[科普中国]-原来页岩气也有家！

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”。和人的家庭、村庄、城市分布一样，页岩气也有自己的小家，也会组成规模不同的“家庭”、“村庄”、或者“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”；数十米至数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，可用总有机碳的含量表示。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碳逸出岩石，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。页岩中总有机碳含量若高于0.5%，就属于富有机质页岩了。总有机碳含量平均值在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，占总有机质的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度。不成熟的，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率值，当反射率值0.5%-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；海陆过渡相的页岩，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，常属煤系地层，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，空间上富有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纳米。它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，可在空气中、水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中。页岩的矿物分成三种：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、白云石，多为化学沉积成因；其三为粘土矿物，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，粘土矿物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度、渗透率，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度。因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度。我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，并根据样品断面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，就是增加有效孔裂度，增加渗透率，让“宅”在“闺房”中的页岩气分子“离家出走”。

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