页岩气储层及储集
路 菁1，2 李 军1
（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；
2.中国石油大学（北京）博士后流动站，北京 102249）
摘 要 鄂西渝东地区下侏罗统为四川盆地典型的陆相页岩气藏，储层矿物组分及有机碳含量是确定该类气藏工程开采难度与有效性的重要指标。为突破常规储层测井评价方法在复杂矿物储层评价中存在的多解性问题，本研究充分挖掘常规测井资料中蕴含的地质信息，以非线性反演与最优化算法为核心思想，综合评价包含有机碳在内的页岩岩石组分与含量，取得了较好的测井评价结果。研究结果完善了页岩气储层测井评价手段，为推进页岩气勘探开发相关技术发展起到了积极的作用。
关键词 常规测井响应 矿物组分 有机碳含量 非线性反演 最优化方法 测井评价
Logging Evaluation of Mineralogical Constituent and
Total Organic Contents for Gas Shale
LU Jing1，2，LI Jun1
（1.Exploration and Production Research Institute，SINOPEC，Beijing 100083，China；
2.Postdoctoral Center，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）
Abstract Formation of lower Jurassic in the western Hubei and East Chongqing is an typical continental facies shale gas reservoir in Sichuan Province.The mineral constituents and total organic contents（TOC）are important indicator of the engineering difficulty and its effectiveness for such gas reservoir.To breakthrough the problem of multi －solutions，that always occur when the conventional reservoir logging evaluation methods are used to solve the gas shale reservoir evaluation，this study fully tap the geological information concealed in conventional logging response，use the nonlinear joint inversion and optimization as the core ideas，to evaluate both the mineralogical constituent contents and TOC for gas shale，and achieve a desirable result .This research supplements the logging evaluation methods for gas shale and play a positive role in related technology developments for gas shale exploration and development.
Key words conventional logging；mineralogical constituent；TOC；nonlinear joint inversion；optimization； logging evaluation
鄂西渝东地区是四川盆地周缘页岩气藏有利目标区之一。建南构造位于四川盆地川东褶皱带石柱复向斜中北部，下侏罗统自流井组发育的深湖－半深湖页岩属于典型的陆相页岩气藏。该套页岩区域分布稳定、厚度大、埋藏浅，但相较于海相页岩具有更加频繁的相变特征，储层矿物组分复杂多变。准确把握页岩气储层矿物组分与有机碳含量是后续储层关键参数——脆性与含气性评价的重要基础，也是页岩气测井评价亟待攻克的重点及难点问题。依靠固定的解释模型，采用少部分测井曲线确定储层矿物含量的评价方法，在岩性及矿物较为单一的常规储层中评价效果较好，却无法妥善解决页岩气储层复杂矿物组分与含量的多解性问题。笔者通过深入挖掘各项常规测井资料中蕴含的丰富地质信息，分析建立储层矿物组分模型，以非线性反演与最优化算法评价包含有机碳在内的复杂岩石组分含量，突破了常规测井储层评价的思想，拓展了非常规页岩气储层矿物组分与有机碳含量的测井评价方法，通过实验室岩心全岩组分数据验证，该方法已取得了较好的评价效果。
1 东岳庙段含气页岩岩性及岩石矿物学特征
目标层下侏罗统自流井组东岳庙段泥页岩，区域横向分布稳定，厚度较大，暗色泥页岩厚约60～100m。储层岩性以含灰泥页岩为主，多见灰色粉砂质泥页岩、介壳泥页岩与介壳灰岩夹层（图1）；储层矿物成分以黏土矿物、石英及方解石为主（平均含量分别为22.49％、55.95％、17.5％），同时含有少量长石与黄铁矿。自生矿物的存在，表明东岳庙段所处的沉积环境为有利于有机质富集与保存的还原环境，实验室分析结果显示，储层有机碳以Ⅱ型干酪根为主，平均含量2％～3％；储层孔隙结构以矿物粒间孔为主，同时发育少量粒内孔及溶蚀裂隙，大量因有机质热解产生的纳米孔隙，使储层具有较好的天然气吸附与储集性能。
图1 研究区东岳庙段泥页岩典型岩性
