楊　堃，王　茜，秦樹蓬，楊　帆，李　新

(1.中國華電清潔能源有限公司華北分公司，天津 300010；2.中國華電科工集團有限公司；3. 湖南省頁巖氣開發(fā)有限公司)

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中國頁巖氣勘探新思路

楊堃1，王茜1，秦樹蓬2，楊帆2，李新3

(1.中國華電清潔能源有限公司華北分公司，天津 300010；2.中國華電科工集團有限公司；3. 湖南省頁巖氣開發(fā)有限公司)

頁巖氣具有自生自儲、低孔低滲的特點，它的成藏機理與常規(guī)氣藏相似，對產(chǎn)量貢獻最大的是游離氣。高產(chǎn)頁巖氣藏需要具備以下四個基本條件：具有持續(xù)生氣能力的頁巖，網(wǎng)狀微裂縫發(fā)育，氣藏發(fā)育在構(gòu)造封閉的寬緩背斜中頂?shù)装鍘r層致密，形成巖性圈閉。盆地內(nèi)構(gòu)造運動影響較小、成藏諸要素具備，是國內(nèi)重點頁巖氣勘探區(qū)域，尤其是四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組及下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖，應(yīng)作為我國頁巖氣勘探的重點目標。

中國頁巖氣；四川盆地；成藏機理；富集高產(chǎn)條件

自1821年第一口頁巖氣井啟動，美國頁巖氣技術(shù)研究及開采手段極速發(fā)展，為全球頁巖氣的發(fā)展樹立了標桿。我國頁巖氣具有資源總量大、層系多、分布廣的特點，探明儲量超過5 000×108m3。近年來我國對頁巖氣的研究取得了豐碩成果，中國石化的涪陵頁巖氣田探明儲量3 805.98×108m3, 中國石油的長寧頁巖氣田上羅區(qū)塊寧201井區(qū)-YS108井區(qū)和威遠頁巖氣田威202井區(qū)共提交探明儲量1 635.3×108m3。我國與北美頁巖氣藏地質(zhì)條件存在較大差異，已發(fā)現(xiàn)并進行勘探開發(fā)的頁巖氣藏均為熱解成因的頁巖氣藏。本文以國內(nèi)四川盆地及國外獲得成功的頁巖氣田為分析研究對象，通過詳細討論高產(chǎn)頁巖氣藏的四個基本條件，提出不同于以往頁巖氣的勘探理念，為未來我國頁巖氣勘探提供一種新的思路。

1　頁巖氣成藏機理新認識

1.1頁巖氣成藏要素與常規(guī)氣藏類似

在以往的頁巖氣評價研究中，學(xué)者通常篩選出有機質(zhì)豐度、熱成熟度、含氣性等八大地質(zhì)因素，這些因素毋庸置疑是分析頁巖生烴的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，但對于頁巖氣藏評價來說顯然不夠全面，也導(dǎo)致了頁巖氣藏經(jīng)常被誤認為是“連續(xù)成藏”的聚集模式[1-2]。筆者認為，生物成因的淺層頁巖氣與煤層氣藏相類似，主要以吸附氣為主，開采方法是緩慢的排水降壓解吸附模式；而熱解成因的頁巖氣藏與常規(guī)油氣勘探開發(fā)相似，屬于小規(guī)模的不連續(xù)的巖性氣藏。我國不少地區(qū)已在頁巖地層中發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣資源，如松遼盆地的古龍坳陷，渤海灣盆地的遼河凹陷，柴達木盆地的茫崖坳陷，江漢盆地的潛江凹陷，四川盆地的川西南及酒泉盆地的花海坳陷等等[2]。這些頁巖油氣常常與常規(guī)油氣藏伴生或者空間分布上存在一定聯(lián)系。實際上，頁巖氣與常規(guī)油氣藏評價方面同樣遵從“生儲蓋、圈運?！盵3-12]的思路，兩者并無本質(zhì)區(qū)別。

