第３２卷第５期 石 油 雾 毒争 似 属 Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．５ ２０１０年１Ｏ月 ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＧＥ０ＬｏＧＹ＆ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ０ｃｔ．．２Ｏ１０ 文章编号：１００１ ６１１２（２０１０）０５—０４６５—０５ 页岩气富集与高产的地质因素和过程 范昌育 ，王震亮 （１．动力学国家重点实验室（西北大学），西安７１００６９；２．西北大学地质学系，西安７１００６９） 摘要：在查阅大量页岩气研究文献的基础上，考虑到页岩气藏的独特性，结合与其它页岩气藏的横向对比，重点剖析并初步总结 了影响美国Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地密西西比系Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气富集与高产的地质因素，提出了相应的地质过程概念模型，以期对即将 到来的中国页岩气的评价、勘探与开发有些许启示。分析认为，在诸多影响因素中，热成熟度、造成页岩易压裂性因素的存在以 及二者的有效匹配，是页岩气能否富集与高产的最重要的因素，其地质过程可归纳为３个阶段，即低熟微裂缝开启生物气逸散阶 段、高熟微裂缝胶结裂解气富集阶段、压裂微裂缝开启页岩气高产阶段。 关键词：热成熟度；超压；富集；裂缝；页岩气 中图分类号：ＴＥ１２２．３ 文献标识码：Ａ ＧＥＯＬｏＧＩＣＡＬ ＦＡＣＴｏＲＳ ＡＮＤ ＰＲｏＣＥＳＳ ＩＮ ＥＮＲＩＣＨＭＥＮＴ ＡＮＤ ＨＩＧＨ ＰＲｏＤＵＣＴＩＯＮ ｏＦ ＳＨＡＬＥ ＧＡＳ Ｆａｎ Ｃｈａｎｇｙｕ ～， Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎｌｉａｎｇ ＇ （１．ＳｔａｔｅＫｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒ Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００６９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００６９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｃｕｌｉ— ａｒｉｔｙ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｓｓｉｓｓｉｐｐｉａｎ Ｂａｒｎｅｔｔ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ Ｂａｓｉｎ ｏｆ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｎ— ｃｅｐｔｕａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｆｆｅｒ ａ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｓｈａｌｅ ｇａｓ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｃｏｍｅ．Ｂｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕ— ｅｎｔｉａｌ ｆａｃｔｏｒｓ，ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｔｕｒｉｔｙ，ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｅｘｉｓｔ？ｉｎ ｓｈａｌｅ ａｎｄ ｍａｋｅ ｉｔ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｍｏｒｅ ｅａｓｉｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｇａｓ．Ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅｓ：ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｔｈａｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｉｓ ｉｎ ｌｏｗ ｍａｔｕｒｉｔｙ，ｍｉｃｒｏ—ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｏｐｅｎｅｄ ａｎｄ ｂｉｏｇｅｎｉｃ ｇａｓ ｉｓ ｅｆｆｕｓｉｏｎ；ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｔｈａｔ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｉｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｍａｔｕｒｉｔｙ，ｍｉｃｒｏ—ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｅｄ ｇａｓ ｉｓ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ；ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｔｈａｔ ｍｉｃｒｏ—ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｒｅｏｐｅｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｉｓ ｈｉｇｈｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｕｎｄｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｔｕｒｉｔｙ；ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ；ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｓｈａｌｅ ｇａｓ 随着国民经济的增长，像其它能源一样，天然 １Ｏ”ｍ３，技术可采储量（Ｏ．８８～２．１５）×１０ ｍ３［妇的页岩 气的需求量也在不断增加。我国仍处于天然气勘 气。主要有５大页岩气系统，包括Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地密 探与开发的早期阶段，未来几年内，中国将很有可 西西比系Ｂａｒｎｅｔｔ页岩、Ａｐｐａｌａｃｈｉａｎ盆地泥盆系Ｏｈｉｏ页 能面临北美现在所面临的常规天然气产量持续性 岩、Ｍｉｃｈｉｇａｎ盆地泥盆系Ａｎｔｒｉｍ页岩、Ｉｌｌｉｎｏｉｓ盆地的泥 递减问题，天然气勘探的重心向非常规天然气的转 盆系Ｎｅｗ Ａ１ｂａｎｙ页岩和Ｓａｎ Ｊｕａｎ盆地白垩系Ｌｅｗｉｓ 移只是时间问题。 页岩，其中Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地以密西西比系Ｂａｒｎｅｔｔ页岩 美国能源部早在２０世纪７０年代就进行了非常规 为储层的Ｎｅｗａｒｋ Ｅａｓｔ页岩气田，２００５年年产量接近 的页岩气勘探开发，发现了地质资源量达（１４￣２２）× １４１．６×１０。ｍ３ Ｅｚ］，现其产量已达３００×１０ ｍ３以上，已 收稿Ｅｌ期：２００９—１２—３ｌ；修订日期：２Ｏ１Ｏ—Ｏ８一Ｏ７。 作者简介：范昌育（１９８２－－），男，博士生，主要从事油气运移成藏研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｃｙｂｅｓｔｏｒｃ＠１ ６３．ｃｏｒｎ。 基金项目：“大型油气田及煤层气开发”国家科技重大专项课题“中西部前陆盆地油气成藏与富集规律”（２００８ＺＸ０５００３ ００２）。 ・ ４６６ ・ 石 油 察 茸套 沾 届 第３２卷 成为美国第二大气田。目前我国还没有大规模开 展过页岩气的资源评价。笔者在查阅大量中外页 岩气研究文献的基础上，结合与其它页岩气藏的横 向对比，重点剖析并初步总结了影响美国Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地以密西西比系Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气富集与 ２页岩气富集的地质因素 从富集程度来看，通过重点剖析Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地 Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气藏，主要有以下几个影响因素。 ２．１较高的热演化程度 从美国５大页岩系统的对比来看，Ｂａｒｎｅｔｔ页 高产的地质因素，提出了相应的地质过程概念模 型，以期对即将到来的中国页岩气的评价、勘探与 开发有些许启示。 岩产气量最大，但其Ｔ０Ｃ值与Ｏｈｉｏ页岩相差不 大，远较Ａｎｔｒｉｍ页岩和Ｎｅｗ Ａｌｂａｎｙ页岩小，较 Ｌｅｗｉｓ页岩大；页岩厚度与Ｎｅｗ Ａｌｂａｎｙ页岩接 近，较其它页岩小；热演化指标Ｒ。值除较Ｌｅｗｉｓ ｌ研究现状 国外学者最早将页岩气定义为，以吸附、游离 或溶解状态赋存于泥页岩中的天然气，它与常规天 然气藏最显著的区别是：它是一个自给的系统，页 页岩小外，较其它页岩大，说明其热演化程度较高 （表１）。可见，热演化程度高是页岩气富集的主要 因素之一。Ｚｈａｏ Ｈａｎｋ等ｕ。。也认为Ｂａｒｎｅｔｔ页岩 岩既是气源岩，又是储层和封盖层 ］。国内学者将 其进一步定义为，在页岩孔隙和天然裂缝中以游离 方式存在、在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态 存在、甚至在于酪根和沥青质中以溶解状态存在的 气能够勘探与开发的首要因素是热成熟度，其次为 厚度和有机碳含量。事实上，从８个取心、岩屑和 露头样品的分析计算来看，Ｂａｒｎｅｔｔ页岩原始总有 机碳（ＴＯＣ。）平均值为６．４１ ，其中有９５ 来源于 工型干酪根，５ 来自于Ⅱ型干酪根口］，有机质丰度 天然气，是连续生成的生物化学作用气、热裂解作 用气或两者的混合，在成藏及分布上具有运移距离 短、多种封闭机理、聚集成藏隐蔽、地层饱含气等地 质特殊性［４］。页岩气包括２种类型：生物成因气和 并不低，高热演化程度下的１５～６０ ｉｎ的页岩有效 厚度内（表１），天然气是极为富集的。 同位素分析表明，Ｂａｒｎｅｔｔ页岩中生物成因气含 量较少，主要以热裂解气为主ｌ３］。热裂解气主要有 ２种来源：１）有机质的初次裂解；２）页岩内残留油的 二次裂解＿ｊ 。Ｄａｎｉｅｌ等ｌ７ 进一步将Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气 热解气［５］。比如Ｍｉｃｈｉｇａｎ盆地Ａｎｔｒｉｍ页岩气为 生物成因气 ］，Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ盆地Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气为 热解气，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ盆地Ｎｅｗ Ａｌｂａｎｙ页岩气为两者的 混合［ 。有机质丰度、气含量、有机质类型和有机 质的转化程度是评价页岩潜力的关键因素 ］。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 ］。我国的 沉积盆地中泥页岩分布广泛，初步研究表明鄂尔多 的形成过程归纳为：１）干酪根降解为气和沥青；２）沥 青降解为油和气（１和２是初次裂解）；３）油降解为气 和焦炭或焦沥青（二次裂解）（３的发生主要依靠系 统内残留或吸附油的量），这对于Ｂａｒｎｅｔｔ页岩天然 气资源的巨大潜力贡献很大。Ｒｏｎａｌｄ等口 计算认 斯盆地三叠系、西北地区侏罗系、南方地区下组合 和华北地区石炭一二叠系均为页岩气勘探的有利 层系。 为，Ｂａｒｎｅｔ页岩中液态烃开始裂解的成熟度（Ｒ。）大 于１．１ ，较常规的硅质碎屑岩和碳酸盐岩裂解的 速度要快。最新研究表明，与常规储层相比，页岩的 表１ 美国５套页岩气系统的地质、地球化学和储层参数部分数据 ］ Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒｔｉａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｖｅ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ，ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ Ａｍｅｒｉｃａ［ ］ 参数 深度／ｎｌ 总厚度ＩＴＩ 有效厚度ｒｒｔ ＴＯＣ／ Ｒ。／ Ａｎｔｒｉｍ Ｏｈｉｏ Ｎｅｗ Ａｌｂａｎｙ １８３～１４９４ Ｂａｒｎｅｔｔ １９８１～２５９１ Ｌｅｗｉｓ ３１～１２２ １５～３０ ６１～９１ １５～６０ ４．５ １．０～１．３ ４～５ １～２５ ０．４～１．０ １０～１４ 总孔隙度／ 含气量／（标准ｍ。