页岩气概述

1.1 页岩气概述

页岩气(Shale gas)是指在游离、吸附和溶解状态下赋存于泥页岩中的一种天然气，是典型的“自生自储”系统。页岩气是一种非常规油气资源，早在上世纪70年代，美国能源机构就对其东部地区的页岩结构进行了地质和地球化学的研究，并发现了5种页岩气系统，分别是Antrim页岩，Ohio页岩，New Abany页岩，Barnett页岩和Lewis页岩这几点系统。我国的页岩气研究处于刚刚起步阶段，对各地区页岩气的储量和开发方式等都处于初步状态。

据统计20世纪50年代以后将会进入以天然气为主导的能源时代。随着天然气能源产业的快速发展，在我国的天然气开发的进度已经到了中期阶段，即开发难度较低、成本较小、储量很大的天然气藏已经很少被勘探到了，所以我们只能将目光转向那些之前地层中较难开发的非常规气藏资源，所以煤层气以及页岩气这些新型的非常规气藏逐渐成为了天然气资源的主要代替者。

国外学者Curtis J.B经过研究定义了现代页岩气的基本概念。他指出，页岩气是以游离态的形式存储于天然形成的裂缝和颗粒之间的孔隙中，也可以以吸附态吸附于油页岩颗粒和有机质的表面，或者以溶解态形式存在于干酪根和沥青质内。他还指出，页岩气吸附是一个主要的基本存储形式，形成的吸附气体含量可占总量的页岩气含量的20％-85％。随着研究的进步, 我国学者张金川其他研究人员总结如下：页岩气是以吸附和游离状态的主体存在于页岩气藏，页岩气的吸附形式是页岩气富集积累的重要机制。结果表明，页岩对甲烷气体吸附是判断岩石的气体吸附能力的大小的指标。

Curtis在2002年对页岩气进行了描述性界定并认为, 页岩气在本质上与其他类型的气藏有较大的差异, 具有生物化学成因气、热成因气或两者混合的多成因特点, 具有普遍的

地层饱含气、隐蔽聚集机理等特点, 赋存方式复杂[1]。其中吸附作用是页岩气的重要机理之一。

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。可以说页岩气气藏的绝大部分是存在于地层中的暗色泥页岩或者高碳泥页岩中,它的天然气聚集方式是以吸附状态或者游离状态为主的。在一些特殊的页岩气藏中,天然气也会在夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中生成。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。

1.2国内外页岩气发展概况

据统计，世界页岩气资源量约456万亿立方米，主要集中在北美，中东，欧洲等地，一些外国专家推测，中国也是在页岩气资源丰富，但要加快探索和发展。页岩气勘探开发始于美国。自20世纪90年代在其国内政策，技术进步和世界的因素，天然气价格也被推动。据预测，美国页岩气探明资源超过28万亿立方米，约14万亿立方米可采资源。页岩天然气产量在2004年227亿立方米，2008年超过500亿立方米，2009年约960亿立方米，预计2010年将超过1200亿立方米。美国页岩气开发的巨大成就不仅使得自己国家的能源危机得到大大缓解，同时还刺激其他国家进行页岩气的开发勘探的进步。与其他国家一样，受到了美国页岩气开发的启示，近两年来，中国不断页岩气的勘探和开发，迅速升温，但如何有效地推动了页岩气的勘探和开发，还没有认真考虑。

对页岩气生成的地质条件，只要岩厚度的延伸和足够大，页岩气藏便有可能形成。通过分析暗黑色页岩沉积和形成的地理分布来看，在中国页岩气资源可能非常丰富，中国等地的页岩气富集条件均可达到。但需要指出的是，在中国比美国页岩气藏埋藏深度整体而言，发展是更加困难和复杂。页岩气资源大力推进战略性基础研究，勘探石油和天然气田

已成为一项重要而紧迫的任务。

目前，中国仍处于页岩气发展的初级阶段，所有页岩气的开发目标层不容易比较，关键领域需要进一步勘探。对下寒武统，下志留纪，上二叠统和阴暗富含有机物的页岩沉积盆地分布在我国南部和中西部地区，有必要了解岩石的物性，体积参数，多旋回结构叠加作用，如断层，褶皱等地质构造作用对页岩气开采均不利。总之，对页岩气藏的关键地域的经济化开采研究必须务实和谨慎。

1.3煤层气赋存状态成藏机理

煤层气被称作为煤矿瓦斯，是主要以吸附状态储集在煤层中的非常规的天然气，与常规天然气相比，其成分大体上相同，主要的甲烷含量超过90％，热值高于8000kcal／m3，是优质的能源和化工原料。即使在油漆资源紧张的我国煤层气的储量还是十分丰富的。