1.2游離態(tài)頁巖氣更具有商業(yè)開采價值

頁巖氣以吸附態(tài)、游離態(tài)為主要賦存方式，溶解氣極少，可忽略不計。吸附氣存在于干酪根、黏土顆粒及孔隙表面；游離氣存在于微裂縫、孔隙內(nèi)。由于水分子的極性比甲烷分子強，泥巖中礦物顆粒優(yōu)先吸附水，而甲烷在水中的溶解度極低，因此，泥巖中甲烷的吸附量很小[13]。隨著地層埋深增加，吸附氣含量無明顯變化而游離氣含量逐步增加，在1 150 m處，頁巖氣主要以游離氣為主，在2 800 m時，游離氣約為吸附氣的2倍[14]，頁巖氣藏的合理埋藏深度為2 000～4 000 m。根據(jù)陳更生[15]的研究結(jié)果，從北美主要頁巖氣藏的游離氣、吸附氣含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，高產(chǎn)氣田的游離氣含量所占比例較高(圖1)。僅有少量淺層生物成因的頁巖氣田主要是吸附氣，如美國密歇根盆地中上二疊統(tǒng)Antrim頁巖[16-17]、伊利諾伊州盆地的New Albany頁巖[16，18]，生產(chǎn)動態(tài)與煤層氣類似，我國這種情況較少。

在有效工業(yè)開采階段，主要生產(chǎn)游離氣，一旦游離氣開采接近尾聲，單井經(jīng)濟效益接近盈虧平衡點時，一般還要進行重復(fù)壓裂，以重新獲得游離氣產(chǎn)量。可見游離態(tài)頁巖氣才真正具有工業(yè)開采價值。

圖1　吸附氣與游離氣在不同頁巖氣藏中的含氣量[15]

1.3頁巖氣與煤層氣的區(qū)別

頁巖氣與煤層氣均為非常規(guī)天然氣，賦存方式卻截然不同。熱解成因的頁巖氣主要為游離氣，煤層氣主要為吸附氣。主要原因是：①甲烷分子傾向被吸附于有機質(zhì)干酪根，泥頁巖中有機質(zhì)含量相對較少(2%左右)，因而吸附甲烷分子數(shù)量較少。而煤層的有機質(zhì)含量是泥頁巖的40倍(80%左右)，甲烷吸附量也近乎為泥頁巖的40倍[19]；②煤層氣一般埋藏較淺，地表構(gòu)造運動極易破壞煤層的上覆巖層，使得其蓋層封存能力差，游離氣逃逸散失而無法聚集。而頁巖氣埋藏較深，上覆巖層厚，泥巖或致密灰?guī)r都是其良好頂板。鑒于此，頁巖氣勘探方法應(yīng)主要借鑒常規(guī)油氣勘探方法，而不能一味地沿用煤層氣的研究方法。以地質(zhì)鉆孔和繩索取心方式來了解吸附氣含量，尤其是估算殘余氣含量和解析氣含量往往偏高，容易造成高含氣量指標的假象。鉆井現(xiàn)場頁巖快速解吸獲得的總含氣量主要為吸附氣量，游離氣量占比較小，不能代表真實的地層游離氣量比重[20]，據(jù)此得到的頁巖氣部署開發(fā)方案欠妥。實際上，利用測井解釋結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場鉆井泥漿性能變化、氣測顯示可以很好地進行這類頁巖氣含氣量評價。當然，如果研究淺層生物成因頁巖氣，可以沿用煤層氣的研究方法。

2　頁巖氣富集高產(chǎn)的必要條件

頁巖獲得高產(chǎn)，主要取決于三個必要條件：頁巖生氣能力強、微裂縫發(fā)育和保存條件良好。烴源巖的生烴能力是基礎(chǔ)，構(gòu)造、保存條件是關(guān)鍵，三者缺一不可。

2.1烴源巖生烴能力

美國頁巖氣藏廣泛發(fā)育于海相沉積盆地的上古生界及侏羅系，加拿大的頁巖氣重點勘探區(qū)為西部沉積盆地的上白堊統(tǒng)、侏羅系、三疊系和泥盆系[4]。斯倫貝謝公司根據(jù)北美頁巖氣含氣盆地統(tǒng)計，提出了源巖的有機碳含量(TOC)原則上應(yīng)當高于2.0%，富有機質(zhì)頁巖厚度一般在30 m以上，最有利頁巖氣富集的Ro值為1.1%～2.0%[3-5]。

