砂巖及頁巖

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科學研究

頁巖是由粘土在地殼運動中擠壓而形成的巖石。由于它層理分明、易剝離而稱為頁巖。頁巖一般為褐色、灰色或黑色，硬度不高，易破碎，容易加工成理想的制磚原料。頁巖以其對硅、鈣、碳的含量不同而分為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖。其中以硅質(zhì)頁巖變形小、吸濕性小、磚不易風化和產(chǎn)品質(zhì)量易保證等優(yōu)點更適于生產(chǎn)頁巖磚使用。頁巖與粘土有著相似的化學成分，硅、鈣、鋁、鐵化合物占總成分80%以上。

主要品種有實心磚和多孔磚。在生產(chǎn)實際中要解決的主要技術(shù)問題是：

（1）根據(jù)頁巖的化學成分確定是否可以直接作為燒制原料。

（2）根據(jù)頁巖原料的塑性指數(shù)確定磚機工作壓力和成型水份。

頁巖氣形成原因

前人對美國5大頁巖氣盆地頁巖氣的成因研究表明，頁巖氣可以通過以下2種途徑演變而來。

1、熱裂解成因氣（自然生成）

頁巖中熱成因氣的形成有3個途徑（如圖）：①干酪根分解成氣體和瀝青；②瀝青分解成油和氣體（步驟1和步驟2為初次裂解）；③油分解成氣體、高含碳量的焦炭或者瀝青殘余物（二次裂解）。最后一個步驟主要取決于系統(tǒng)中油的殘余量和儲層的吸附作用。德克薩斯州的Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣就是通過來源于干酪根熱降解和殘余油的二次裂解，主要以殘余油的二次裂解為主，正因為如此，使得Barnett頁巖氣具有較大資源潛力。

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣，主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，頁巖氣是主體上以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣，它可以生成于有機成因的各種階段天然氣主體上以游離相態(tài)（大約50%）存在于裂縫、孔隙及其它儲集空間，以吸附狀態(tài)（大約50%）存在于干酪根、粘土顆粒及孔隙表面，極少量以溶解狀態(tài)儲存于干酪根、瀝青質(zhì)及石油中。天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至砂巖地層中。天然氣生成之后，在源巖層內(nèi)的就近聚集，表現(xiàn)為典型的原地成藏模式，與油頁巖、油砂、地瀝青等差別較大。與常規(guī)儲層氣藏不同，頁巖既是天然氣生成的源巖，也是聚集和保存天然氣的儲層和蓋層。因此，有機質(zhì)含量高的黑色頁巖、高碳泥巖等常是最好的頁巖氣發(fā)育條件。

2、生物成因氣

一般指頁巖在成巖的生物化學階段直接由細菌降解而成的氣體，也有氣藏經(jīng)后期改造而成的生物氣。如美國密歇根盆地的Antrim頁巖氣是干酪根成熟過程中所產(chǎn)生的熱降解氣和產(chǎn)甲烷菌新陳代謝活動中所產(chǎn)生的生物成因氣，以后者為主。其原因可能是發(fā)育良好的裂縫系統(tǒng)不僅使天然氣和攜帶大量細菌的原始地層水進入Antrim頁巖內(nèi)，而且來自上覆更新統(tǒng)冰川漂移物中含水層的大氣降水也同時侵入，有利于細菌甲烷的形成。

頁巖氣形成條件

1、沉積環(huán)境

較快的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境是黑色頁巖形成的重要條件。沉積速率較快可以使得富含有機質(zhì)頁巖在被氧化破壞之前能夠大量沉積下來，而水體缺氧可以抑制微生物的活動性，減小其對有機質(zhì)的破壞作用。如Fort Worth盆地Barnett組富有機質(zhì)黑色頁巖沉積于深水（120～215米）前陸盆地，具有低于風暴浪基面和低氧帶（OMZ）的缺氧—厭氧特征，與開放海溝通有限。

2、有效厚度

廣泛分布的泥頁巖是形成頁巖氣的重要條件。同時，沉積有效厚度是保證足夠的有機質(zhì)及充足的儲集空間的前提條件，頁巖的厚度越大，頁巖的封蓋能力越強，有利于氣體的保存，從而有利于頁巖氣成藏。美國5大頁巖氣勘探開采區(qū)的頁巖凈厚度為9.14～91.44米，其中產(chǎn)氣量較高的Barnett頁巖和Lewis頁巖的平均厚度在30.48米以上。