・ｔ ） 吸附气含量／ 储层压力／ＭＰａ 气产量／（１０。ＩＴＩ。・ｄ ） 储量／（１０。ｒｎ。／井） １．１３～２．２６ ４０～６０ ２．０４～４．０５ ８．５Ｏ～９．９１ ２Ｏ ２０．１３～２６．６７ ０．８３～８ ３ １４．１６～４２．４８ ０．２８～１．４２ ４．２５～１６．９９ 注：最新的研究认为Ｂａｒｎｅｔｔ页岩的孔隙度为５ ～８ ［ 。 第５期 范昌育，等 页岩气富集与高产的地质因素和过程 表２随热成熟度的增加ＴＯＣＯ， 和ｃＲ的变化和有机质内孔隙度的增加的实验数据 ・ ４６７ ・ Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｓｈｏｗｉｎｇ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ＴＤｃ ， ，ａｎｄ ｃＲ，ａｎｄ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｔｕｒｉｔｙ［‘ ］ 注：ＴＯＣ ｄ为现今总有机碳；ＴＯＣｏ为原始总有机碳； 为能被转化为烃类和炭质残渣的有机碳；ＴＲｍ为用原始氢指数和 现今氢指数所计算的转化率；ｃｎ为残留有机碳。 吸附作用使得直链烷烃发生了结构弯曲和破坏，导 组或Ｓｉｍｐｓｏｎ组等的灰岩隔层＿１ ，对Ｂａｒｎｅｔｔ页岩 气的保存也具有一定的隔挡作用。现今发育的 ２６．２ ＭＰａ的超压是其保存条件好的有力印证。 致其Ｃ～ｃ键裂解所需的能量比预想的要低口纠； 吸附作用为生成的烃类和迁移的金属提供了亲密 的接触，这种接触催化了石蜡向甲烷和碳质残渣的 裂解ｍ 。 ３页岩气高产的地质因素 页岩气以其存在的特殊性，开采的难度较大。 有机质热裂解成气，增加了页岩的储集空间。 当固体变成气体时，虽是体积的膨胀，但气体压缩 性强，固体的消失为气体提供了储集空间 ］。Ｊａｒ— ｖｉｅ等口 的研究结果认为，热成熟度达到干气阶 段，当Ｒ。为１．４ ，原始总有机碳为２４．３ ，转化 为烃类和碳质残渣的转化率为９０ 时，有机质的 降解将创造大约４．３％的孑Ｌ隙度（表２）。 ２．２相对较高的孔隙度 富集是高产的基础，但天然气在页岩中能形成富 集，不代表它能被高效采出，形成工业性气流。页 岩气是否高产，主要受以下地质因素的影响。 ３．１天然气的流速 热成熟度是评价高流速的页岩气存在的关键 参数。低成熟度页岩，生气量小，残留油很少发生 裂解，因此而堵塞了孔喉，不利天然气的流动。 Ｃ 叶以上的石蜡等残留烃类的含量越高，页岩气的 流速就越低，对应于生产曲线的急剧下降［７］。产生 孔隙是天然气赖以存在的空间，其大小直接决 定了页岩气的储量及富集程度。页岩中孔隙的来 源有：１）原生孑Ｌ隙；２）有机质热裂解产生的孔隙；３） 的烃类分子的大小与热成熟度密切相关，在低渗 （Ｋ＜Ｏ．００３×１０ ｆｆｍ ）小孔喉的Ｂａｒｎｅｔ页岩内， 未被胶结的微裂缝；４）超压保存的孔隙。Ｂａｒｎｅｔ 页岩中前２种孔隙是确定存在的，而第３种未被胶 结开启裂缝是否存在还有争议，从岩心观察来看， 大部分微裂缝为方解石所胶结 ］，Ｂｏｗｋｅｒ认为 如果大量的开启裂缝存在，天然气将运移出页岩到 达上覆岩层，也就不会发生天然气的富集和形成超 压ｌ１ 。Ｂａｒｎｅｔ页岩中超压的存在已是不争的事 实，只是其形成机制目前还处于争论阶段＿】 ，但超 压对孔隙的保存无疑具有积极地意义。 高含量的甲烷增加了天然气的流动性口 。所以， 经历了高热演化的Ｂａｒｎｅｔ页岩，天然气流速较高， 易于产出。 另外，天然气的流速也受其赋存状态的影响。 在页岩气的３种赋存状态中，吸附气最不易流动， 而游离气和溶解气更易流动。从表１可以看出， Ｂａｒｎｅｔ页岩气吸附气量最小，仅占２Ｏ ；总含气量 中，Ａｎｔｒｉｍ页岩为１．１３～２．８３ ｍ。／ｔ，０ｈｉｏ页岩为 １．６９～２．８３ ｍ。／ｔ，Ｎｅｗ Ａｌｂａｎｙ页岩为１．１３～ 通过非理想气体的ＰＶＴ模型计算，Ｂａｒｎｅｔ页 岩在现今压力为２６．２ ＭＰａ，温度为７０℃条件下， ２．２６ ｍ。／ｔ，Ｂａｒｎｅｔ页岩为８．５０～９．９１ ｍ。／ｔ， Ｌｅｗｉｓ页岩为０．４２～１．２７ ｉｎ。／ｔ（表１），Ｂａｒｎｅｔ页岩 孔隙度为５ ～８ ，平均孔隙度为６ ，在这样的 孔隙中将存储最大约４．９６ ｍ。／ｔ的气 ］。可见，一 定的孔隙空间页岩气的富集的重要条件。 ２．３较好的保存条件 含气量最大，其中有８０ 为游离气和溶解气。 Ｒｏｓｓ等 ５＿认为页岩吸附能力与残余总有机碳的 含量、压力及含水量具有正比关系。