环境
页岩气开采
暴露在地表的页岩层，图中连续的黑色岩石为富硫的页岩。
水力压裂法开采页岩气
众所周知，天然气是一种清洁、高效的能源，使用天然气可以缓解因烧煤或石油所造成的环境污染。2013年，我国天然气对外依存度已经超过30%。在此背景下，储量大、可开采时间长的页岩气，将成为国产天然气的重要来源。
撰文/胡云霞(中国科学院广州地球化学研究所)
我国的温室气体排放量很大，为了提高环境质量，正在努力发展清洁能源，降低对煤炭的依赖性。
天然气是一种比较清洁的能源，主要成分是甲烷，燃烧时产生的二氧化碳要少于其他的化石燃料。传统的火力发电厂主要是烧煤，如果改烧天然气，则能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少二氧化碳排放量的60%和氮氧化物排放量的50%。使用天然气能源，有助于减少酸雨形成，减缓地球温室效应，改善环境质量。天然气不仅可以用作燃料，也可以用于工业生产的原料。
随着经济和社会的发展，我国天然气消费持续快速增长，国内天然气产量已不能满足日益增长的市场需求。近年来，页岩气的开发正在成为油气资源开发的新亮点，令化石能源焕发生机。
页岩气储集在富含有机质的黑色页岩中，产气的页岩分布范围广、地层厚度大、没有明确的边界，没有像传统的油气藏那样特定的储集构造。页岩气单井开采寿命长，一般可达30～50年，并能够长期地以稳定的速率产气。但是，页岩气储集层渗透能力低，需要借助人造裂缝才可以实现有效开发。相比之下，页岩气开采难度较大，开发成本一般也高于常规天然气。
页岩是什么？
谈及页岩气，就必须先了解什么是页岩。页岩是一种沉积岩，具有薄页状或薄片状结构，其主要矿物的粒径（最大长度）小于0.0039毫米，因而非常细腻。页岩的矿物组成很复杂，主要由黏土矿物与石英、长石等碎屑矿物组成，一般还包括一些铁和锰的氧化物、氢氧化物等其他矿物，还可能含有一定数量的有机质。由于页岩中的矿物组成以及所含的有机物数量不同，页岩可以呈现为白、灰白、灰、黄、绿、红褐、棕、黑等各种颜色。
页岩是在海洋或者湖泊的静水环境中形成的，一般是在水体较深、水动力微弱的状态下，缓慢沉积而成。这些水体中原来生活有大量的浮游生物、藻类与各种植物，它们死亡后与其他沉积物一起沉积于水底。动植物的遗骸在经历不同程度的生物降解后，最终在沉积物中保存下来。因此，页岩中的有机质的含量不一，有多有少。随着沉积过程不断进行，沉积物被逐渐埋入地下，它所在环境的温度和压力都会随之升高，而沉积物中所含的有机质将逐渐降解，矿物颗粒之间孔隙减少，水分也逐渐在压力的作用下被排出。经过压实作用、脱水作用、重结晶作用等地质过程，这些沉积的细粒矿物与有机质最终就生成了页岩。
页岩气的形成过程
尽管页岩内部的矿物颗粒之间的孔缝已经非常小了，依然存在大量的尺度非常小的孔隙。页岩气是一种赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附与游离状态为主要存在方式的"非常规天然气"。
那么，页岩气是如何形成的呢？
页岩中存在的有机质，是沉积降解以后的产物，绝大多数都不能溶解于普通溶剂。这部分固体有机质来自沉积物中的生物遗骸，在石油地质学上统称为"干酪根"（Kerogen）。
干酪根的成分和结构很复杂，是一种高分子聚合物，没有固定的分子式和结构模型，主要由碳、氢、氧和少量的硫、氮元素组成。石油、天然气（包括页岩气）基本上都来源于干酪根。
根据干酪根的来源不同，石油地球化学家将其划分为三种类型。
类型Ⅰ：来源于浮游生物与藻类，主要生成石油。
类型Ⅱ：为浮游生物与高等植物的混合来源，可生成石油与天然气。
类型Ⅲ：以高等植物来源为主，主要生成天然气。
页岩中的干酪根在埋藏过程中可以形成石油与天然气，一方面取决于干酪根的来源，另一方面与其所处的地质条件有关，其中，它受到的温度与经历的地质时间是主要控制因素，而压力的作用有限。
根据石油地质理论，页岩中的干酪根随着埋藏深度、温度、时间的增加，主要经历了三个演化阶段。
首先是生物甲烷形成阶段（干酪根的埋藏深度一般在1000米以内，温度低于50℃）。在这样的地质条件下，干酪根通过厌氧微生物分解，形成以甲烷为主的天然气。有机质的分解，主要依靠硫酸盐的还原反应形成甲烷。在有些地质条件下，这样的天然气可形成工业气藏（如我国的柴达木盆地生物气，目前探明储量已经超过2000亿立方米）。生物气如果保留在页岩中，就是生物成因的页岩气（如美国Antrim页岩中的页岩气，主要就是生物成因的）。
其次是石油形成阶段（干酪根的埋藏深度一般在1500～3500米，温度在50～150℃）。在这样的地质条件下，干酪根大分子会发生裂解，主要形成石油，同时也形成少量天然气。在生成的石油中，一部分可以沿着页岩中的裂缝、断裂结构运移，聚集在附近的砂岩或者碳酸盐岩中形成油藏，称为"常规油藏"；另一部分石油则保留在页岩中，称为"页岩油"。页岩油是一种"非常规石油"，与页岩气一样，也是目前勘探开发的一个热点。
第三个是天然气形成阶段（干酪根的埋藏深度大于3500米，温度高于150℃）。此时，页岩中的干酪根进一步裂解形成天然气，页岩中的残留油也会发生裂解，形成天然气与沥青。页岩生成的天然气同样可发生运移，聚集在相近的砂岩或者碳酸盐岩中形成天然气藏，即"常规天然气藏"；还有一部分仍然残留在页岩中，这部分天然气就是本文所讲的页岩气。这种页岩气与生物成因的页岩气不同，是热裂解成因，目前95%以上的页岩气都属于这种成因。需要特别指出的是，页岩中的干酪根与残留油并不能随着温度的增加一直生成天然气。一般认为，页岩埋藏的深度达到8000米、经历的地质温度超过250℃以后，页岩中的有机质不会再生成天然气。在石油地质学上，称这种干酪根转变为"死碳"。
因此，页岩气可直接来源于干酪根的裂解，也可来源于干酪根形成了石油以后的进一步裂解；它可以是生物成因，也可以是裂解成因。干酪根与残留油的裂解可形成大量天然气，而目前人们找到的页岩气，主要也是裂解成因。页岩中的干酪根是形成页岩气的基础，页岩中干酪根含量越高、周边地质环境的温度越高，那么页岩气的含量也就越高。一般而言，有页岩气勘探开发潜力的页岩，其总有机碳（页岩中所含的总有机质的碳含量占页岩的总重量的百分比，TOC）含量要在2%以上，所受的地质温度要在150℃以上。
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