趙景勛（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，山西 太原 030031）

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頁巖氣研究進(jìn)展及其地質(zhì)特征分析

趙景勛
（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，山西 太原 030031）

【摘 要】頁巖氣是一種潛在資源量巨大的非常規(guī)天然氣資源。本文總結(jié)了國內(nèi)外頁巖氣研究進(jìn)展，詳細(xì)梳理了國內(nèi)頁巖氣研究脈絡(luò)及取得的成果。從頁巖氣的成因類型、賦存方式、泥頁巖儲(chǔ)層巖石礦物學(xué)、有機(jī)地化及物性等方面總結(jié)了頁巖氣地質(zhì)特征，并與煤層氣及常規(guī)天然氣進(jìn)行了對(duì)比。認(rèn)為我國頁巖氣資源潛力巨大，發(fā)展前景良好。同時(shí)，我國頁巖氣地質(zhì)特征具有明顯的特殊性，隨著頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與開發(fā)理論創(chuàng)新及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的突破，未來我國頁巖氣資源發(fā)展前景廣闊，有望改變我國天然氣發(fā)展乃至整個(gè)能源發(fā)展格局。

【關(guān)鍵詞】頁巖氣；地質(zhì)特征；研究進(jìn)展

1　研究進(jìn)展

頁巖氣是一種潛在資源量非常巨大的非常規(guī)天然氣資源，具有含氣面積廣、資源量大、開采技術(shù)要求高、生產(chǎn)壽命長、穩(wěn)產(chǎn)周期長等特點(diǎn)。近些年來，嚴(yán)峻的能源緊張形勢及世界能源消費(fèi)的不斷攀升，使頁巖氣資源在全世界范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注。頁巖氣本質(zhì)上就是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合，具有普遍的地層飽含氣性、含氣面積大、隱蔽聚集機(jī)理、多種巖性封閉以及相對(duì)較短的運(yùn)移距離等特點(diǎn)，其賦存狀態(tài)可以是在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在，或者在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在[1]。

1.1 國外研究進(jìn)展

頁巖氣的勘探開發(fā)已經(jīng)有200多年的歷史，美國是世界上最早發(fā)現(xiàn)，也是世界上最早進(jìn)行頁巖氣研究和開采的國家。早在1821年，美國就在紐約州的Fredonia小鎮(zhèn)打出了世界上第一口頁巖氣鉆井，但直到20世紀(jì)70年代，美國才開始重視并大量研究開發(fā)，在90年代后期實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開采。頁巖氣的概念首次由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的Curtis教授[1]提出，隨著勘探開發(fā)理論、工程工藝技術(shù)突破等方面的技術(shù)革新，美國的頁巖氣勘探和開發(fā)取得了飛速的發(fā)展，產(chǎn)量逐年大幅增加，近10年來平均增速超過25%。2013年，美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)3 025×108m3。頁巖氣產(chǎn)量的快速上漲，扭轉(zhuǎn)了美國天然氣下降的局面，并推動(dòng)美國在2009年重新超過俄羅斯，成為世界第一大產(chǎn)氣國。據(jù)美國能源信息署(EIA)預(yù)測，到2035年，美國將有49%的天然氣供給來自頁巖氣。北美頁巖氣資源的勘探開發(fā)，從很大程度上改變了北美甚至世界的天然氣供應(yīng)格局。頁巖氣藏近年來已經(jīng)成為北美地區(qū)廣泛勘探開發(fā)的天然氣新領(lǐng)域，在全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)中的地位也越來越重要。迄今為止，除北美以外地區(qū)，加拿大也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)，已經(jīng)有多個(gè)國家及地區(qū)在進(jìn)行頁巖氣勘探開發(fā)工作及相關(guān)先導(dǎo)試驗(yàn)[2]。國外在技術(shù)方面，已經(jīng)形成一套行之有效的地質(zhì)評(píng)價(jià)及勘探開發(fā)技術(shù)，尤其是水平井分段壓裂工藝與工具的發(fā)展，為頁巖氣的開采提供了有力的技術(shù)保障，且朝著井眼軌跡設(shè)計(jì)與地質(zhì)導(dǎo)向的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、配套化以及壓裂工具的可控與智能化發(fā)展。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