高成熟的 天然气要形成富集对保存条件的要求是极为苛 刻的，特别是天然气以游离气为主时更是如此。 Ｂａｒｎｅｔ页岩中天然裂缝是很发育的，但这些裂缝几 Ｂａｒｎｅｔ页岩ＴＯＣ含量较小，这是导致其吸附气含 量较少的主要原因。 ３．２潜在的诱发裂缝 乎均为方解石所胶结，封堵了天然气向上覆岩 层的逸散 引。Ｂａｒｎｅｔｔ页岩上覆的Ｍａｒｂｌｅ Ｆａｌｌｓ组、 Ｂａｒｎｅｔｔ页岩气的开发主要依靠水力诱发裂 缝 。Ｂａｒｎｅｔｔ页岩不是裂缝性页岩层带，而是一 Ｃｈａｐｐｅｌ组、夹层的Ｆｏｒｅｓｔｂｕｒｇ组以及其下伏的Ｖｉｏｌａ 个能够压裂的页岩层带口 。被方解石胶结的Ｂａｒ— ・ ４６８ ・ 石 油 雾 毒参 沾 履 第３２卷 ｎｅｔｔ页岩裂缝，在水力作用下，更容易沿这些胶结 的应力薄弱带发生破裂口 。ＢｏｗｋｅｒＥ］７３认为这 就如同在一大块厚玻璃上钻一个洞，然后注高压水 直到玻璃破裂，这时的玻璃仅沿一个面发生破裂； 体的异常超压蓄积而产生的破裂裂缝不同，其形成 主要与断层相关，这些裂缝在此阶段可能未发生胶 结而完全开启。因此，可以推断生物气在形成早 期，就有一部分从页岩中逸出，或即使在页岩固结 后，生物气也很容易沿断层相关裂缝逸散出页岩而 未形成富集。 ４．２高熟微裂缝胶结裂解气富集阶段 有机质在低熟阶段形成的油和残余有机质，在 如果一开始将玻璃打碎，然后再粘好，重复上面的 压裂步骤，玻璃将沿多个面产生破裂。Ｇａｌｅ等进 一步通过力学实验分析，认为被胶结的狭窄裂缝对 页岩储集性或渗透性没有贡献，但这些裂缝群遵循 破裂能量法则的分布，在这些地方可以产生更大的 此阶段被裂解为天然气，页岩气主要在此阶段形 开启裂缝。同时他也认为Ｂａｒｎｅｔｔ页岩中为方解 成。热裂解作用，使固体有机质转变为气体，增加 石所胶结的、在水力压裂过程中重新开启的裂缝， 比起单一的水力裂缝，在井眼中为压裂提供了更大 的接触面积ｌ１ 。 低 熟 微 同时刚性矿物的含量也极大影响了页岩的脆 裂 缝 性，而越脆的页岩越易发生破裂。Ｂａｒｎｅｔｔ页岩中 开 启 石英含量较高，使其脆性加强，更易破裂口］。 ｜ —— 生 物 总之，裂缝的胶结作用，粘土、石英和碳酸盐含 ｊ ｌ一 气 逸 散 量在较大范围内的变化，导致了Ｂａｒｎｅｔｔ页岩比其 阶 段 他地区的页岩在外力的刺激下更容易产生多角度 茸 的裂缝ｕ 。 ３．３一定的超压 Ｂａｒｎｅｔｔ页岩存在超压，其形成机制目前还存 ■ 在争议，一种认为超压由生烃作用引起，另一种认 —— —＿＿＜ 一 高 为由于Ｂａｒｎｅｔｔ页岩孔隙的毛管阻力较大，地层构 熟 微 造抬升后，页岩中原来的正常压力被很好的保存， ｔｒ、 －、—， 裂 缝 胶 由于现今埋藏较浅，其压力显得比正常压力大。 结 ——— ——一ｌ ｕ ■ 裂 Ｂｏｗｋｅｒ＿ｌ 更赞同后一种看法，但目前国内研究更 解 ●Ｉ ———．（）＿— ｕ ■ —— 气 偏重于认为构造运动将产生异常低压ｌ２ 。常规的 Ｅ。 Ｉ ■ 一 富 集 泥岩中的超压是成熟油气发生初次运移的动力。 －！ 、 ——日ｖ － —— 阶 段 页岩中的异常高压一方面提高了开采过程中天然 ——Ｉ ■—— 气的流速；另一方面，在压裂过程中，异常高压能够 与水力作用“里应外合”，使压开裂缝朝井眼汇集， 提高压裂开采效率。 ４页岩气富集与高产的地质过程 一 一 丢 、囊 —一 压 裂 ， —＿（＿）＿＿一 微 裂 —— 在前面分析的基础上，进一步将页岩气从形成 — ＝ ／∥ Ｉ Ｉ ＝二 缝 开 到富集再到高产的过程，归纳为３个阶段，即低熟微 启 —————＿（ —————： 产—— 页 裂缝开启生物气逸散阶段、高熟微裂缝胶结裂解气 石 气 二 二二 呙 富集阶段、压裂微裂缝开启页岩气高产阶段（图１）。 — — ．４．１ 低熟微裂缝开启生物气逸散阶段 三 三 阶 三三 — 三 段 从同位素分析来看，Ｂａｒｎｅｔｔ页岩中生物成因 气含量较少 ］。生物成因气形成于有机质未熟一 囹一…向圈一…向回 低熟阶段，此时页岩可能尚未被充分的压实固结。 加之Ｂａｒｎｅｔｔ页岩现今大量被胶结的裂缝主要发 图１ 页岩气富集与高产的地质过程概念模型 Ｆｉｇ．１ Ａ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｍｏｄｅｌ ０ｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ 育在主断层附近口 ，这些裂缝与常规泥岩中的流 ｉｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｇａｓ 第５期 范昌育，等．