煤层中存在着双孔隙系统，其中包括割理系统和孔隙系统。相对于孔隙系统来讲，割理系统的孔隙度低，储积空间小且被水充满。而煤层气则以溶解态、游离态、吸附态三种方式赋存于煤层的双孔隙系统中：根据总量来说，煤层气中溶解态和游离态的气体相对较少，煤层的吸附性导致煤层气主要以吸附态存在与煤层的基质中，从而使得煤层具有富集煤层气的能力[3]。

在地层条件下，溶解态、游离态、吸附态三种状态的天然气处于动态平衡的过程，在其达到平衡后，吸附量只与压力和温度有关，它们之间呈函数关系。因为煤对天然气的吸附是物理吸附，吸附与解吸是可逆的，所以当地层中的温度和压力改变时，吸附量也会随之改变。理论表明，煤层的吸附能力越强，对天然气的吸附量越大，就越有利于煤层气的保存。在地层中，影响煤层气的保存的各种地质作用就是通过改变煤的吸附与解吸及天然

气的吸附与溶解的关系【3】。

为了更好的研究非常规油气藏的特殊性和多样行，我们在介绍页岩气之前，先了解一下有关煤层气的赋存状态以及储存机理。首先煤属于沉积岩，其中的有机质含量大于50%。在煤层形成过程中，会发生地球化学（即热成因气体）过程以及细菌过程（即生物成因气体），通过这些反应将有机质转化成甲烷。生产的甲烷气体会经过各种机制的储存，其中包括以游离态存储在微孔中的气体和吸附在有机物内表面上的气体形式存储。现阶段的研究煤层气基本都被认定为是吸附气体。

煤层气藏中存在一种叫做割理的正交裂缝系统，该系统定向垂直于煤层的层理，是煤层中流体流动的重要通道。气体流动时从岩层基质扩散进到割理，并沿割理流向井筒。开采煤层气藏时，气体产能主要受到地层渗透率以及气体饱和的程度的影响。一般采气区的渗透率在几至几十个毫达西，但是也会有过超过一达西的渗透率。当气体开始脱赋煤层时，煤层的绝对渗透率会随时间增加而增大，导致煤层基质收缩，使割理更宽，因为开采时地层压力的递减所以静应力增大，但这中改变仍可能会被割理缝隙的缩小抵销。

在煤层气藏中，影响气体地质储量的主要参数包括煤成分、煤层厚度、含气量和气体的组分。其中的煤成分是指煤中有机成分的量和它们的类型，煤成分对能够吸附气体的量有重要影响。煤层中的含气量差别很大(从<1到>25m3／t)，它是热成熟度，煤的成分，生物气体埋藏与隆升历史外加运移的热气体的函数。气体组分一般是含量大于90％的甲烷和少量的液态烃、二氧化碳以及氮气。

1.4 页岩气的开发意义与未来展望

页岩和砂岩在本质上没有什么不同，例如，当地的砂岩天然气商业化开发之前还需要

进行压裂改造。在技术层面上，没有多少必要把页岩气归类到非常规天然气。但是，美国多年来页岩气的勘探和发展的商业成功，确实给在一些业内人士一些激励，页岩气这一种清洁能源，对我国能源供应和需求的巨大差距现状来讲，作为一个较特殊天然气能源供给有现实意义。

页岩气在成藏机理上同时存在有煤层气的成藏特征和气水驱替游离相的特征，与此同时，由于泥页岩的致密性导致岩石储存非均质性严重，使得页岩气成藏的过程非常复杂。通过研究已得到页岩气具有吸附作用聚集、活塞式的推进方式、置换式运移，并且非典型过渡成藏，具有较强的抗破坏能力等特点。根据这些页岩气的特殊性，其勘探和开发的方式与一般的常规天然气藏方式存在很大的不同，所以我们应该加大对页岩气科学勘探与开采的研究，这个对天然气能源以后的开发及进行具有重要意义。

页岩气的开采有储量大、生产周期长的特点。通常页岩气的埋藏很浅，与其他非常规类型气藏相比, 页岩气勘探成本很便宜，所以对于非常规气开采处于初级阶段的我国开展具有中国地质特点的页岩气研究具有重要的实践意义。

综上所述，页岩气勘探和开发必须压实基础，从出发点着手，一步一步深入，有针对性地加快技术创新，应因地制宜，考虑各种因素，加强保护措施，应充分利用这页岩气矿产资源，抓住机遇，开拓思路，提供和促进经营管理水平，以确保我们的页岩气资源勘探和开发的可持续性，持续快速发展和能源结构优化，满足对天然气日益增长的需求。