2 常规测井响应评价储层岩石组分
测井响应是被测地层物理特性的宏观表现［1］，在排除井眼与泥浆侵入等影响的情况下，测井响应本质是测井仪器探测范围内所有岩石微观组分物理特性的综合表现，故各类测井响应实际上涵盖了被测地层所有组分的岩石物理信息。充分挖掘、利用常规测井响应中蕴藏的储层信息评价页岩岩石组分，提供了一条除实验室分析和元素俘获能谱（ECS）测井之外的储层评价思路，同时，弥补了岩心实验室分析无法全井段连续、ECS测井数据采集与解释评价成本高昂等问题［2，3］。
2.1 常规曲线非线性联合最优化反演算法
2.1.1 目标函数
区别于利用单一或少数测井曲线与储层某一矿物含量建立函数关系、用以评价其含量的方法，利用常规测井信息开展非线性联合最优化反演评价储层矿物组分的方法与步骤，可简要概括如下：首先，需要对实测响应进行预处理，以期得到接近原始储层真实物理特性的校正测井响应；其次，依据岩心观察与常规评价结果得到的初步认识，圈定解释评价井段内存在的岩石组分类型，并确定其初始含量，形成完整的基于原始假设的储层岩石物理体积模型；再次，依据地区经验或理论参数合理选取各组分的测井响应骨架值，以非线性测井响应方程正演各个常规测井响应，并计算关于校正曲线与正演模拟曲线如式（1）所示的目标函数T（Xj）；最后，通过反复迭代调整各矿物组分含量，使目标函数T（X）达到最小值，并将此时的岩石组分与含量模型作为反演的最终结果，即通过解决图2所示的最优化问题，达到求解复杂矿物储层岩石组分与含量问题的目的［4］。
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
图2 非线性联合最优化反演算法简图
式中：loggings为第j次迭代后产生的正演曲线组；loggingc为实测曲线经校正产生的校正曲线组；Xj为第j次迭代确定的各个岩石组分含量；W为各测井曲线在目标函数中的权重；α为迭代稳定性控制参数；T（Xj）为反映正演曲线与校正曲线相似程度的目标函数，当该函数达到最小值时，表明正演曲线已逼近校正曲线，此时，即可认为模型求解得到的岩石组分与含量与地层真实情况最为接近。需要说明的是，采用更丰富的测井响应信息，以及岩心分析、常规储层评价取得的地层初步认识等，能够在更大的程度上降低反演算法的多解性。
2.1.2 共轭梯度最优化算法
从上述分析可知，求解页岩复杂岩石组分的测井评价问题，已被转化为求解目标函数T（Xj）最小值的最优化问题。本研究综合考虑目标函数属于多元函数，且测井响应的非线性关系决定了目标函数的非线性特性，故采用共轭梯度法解决目标函数的最优化问题［5］。
对目标函数T（Xj），在极值点X*处作Taylor展开，忽略高效项时，有
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
式中：H＝▽2T（X*）为T（X）在X*处的二阶偏导数矩阵。因为X*为极值点，故▽T（X*）＝0，因而
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
可见，任何次的函数T（X）在其极值点附近具有二次函数的特征。设T（X）可以表示为如下所示二次函数
油气成藏理论与勘探开发技术（五）
可以证明具有N阶正定矩阵A的n元二次函数，最多可在n维空间中找到n个彼此关于A的共轭方向（向量），且从任意的初始点出发，依次沿这n个共轭方向作不超过n次的一维搜索，就可以求得目标函数T（X）在n维空间内的极小点。采用上述共轭梯度算法回避了因牛顿法及其改进算法需要计算二阶偏导数矩阵的逆矩阵而带来的巨大运算量，且克服了最速下降法在接近极小点时收敛速度很慢的缺陷，妥善地解决了研究建立的非线性反演算法的求解问题。
2.2 东岳庙段页岩岩石组分反演
2.2.1 初始模型假设
图3为研究区某井东岳庙段泥页岩常规测井响应，该井含气页岩岩石组分评价的目的在于，明确包括有机碳在内的岩石重要组分的具体含量。初始模型假设的建立，需要分别确定待求解的储层岩石组分及其初始含量，以及参与岩石组分评价的测井曲线。
依据上节所述实验室全岩分析结果（图3），初始模型假设页岩中不存在除干酪根之外的其他固体有机碳；脆性矿物包括石英、方解石、长石，塑性矿物即为黏土；另外，由于相关研究表明，页岩成岩过程中自生的黄铁矿常结晶于储层层理界面之间，在一定程度上有利于水力压裂形成网状缝，且黄铁矿物具有极好的导电特性、极高的光电俘获截面指数以及较高的密度，即使含量较小，对电阻率、光电截面指数与体积密度等测井响应的影响也十分明显，因此，作为影响页岩力学性质与岩石物理特性的重要矿物，黄铁矿在岩石组分模型中不可忽略；最后，由于该段泥页岩黏土矿物含量较高、有效孔隙度较低，且地层水矿化度不高，自由水对测井响应影响不大，故模型仅考虑黏土束缚水存在且假设页岩储层有效孔隙全部被游离气占据的情况。综合上述考虑，最终确定该井东岳庙段泥页岩需要反演计算的岩石组分如图4所示，依次包含黏土（含黏土束缚水）、石英、方解石、长石、黄铁矿、孔隙（游离气）与有机碳（干酪根）。
图3 建南地区某井东岳庙段泥页岩常规测井响应特征与岩心分析结果
图4 页岩岩石体积模型
综合考查本井可参考的测井曲线条数，以及上述页岩岩石体积模型需要涵盖的组分种类，确定利用光电截面指数（PEF）、自然伽马（GR）、中子孔隙度（NPHI ）、体积密度（DEN）、声波时差（DT）、浅侧向电阻率（LLS）、深侧向电阻率（LLD）、铀（URAN）、钍（TH）共9条曲线（图3），反演8种岩石（图4中）组分的含量。可以注意到，如不考虑欠定求解，参加非线性反演的测井曲线条数理论上最多可处理10种岩石组分含量的求解问题，此数大于本模型求解的岩石组分数量，故模型求解结果属于非线性超定解，能够有效降低评价结果的多解性，确保评价结果更加接近页岩气储层的真实情况。