页岩气富集与高产的地质因素和过程 ・ ４６９ ・ 了页岩的孔隙度。前期开启的断层相关裂缝在裂 解气未大量产生之前，发生了方解石的胶结充填， 为本阶段页岩气的保存富集奠定了基础，同时也为 现今超压的产生提供了保障。 ４．３压裂微裂缝开启页岩气高产阶段 水力作用下，那些被方解石胶结的裂缝重新开 启，增大了压裂面积，具有较强刚性的Ｂａｒｎｅｔｔ页 岩产生了更多的新裂缝，并在与页岩内部超压的作 用下，使裂缝朝井眼汇集，主要呈游离相和溶解相 的页岩气在内部超压的驱动下被高效采出。 ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｆｒｏｍ ａ Ｄｅｖｏｎｉａｎ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｐｌａｙ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ Ｂａｓｉｎ￣Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００３，８７（８）：１３５５—１３７５． Ｄ Ｊ Ｈ，ＴＩＭ Ｅ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｕｎｃｏｎｖｅｎ— ［７］ ＤＡＮＩＥＬ Ｍ Ｊ，ＲＯＮＡＩｔｉｏｎａｌ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｓｙｓｔｅｍｓ：Ｔｈｅ Ｍｉｓｓｉｓｓｉｐｐｉａｎ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｏｆ ｎｏｒｔｈ ｃｅｎｔａｌ Ｔｅｘａｓ ａｓ ｏｎｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅｒｍｏｇｅｎｉｃ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ［Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，９１（４）：４７５—４９９． ｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ［８］ ＪＡＲⅥＥ Ｄ Ｍ，ＨＩＬＬ Ｒ Ｊ，ＰＯＬＬＡＳＴＲＯ Ｒ Ｍ．Ａｓｔｈｅ ｇａｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｙｉｅｌｄｓ ｆｒｏｍ ｓｈａｌｅｓ：Ｔｈｅ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｍｏｄｅｌ［ｃ］／／Ｃａｒｄｏｔｔ Ｂ Ｊ，ｅｄ．Ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｍｉｄ—ｃｏｎｔｉｎｅｎｔ．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ：Ｏｋｌａ— ｈｏｍａ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｕｒｖｅｙ Ｃｉｒｃｕｌａｒ １ １０，２００４：３４． －Ｊ］．天然 ［９］ 张金川，金之钧，袁明生．页岩气成藏机理和分布ｒ气工业，２００４，２４（７）：１５—１８． Ｂ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｔｕ— ［１０］ ＺＨＡｏ ＨＡＮＫ，ＧＩＶＥＮＳ Ｎ Ｂ．ＣＵＲＴＩＳ ｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｗｅｌｌ ｌｏｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ５ 结论 １）在各种影响因素中，热成熟度、胶结微裂缝 和造成页岩易压裂性的刚性矿物的富集以及二者 的有效匹配，是页岩气能否富集与高产的最重要的 因素。具体体现在：①在够好的有机质类型和丰度 ［Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，９ｌ（４）：５３５—５４９． Ｊ Ｈ，ＥＴＵＡＮ Ｚ，ＢＡＲＲ Ｙ－Ｉ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｇａｓ ［１１］ Ｒ０ＮＡＵＤ 幻 ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ，Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ Ｂａｓｉｎ，Ｔｅｘａｓ［Ｊ］． ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，９１（４）：５０１—５２１． 口 口 口 力 条件下，高热演化程度提供了丰富的气源；使大量 的有机质转化为天然气，制造了更多的孔隙；使残 留总有机碳含量较小，一定程度上影响了天然气的 吸附量，更多的天然气以更易采出的游离相和溶解 相存在。②微裂缝的胶结阻止了页岩气的逸散；保 存了页岩中的超压；刚性矿物富集提高了页岩气压 裂开采效率。③裂缝的胶结需在页岩气大量形成 Ｋ０ Ｓ Ｓ，ＳＵＮ Ｆ Ｃ，ＲＡＮＤＡＬＬ Ａ，ｅｔ ａ１．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ－－ ［１２］ ＳＨＥＩｉｎｄｕｃｅｄ ｓｃｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ—ｃａｒｂｏｎ ｂｏｎｄｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ， ２００６，４４０（９）：１９１—１９４． ａｌｙｔｉｃ ｇａｓ ｉｎ ｍａｒｉｎｅ ｓｈａｌｅｓ ［１３］ ＭＡＮＧ０ ＦＢ，ＪＡＲＶＩＥＤＭ． ＣａｔＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ， ［Ｃ］／／ＡＡＰＧ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｅｒｔｈ，Ａｕｓｔｒａｌｉａ，２００６． ＪＡＲＶＩＥ Ｄ Ｍ，ＬＵＮＤＥＬＬ Ｌ Ｌ．Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌｌｙ ａｎｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙ ｍａｔｕｒｅｄ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ， 之前发生，否则页岩气将难以有效保存和富集。 Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ Ｂａｓｉｎ，Ｔｅｘａｓ［ｃ］／／Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｇｅｏ— ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｔｈｅ Ｗｏｏｄｌａｎｄｓ，Ｔｅｘａｓ，１９９１：８ ９． ２）页岩气富集与高产的地质过程可归纳为３ 个阶段：低熟微裂缝开启生物气逸散阶段、高熟微 裂缝胶结裂解气富集阶段和压裂微裂缝开启页岩 气高产阶段。 参考文献 ［１］ＣＵＲＴＩＳ Ｊ Ｂ．Ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｓｙｓｔｅｍｓ ＥＪ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌ— ｌｅｔｉｎ，２００２，８６（１１）：１９２１—１９３８． ＲＯＳＳ Ｄ Ｊ Ｋ，ＢＵＳＴＩＮ Ｒ Ｍ．Ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｌｏｗｅｒ Ｊｕｒａｓｓｉｃ Ｇｏｒｄｏｎｄａｌｅ Ｍｅｍｂｅｒ，ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｃｏｌｕｎｂｉａ，Ｃａｎａｄａ［Ｊ］．Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇｅ ｏｌｏｇｙ，２００７，５５（１）：５１ ７５． ＧＡＩ Ｅ Ｊ Ｆ Ｗ，ＲＥＥＤ Ｒ Ｍ，ＨＯＩ ＤＥＲ Ｊ．Ｎａｔｕｒａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，９１（４）：６０３ ６０２． Ｂ０ＷＫＥＲ Ｋ Ａ．Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｇａｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ Ｂａｓｉｎ：Ｉｓｓｕｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７， ９１（４）：５２３—５３３． ＢＯＷＫＥＲ Ｋ Ａ．Ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ［２］ＲＩｃＨＡＩＤ Ｍ Ｐ．Ｔｏｔａｌ ｐｅｔｒｏｌｅｎｍ ｓｙｓｔｅｍ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｕｎｄｉｓｃｏｖ ｅｒｅｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｉａｎｔ Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ（ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ— ａ１）ｇａｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ ａｓｉＢｎ，Ｔｅｘａｓ＿Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅ— ｔｉｎ，２００７，９１（４）：５５１—５７８． ｐｌａｙ，Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ Ｂａｓｉｎ［Ｊ￣．Ｗｅｓｔ Ｔｅｘａｓ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００３，４２（６）：４—１１． ＭＡＲＴＩＮＥＡＵ Ｄ Ｆ．Ｎｅｗａｒｋ Ｅａｓｔ，Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｆｉｅｌｄ， Ｅ３］ＲＯＮＡＬＤ Ｊ Ｈ，ＤＡＮＩＥＬ Ｍ Ｊ，ＪＯＨＮ ＺＩＭＢＥＲＧＥ，ｅｔ ａ１．Ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ ｗｉｓｅ ａｎｄ Ｄｅｎｔｏｎ ｃｏｕｎｔｉｅｓ．Ｔｅｘａｓ［Ｃｆｆ／Ｂａｒｎｅｔｔ Ｓｈａｌｅ ｆｒａｃ— ｇｒａｄｉｅｎｔ ｖａｒｉａｎｃｅｓ．ＡＡＰＧ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｅｔｉｎｇ． Ｂａｓｉｎ［Ｊ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，９１（４）：４４５—４７３． ［４］ 张金川，聂海宽，徐波，等．四川盆地页岩气成藏地质条件ＥＪ２． 天然气工业，２００８，２８（２）：１５１ １２６． Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ，Ｔｅｘａｓ，２００３：１—４． ＷＡＮＧ ＺＨＥＮＬＩＡＮＧ，ＣＨＥＮ ＨＥＬＩ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ［５］ＣＬＡＹＰＯＯＬ Ｇ Ｅ．Ｋｅｒｏｇｅｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｓｈａｌｅ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｓｙｓｔｅｍｓＥＪ］．ＡＡＰＧ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ，１９９８，８２（１３）：５． Ｅ６］～ ＲＴＩＮ］Ａ Ｍ，ＷＡＬＴＥＲ Ｌ Ｍ，Ｋｕ Ｔ Ｃ Ｗ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓｅｓ ｉｎ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ ｂａｓｉｎｓ：Ａ ｇｅｏ＿ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｕｐｐｅｒ Ｐａｌｅｏｚｏｉｃ ｏｆ Ｓｈｅｎｍｕ——Ｙｕｌｉｎ ａｒｅａ，Ｏｒｄｏｓ ＢａｓｉｎＥＪ７．Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ Ｓｅｒｉｅｓ Ｄ：Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉ— ｅｎｃｅ，２００７，５０（Ｓｕｐｐ．１Ｉ）：５９ ７４． （编辑徐文明）