我國發(fā)育的海相頁巖主要分布于揚子地臺及塔里木盆地，目的層為古生界寒武系和志留系，普遍具有時代老、盆地內(nèi)部埋深大、熱演化程度高的特點[21]。比如貴州岑鞏區(qū)塊的岑頁1井，目的層牛蹄塘組頁巖的成熟度過高(2.5%～2.9%)，有機質(zhì)已經(jīng)炭化，失去了生氣能力[22]。頁巖氣的緩慢擴散作用以及區(qū)塊內(nèi)斷裂發(fā)育，使得游離氣散失殆盡，只剩下吸附氣，壓裂試氣結(jié)果顯示，地層壓力系數(shù)僅為0.55。因此，要尋找仍有生氣能力的頁巖層，并且有較好的保存條件，干酪根不斷向裂縫中充填氣體，才能保證異常高壓系統(tǒng)恒定，并且維持動態(tài)平衡狀態(tài)。

2.2微裂縫發(fā)育

頁巖氣的成藏機理為巖性圈閉氣藏，其可采儲量取決于微裂縫的數(shù)量、大小及連通情況。由于頁巖致密，滲透率極低 ，巖層中的微裂縫不僅是頁巖氣的儲集空間，也是其流入井孔的通道。后期進行人工改造也是要將一系列的孔隙連通形成網(wǎng)狀裂縫，以增大儲集和流通空間。

因此對于泥頁巖儲層，地層應(yīng)力絕對值較小，且水平主應(yīng)力差較小(小于4%)，天然微裂縫發(fā)育(每米2條以上)，有效孔隙度大于4%，為有效的頁巖儲層。如北美Michigan盆地北部Antrim組頁巖層中發(fā)育北西向、北東向兩條天然微裂縫系統(tǒng)，近乎垂直[5]，為典型的裂縫發(fā)育的頁巖。

2.3保存條件

背斜為正向構(gòu)造，有利于頁巖氣的匯聚。國內(nèi)外成功頁巖氣藏絕大多數(shù)發(fā)育于寬緩的背斜構(gòu)造或單斜構(gòu)造中。以四川盆地涪陵地區(qū)的海相頁巖氣田為例，焦石壩地區(qū)位于深水陸棚的沉積中心，構(gòu)造主體表現(xiàn)為“似箱狀斷背斜”的形態(tài)(圖2)，即頂部寬緩、地層傾角小、斷層較少，頁巖地層產(chǎn)狀小于10°，兩翼發(fā)育隔擋斷層[23]，使得頁巖氣聚集而得以保存。除此之外，美國Texas州Bend背斜帶的Barnett頁巖及許多大型氣田也有類似的構(gòu)造特征[24]。

向斜為負向構(gòu)造不利于頁巖氣的匯聚。典型范例如彭水地區(qū)的彭頁1井，位于恩施-務(wù)川北東向大型背斜中部的桑柘坪向斜一翼，沒有反向斷層形成側(cè)向遮擋，龍馬溪組直接以單斜形式出露地表；再如位于黔南坳陷黃平向斜的黃頁1井，也是目的層以單斜形式出露，頁巖氣順層側(cè)向逃逸，表現(xiàn)為單井低產(chǎn)。

圖2　焦石壩地區(qū)頁巖氣藏剖面圖[23]

實際上，若是頁巖目的層位于向斜構(gòu)造中，且兩側(cè)發(fā)育反向斷層隔擋(例如四川盆地內(nèi)部的長寧地區(qū)，向斜兩翼均有泥巖逆斷層[25])依然可保證頁巖氣不至擴散。因此，封閉的構(gòu)造條件對于頁巖氣的保存十分關(guān)鍵。

