量下限值大约为2%。下限值说法不一，认为2%较好。

成熟度　美国主要产页岩气盆地的页岩成熟度变化较大，从未成熟到成熟均有发现。张金川等（2008）指出，页岩气的成因包括生物成因、热成因以及两种成因的混合。根据页岩成熟度可将页岩气藏分为对应的3种类型：高成熟度页岩气藏、低成熟度页岩气藏以及高低成熟度混合页岩气藏。低成熟度页岩气藏主要是生物成因，基本上为埋藏后抬升，经历淡水淋滤而形成的二次生气；高成熟度的页岩气藏是由高成熟度条件下原油裂解形成的。成熟度最高的页岩只有干气，次成熟的页岩可能含有湿气，成熟度再低的页岩只有液态石油。

裂缝　裂缝有助于页岩层中游离态天然气体积的增加和吸附态天然气的解析。裂缝的发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素。一般来说，裂缝较发育的气藏，其品质也较好。实际上，裂缝对页岩气藏具有双重作用：一方面裂缝为天然气和地层水提供了运移通道和聚集空间，有助于页岩总含气量的增加。页岩具有非常低的原始渗透率，如果天然裂缝发育不够充分，就需要进行压裂来产生更多的裂缝，以使有更多的裂缝与井筒相连，为天然气解析提供更大的压降和面积。另一方面，如果裂缝规模过大，可能导致天然气散失。

目前普遍认为，在相同的力学背景下，有机碳含量、石英含量等是影响裂缝发育的重要因素。阿巴拉契亚盆地的钻井表明，滑脱及其相关的伸展和收缩裂缝带更倾向于在富含干酪根的黑色页岩中发育，而不是在夹层的灰色页岩和粉砂岩中发育。黑色页岩通常比其附近灰色页岩的裂缝发育程度较高，裂缝频率也较高，并且裂缝通常在岩性界面处终止。因此，裂缝发育程度与页岩层厚度存在一定的相关性。石英含量的高低也是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的黑色页岩段脆性较强，裂缝的发育程度比富含方解石且塑性较强的灰色页岩强烈。Nelson（2009）认为，除石英之外，长石和白云石也是黑色页岩段中的易脆组分。因此，在相同的构造背景下，预测页岩的岩性、颜色、厚度以及矿物成分是准确判断裂缝发育程度的基础。

孔隙度和渗透率　在常规储层分析中，孔隙度和渗透率是储层特征研究中最重要的两个参数，这对页岩气也同样适用，孔隙大小直接控制着游离态天然气的含量。在阿巴拉契亚盆地Ohio页岩和密执安盆地Antrim页岩中，局部孔隙度可高达15%，游离气体积占孔隙总体积的50%。渗透率是判断页岩气藏是否具有开发经济价值的重要参数。页岩的基质渗透率非常低，平均喉道半径不到0．005μm，但随裂缝的发育而大幅度提高，储层“总”渗透率与储层中天然裂缝系统的发育程度是否一致通常是由测井和生产数据分析来确定。由于页岩具有低渗透率，因此，就需要产生大量的裂缝（人工压裂）来维持商业生产。

矿物组成　大多数页岩含有很多的黏土，然而Barnett页岩的黏土含量并不高，在寻找Barnett型页岩气藏中，勘探工作者必须寻找可以被压裂的页岩，这些页岩的黏土含量小于50%，能被成功压裂。X射线衍射分析表明：构成Antrim页岩的主要矿物组成为石英、黏土和碳酸盐，次要矿物组成为黄铁矿、干酪根、长石、高岭石和绿泥石。气体的生产速度依赖于裂缝的发育程度，而裂缝发育程度取决于页岩的矿物组成，故页岩的矿物组成在很大程度上影响页岩气的产能。例如富含硅的页岩比富含黏土的页岩易于压裂，同等情况下可以采出更多的天然气。矿物组成分析能对页岩压裂提供进一步的资料，同时也能为钻井和完井提供参考。

厚度　页岩厚度控制着页岩气藏的经济效益。根据页岩厚度及展布范围可以判断页岩气藏的边界。到目前为止，还没有明确提出具有经济价值页岩气藏的页岩厚度下限。密执安盆地Antrim页岩气藏页岩的最小厚度大约为9．1m；福特沃斯盆地的Barnett页岩气藏为30．5m的页岩厚度已被证明具有商业开采价值。页岩厚度可由有机碳含量的增大和成熟度的提高而适当降低。

湿度　页岩的湿度直接影响着吸附态天然气的含量。岩石润湿后，因为水比气吸附性能好，从而会占据部分活性表面导致甲烷吸附容量降低。湿度往往随页岩成熟度的增加而减小，故成熟度高的页岩其含气量可能更高。密执安盆地Antrim页岩气藏、伊利诺斯盆地New Albany页岩气藏以及阿巴拉契亚盆地北部湖区Ohio页岩气藏的湿度均较大，含气饱和度较低，而演化程度较高的阿巴拉契亚盆地南部Ohio页岩气藏、圣胡安盆地Lewis页岩气藏和福特沃斯盆地Barnett页岩气藏（平均含水饱和度为25%）则含水较少，含气量较高。含水量高将降低气体的生产速度，导致处理产出水的麻烦，所以有利的页岩区应该是产水较少的区域。

1．2．2　外部因素

深度　页岩气藏的深度变化较大。深度不是页岩气藏发育的决定因索，关键问题是该页岩气藏是否具有商业开发价值。随着科技和工艺的进步，埋藏更深的页岩气也将得到开发。

温度与压力　温度主要影响着吸附气体含量，温度增高，则气体分子的运动速度加快，降低了吸附态天然气的含量，这也是福特沃斯盆地Barnett页岩气藏中吸附气含量较少的原因之一。一般情况下，随压力的增大，无论以何种赋存方式存在的气体，含量都呈增大趋势，但压力增大到一定程度以后，含气量增加缓慢，因为孔隙和矿物（有机质）表面是一定的。前者控制游离态气体含量，后者控制吸附态气体含量。当压力较低时，吸附态气体含量相对较高，如圣胡安盆地Lewis页岩气藏具有异常低地层压力梯度。