页岩气产能影响因素分析

徐小明，周 明，熊 巍，孔嫦娥，黄秀俊，杨 康

（1.长江大学武汉校区，湖北武汉 430100；2.湖北省天然气有限公司，湖北武汉 430100）

世界经济的快速发展使得能源消费与需求量不断飙升，包括页岩气在内的非常规资源越来越受到重视。当前，美国和加拿大已经实现了页岩气的商业性开发，而国内常规油气储量的瓶颈也迫使中国天然气工业的重心不得不向非常规油气发生转移。中国的页岩气资源十分丰富，开发前景广阔。

页岩气是指赋存于富含有机质的暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1]。它是天然气生成以后在烃源岩层内就近聚集的结果，也可以存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至砂岩地层中[2]。具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点[3]。页岩气储层的孔隙系统、成熟度、有机质含量、温度与储层压力等决定了气体在储层空间中的分配[4]。页岩气地质条件比较复杂和特殊，因此加强页岩气产能影响因素分析对解决页岩气勘探开发具有重要意义。

1 页岩气产能静态影响因素分析

1.1 页岩的矿物组成

美国的页岩气勘探实践表明，作为天然气聚集特殊类型的页岩气藏在岩性成分方面具有如下特征：页岩多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩（高碳泥页岩类），泥页岩中的孔隙度会直接影响游离态天然气的含量，有相关研究表明，超过50%的天然气通常存在于泥页岩的孔隙中[5]。岩石中各组成的质量分数一般为：30%～50%的黏土矿物、15%～25%的粉砂质（石英颗粒）和1%～20%的有机质，多为暗色泥岩与浅色粉砂岩的薄互层。

页岩气储层开采过程中决定产能的一个重要因素是岩石的矿物学特征，其中页岩气储层中脆性矿物的含量则是影响开采的主要因素；粘土矿物的含量则是影响页岩气储层吸附能力的主要因素。干岩石的含气量明显高于“湿”岩石；伊利石的吸附能力高于蒙脱石，高岭石的吸附能力最弱。而地层水矿化度对生物成因页岩气的含气量也有明显的影响。

1.2 页岩孔隙度

在页岩气系统中，页岩储层的孔隙度与渗透率是决定其是否具有商业开发价值的重要参数。页岩的孔隙按演化历史可以分为原生孔隙和次生孔隙；按大小可以分为微型孔隙（孔径＜0.1 μm）、小型孔隙（孔径＜1 μm）、中型孔隙（孔径＜10 μm）和大型孔隙（孔径＞10 μm)[6]。页岩多显示出较低的孔隙度（＜10%），其中含气有效孔隙度仅为1%～5%。在这些孔隙里储存大量的游离气，即使在较老的岩层，游离气也可以充填孔隙的50%。游离气含量与孔隙体积的大小密切联系，一般来说，孔隙体积越大，所含的游离气量就越大[7]。对于单一的孔隙，由于缺乏足够的储气空间，开采初期并不具有商业开采价值，但通过后期改造行为，对其页岩裂缝进行弥补作用，可提供足够的储集空间，提高页岩气储层的产能[8]。

页岩的孔隙又可分为裂缝孔隙、矿物基质孔隙和有机质中的孔隙三种。研究发现：页岩气储层中有机质中孔隙占总孔隙的比例比较大，并且孔径非常小，壁面大，从而使得大量的天然气吸附在有机质的外表面，也有部分的天然气溶解于有机质（干酪根）内部；无机物粒间孔与微裂缝中存在游离态的天然气，其中裂缝有助于吸附天然气的解析，并且能够增加游离天然气的体积。

1.3 页岩厚度

众所周知，广泛分布的泥页岩是形成页岩气的重要条件。同时，沉积有效厚度是保证足够的有机质及充足的储集空间的前提条件，页岩的厚度越大，页岩的封盖能力越强，有利于气体的保存，从而有利于页岩气成藏[9]。美国5 大页岩气勘探开采区的页岩净厚度为9.14～91.44 m[10]，其中产气量较高的Barnett页岩和Lewis页岩的平均厚度在30.48 m以上。一般情况下富有机质页岩厚度一定规模连续分布的有效厚度大于15 m，TOC 较低的页岩厚度一般大于30 m，且页岩区域上需连续稳定分布，才能有效开发[11]。北美某页岩气藏有效厚度分布范围在100～400 m，这为水平井多级分段压裂开采提供了有利条件[12]。但我国四川盆地地区页岩气厚度最小规模一般在20 m。目前具有开采价值的页岩净厚度最小不能够低于6 m，想要保证页岩气的总产量可以达到一定规模聚集，需要页岩厚度越大越好[13]。

1.4 页岩有机质丰度与成熟度

有机碳是形成页岩气的物质基础，同时也是衡量页岩产气能力的重要指标。有机碳的含量会受到沉积环境的影响，水生生物发育较为繁盛的区块，有利于高丰度烃源岩的形成。总有机碳的含量与吸附气的含量密切相关，富含粘土层段的有机质丰度最高，吸附性也较强，从而有利于页岩气的赋存[14]。

