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原来页岩气也有家!

编著:新华网 崔立伟 刘向东     来源:http://www.xinhuanet.com/science/2019-01/23/c_137764895.htm

从页岩气的名字可以看出,它来自于某一种岩石,但并非所有的岩石都是页岩气的“家?#34180;?#21644;人的家庭、村庄、城市分?#23478;?#26679;,页岩气也有自己的小家,也会组成规模不同的“家庭?#34180;ⅰ?#26449;庄?#34180;?#25110;者“大城市”,即页岩气藏的大小有异。

页岩,页岩气的血脉

页岩,即书页状的岩石,层层分布,易于揭开解读。页岩是一种沉积岩类型,是常见的数百种岩石中的一种,与其它粗颗粒的砾岩、砂岩不同,它的组成颗粒很细,其层面具有光滑的膜感;它的层与层之间很薄,如纸、如板,不像沉积岩中的石灰岩那样厚。而页岩恰恰是页岩气百里挑一,最终选择的住所。

页岩有不同的颜色:白的、灰白的、灰绿的、灰褐的、灰黑的、深黑的,这是由构成它的不同物质所决定的。大体可以分为白色的硅质页岩、灰白色的钙质页岩、灰褐色的铁质页岩、灰黑色的炭质页岩、黑色的油母页岩等。炭与油属有机质,钙与铁属无机质。而页岩由有机质、无机质两部分组成,其中有机质含量高的称为富有机质页岩,如:炭质页岩、油母页岩富含有机质等(图1),它们是页岩气赋存的页岩主要类型。

图1 炭质页岩

地层中的富有机质页岩厚薄不同,页岩气的储量也不同。一般,数米厚的富有机质页岩可能是页岩气聚焦的“村落”;数十?#23383;?#25968;百米厚的富有机质页岩是页岩气聚焦的“城市”;而厚的或者巨厚的富有机质页岩分布的区域是千里挑一的,十分难得。

有机质,页岩气的母亲

页岩气的主要成分为甲烷,由碳和氢组成,属有机质,是从页岩中的有机质演化而来。页岩中的有机质含量的数量和种类,是页岩气形成的物质基础,也影响页岩内部的空间结构以及气体存在的状态。

岩石中有机质的含量,可?#31859;?#26377;机碳的含量表示。有机碳的含量通过氧化法测定获得,通过灼烧,有机碳氧化成二氧化?#23478;?#20986;岩石,测量灼烧前后的质量并求比值,可近似地求取总有机碳的百分含量。页岩中总有机?#24049;?#37327;若高于0.5%,就属于富有机质页岩了。总有机?#24049;科?#22343;值在0.5%至5.0%范围内。

岩石中的有机质还有不同的类型,主要分为可溶于有机溶剂的沥青与不溶于有机溶剂的干酪根。干酪根为高分子聚合物,其成分与结构复杂,没有固定的表达式,但主要由C、H、O以及次要的S、N等元素组成,?#30002;?#26377;机质的80%至90%,是石油天然气的主要来源。干酪根分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型,可根据多种指标划分,如根据元素含量的指标,氢原子数/碳原子数大于1.5时为Ⅰ型、小于0.8时为Ⅱ型、介于等于1.5至0.8时为Ⅲ型。Ⅰ型干酪根也称腐泥型干酪根,有机质多来源于菌藻植物、浮游生物,生油能力强;Ⅲ型干酪根也称腐殖型干酪根,有机质主要来源于高等植物,生油能力低、生气能力强;Ⅱ型干酪根则介于Ⅰ型与Ⅲ型干酪根之间,也称为混合型干酪根。

岩石中的有机质还有不同的成熟?#21462;?#19981;成熟的,形成不了石油天然气;成熟过度了,则可能形成石墨甚至钻石等无机物。一般来说,可通过光学、谱学、化学等十多种方法测定获得指标来判别成熟度,如用“察言观色”的方法:未成熟时,干酪根的颜色呈黄色;成熟时,干酪根的颜色呈橙色、褐色、褐黑色;过成熟时,干酪根的颜色就成黑色了。更科学的方法是用数字百分比表示成熟度,使用精密的光学仪器来测定干酪根的反射?#25163;擔?#24403;反射?#25163;?.5%-0.7%时有机质是未成熟的,不生成油气;小于2%时,能生成油气;大于2%时,处于变质状态,还可以生成甲烷气等。

根据页岩的有机质特征,我国各地页岩情况存在差异:海相的富有机质页岩分布在华北地区、塔里木盆地和青藏高原等地,分布面积广;海?#28966;?#28193;相的页岩,分布于华北地区、四川盆地、吐哈-准噶尔盆地、塔里木盆地的上古生界至中生界地层中,常属?#21512;?#22320;层,有机质更换丰富;湖相的页岩,发育于松辽盆地、渤海湾盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯、四川盆地等的新生界地层中,厚度大。可见,空间?#32454;?#26377;机质页岩分布在我国各地区;时间上,富有机质发育在新元古代至新生代地层中,具有优越的页岩气形成地条件。

无机质,页岩气的父亲

页岩气中的甲烷,直径只有0.36纳?#20303;?#23427;在页岩中呈两种状态存在:吸附在矿物表面时,基本上静止不动,称吸附气(图3);爱运动的,可在空气?#23567;?#27700;中活动的气体称游离气。页岩气的开采,就是把各处的吸附气“请”出门外,使其成为游离气,然后聚集起来成为工业气流,再送到各家各户。

图2 岩石表面的吸附气

页岩气形成之初,甲烷气体主要存在于页岩中的无机矿物搭建的孔隙之?#23567;?#39029;岩的矿物分成三种:其一是脆性的矿物,主要为石英、长石、黄铁矿,前两者是外地搬运而来的碎屑沉积而成,后者因富有机质与处于还原环境下新形成的次生矿物;其二为碳酸盐岩矿物,如方解石、?#33258;?#30707;,多为化学沉积成因;其三为粘?#37327;?#29289;,有蒙脱石、伊利石、高岭石等,多为次生矿物。原生沉积的矿物,它们堆积之时会形成孔隙,而次生矿物在生长过程中很可能会占据孔隙,粘?#37327;?#29289;则多具有更强的吸附气体的能力。因此不同的矿物类型的组合,不仅决定页岩中的孔隙?#21462;?#28183;透率,也决定岩石被压裂形成裂缝的能力大小,还影响吸附气、游离气的含量比例。

此外,孔隙度的大小,决定了页岩气“家”的大小。孔隙度越大,页岩气可能越多。页岩的孔隙度一般用水饱和法测量。假设孔隙原先由空气占据,通过水饱和就可以把孔隙中的空气排除出去。通过测量饱和前后样品的质量,把质量之差除以饱和前的样品质量,所得百分比约为孔隙度,结果其实是有效孔隙?#21462;?#22240;为部分孔隙是封闭的,水不易进入,所以所测的孔隙度总是小于总孔隙?#21462;?#25105;国海相富有机质页岩的孔隙度多在1%-6%,湖相的则多在2%-6%范围内。

孔隙的连通情况,决定液体或者气体穿透岩石或者岩层的能力,并用渗透率表示。其测量原理为达西定律,即给样品两端一个压力差,然后测量单位时间内通过样品的渗流量,并根据样?#33539;?#38754;的面积计算出渗透率。渗透率的单位为毫达西,一般情况下,页岩渗透率为几毫达西至数千毫达西。页岩气开采的过程使用的压裂法,就是增加有效孔?#35759;齲?#22686;?#30001;?#36879;率,让“宅”在“闺房”中的页岩气分子“离?#39029;?#36208;?#34180;?/p>

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