依靠常规储层评价方法，如自然伽马泥质含量Vsb评价方法［6］、密度中子孔隙度Phi评价方法［7］、Pessay有机碳TOC含量评价方法等［8］，可以取得黏土、孔隙度、干酪根含量的初步评价结果，对本井岩石组分初始含量 进行赋值， 剩余组分的初始含量——石英含量 根据实验室岩心分析确定的平均含量（石英55.9％、方解石17.5％、长石7.2％、黄铁矿4.5％）按比例分配，结果如图5第2～8道内实线所示。可以注意到，各岩石组分初始含量（棕色实线）与岩心分析结果（黑色圆点）相比，均存在不同程度的偏差。其中方解石、长石两种矿物含量的偏差最为明显；利用中子－密度孔隙度评价的孔隙度结果也明显偏高；此外，利用自然伽马泥质含量评价方法计算的黏土矿物含量，以及电阻率－声波重叠Passey法计算的有机碳含量，在局部深度上还存在一定误差。本研究将通过随后的反演计算逐步降低这些误差，以得到最接近真实地层岩石组分的评价结果。
图5 建南地区某井东岳庙段泥页岩非线性反演初始模型
2.2.2 模型反演结果
经过非线性反演计算，最终确定该井岩石组分的含量如图6所示，图中第2～8道依次为黏土矿物（含黏土束缚水）、石英、方解石、长石、黄铁矿、孔隙及有机碳含量的评价结果（实线）与对应组分实验室分析结果（黑色圆点），图中第9与第10道分别为页岩岩石组分非线性反演结果与岩心实验室分析结果。
图6 建南地区某井东岳庙段泥页岩岩石组分非线性反演成果图
通过图7各组分初始评价结果（黑色方块）与非线性反演计算结果（三角）的对比分析可以发现，非线性反演结果与实验室分析结果具有更好的线性相关性，与初始评价结果相比更集中于45°对角线附近。图6与图7均显示，非线性反演算法显著提高了石英与方解石含量的评价精度；使孔隙度评价结果更加接近实验室分析结果；此外，黏土矿物与有机碳含量各自在局部位置上的误差也得到了较好的修正；在初始模型中，以平均含量为依据粗略估算的长石与黄铁矿含量，这里也得到了进一步细化，评价结果与实验室分析结果在整体趋势上更为吻合。至此，本研究利用建立的非线性反演方法，同时完成了研究区东岳庙段页岩气储层复杂矿物组分与有机碳含量测井评价两个问题，且取得了较高的评价精度，本研究将进一步定量分析测井评价结果，以验证该方法的可靠性与有效性。
2.2.3 非线性反演结果分析
考虑到各项实测测井响应其本质是被测储层岩石组分反映在各类物理场中的宏观物理特性，因此，为验证非线性反演算法及其反演结果的可靠性与有效性，本研究同时分析了非线性反演结果并在反演结果下模拟了测井响应的误差。
图8展示了非线性反演结果下的模拟测井响应（虚线）与环境校正后的测井响应（黑色实线），涉及的测井项目依次为自然伽马GR、铀Uran、钍Th、中子孔隙度Nphi、体积密度DEN、宏观截面指数U、声波时差DT、冲洗带电导率CXO与原状地层电导率CT。从两组测井响应的对比看，非线性反演结果下的模拟测井响应与实测测井响应具有良好的一致性。表1中定量评分析了两组测井响应间的相关系数，各项测井响应的相关系数在0.867～0.996之间，相关系数均值达到0.921，充分反映了反演结果下的岩石组分宏观物理特性与真实储层物理特性的相似性，即说明通过非线性反演得到的岩石组分及其含量已十分接近页岩气储层的实际情况。此外，以实验室分析结果为标准，表2分别统计分析了图8中初始评价结果与非线性反演结果对实验室结果的相关系数，两组相关系数的对比可以说明，本研究建立的非线性反演算法明显提高了页岩各岩石组分评价的精确度。因此，上述两方面分析充分证明，本研究建立的非线性反演算法在解决页岩储层复杂岩石组分与含量评价问题方面的可靠性与有效性。
该方法能够同时解决页岩气储层岩石矿物组分与有机碳含量评价的两大问题，这两项问题的顺利解决对于后续储层脆性、吸附气含量等重要储层参数评价提供了科学的依据与技术保障。
图7 页岩岩石组分初始评价结果与非线性反演计算结果对比
表1 模拟测井响应与实测响应相关系数
图8 建南地区某井东岳庙段泥页岩复杂岩石组分反演质量控制
表2 初始评价及非线性反演评价较岩心分析结果的相关性对比
3 结论
本研究以非线性反演与最优化算法为核心思想建立的页岩气储层岩石组分测井评价方法，在鄂西渝东建南构造东岳庙段的页岩气储层评价中取得了较好的评价效果。该方法充分挖掘了常规测井资料中蕴含的丰富地质信息，同时解决了页岩储层重要矿物与有机碳含量评价两大问题，弥补了岩心分析深度不连续、ECS测井代价高昂的弊端，且极大地提高了测井评价结果的精度，为后续储层脆性与含气性的综合评价提供了科学的依据与重要的技术保障。
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页岩本身既是烃源岩又是储集层，是一种典型的“原位饱和成藏”机制形成。生物化学生气阶段，天然气或油裂解气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面或聚集在有机质孔隙内，原位滞留饱和后，过饱和的天然气以游离相或溶解相，向外初次运移到上覆无机质页岩地层的孔隙中聚集，一部分以游离相存在于粒内、粒间孔或裂缝中，再饱和后，一部分天然气二次运移到常规储集层，形成常规天然气藏(图5-9)。
图5-9 页岩气形成机理与饱和成藏模式
一、岩石矿物组成
脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，有利于页岩气开采。而高粘土矿物含量的页岩塑性强，吸收能量强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩体积改造。