相比而言我國的頁巖氣研究工作則起步較晚，1994～1998年間曾有部分學(xué)者針對(duì)泥頁巖裂縫性油氣藏做過一些研究工作，但并沒有意識(shí)到“頁巖氣”的概念及其廣闊前景[3]。2000年有部分學(xué)者開始跟蹤北美頁巖氣的勘探開發(fā)及相關(guān)技術(shù)，而對(duì)于頁巖氣的正式研究工作則始于2005年。隨著北美地區(qū)頁巖氣研究的升溫，我國的主要石油企業(yè)、石油與地質(zhì)類高校、國土資源部以及國家能源局等相關(guān)政府機(jī)構(gòu)，借鑒北美地區(qū)頁巖氣研究成果，逐步開展了“中國頁巖氣形成與富集地質(zhì)條件研究及頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)”等工作，據(jù)掌握的研究資料選取了頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)帶，隨后完成了多口地質(zhì)淺井及地質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)井等的鉆探工作。研究表明，我國頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜，含氣頁巖分布廣、層系多、類型多樣。在揚(yáng)子及滇黔桂、西北地區(qū)下古生界，主體發(fā)育了高過成熟海相含氣頁巖；在華北及西南等地區(qū)主要發(fā)育了上古生界海陸過渡相煤系含氣頁巖；中新生界陸相盆地內(nèi)主要發(fā)育中低成熟度湖相含氣頁巖[4]。隨著研究的深入，進(jìn)一步優(yōu)選了一批有利頁巖氣區(qū)帶，開始進(jìn)行頁巖氣開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)井。就時(shí)間階段而言，2007年10月，中國石油天然氣集團(tuán)公司與美國新田石油公司簽署了威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究協(xié)議；2008年11月，中國石油勘探開發(fā)研究院實(shí)施的我國第一口頁巖氣取芯井(長芯1井)在四川宜賓市順利完鉆；2009年8月，在重慶綦江進(jìn)行了首個(gè)頁巖氣開發(fā)項(xiàng)目；2009年11月與殼牌公司簽訂了四川盆地富順—永川區(qū)塊頁巖氣聯(lián)合評(píng)價(jià)協(xié)議；2011年4月，國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心依托“全國頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)與有利區(qū)優(yōu)選”國家頁巖氣專項(xiàng)項(xiàng)目，在貴州省黔東南州岑鞏縣組織實(shí)施了第一口井深超千米戰(zhàn)略調(diào)查井—岑頁1井；在此期間，各省市自治區(qū)也根據(jù)本區(qū)地質(zhì)特征，加緊開展了頁巖氣相關(guān)調(diào)查工作。2012年3月，《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選》項(xiàng)目完成，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，全國頁巖氣地質(zhì)資源量134×1012m3，可采資源潛力為25×1012m3(不含青藏區(qū))。

在政策方面，國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃明確要求“推進(jìn)頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”，并正式批準(zhǔn)頁巖氣成為我國第172個(gè)獨(dú)立礦種。2012年國家發(fā)改委、國土資源部等相關(guān)部門發(fā)布了《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011-2015)》，同年9月頁巖氣探礦權(quán)國內(nèi)首次公開招標(biāo)；2013年10月，國家能源局發(fā)布中國第一個(gè)《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》；2014年國土資源部發(fā)布了《頁巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》。