通过国内外研究，总有机碳含量（TOC）需要达到有机质丰度最低门槛值。美国页岩气的TOC含量一般大于2%，很少部分小于2%，但在2.5%～3.0%以上是最好的。 TOC 高的泥页岩所含的粘士矿物较多、吸附性强，有利于页岩气的赋存[15]。从国内外页岩气气源的统计情祝来看，美国页岩气有机质热成熟度（Ro）通常在1.1%～3.5%[16]。从中外己发现的页岩储藏来看，Ro在0.4%～5.0%的泥页岩都可能为页岩气聚集的气源提供好的条件，但是对于相同母质来说，热演化程度越大，其页岩气的产气也越大。

斯伦贝谢2006年公布了页岩气开发关键参数的下限，如：孔隙度＞4%，含水饱和度＜45%，含油饱和度＜5%，渗透率＞100 nD，总有机炭含量＞2%。富有机质页岩的厚度达一定规模，一般在15 m以上，区域上连续稳定分布，TOC 低的页岩的厚度一般在30 m以上，要求有一定的保存条件。

2 页岩气产能动态影响因素分析

2.1 吸附作用的影响

页岩气储层中天然气的吸附可以分为物理吸附与化学吸附两种。其中物理吸附主要是由于储层岩石的非平衡分子力所产生的，页岩气储层中骨架颗粒内部的分子受均匀分子引力的作用可以保持受力平衡，但由于岩石最表层的分子并没有达到受力平衡，而导致与其接触的物质之间产生吸引，这就使得甲烷分子吸附于页岩气藏中产生大量的吸附气[17]。化学吸附是在达到一定条件时发生的化学反应，其中也包括化学键的形成与断裂。研究发现，页岩气的化学吸附具有不可逆性、有选择性、吸附时间长和不连续的特点，开始吸附快，越到后面吸附速度越慢[18]。

页岩气井的稳产时间相较于其他常规油藏来说较长，其生产寿命有时可长达30年，年产量递减率通常要小于5%，一般情况下为2%～3%。分析其原因与页岩气储集层吸附气的含量有着密切的关系，吸附是页岩气储层保存天然气的主要方式，吸附解析是页岩气储层生产的重要机制。在页岩气储层生产后期，天然气的主要来源是基质中的吸附气。国外研究人员对Barnett East油气田进行勘探开发研究发现，对于产量、可采储量丰富的页岩气储层而言，吸附气含量大约占天然气总量的40%[19]。因此，吸附气的含量是影响页岩气储层产能的关键因素。

2.2 滑脱效应的影响

气体在地下渗流过程中易发生滑脱效应，尤其对于页岩气这类渗透率极低的储层而言，滑脱效应的存在对气井产能的影响不容忽视。近几年研究人员发现：当页岩气储层的孔隙压力小于10 MPa 时，气体在渗流过程中存在滑脱效应，并且随着孔隙压力的不断增加，气体滑脱效应越加不明显。储层的深度不同，其滑脱效应对气井的产能与生产压差的影响也不同。当储层压力小于5 MPa 或是深度小于500 m的浅层时，页岩气储层的气体滑脱效应对气井的产能与生产压差影响较大；当储层压力小于10 MPa 或是深度介于500～1000 m的中深层时，页岩气储层的气体滑脱效应对气井的产能与生产压差影响相对较小；当储层压力大于10 MPa或是深度大于1000 m的深层时，页岩气储层的气体滑脱效应对气井的产能与生产压差影响可忽略不计[20]。

2.3 压裂液滞留的影响

页岩气运移聚集与经济开采的主控因素之一是裂缝的发育程度，但在实际开发过程中，很少有天然裂缝具有经济开采的价值，所以需要后期的压裂增产措施来改善裂缝的导流能力。目前国内外普遍运用的有清水压裂、泡沫压裂、N2压裂与凝胶压裂等，但在压裂过程中不免会存在压裂液的滞留等问题影响页岩气储层的产能。

压裂过程中出现压裂液滞留与页岩气储层的束缚水含量较低有关，例如美国Barntee 气藏的束缚水饱和度为25%～35%，生气在气藏形成过程中具有的干燥作用会导致页岩气储层产水较少，很容易出现水的渗吸现象。因此，在压裂施工后会有大量的压裂液滞留在储层中，造成地层封堵与水锁，以至于气藏产量降低。除了束缚水的含量低以外，页岩储层中的油湿性有机物含气量高、渗透率较高、与裂缝结构相比其分布面积和体积都比较大也是造成压裂液滞留的重要因素，这些都可以认为是储层中暗藏的气体渗流通道，当再与裂缝、天然缝或是压裂缝相连通时，产量会大幅度提高[21]。

3 结论

（1）页岩气作为一种日益重要的非常规资源，是天然气生成以后在烃源岩层内就近聚集的结果，具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等地质特点。

（2）页岩气的孔隙与常规砂岩或碳酸盐岩相比小很多，多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩，厚度一般必须在15 m以上，TOC含量大于2%，Ro在1.1%～3.5%才能有利于页岩气的生储。

（3）页岩气的产能主要受到吸附作用、滑脱效应、压裂液滞留等的动态因素的影响。

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