美国产气页岩中石英含量为28%～52%，碳酸盐含量为4%～16%，总脆性矿物含量为46%～60%。Halliburton(2008)对北美地区多套页岩的统计及Jarvie(2007)对Barnett页岩矿物组成的分析(Daniel， et al.，2008;Jenking，2008)，认为页岩岩矿组成不存在统一模式，如路易斯安那地区位于二级层序海进体系域中的侏罗系Haynesville页岩，自下而上可划分为3个基本类型:生物碎屑泥灰岩、纹层状页岩及硅质页岩，其矿物组成粘土矿物含量为50%，石英和方解石含量为50%。加拿大三叠系Montney页岩，由纹层泥质粉砂岩、富有机质页岩互层组成，陆源碎屑石英含量呈现纵向波动变化。斯伦贝谢公司利用ECS(元素俘获能谱)测井及SpectroLith岩性处理解释技术分析同样说明(图5-10)，北美产气页岩矿物组成特征与Barnett页岩有很大区别。Barnett页岩以硅质含量高为特征，Eagle Ford页岩碳酸盐含量高(50%以上)。因此，富有机质页岩储层发育分布特征受沉积环境控制，不同沉积模式下的富有机质页岩储层矿物组有较大变化。
图5-10 北美页岩储层岩石矿物组成对比
中国海相页岩、海陆过渡相炭质页岩、湖相页岩3种页岩类型，脆性矿物含量总体比较高，均达到40%以上，如上扬子区古生界海相页岩石英含量为24.3%～52.0%，长石含量为4.3%～32.3%，方解石含量为8.5%～16.9%，总脆性矿物含量为40%～80%(表5-4;图5-11);四川盆地须家河组粘土矿物含量一般为15%～78%，平均为50%左右;石英、长石等脆性矿物含量一般为22%～86%，平均为50%左右。鄂尔多斯盆地上古生界含煤层系炭质页岩石英含量为32%～54%，平均48%，总脆性矿物含量为40%～58%;鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩石英含量为27%～47%，平均40%，总脆性矿物含量为58%～70%。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发的页岩，一般其脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量小于30%。
表5-4 中国四川盆地与北美页岩地质条件对比
图5-11 四川盆地下古生界富有机质页岩矿物组成百分含量
二、页岩储层孔渗与微裂缝特征
1.孔渗特征
页岩孔隙大小从1～3nm至400～750nm不等(Robert， et al.，2009)，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。页岩储层孔隙度、渗透率具有明显的正相关性，是页岩含气性的重要控制因素，如EagleFord页岩储层充气孔隙度高达10%，含气饱和度高达80%，相应的渗透率高达0.1×10-3μm2，为优质页岩储层。中国海相富有机质页岩微孔-纳米孔十分发育(图5-12)，既有粒间孔，也有粒内孔和有机质孔，尤其有机质成熟后形成的纳米级微孔甚为发育，这些纳米级微孔是页岩气赋存的主要空间。四川盆地华蓥山红岩煤矿龙马溪组和威远地区筇竹寺组页岩实测结果:龙马溪组页岩孔隙度为2.43%～15.72%，平均4.83%;筇竹寺组页岩孔隙度为0.34%～8.10%，平均3.02%。鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩实测孔隙度为0.4%～1.5%，渗透率为(0.012～0.653)×10-3μm2。
有利页岩气储层与一定区域地质背景下的构造、沉积、有机地球化学特征密切相关，如目的层大多为含油气系统中主力烃源岩，尤其以海进体系域黑色页岩为佳，有机质以倾油的Ⅱ型干酪根为主，且现今处于大量生气阶段或充注过程中，既保存了较高的残余有机质丰度，储集大量吸附气，又能够增加一定孔隙度，容纳足够数量的游离气，同时有助于提高基质系统的渗透性(王正普等，2007)，使得页岩储层品质提高，形成优质页岩储层。
2.微裂缝
裂缝的发育可为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量(程克明等，2009;张金川等，2004;Hill， et al.，2000;Bowker，2002;Hill，2002)。在不发育裂隙的情况下，页岩渗透能力非常低。石英含量高低是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的页岩段脆性好，裂缝的发育程度比富含方解石的泥页岩更强。Nelson认为，除石英外，长石和白云石也是泥页岩中易脆组分。一般页岩中具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩中的粘土矿物含量通常则较低。页岩气勘探必须寻找能够压裂成缝的页岩，即页岩的粘土矿物含量足够低(＜50%)、脆性矿物含量丰富，使其易于成功压裂。
中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，无论是野外地质剖面还是井下岩心观察，发现其均发育较多的裂缝系统。如:上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩性脆、质硬，节理和裂缝发育，在三维空间成网络状分布，岩石薄片显示，微裂缝细如发丝，部分被方解石、沥青等次生矿物充填;鄂尔多斯盆地上古生界山西组岩心切片可看到呈网状分布的微裂缝;鄂尔多斯盆地中生界长7段黑色页岩页理十分发育，风化后呈薄片状。
三、页岩储层含气性