在頁巖氣的工業(yè)化生產(chǎn)中，2014年11月，四川珙縣境內(nèi)的18個(gè)頁巖氣勘探平臺(tái)89口井的建設(shè)已全面鋪開，頁巖氣外輸干線工程基本建成，頁巖氣勘探開發(fā)工作推進(jìn)順利。珙縣地處“四川長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)”和“滇黔北昭通國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)”的核心交匯地帶，頁巖氣資源豐富。自2011年以來，珙縣配合蜀南氣礦、長寧天然氣公司、浙江油田公司的勘探開發(fā)工作，頁巖氣開發(fā)已形成先發(fā)優(yōu)勢，創(chuàng)造了“第一口高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井、自主成功勘探開發(fā)第一井、第一個(gè)規(guī)?；a(chǎn)區(qū)、頁巖氣民用第一單、首個(gè)央地合作頁巖氣開發(fā)公司”等多個(gè)紀(jì)錄。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2014年7月，我國已在涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、昭通和鄂爾多斯等地取得頁巖氣開發(fā)突破，形成年產(chǎn)15×108m3總產(chǎn)能，累計(jì)生產(chǎn)頁巖氣6.8×108m3。另外，延長石油集團(tuán)在陜西延安地區(qū)3口井獲得陸相頁巖氣發(fā)現(xiàn)；中聯(lián)煤在山西沁水盆地提出了壽陽、沁源和晉城三個(gè)頁巖氣有利區(qū)。在技術(shù)方面，初步掌握了頁巖氣水平井的完鉆技術(shù)以及直井的壓裂技術(shù)，另外，在頁巖氣的解析、擴(kuò)散和滲流機(jī)理以及產(chǎn)能的數(shù)值模擬方面，取得了一定的進(jìn)展。

總體而言，我國頁巖氣的勘探開發(fā)研究主要經(jīng)歷了北美跟蹤分析、地質(zhì)條件評(píng)價(jià)、目標(biāo)優(yōu)選、技術(shù)研發(fā)與準(zhǔn)備及開發(fā)試驗(yàn)先導(dǎo)等五個(gè)階段，經(jīng)過十余年發(fā)展，我國頁巖氣從跟蹤北美研究進(jìn)展、地質(zhì)評(píng)價(jià)一直到現(xiàn)在正在進(jìn)行的先導(dǎo)試驗(yàn)鉆探，長寧、威遠(yuǎn)等地區(qū)已鉆獲豐富的頁巖氣資源。據(jù)國土資源部預(yù)計(jì)，我國頁巖氣產(chǎn)量在2015年有望達(dá)到或超過65×108m3的規(guī)劃目標(biāo)，2020年將力爭超過300×108m3。據(jù)《BP2035世界能源展望》，除北美外，我國是頁巖氣供應(yīng)增長方面最有潛力的國家，占全球頁巖氣增長的13%，到2035年，我國和北美將合力貢獻(xiàn)81%的頁巖氣。

2　地質(zhì)特征

與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層相比，泥頁巖具有一定的特殊性：粒度細(xì)(<0.003 9mm)、富含有機(jī)質(zhì)、具有頁理構(gòu)造、極低的基質(zhì)孔隙度和滲透率、復(fù)雜的成巖改造等。泥頁巖的這種特殊性，決定了其特殊的地質(zhì)特征。主要表現(xiàn)在成因類型、賦存方式、巖石礦物學(xué)特征、有機(jī)地化特征及儲(chǔ)層物性特征等五個(gè)方面。

2.1 成因類型

張金川等[5]認(rèn)為頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。從某種意義來說，頁巖氣藏的形成是天然氣在源巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。頁巖氣是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合。生物成因氣是有機(jī)物在低溫下經(jīng)厭氧微生物分解作用形成的天然氣；熱成因氣是有機(jī)質(zhì)在較高溫度及持續(xù)加熱期間經(jīng)熱降解和裂解作用形成的天然氣[6]。相對(duì)于熱成因氣，生物成因的頁巖氣分布較少，主要分布在盆地邊緣的泥頁巖中，在美國研究比較深入的五個(gè)盆地的五套頁巖中，密執(zhí)安盆地和伊利諾斯盆地發(fā)現(xiàn)了生物成因的頁巖氣藏，并且是勘探目標(biāo)中的主要構(gòu)成[1]。頁巖氣的形成是熱成因和生物成因共同作用的結(jié)果。

