陳 剛, 徐雙輝, 陳洪德, 林良彪, 鄧虎成

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

頁巖氣是指主體位于高碳質(zhì)泥頁巖(也包括存在于泥頁巖夾層中的粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等)中，以吸附態(tài)或游離態(tài)賦存的天然氣聚集。其具有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等特點(diǎn)[1-4]，是當(dāng)前極其重要的非常規(guī)天然氣資源之一。資料顯示，全世界頁巖氣資源儲(chǔ)量約為456×1012m3，主要分布在北美、中亞、中國(guó)、拉美、中東、北非和俄羅斯等地[5-7]。其中美國(guó)頁巖氣商業(yè)性開發(fā)已獲巨大成功，早在2009年美國(guó)就超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國(guó)，2010年其頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到137.8×109m3，約占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的23%，相當(dāng)于中國(guó)天然氣年產(chǎn)量。據(jù)美國(guó)能源信息署(AEO)2012年發(fā)布的消息，美國(guó)待發(fā)現(xiàn)的頁巖氣技術(shù)可采資源量為13.6×1012m3，認(rèn)為美國(guó)2021年將成為天然氣凈出口國(guó)[8-13]。中國(guó)涉足該領(lǐng)域較晚，目前尚處于探索起步階段。初步研究表明，中國(guó)頁巖氣資源十分豐富，估算資源量為23.5×1012～100×1012m3 [14，15]，相當(dāng)于全球頁巖氣資源量的5%～20%;主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準(zhǔn)噶爾等含油氣盆地；此外，在中國(guó)海相頁巖地層、海陸交互相頁巖地層及陸相地層中也有較廣泛分布[16,17]。

頁巖氣是未來石油天然氣能源的重要接替者之一，筆者在參考總結(jié)美國(guó)頁巖氣發(fā)育條件基礎(chǔ)上，通過露頭剖面實(shí)測(cè)、測(cè)井解釋、礦物分析等手段對(duì)川西-川北地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組第五段(簡(jiǎn)稱“須五段”，T3x5)的頁巖氣成藏地質(zhì)條件作了詳細(xì)分析，并對(duì)其頁巖氣有利勘探區(qū)塊進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)優(yōu)選。希望能為中國(guó)頁巖氣的研究和勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 頁巖氣形成機(jī)理分析

野外剖面及巖心觀察表明，頁巖一般包括瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖類，如四川盆地須五段(圖1)。宏觀上，泥頁巖一般與灰色砂巖、粉砂巖互層或夾層，局部間夾煤層；微觀上，賦存于其中的天然氣存在多種形態(tài)，包括游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)以及其他可能相態(tài)等，但以前兩者為主?；谏鲜鎏卣?，頁巖氣形成機(jī)理與煤層氣形成過程極為相似，屬典型的原位“滯留成藏”，連續(xù)型分布。成藏過程中先通過生物化學(xué)作用、熱解作用或者兩者混合作用[18]，吸附在頁巖內(nèi)部的黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、干酪根顆粒及孔隙表面；吸附飽和之后，通過解吸、擴(kuò)散等作用逐漸溶解于基質(zhì)和泥頁巖孔縫中，形成吸附態(tài)、游離態(tài)等原位飽和聚集，局部二次運(yùn)移形成氣藏(圖2)[3,19-21]。

圖1 T3x5泥頁巖野外及巖心照片F(xiàn)ig.1 The photos of shale from core and field in T3x5

圖2 頁巖氣形成機(jī)理模式圖Fig.2 Formation mechanism model of shale gas(據(jù)參考文獻(xiàn)[20]修改)

研究認(rèn)為吸附態(tài)頁巖氣占天然氣賦存總量的20%(Barnet頁巖)到85%(Lewis頁巖)[19-21]，Barnett頁巖和Lewis頁巖是當(dāng)前美國(guó)頁巖氣產(chǎn)出的主力層位[22,23]。美國(guó)是全球頁巖氣發(fā)現(xiàn)最早、開發(fā)最成功的國(guó)家，其商業(yè)性開采的頁巖氣主要產(chǎn)自5個(gè)盆地的頁巖層，分別是福特沃斯盆地的Barnett頁巖、圣胡安盆地的Lewis頁巖、密歇根盆地的Antrim頁巖、阿巴拉契亞盆地的Ohio頁巖和伊利諾斯盆地的New Albany頁巖(表1)。其成功的勘探開發(fā)實(shí)踐表明，美國(guó)工業(yè)頁巖氣除了擁有豐富的氣源物質(zhì)聚集基礎(chǔ)外，其生烴條件還必須要達(dá)到或超過一定標(biāo)準(zhǔn)，這其中包括發(fā)育成熟的富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖、有效厚度>30 m、鏡質(zhì)體反射率(Ro)為1.1%～2.0%、TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)>2.0%、埋深<2 km、干酪根類型以Ⅱ型為主、脆性礦物(石英)含量較高等巖氣成藏條件(表1)。