根据含气性，页岩气区带可划分为核心区、外围区。页岩含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和进行资源潜力评估评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气等。哈里伯顿公司(2009)认为商业开发远景区页岩含气量最低为2.8m3/t。北美已实现商业开发的页岩气，其含气量最低约为1.1m3/t，最高达9.91m3/t(表5-4)。吸附气部分主要与有机质、粘土矿物相关，游离气部分主要与基质孔隙相关。图5-13说明页岩吸附能力与有机质含量呈现正相关关系。
图5-12 四川盆地下古生界页岩有机质微孔-纳米级孔隙分布特征
图5-13 Barnett页岩含气量与有机质丰度TOC关系
①1scf(标准立方英尺)=0.0283168m3
需要强调的是，从页岩生烃、富集成藏机理的角度看，页岩有机质数量与质量等都是页岩含气量的关键影响因素。进一步而言，页岩气藏形成的有机质丰度下限及成熟度就是很关键的问题。目前，斯伦贝谢(Charles Boyer et al.，2006，转引自《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)及Devon等在页岩气藏勘探开发实践中，将TOC含量下限值确定为2.0%。这一选值实际上相当于石油地球化学家在评定源岩等级时所确定的“好生油岩”标准。结合母质类型、热成熟度、矿物组成和岩石结构进行综合分析和判识，对于提高页岩气藏勘探开发的效果非常重要。有机质成熟度Ro大于1.2%往往被普遍作为形成有利的页岩气上限。
实测发现，四川盆地下寒武统筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17～6.02m3/t，龙马溪组黑色页岩含气量为1.73～5.1m3/t，与北美产气页岩的含气量(表5-4)相比，均达到了商业性页岩气开发的下限，具备商业性开发价值。由于中国页岩气尚未进入开发阶段，钻探页岩气井少，因此无法获取更多的页岩含气量数据。但根据老井复查结果(程克明等，2009;王兰生等，2009;王社教等，2009;王世谦等，2009;张金川等，2008)，在已往的钻井中，钻遇的黑色页岩段发现了大量的气测显示，有井涌和井喷现象发生，证明页岩段含气性很好。如四川盆地威远地区钻穿筇竹寺组的107口井中，有32口井52个井段出现不同级别的气测显示，威5井在钻至2795～2798m筇竹寺组页岩层段时发生井喷，中途测试获日产2.46×104m3的天然气;钻穿川南地区下志留统龙马溪组页岩层段的15口井中有32个层段见良好气测显示，阳63井3505～3518m龙马溪组页岩段，测试后获日产天然气3500m3。
四、页岩储层评价标准
根据Barnett和Haynesville等北美主要页岩气藏的地质特点，页岩气优质储层一般具备如(表5-5)所示特点，此标准对于开展中国页岩气储层评价具有重要指导意义。
中国页岩勘探开发尚处于起步阶段，页岩气地质条件与美国相比既有相似性，也存在很多差异。因此，对页岩储层评价的标准还不能完全照搬北美页岩气储层评价标准(蒋裕强等，2009)。根据中国南方海相和北方海陆交互相页岩气富集特征，从厚度、地化指标、脆性矿物含量、物性、孔隙流体和力学性质等方面确定的中国页岩储层评价标准(表5-6)为:厚度大于30m，热成熟度为1.1%～4.5%，有机质含量＞2%，具有较好脆性(石英、方解石等脆性矿物含量大于40%，粘土含量小于30%)，有效孔隙度在2%以上，含油饱和度低于5%，岩石杨氏弹性模量在3.03MPa以上，泊松比小于0.25。
表5-5 北美主要产气页岩储层特征
表5-6 中国页岩气储层评价标准
一般来说，页岩气的商业性开采取决于若干条件的同时并存。源岩必须具有足够的厚度，并且有适当的有机质类型、数量和热成熟度。此外，页岩气储层必须符合一定的储集物性，并有足够的孔隙度和渗透率。这些有利于气体开采的特征不一定要恰好出现在同一层或同一地层单元内。更多的情况是，它们往往分布于相邻地层的组合中，其中不同的地层组分显示出所期望的一种或多种特征。例如，在一些地区，气体显然是从富含有机质的黑色页岩源岩经过相对较短的距离运移至孔隙度稍好的岩层中，这些岩层通常由颜色较浅的灰色或浅绿—灰色粉砂质或砂质页岩、粉砂岩和砂岩构成(Broadhead et al.，1982)。
(一)含气页岩的孔隙度及渗透率
与常规天然气不同，对于页岩气来说，页岩既是烃源岩又是储集层。另外，泥页岩储层的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同，天然气在其中的赋存方式也有所不同，因此，并非所有的页岩都有利于页岩气的储集。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，这对于页岩气藏同样适用。储集页岩气的泥页岩，其总孔隙度一般小于10%，适于含气的有效孔隙度一般不及总孔隙度的一半，渗透率则随裂缝的发育程度不同而有较大变化，美国五大页岩气储层渗透率一般均小于0.1×10－3μm2，所以页岩气的大规模发育需要相当的储集空间(表6－6)。
表6－6美国含气页岩主要储集特征表
泥页岩类基质孔隙极不发育，多为微毛细管孔隙，渗透率也远小于致密砂岩，属于渗透率极低的沉积岩。但沉积环境、成岩作用、有机质演化、构造应力、水动力条件和围岩特征等诸多因素的综合效应，能够使有机质丰富的泥页岩形成一定规模、渗透性较好的封闭体系，即裂缝性泥页岩油气藏。这是分布广泛的北美泥盆系页岩只在部分区域具有商业开发价值的主要原因之一，也是油气公司确定页岩气经济、技术可采段的主要依据之一。