2.2 賦存方式

①與常規(guī)天然氣不同，對(duì)于頁巖氣來說，頁巖既是烴源巖又是儲(chǔ)集層，因此，無運(yùn)移或極短距離運(yùn)移，就近賦存是頁巖氣成藏的特點(diǎn)；②泥頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集特征與碎屑巖、碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同，天然氣在其中的賦存方式也有所不同，體現(xiàn)在頁巖氣可以在天然裂縫和粒間孔隙中以游離方式存在，或者在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在；③富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖在生氣過程中，生成的天然氣一般情況下先滿足吸附，然后溶解和游離析出。在一定的成藏條件下，頁巖氣以上述三種機(jī)理賦存并不是相互獨(dú)立一成不變的，當(dāng)頁巖生烴量發(fā)生變化或外界條件改變時(shí)，三種賦存機(jī)理的表現(xiàn)形式可以相互轉(zhuǎn)化。研究表明，這三種狀態(tài)的頁巖氣處于一定的動(dòng)態(tài)平衡體系中。

2.3 巖石礦物學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)含量高是頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征，泥頁巖儲(chǔ)層巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖和高碳泥頁巖類。美國福特沃斯盆地Barnett頁巖的殘余有機(jī)碳(TOC)含量一般為3%～13%，平均為3.9%[1]。富含粘土礦物是富有機(jī)質(zhì)頁巖的另一特點(diǎn)。如美國Bossier頁巖粘土礦物含量可高達(dá)70%[1]；通常頁巖地層中會(huì)發(fā)育粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖甚至薄層細(xì)礫巖夾層。巖石組成一般為30%～50%的粘土礦物、15%～25%的粉砂質(zhì)(石英顆粒)和4%～30%的有機(jī)質(zhì)，巖石脆性高。泥頁巖儲(chǔ)層的巖石礦物學(xué)特征決定了泥頁巖儲(chǔ)層極低的孔隙度和滲透率及復(fù)雜的成巖改造。

2.4 有機(jī)地化特征

有機(jī)質(zhì)的豐度和類型對(duì)于頁巖氣的形成至關(guān)重要，溫度、壓力和還原環(huán)境是頁巖氣形成的必要條件。有機(jī)地球化學(xué)特征主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)含量和干酪根類型等兩個(gè)方面。

頁巖中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)頁巖氣成藏的控制作用主要體現(xiàn)在頁巖氣的生成過程和賦存過程中。巖石中總有機(jī)碳含量不僅在烴源巖中是重要的，在以吸附和溶解作用為儲(chǔ)集天然氣方式的頁巖氣儲(chǔ)層中也是很重要的。有機(jī)質(zhì)的含量是生烴強(qiáng)度的主要影響因素，它決定著生烴的多少，因此，有機(jī)質(zhì)含量對(duì)頁巖氣的成藏具有重要的控制作用。

頁巖中干酪根的類型，可以提供有關(guān)烴源巖沉積環(huán)境的信息。干酪根的類型不但對(duì)巖石的生烴能力有一定的影響作用，還可以影響天然氣吸附率和擴(kuò)散率。研究表明，不同干酪根類型的頁巖中均可以生成大量的天然氣，因此，干酪根類型并不是決定產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素，只影響天然氣吸附率和擴(kuò)散率[7]。一般來說，在湖沼沉積環(huán)境形成的煤系地層的泥頁巖中，富含有機(jī)質(zhì)，并以腐殖質(zhì)的Ⅲ型干酪根為主，有利于天然氣的形成和吸附富集，煤層氣的生成和富集成藏也正好說明了這一點(diǎn)。在半深湖—深湖相、海相沉積的泥頁巖中，Ⅰ型干酪根的生烴能力和吸附能力一般高于Ⅱ型或Ⅲ型干酪根。Curtis[1]認(rèn)為，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根為頁巖氣生成的主要有機(jī)質(zhì)類型。

2.5 儲(chǔ)層物性特征

細(xì)粒泥頁巖的一個(gè)顯著特點(diǎn)是孔隙結(jié)構(gòu)細(xì)小，主體以微孔隙和中孔隙為主。泥頁巖主要礦物成分為粘土礦物，粒度＜0.003 9mm，經(jīng)過復(fù)雜的成巖改造導(dǎo)致泥頁巖儲(chǔ)層非常致密，其孔隙度和滲透率極低，孔喉直徑范圍1～100nm，孔隙度一般＜10%，滲透率比致密砂巖低很多(遠(yuǎn)小于1md)。頁巖中通常發(fā)育天然裂縫，天然裂縫的存在一方面可以增加游離氣的儲(chǔ)集空間，另一方面可以提高頁巖極低的孔隙度和滲透率，有利于頁巖氣的開采。Curtis[1]通過對(duì)北美五套頁巖儲(chǔ)層的研究也表明天然裂縫網(wǎng)絡(luò)必然會(huì)增大頁巖極低的基質(zhì)滲透率。對(duì)于頁巖氣開發(fā)而言，天然裂縫的發(fā)育程度與方位及與現(xiàn)今地應(yīng)力的匹配關(guān)系是控制頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵因素。