2 成藏地質(zhì)條件

頁巖氣形成機(jī)理、賦存狀態(tài)及其典型的“自生自儲(chǔ)”成藏模式和原地性特點(diǎn)決定了其能夠大面積存在和分布，因此頁巖氣的成藏條件和要求比其他類型氣藏低，即成藏門限[24]相對(duì)常規(guī)天然氣來說有所降低。對(duì)比美國(guó)頁巖氣發(fā)育條件(表1)，參照國(guó)土資源部油氣中心2013年全國(guó)頁巖氣潛力調(diào)查優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為頁巖氣的主要成藏條件應(yīng)該滿足表2中的參數(shù)。

表1 美國(guó)五大盆地和川西-川北地區(qū)T3x5頁巖氣藏主要地質(zhì)特征對(duì)比Table 1 Comparison of the main geological characteristics of shale gas in five main basins of U.S. with that in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

國(guó)外數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)[2, 3, 7, 9, 13, 19, 20]。

圖3 川西-川北地區(qū)T3x5巖相古地理圖Fig.3 The lithofacies palaeogeography of T3x5 in West Sichuan-North Sichuan

參數(shù)滿足條件沉積環(huán)境較快的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境,如濱淺湖有效厚度單層泥頁巖厚度≥10 m;或泥地比>60%,單層泥巖厚度>6 m,累計(jì)厚度≥30 m埋藏深度300～4 500 mTOC平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥2%RoⅠ型干酪根Ro≥1.2%;Ⅱ型干酪根Ro≥1.0%;Ⅲ型干酪根Ro≥0.7%地表?xiàng)l件地形高差較小,如平原、丘陵、低山、中山、沙漠等保存條件現(xiàn)今未嚴(yán)重剝蝕

國(guó)外數(shù)據(jù)來自參考文巨大，是現(xiàn)今工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)背景條件下國(guó)內(nèi)開展頁巖氣勘探研究的重點(diǎn)層位之一。

2.1 沉積環(huán)境

烴源巖的時(shí)空分布與構(gòu)造活動(dòng)狀況關(guān)系十分密切，穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境有利于“世界級(jí)”烴源巖的沉積，因此沉積環(huán)境是頁巖氣能否形成氣藏的一個(gè)關(guān)鍵條件[25]。沉積環(huán)境是形成沉積巖特征的決定因素，而沉積巖特征是沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)，前者是后者的基本原因，后者是前者的必然結(jié)果。黑色頁巖的形成得益于沉積較快和封閉性較好的還原環(huán)境。其一方面是富含有機(jī)質(zhì)頁巖在被氧化破壞之前經(jīng)快速沉積而大量沉積下來；同時(shí)由于環(huán)境封閉缺氧，抑制了微生物的活動(dòng)，從而使有機(jī)質(zhì)的被破壞程度大為降低[1,16,17,20]。

沉積相是沉積環(huán)境及在該環(huán)境中形成的沉積巖(物)特征的綜合響應(yīng)。川西-川北地區(qū)須五段沉積期總體上為前三角洲-濱淺湖沉積，局部以發(fā)育帶狀分布的三角洲前緣沉積為特征(圖3)，呈現(xiàn)出構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定、湖平面緩慢上升的特征。而在三角洲前緣亞相中，泥頁巖則主要分布于水下分流間灣；濱淺湖亞相中，以深灰色、灰黑色厚層泥頁巖為主，夾單層較薄透鏡狀砂巖：均為頁巖氣藏提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 有效厚度及埋深

縱觀國(guó)外頁巖氣勘探實(shí)踐，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的有效厚度是保證足夠儲(chǔ)集空間及豐富儲(chǔ)量的前提條件。一般而言，泥頁巖的有效厚度越大，其封蓋能力就越強(qiáng)，越有利于氣體的保存,即有利于頁巖氣成藏；反之，不但不利于氣體成藏，也增加了其開發(fā)成本[17]。同樣，頁巖埋藏深度太大亦不利于頁巖氣的開發(fā)和勘探。