页岩中可能含有大量的孔隙并且在这些孔隙中含有大量的油和游离态的天然气，孔隙度大小直接控制着游离态天然气的含量。一些地质学家认为纽瓦克东场大约一半的天然气储存在基质孔隙中(Bowker，2003)。在阿巴拉契亚(Appalachia)盆地俄亥俄(Ohio)页岩和密执安(Michigan)盆地安特里姆郡(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，一般小于0.11×10－3μm2，平均孔喉半径不到0.1005μm，但随裂缝的发育而大幅度提高。
很少有实验室能够把不可渗透岩石的孔隙度精确地测算出来，页岩含水饱和度的测定则更难。当然，只有孔隙度和含水饱和度都知道的情况下才有助于新区的勘探。巴涅特(Barnett)页岩富含有机质部分评价孔隙度大约是5.5%，含水饱和度大约是25%(Bowk-er，2007)。
组成页岩的粘土矿物颗粒和不断的沉积结果导致地层有限的横向渗透性和极为有限的垂直渗透性。典型的非裂缝性页岩的基质渗透率是0.01×10－3～0.00001×10－3μm2。极低渗透率的结果是，除非经历极长的地质时间(几百万年)，否则气体在页岩中不能自由地移动，而被封堵在地层中。储层“总”渗透率与储层中天然裂缝系统的发育程度相一致，这通常通过测井和生产数据分析来确定。由于页岩具有低的渗透率，因此就需要产生大量的裂缝(人工压裂)来维持商业生产。
(二)页岩气的储集
页岩气主体以游离、吸附或者溶解方式存在，成藏过程中没有或仅有极短距离的运移。热裂解气和生物成因气主要以吸附气的储集方式存在，游离气一般储集在裂缝或粒间孔中，还有些气体存在于干酪根和沥青中(Martini et al.，1998)。
页岩气成藏的主要动力源自分子间作用力、生气膨胀和毛细管力等，在吸附平衡和游离平衡机理的约束下，产出的天然气经过初次运移吸附在富含有机质的表面和聚集在岩石颗粒孔隙和裂缝中。已有的研究成果表明，天然气在泥页岩中的赋存有三种基本方式:①以物理或化学的形式吸附在干酪根和粘土颗粒表面上;②以游离气的形式存在于有机质分解或其他成岩、构造作用所形成的孔隙或裂缝中;③少量页岩气甚至可以在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。
页岩生成的天然气首先被页岩中富含有机质的颗粒所吸附，形成吸附态的页岩气藏;随着天然气生气过程的继续，天然气开始以游离态聚集于页岩原生孔隙;当原生孔隙不足以容纳游离态天然气的聚集需求时，页岩中产生微裂缝并成为天然气新的聚集空间，游离态天然气聚集过程继续;当天然气生成量超过页岩所能提供的最大可容空间时，天然气进入与页岩相邻的储层，页岩气成藏阶段结束。
1.吸附气
页岩在地层组成上，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。在页岩中，页岩气(ab-sorbed－stategas)吸附状态主要以物理吸附方式存在，有机质富集程度、干酪根类型、热成熟度、矿物成分含量和地层压力都对页岩的吸附能力有影响。吸附状态天然气的赋存与有机质含量密切有关，它与游离状态天然气含量之间呈此消彼长关系，其中吸附状态天然气的含量变化于20%～85%之间。因此从赋存状态观察，页岩气介于煤层吸附气(吸附气含量在85%以上)和常规圈闭气(吸附气含量通常忽略为零)之间。页岩气成藏体现出了非常复杂的多机理递变特点，除天然气在孔隙水、干酪根以及液态烃类中的溶解作用机理以外，天然气从生烃初期时的吸附聚集到大量生烃时期的活塞式运聚，再到生烃高峰时期的置换式运聚，体现出了页岩气自身所构成的完整性天然气成藏机理序列。
在天然气的最初生成阶段，主要由生物作用所产生的天然气首先满足有机质和岩石颗粒表面吸附的需要，当吸附气含量与溶解的逃逸气含量达到饱和时，天然气则以游离相或溶解相进行运移，条件适宜时可为水溶气藏的形成提供丰富气源。此时所形成的页岩气藏分布限于页岩内部且以吸附状态为主要赋存方式，总体含气量有限。
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。同时，页岩中的有机物质不仅是作为气体的母源，也可以“范德华力”将气体吸附在其表面。页岩对气的吸附能力与页岩的总有机碳含量之间存在正相关关系。在相同压力下，总有机碳含量较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳含量较低的页岩吸附的甲烷明显要高。在对安特里姆郡(Antrim)页岩总有机碳含量与含气量关系的研究中发现，二者呈密切的正相关关系，说明总有机碳含量对页岩气含气量有重要的影响作用。
例如，福特沃斯(Fort Worth)盆地巴涅特(Barnett)页岩有机碳含量0.5%～6%，平均值为4.5%(Bowker，2003)，吸附气的含量与有机碳含量成正比(Mavor，2003)。高有机碳含量页岩段往往存在高的天然气储量，并且通常需要基质具有高孔隙度及很低的粘土含量(Bowker，2007)。有机质的存在导致碳氢化合物以吸附气的形式存在于孔隙性有机物的表面。同时，干酪根也为页岩基质创造了混合润湿性环境，使干酪根附近的页岩呈现油湿特征，而远离干酪根的区域则呈现水湿特征(图6－8)。
图6－8页岩中干酪根的扫描电子显微镜照片 (据TerraTek公司，2006)
2.游离气