2.6 頁巖氣與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)系

頁巖氣生烴過程與常規(guī)油氣并無區(qū)別，但儲(chǔ)集方式、富集條件以及氣藏宏觀分布差異較大。在成藏特征上介于煤層氣和常規(guī)天然氣之間(見下表)。煤層氣與頁巖氣均為自生自儲(chǔ)式非常規(guī)天然氣資源，在成藏地質(zhì)條件、賦存環(huán)境條件和工程力學(xué)條件等方面都有諸多共性，但也存在一定的差異性[8]。從天然氣賦存狀態(tài)來看，頁巖氣包含了吸附氣部分，并且不同地質(zhì)條件下游離氣、吸附氣二者相對(duì)含量變化大，開采方案、生產(chǎn)曲線也呈現(xiàn)不同特征。

頁巖氣、煤層氣與常規(guī)天然氣對(duì)比

3　結(jié)論

(1) 頁巖氣系指泥頁巖在各種地質(zhì)條件下生成，已飽和巖石自身各種形式需要，進(jìn)入排烴門限但尚未完全排出的，以吸附、游離和溶解等多種形式殘留于泥頁巖內(nèi)部的天然氣資源，表現(xiàn)為天然氣在烴源巖中大規(guī)模滯留的結(jié)果。

(2) 國外頁巖氣研究比較早，美國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)頁巖氣資源的國家，取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破。加拿大以及我國等緊隨其后，積極的開展了頁巖氣的勘探與開發(fā)等研究探索工作。

(3) 我國頁巖氣的研究已取得重要進(jìn)展，但頁巖氣藏與常規(guī)氣藏不同，其成因類型、賦存方式及其地物化特征均有特殊性，我國頁巖氣實(shí)現(xiàn)工業(yè)性開采還有很多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決，應(yīng)充分結(jié)合我國頁巖氣儲(chǔ)層的特殊性進(jìn)行深入研究。

(4) 我國頁巖氣資源潛力巨大，隨著頁巖氣勘探開發(fā)的理論創(chuàng)新及關(guān)鍵技術(shù)突破，加上國家相關(guān)政策支持，未來我國頁巖氣資源發(fā)展前景廣闊，有望改變我國天然氣發(fā)展乃至整個(gè)能源發(fā)展格局。

【參考文獻(xiàn)】

[1]CURTIS J B. Fractured shale-gas systems[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11): 1921-1938.

[2]董大忠,鄒才能,楊樺,等.中國頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)展與發(fā)展前景[J].石油學(xué)報(bào),2012,33(S1):107-114.

[3]姜福杰,龐雄奇,歐陽學(xué)成,等.世界頁巖氣研究概況及中國頁巖氣資源潛力分析[J].地學(xué)前緣,2012,19(2):198-211.

[4]鄒才能,董大忠,王社教,等.中國頁巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力[J].石油勘探與開發(fā),2010,37(6):641-653.

[5]張金川,金之鈞,袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè),2004(7):15-18.

[6]李新景,胡素云,程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J].石油勘探與開發(fā),2007,34(4):392-400.

[7]李新景,呂宗剛,董大忠,等.北美頁巖氣資源形成的地質(zhì)條件[J].天然氣工業(yè),2009,29(5):27-32.

[8]孟召平,劉翠麗,紀(jì)懿明.煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對(duì)比分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2013(5):728-736.

【試驗(yàn)研究】

【開發(fā)利用】

【收稿日期】2015-02-09

【文章編號(hào)】1007-9386(2015)03-0001-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類號(hào)】P618.12；TE132.11