統(tǒng)計(jì)川西-川北地區(qū)45口井的結(jié)果表明，研究區(qū)T3x5厚層頁巖比較發(fā)育，埋深>3.5 km的有效頁巖分布較廣，在川西南部的大部分地區(qū)均有分布，有效頁巖總厚度局部可達(dá)600～700 m；在鹽亭、郫縣等地區(qū)，有效頁巖總厚度相對(duì)較薄，一般為200～350 m。埋深>4.1 km的元壩地區(qū)有效頁巖分布范圍在22～70 m之間;而埋深<2 km的廣安地區(qū)，其有效頁巖總厚度為50 m左右；其余地區(qū)與埋深>3.5 km的分布范圍大致相似，有效頁巖厚度為200～396 m(表3)。

2.3 有機(jī)碳含量

頁巖有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)頁巖氣是否具有開采價(jià)值的又一個(gè)重要參數(shù)。美國(guó)五大盆地頁巖氣開發(fā)層位的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1.5%～20%，故目前較普遍的觀點(diǎn)是商業(yè)性頁巖氣開發(fā)的wTOC值下限一般為2%；但也有部分學(xué)者認(rèn)為在熱演化程度高的地區(qū)wTOC值在0.5%以上就是有潛力的源巖[4,26-29]。利用川西-川北地區(qū)地化參數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)井解釋結(jié)果[30]，對(duì)研究區(qū)T3x5編制了富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的TOC含量平面分布圖(圖4)。

研究區(qū)T3x5的wTOC為0.7%～6.7%，平均值>2%。其中wTOC>2%的分布區(qū)域主要有2個(gè)，其一是在川西北至川西中段的平昌、閬中至鹽亭、德陽、成都、大邑區(qū)域，呈條帶狀分布，該區(qū)域分布面積最大；其二是研究區(qū)南部的廣安至遂寧區(qū)域。而盆地北部邊緣有機(jī)碳含量偏低，wTOC<1%?？傮w來看，川西-川北地區(qū)T3x5泥頁巖有機(jī)碳含量富集程度較高。

表3 川西-川北地區(qū)45口井T3x5泥頁巖厚度及埋深統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the depth and thickness of shale from 45 wells in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

圖4 川西-川北地區(qū)T3x5富有機(jī)質(zhì)泥頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖Fig.4 The TOC distribution of the shale rich in organic mass in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

2.4 干酪根類型和成熟度

2.4.1 干酪根類型

沉積巖中的沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷了復(fù)雜的化學(xué)及生物化學(xué)變化，通過腐泥化及腐殖化過程形成干酪根。上述成藏條件、沉積環(huán)境同樣影響干酪根的形成，不同的沉積環(huán)境中可形成不同組成和類型的干酪根，其成油性質(zhì)和生氣潛能也會(huì)有顯著差別。一般來說干酪根可分為3種類型，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。不同類型的干酪根不僅影響頁巖生氣能力和含氣量，也決定了所產(chǎn)油氣的質(zhì)量。因此，研究干酪根類型是油氣地球化學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是評(píng)價(jià)干酪根生油和生氣潛力的基礎(chǔ)和前提[4,16,20,31]。

結(jié)合前人研究成果，筆者對(duì)研究區(qū)T3x5泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型及含量進(jìn)行了測(cè)試、鑒定和分析。結(jié)果表明，須五段腐泥組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～66%，平均為45.8%；殼質(zhì)組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～4%，平均為1.7%；鏡質(zhì)組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～38%，平均為25.5%；惰質(zhì)組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%～41%，平均為25.7%。主要表現(xiàn)為以Ⅲ型干酪根為主，少量Ⅱ2型(表4)。有機(jī)質(zhì)類型平面上基本以Ⅲ型干酪根分布為主，僅成都至遂寧、南充、營(yíng)山地區(qū)分布Ⅱ2型干酪根，Ⅱ1型和Ⅰ型干酪根類型少見(圖5)。

2.4.2 熱成熟度

表4 川西—川北地區(qū)T3x5泥頁巖有機(jī)質(zhì)顯微組成分析表Table 4 The analysis of microscopic organic composition of the shale in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

圖5 川西-川北地區(qū)T3x5富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型分布圖Fig.5 The kerogen type distribution of the shale rich in organic mass in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

泥頁巖中有機(jī)碳含量和干酪根類型是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而有機(jī)質(zhì)熱成熟度則是油氣生成的關(guān)鍵。泥頁巖中的天然氣在成藏過程中要大量生烴和排烴，其有機(jī)質(zhì)干酪根必須達(dá)到相當(dāng)?shù)某墒於萚20]。根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)和測(cè)井解釋鏡質(zhì)體反射率(Ro)結(jié)果[30]編制了須五段Ro分布圖(圖6)。須五段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖熱演化隨著埋深增大而增高，總體上為西北高東南低的趨勢(shì)，普遍在1.0%以上，部分地區(qū)已經(jīng)超過1.5%；在元壩是演化最高的區(qū)域，最高達(dá)到了2.0%；而大邑至德陽區(qū)域也超過了1.4%；東南面的廣安至渠縣以東熱演化程度低，多數(shù)地區(qū)演化程度還不到0.6%(圖6)。