游离气(freegas)是天然气在页岩气藏中存在的主要方式之一，以游离态存在的天然气主要受岩层的孔隙度、构造裂缝和压力等因素控制。在热裂解气大量生成过程中，由于天然气的生成作用主要来自于热化学能的转化，它将较高密度的有机母质转换成较低密度的天然气。在相对密闭的系统中，物质密度的变小导致了体积的膨胀和压力的提高，天然气的大量生成作用使原有的地层压力不断增高，从而产生原始的高异常地层压力，即“高压锅”原理。由于压力的升高作用，页岩内部沿应力集中面、岩性接触过渡面或脆性薄弱面产生裂缝，天然气聚集其中则易于形成以游离相为主的工业性页岩气藏，此时页岩气藏的形成在主体上表现为由生气膨胀力所导致的页岩气成藏过程，天然气原地或就近分布，构成了挤压孔隙式的运聚成藏特征。在该阶段，游离相的天然气以裂隙聚集为主，页岩地层的平均含气量达到较高水平。
在母质类型确定的情况下，游离相天然气排出量的大小主要取决于岩石的母质丰度、转化程度和岩石的残留烃能力。母质丰度高、转化程度亦较高的源岩天然气生成量大，如果岩石残留烃能力小，则有大量游离相天然气排出。游离相天然气在浮力作用下运移，遇到的阻力主要有毛细管力和反向的水动力。毛细管力的大小主要受气水界面张力、润湿角大小和孔喉半径的控制。润湿角越小，气水界面张力越大;孔喉半径越小，气相运移的阻力越大。
天然气在储层中运移除受到来自最小孔喉半径的阻力作用外，还受到来自最大孔喉半径的动力作用。从剖面上看，一般埋深在1500m以下的地层有利于游离相天然气的运聚成藏;埋深太浅时尚未大量生气，源岩以压实排水为主，生成的气大都溶解于水和油中或被吸附，很难呈游离相形式排出和存在。
3.溶解气
研究表明，少量页岩气甚至可以在水、干酪根和沥青质中以溶解状态存在，将其称为溶解气(solutegas)。众所周知，自然界中几乎所有的气体均能不同程度地溶解于水中。气体的溶解度，是指在一定的温度、压力和矿化度条件下，单位体积水溶液中所能溶解的最大气体量。它主要取决于地下水的温度、压力、矿化度及气体组分等。在压力不大(约<5MPa)时，水溶解气量与压力成正比，而在压力较高时，水溶解气量则随压力的增加而不呈比例地增大。在温度不高(<80～90℃)时，气的溶解度与温度成正比，而在温度较高(>90℃)时，则成反比。此外，几乎所有气体的溶解度都随矿化度的增加而降低。
目前，研究人员已经普遍承认水溶相是烃类天然气运移的重要相态。就页岩气而言，沉积盆地的有机质在生物改造和热化学动力学作用下生成的天然气，其中一部分会溶解在地层水中，随着地层水滞留在原地，或由于页岩孔渗性、构造作用的影响随地层水流动而发生短距离运移，成为溶解气。在气源充足和地层水总量变化较小的情况下，天然气会饱和地层水，在地层水中保持溶解与扩散的动平衡。这种动平衡会随着地层水状态的变化而发生变化，如地层水压力增大会使溶解度增大，会有更多的游离气溶解在地层水中从而达到饱和;但是当某种条件变化使得天然气的溶解度降低时，则过饱和的气会从水中扩散出来变成游离气，从而减少水中的溶解气量。水溶气的相态就是在这种溶解和扩散的动平衡下不断地在水溶相和游离相之间发生转化。
(三)异常压力
由于页岩气藏作为一个完全封闭的体系而存在，导致页岩气藏大多具有异常压力。从成岩演化上看，热裂解生气阶段形成的页岩气藏常具异常高压，而生物化学生气成藏方式常导致气藏具异常低压。因此，异常压力的存在可以作为页岩气藏的一个识别标志。
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，前者控制游离状态气体含量，后者控制吸附状态气体含量。当压力较低时，吸附状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，为4.197kPa/m，吸附状态天然气含量高达88%，而福特沃斯(Fort Worth)盆地巴涅特(Barnett)页岩气藏具有微超高压力梯度的特征，为12.121kPa/m，其吸附状态气体的含量最高为60%，最低为40%。
压力对游离相天然气的封闭作用不像毛细管封闭作用存在的那么普遍，它只存在于特定的地质条件下，即欠压实具有异常孔隙流体压力的泥岩中，其封闭机理主要是由于泥岩盖层欠压实，大量的孔隙流体受上下致密层的阻止而滞留在泥岩的孔隙中，使其除承受静水压力外，还将承受部分来自上覆地层载荷重量的作用，使泥岩形成了较上下正常压实地层异常高的孔隙流体压力，正是由于这种异常孔隙流体压力的存在，阻止了游离相天然气通过泥岩渗滤运移。异常孔隙流体压力越大，其压力封闭游离天然气的能力越强，反之则越弱。因此，异常孔隙流体压力是反映泥岩压力封闭能力的最主要因素。
以巴涅特(Barnett)页岩为例，现今剩余压力梯度(约0.52psi/ft(11.76kPa/m))实际上保持了地质历史时期一个正常的压力梯度，或者说稍微超过最大热流存在时，烃类生成过程中的压力梯度。巴涅特页岩具有超低渗透率，极高的毛细管压力。福特沃斯盆地镜质组反射率曲线和盆地模拟(Pollastro et al.，2007)表明在二叠纪达到最大埋深时上古生界及中生界几千英尺的沉积地层被剥蚀。纽瓦克东场巴涅特页岩的平均深度是7500ft(2300m)，因此，巴涅特页岩平均储层压力是:
非常规油气资源
如果我们假设静水压力梯度为0.44psi/ft(9.95kPa/m)，我们可以得到剥蚀量:
非常规油气资源
巴涅特页岩是福特沃斯盆地目前发现的所有油气的烃源岩(Montgomery et al.，2005)。巴涅特页岩生成的油气必须在烃类生成之后的抬升过程中被排出，而且来自巴涅特的天然气目前正不停地运移至盆地地表。核心区域的生产井数据表明巴涅特页岩气藏亦具有异常超压(Bowker，2007)。
四川盆地下古生界海相页岩气
答：上述两套富有机质页岩主要发育无机矿物基质微-纳米孔、有机质纳米孔和微裂缝3种孔隙类型,其中无机矿物基质孔隙类型为粒间孔、晶间孔、溶蚀孔、黏土矿物层间孔等,孔隙直径一般小于2μm,以0.1～1μm孔隙为主,部分小于0.1μm,孔隙结构复杂,比表面积大,是页岩气主要储集空间;有机质纳米孔包括有机质内孔、有机...
