不管是生成生物成因气还是热成因气,都需要充足的有机质。 有机质含量是影响泥页岩生烃能力的主要因素,它从根本上决定着生烃量的多少。

页岩中有机质含量对页岩气成藏的控制作用主要体现在页岩气的生成过程和赋存过程中。 岩石中总有机碳含量不仅在烃源岩中是重要的,在以吸附和溶解作用为储集天然气方式的页岩气储层中也是很重要的。

有机质的含量是生烃强度的主要影响因素,它决定着生烃的多少,因此,对页岩气成藏具有重要的控制作用。 Schmoker 将有机质超过2%(包括2%)的泥盆系页岩定为“富有机质的”页岩。 页岩气藏要求大面积的供气,而有机质页岩的分布和面积决定有效气源岩的分布和面积;从裂缝中聚集的天然气以大面积的活塞式整体推进为主要方式,因此必须有大量的天然气生成;页岩气藏要求源岩长期生气供气过程,而有机质含量决定生气量的一个主要因素。 高的有机碳含量意味着更高的生烃潜力。

美国主要页岩气系统的地质、地球化学和储量参数见表3.1。 美国五大页岩气盆地的含气页岩总有机碳含量一般为1.5%~20%。 Antrim 页岩与New Albany 页岩的总有机碳是五套含气页岩中最高的,其最高值可达25%,Lewis 页岩的总有机碳含量最低,也可达到0.45%~2.5%。 一般认为总有机碳含量在0.5%以上就是有潜力的源岩(Bustin,2005)。

有机质含量随岩性而变化,富含黏土质的地层最高,成熟的地下样品与未成熟的露头样品也有显著区别。 在福特沃斯盆地的中心与北部地区,富含硅质的高成熟井下样品的总有机碳含量为3.3%~4.5%,而从Lampasas 县盆地南部边缘的未成熟露头样品的总有机碳值为11%~13%。

表3.1　美国主要页岩气系统的地质、地球化学和储量参数(据Hill,Nelson,2000;Curtis,2002 修改)

续表(www.daowen.com)

页岩对气的吸附能力与总有机碳含量之间存在线性关系。 在相同压力下,总有机碳含量较高的页岩比其含量较低的页岩的甲烷吸附量明显要高。 在对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[图3.1(b)],说明含气量主要取决于其总有机碳含量。 在其他条件(如温度、压力)相同时,含气量均随着有机组分含量的增加而增大(樊明珠等,1997)。 地层压力的大小也影响页岩层中吸附气量的大小。 吸附气量与地层压力成正比关系,页岩中的地层压力越大,其吸附能力越强[图3.1(a)]。 许多学者认为,不同地区有机质含量、产气量及周围页岩封存能力的不同会引起压力梯度的差异。

图3.1　Antrim 页岩的等温吸附曲线及总有机碳含量与含气量关系图

事实上,泥页岩中的有机质丰度对含气量的影响主要是由于其对气体分子的吸附所造成的。 页岩的有机碳含量(TOC)越高,则页岩气的吸附能力就越大。 Ross 等(2006)对加拿大东北部侏罗系Gordondale 地层和Hickey 等(2007)对Mitchell 2 T. P. Sims 井的Barnett 页岩的研究,均发现有机碳含量较高的钙质或硅质页岩对吸附态页岩气具有更高的存储能力。 其原因主要有两个方面:一方面是TOC 值高,页岩的生气潜力就大,则单位体积页岩的含气率就高;另一方面,由于干酪根中微孔隙发育,且表面具亲油性,对气态烃有较强的吸附能力,同时气态烃在无定形和无结构基质沥青体中的溶解作用也有不可忽视的贡献。 Lu等(1995)和Hill 等(2002)通过实验研究得出有机碳含量与甲烷吸附能力之间存在良好的正相关线性关系。 Ross 等(2007)和Chalmers 等(2008)研究了加拿大Gordondale 页岩得到了和实验结果相同的结论,即有机碳含量越高,页岩吸附气体的能力就越强(图3.2)。

图3.2　甲烷吸附量和有机碳含量关系图

(Ross,2007;Chalmers,2008)