2.5 脆性礦物含量

泥頁巖中的黏土及脆性礦物相對(duì)含量的變化影響著泥頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)和吸附氣體的性能[32,33]。脆性礦物含量主要是指石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物等，是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及決定壓裂改造方式等的重要因素。一方面石英可提高巖石的脆性，使地層更容易產(chǎn)生或誘導(dǎo)裂縫；另一方面碳酸鹽礦物的增加，不但降低泥頁巖的孔縫，使游離氣的儲(chǔ)集空間減少，還在埋藏過程中(如方解石)發(fā)生膠結(jié)作用，進(jìn)一步降低泥頁巖層的孔隙度和滲透率[5,26]。黏土礦物可增加吸附氣的含量；但同時(shí)高含量的黏土礦物使頁巖塑性強(qiáng)，形成平面裂縫為主，不利于頁巖氣的開采[13]。因此，對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)，必須在黏土礦物和脆性礦物之間尋找平衡點(diǎn)。川西-川北地區(qū)T3x5脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均約為68.6%，其中石英為53.4%，長(zhǎng)石為0.2%，方解石為0.4%，白云石為0.4%，菱鐵礦為0.5%(圖7)；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均約為31.4%，其中以伊利石為主(50.4%)，其次為綠泥石(40.0%)，伊/蒙混層和高嶺石分別為0.2%和9.4%(圖8)。因此，研究區(qū)T3x5巖石脆度較高，適合頁巖氣的壓裂改造和開發(fā)。

圖6 川西--川北地區(qū)T3x5富有機(jī)質(zhì)泥頁巖Ro分布圖Fig.6 The Ro distribution of the shale rich in organic mass in T3x5 in West Sichuan-North Sichuan

圖7 漢深1井--思1井--柘1井T3x5泥頁巖礦物含量分布圖Fig.7 Mineral content distribution of the shale from Well Hanshen 1-Well Si 1-Well Zhe 1 in T3x5

3 有利勘探區(qū)塊優(yōu)選

圖8 研究區(qū)T3x5黏土礦物含量分布圖Fig.8 The distribution of clay minerals content from T3x5 in study area

頁巖氣有利選區(qū)評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)因素。綜合上述對(duì)川西-川北地區(qū)頁巖氣成藏地質(zhì)條件分析，對(duì)比美國(guó)五大盆地工業(yè)頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)(表1)，認(rèn)為頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)的選擇應(yīng)在綜合考慮選區(qū)沉積環(huán)境、頁巖有效厚度、埋藏深度、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)干酪根類型與熱演化程度、脆性礦物含量等成藏條件和地面設(shè)施建設(shè)、天然氣管道投資等經(jīng)濟(jì)因素的基礎(chǔ)上展開[1]。

研究區(qū)閬中-德陽-成都-大邑一帶T3x5頁巖具有形成頁巖氣的有利地質(zhì)條件：頁巖主要為一套三角洲前緣-濱淺湖沉積，分布穩(wěn)定；頁巖層厚度為55～365 m；埋藏相對(duì)較淺，一般為2.0～3.5 km；wTOC值為 2.0%～6.7%，平均值>3%；頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根分布為主，熱演化程度高，已進(jìn)入高成熟階段(1.0%

4 結(jié) 語

a.頁巖氣是典型的原位“滯留成藏”，呈連續(xù)型分布，成藏過程中經(jīng)過吸附、解吸、擴(kuò)散等作用，擁有多種賦存狀態(tài)，但主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于泥頁巖中。

b.研究區(qū)頁巖氣成藏地質(zhì)條件較優(yōu)越，主要表現(xiàn)在沉積環(huán)境、有效厚度、埋深、有機(jī)碳含量、干酪根類型、成熟度、脆性礦物含量等方面。

c.研究區(qū)閬中-德陽-成都-大邑一帶T3x5頁巖主要為一套前三角洲-濱淺湖沉積，分布穩(wěn)定；頁巖層厚度為55～365 m；埋藏相對(duì)較淺，一般為2.0～3.5 km；TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～6.7%，平均值>3%；頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主，熱演化程度高，已進(jìn)入高成熟階段(1.0%

圖9 川西--川北地區(qū)T3x5頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選分布圖Fig.9 The preferred distribution of the shale gas favorable blocks in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

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