3、總有機碳含量（TOC）

總有機碳含量是烴源巖豐度評價的重要指標，也是衡量生烴強度和生烴量的重要參數(shù)。有機碳含量隨巖性變化而變化，對于富含粘土的泥頁巖來說，由于吸附量很大，有機碳含量最高，因此，泥頁巖作為潛力源巖的有機含量下限值就愈高，而當烴源巖的有機質(zhì)類型愈好，熱演化程度高時，相應的有機碳含量下限值就低。對泥質(zhì)油源巖中有機碳含量的下限標準，國內(nèi)外的看法基本一致，為0.4%～0.6%，而泥質(zhì)氣源巖有機碳含量的下限標準則有所不同。大量研究結(jié)果表明，氣態(tài)烴分子小，在水中的溶解能力強，易于運移，氣源巖有機碳含量的下限標準要比油源巖低得多。美國5大頁巖氣系統(tǒng)頁巖總有機碳含量較高，分布范圍大（0.5%～25%），可分為2類，Antrim頁巖和New Albany頁巖的TOC含量較高，一般分布于0.3%～25%之間；而Ohio頁巖、Barnett頁巖和Lewis頁巖的TOC含量在0.45%～4.7%之間。

4、干酪根類型和成熟度

在不同的沉積環(huán)境中，由不同來源有機質(zhì)形成的干酪根，其組成有明顯的差別，其性質(zhì)和生油氣潛能也有很大差別。因此，研究干酪根的類型（性質(zhì)）是油氣地球化學的一項重要內(nèi)容，也是評價干酪根生油、生氣潛力的基礎。干酪根類型是衡量有機質(zhì)產(chǎn)烴能力的參數(shù)，不同類型的干酪根同時也決定了產(chǎn)物以油為主還是以氣為主。一般來說，Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根以生油為主，Ⅲ型干酪根則以生氣為主?？v觀美國頁巖氣盆地的頁巖干酪根類型，主要以Ⅰ型干酪根與Ⅱ型干酪根為主，也有部分Ⅲ型干酪根，而且不同干酪根類型的頁巖都生成了數(shù)量可觀的氣，有理由相信，干酪根類型并不是決定產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素。沉積巖石中分散有機質(zhì)的豐度和成烴母質(zhì)類型是油氣生成的物質(zhì)基礎，而有機質(zhì)的成熟度則是油氣生成的關(guān)鍵。干酪根只有達到一定的成熟度才能開始大量生烴和排烴。不同類型的干酪根在熱演化的不同階段生烴量也不同。在低熟階段（0.4%～0.6%），有機質(zhì)就可以向烴類轉(zhuǎn)變。美國5大頁巖盆地頁巖的熱成熟度分布范圍在0.4%～2.0%之間，可見在有機質(zhì)生烴的整個過程都有頁巖氣的生成。隨著成熟度的增加，早期所生成的原油開始裂解成氣。美國Barnett頁巖之所以含氣量大，主要源于生烴體積（有機質(zhì)豐度、生烴潛力和頁巖厚度引起的結(jié)果），成熟度以及部分液態(tài)烴持續(xù)裂解生氣。成熟度越低的Barnett頁巖區(qū)，其氣體產(chǎn)量就越低，這可能是因為生氣少，殘留烴的流動阻塞孔隙的緣故。許多高熟的Barnett頁巖區(qū)干酪根和油的裂解使生氣量大幅提高，導致頁巖氣井氣體流量大。因此，成熟度是評價高流量頁巖氣相似性的關(guān)鍵地球化學參數(shù)。

頁巖氣影響成藏因素

1、孔隙度

在常規(guī)儲層中，孔隙度是描述儲層特性的一個重要方面。頁巖儲層也是如此。作為儲層，頁巖多顯示出較低的孔隙度（<10%），當然也可以有很大的孔隙度，且在這些孔隙里儲存大量的游離氣，即使在較老的巖層，游離氣也可以充填孔隙的50%。游離氣含量與孔隙體積的大小密切聯(lián)系。一般來說，孔隙體積越大，所含的游離氣量就越大。

2、裂縫發(fā)育

頁巖的礦物成分較復雜，石英含量高，且多呈粘土粒級，常以紋層形式出現(xiàn)，而有機質(zhì)、石英含量都很高的頁巖脆性較強，容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導裂縫，有利于天然氣滲流，說明巖性、巖石礦物成分是控制裂縫發(fā)育程度的主要內(nèi)在因素。