终于知道中国页岩气是怎样开采出来的,长见识
答：全球页岩气盆地分布图 地质条件复杂，地表环境恶劣 美国地质背景好，页岩气藏构造条件较为简单，页岩广泛分布于全美、页岩结构平缓、地质断层和褶皱也不发育，以海相地层为主；页岩气储层大面积连续分布；储层厚度在49—610m之间，厚度大，具有开发潜力的面积非常庞大。相比之下，我国地质条件就复杂的多，...
页岩气性质
答：作为生物成因气，通过在埋藏阶段的早期成岩作用或近代富含细菌的大气降水的侵入作用中厌氧微生物的活动形成;作为热成因气，通过在埋藏较深或温度较高时干酪根的热降解或是低熟生物气再次裂解形成，以及油和沥青达到高成熟时二次裂解生成。热裂解气与生物成因气的组分富存于页岩气储层中，在美国密歇根州...
我国的页岩气主要分布在哪里,开采它需要哪些技术?
答：低孔、低渗透率的物性特征导致页岩气的开发难度比较大。 页岩气的开发技术也别很少的国家掌握，水力压裂和水平井技术是开采页岩气主要的技术手段，也是很多国家经常采用的手段，目前这种技术发展比较成熟，提高页岩储层中页岩气藏的开采量，不过现在技术也存在着一些短处，需要在进一步的开发先进的技术弥补不...
巴涅特页岩气
答：Jarvie et al.(2001)同时指出，巴涅特页岩含油气系统展现出巨大的油气资源潜力，但是有两个因素抑制了油气的生产:①含油气系统的其他因素(运移路径、储集层、圈闭)晚于幕式排烃的最佳时间和空间;②周期性密封泄漏。热成熟度是福特沃斯盆地巴涅特页岩气勘探和开发考虑的主要地质因素之一，其次是厚度及有机...
北美海相页岩气资源研究及开发进展
答：页岩气储层致密,孔隙度一般为4%～6%,渗透率小于0.001×10-3μm2(0.001mD)。 图1 北美地区页岩气田的分布 (资料来源:EIA) 2011年4月美国能源信息署(EIA)发布了世界页岩气资源初步评价报告,根据Advanced Resources国际有限公司负责完成的美国以外32个国家的页气资源评价以及美国页岩气资源评价结果,全球气技术可采...
恩施探获高含气量页岩气层
答：恩施探获高含气量页岩气层位于中国湖北省恩施土家族苗族自治州。恩施探获高含气量页岩气层是指在湖北省恩施地区发现了具有高含气量的页岩气储层。页岩气是一种非常重要的非常规天然气资源，其储藏在岩石裂缝中或吸附在页岩孔隙中。近年来，恩施地区进行了大量的勘探与开发工作，获得了高含气量的页岩气...
声波测井观测到的页岩气储层特征
答：唐晓明 （中国石油大学（华东）地球科学技术学院，山东青岛 266555）摘 要：在近年来页岩气的大量勘探和开采中，已获取了很多页岩气储层的测井数据。从这些数据（特 别是声波测井数据）中，已经观测到了储层的一些重要特征。这些特征的突出之处是储层中的产气地带大都 存在各种尺度的裂隙、裂缝，它们为...
天然气、煤层气、页岩气是怎么区别的它们之间是什么关系?
答：天然气、煤层气、页岩气是怎么区别的它们之间是什么关系？ 天然气概念范畴比后两者。 煤层气、页岩气、以及致密砂岩气都是按照天然气储集层巖性划分的，顾名思义，分别储存在煤层、页岩层、致密砂岩层中。 其本质都是天然气。 由于煤层气、页岩气的储集层巖性不同，开采方式等等就不一样，所以...
页岩气是什么
答：4、岩层气成藏的生烃条件及过程与常规天然气相同，页岩气藏具有自生自储的特点，页岩既是烃源岩又是储岩。其开采难道较大（因为页岩气储集层渗透率低），主要有水平井技术和多层压裂技术。较常规天然气，页岩气具有开采寿命长和生产周期长的优点，且分布范围广，厚度大，能够长期稳定的产气，所以目前...