由于頁巖具有低孔隙度低滲透率的特性，產(chǎn)氣量不高，而那些開放的矩形天然裂縫彌補了這一不足，大大提高了頁巖氣產(chǎn)量。裂縫改善了泥頁巖的滲流能力，裂縫既是儲集空間，也是滲流通道，是頁巖氣從基質(zhì)孔隙流入井底的必要途徑。并不是所有優(yōu)質(zhì)烴源巖都能夠形成具有經(jīng)濟開采價值的裂縫性油氣藏，只有那些低泊松比、高彈性模量、富含有機質(zhì)的脆性頁巖才是頁巖氣資源的首要勘探目標。

3、有機碳含量

在裂縫性頁巖氣系統(tǒng)中，頁巖對氣的吸附能力與頁巖的總有機碳含量之間存在線性關(guān)系。

在相同壓力下，總有機碳含量較高的頁巖比其含量較低的頁巖的甲烷吸附量明顯要高。頁巖氣除了被有機質(zhì)表面所吸附之外，還可以吸附在粘土的表面（干燥）。在有機碳含量接近和壓力相同的情況下，粘土含量高的頁巖所吸附的氣體量要比粘土含量低的頁巖高。而且隨著壓力的增大，差距也隨之增大。

4、地層壓力

地層壓力也是影響頁巖氣產(chǎn)量的因素之一。研究表明，地層壓力與吸附氣有著正相關(guān)性，地層壓力越大，頁巖的吸附能力就越大，吸附氣的含量也就越高。游離氣含量也會隨著壓力的增加而增加，兩者基本上呈線性關(guān)系。值得注意的是，壓力在6.89MPa以前，吸附氣含量隨壓力增加的幅度很明顯，而在其之后，增加的幅度不太明顯，類似于常規(guī)的致密氣藏。當然，不同地區(qū)由于有機質(zhì)含量和周圍圍巖封存能力的不同，壓力梯度也會產(chǎn)生差異。

除了上述影響因素之外，有機質(zhì)類型、成熟度等也會影響頁巖氣含量。

頁巖氣成藏過程

頁巖氣經(jīng)歷了復雜多變的成藏過程，是天然氣成藏機理序列中的重要構(gòu)成和典型代表。根據(jù)不同的成藏條件，頁巖氣成藏可以表現(xiàn)為典型的吸附機理、活塞運聚機理或置換運聚機理。按照成藏機理的不同，可將天然氣成藏過程分為3個主要階段，而前2個階段即是頁巖氣的成藏過程。

第1階段是天然氣的生成與吸附。該階段發(fā)生在成藏初期，與煤層氣的成藏機理相同。由于頁巖中的有機碳等物質(zhì)表面具有吸附能力，頁巖生氣過程中，最開始生成的少量天然氣均被有機碳等物質(zhì)吸附，故頁巖層中僅存有吸附態(tài)的天然氣（圖A）。

第2階段是天然氣的造隙及排出。該階段處于生氣高峰期，與根緣氣的形成機理類似。隨著天然氣的大量生成，頁巖中的有機碳無法將其完全吸附，因此未被吸附的天然氣在頁巖層中以游離態(tài)聚集。隨著頁巖氣的不斷生成，聚集的大量游離氣因膨脹而形成高壓，直至巖層破裂并產(chǎn)生微裂隙。由于此時產(chǎn)生的裂縫或孔隙極其微小，使得頁巖氣無法在頁巖層內(nèi)部自由流動。在此后的強力生烴作用即生氣膨脹力的作用下，頁巖氣沿構(gòu)造上傾方向從底部高壓區(qū)向高部相對低壓區(qū)發(fā)生排驅(qū)和整體推進作用，從而使地層處于大面積包含氣狀態(tài)。此階段生成的天然氣不受浮力作用，表現(xiàn)為活塞式的運聚特征（圖B）。

第3階段是天然氣的置換與運移。如果天然氣的生成量持續(xù)增加而頁巖層的外部又有合適的儲層，則在浮力作用下，天然氣將以置換方式沿裂縫從泥頁巖層向儲層運移，從而形成常規(guī)天然氣藏（圖C）。

頁巖氣成藏過程中，吸附機理與活塞式運聚機理共同作用，控制著頁巖氣藏中吸附態(tài)和游離態(tài)天然氣所占空間比例變化。因此，頁巖氣的成藏機理實質(zhì)上是天然氣在頁巖孔隙中賦存狀態(tài)之間的動態(tài)平衡。頁巖中吸附態(tài)天然氣的存在是由其本身所含巖石特性決定的，與保存條件沒有直接關(guān)系，故頁巖氣成藏后對保存條件沒有特殊要求。在四川盆地海相地層中監(jiān)測到的氣測異常也證實了即便是多期次的構(gòu)造運動，也不會對頁巖氣藏有太大的影響。