除了構(gòu)造因素外，頁巖頂?shù)装鍘r性越致密，厚度越大，保存條件越好。譬如焦頁1井目的層之上的灰黑色頁巖厚51 m。頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、致密灰?guī)r均為很好的封隔層，且與鄰層應(yīng)力存在一定的差異(大于15 MPa)。同時，上覆地層最好也發(fā)育烴源巖。據(jù)統(tǒng)計，每100 Ma氣體擴散約10 m，而上覆烴源巖層的存在，起到了對目的層頁巖氣擴散的抑制作用，即“烴濃度封閉作用”[26]。

3　中國頁巖氣勘探開發(fā)前景

頁巖氣勘探主要是確定儲層“甜點”區(qū)和有利的構(gòu)造分布[27]。其有利富集相帶為前陸盆地和克拉通盆地，最有利區(qū)主要集中于盆地中心偏斜坡處，是各類裂縫和溶蝕作用繼承性疊加發(fā)育的部位，譬如涪陵地區(qū)大安寨段黑色頁巖[28]。

前陸盆地由于構(gòu)造活動強烈，且頁巖埋藏深，吸附氣含量較低，通常處于超壓狀態(tài)，天然裂縫限定在頂?shù)装逯畠?nèi)，有利于形成頁巖氣藏。針對構(gòu)造相對活躍的前陸盆地，提出頁巖氣的保存條件在頁巖氣成藏評價中權(quán)重最高，即頁巖品質(zhì)30%，經(jīng)濟性30%，保存條件40%。克拉通盆地的頁巖氣埋藏較淺，如鄂爾多斯盆地，保存條件要求不高，頁巖厚度、高角度天然微裂縫發(fā)育有利于開采。

3.1國內(nèi)頁巖氣勘探進展及效果

自2009年至2014年底，國內(nèi)相關(guān)單位均在揚子地臺、華北地臺、環(huán)渤海灣盆地及柴達木盆地等做了大量頁巖氣勘探工作(圖3)。但從勘探成效看，只有位于盆地內(nèi)部及邊緣的探井成功率較高，單井日產(chǎn)突破1×104m3的探井比例很高，盆地外目前還沒有工業(yè)突破。

3.2盆地仍將是重點勘探區(qū)域

國內(nèi)頁巖氣勘探最活躍的區(qū)域集中在南方海相頁巖，主要層系為下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，以四川盆地的勘探開發(fā)進展最為顯著。

四川盆地以齊岳山斷裂為界，盆地內(nèi)相對完整，保存條件較好，頁巖氣勘探成功率遠遠大于盆地外。盆地內(nèi)寒武系的筇竹寺組和志留系的龍馬溪組富含有機質(zhì)的泥頁巖層分布范圍廣、厚度大且普遍含氣，并認為筇竹寺組和龍馬溪組地層的頁巖氣資源儲量為(6.8～8.4)×1012m3，相當于四川盆地的常規(guī)資源總量[29]。四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁巖相似，兩者均為碎屑巖和碳酸鹽混合沉積，為海侵體系域的產(chǎn)物，是深水陸棚至盆地相的黑色富有機質(zhì)頁巖。兩者所經(jīng)歷的構(gòu)造成烴演化也相似，均發(fā)生早期的快速沉降，受到復(fù)雜熱事件的影響。不過四川盆地的埋深更大、演化程度更高、脆性礦物含量較低[30-32]。

經(jīng)國內(nèi)外大量規(guī)律印證，無論哪個層系，頁巖氣與常規(guī)油氣藏一樣，有利區(qū)均在盆地內(nèi)部[33-34]，盆地外部的構(gòu)造運動強烈，普遍具有地層破碎、埋藏淺、傾角大、黑色頁巖層薄等缺點，尋找高產(chǎn)頁巖氣藏難度很大。且頁巖氣藏距離常規(guī)天然氣藏不會太遠，在大型常規(guī)氣藏附近開展頁巖氣勘探較為有利。

圖3　四川盆地周緣探井部署圖(據(jù)國土資源部2014年公布數(shù)據(jù))

3.3重點勘探目的層系

(1)下志留統(tǒng)龍馬溪組：長寧威遠示范區(qū)、筠連示范區(qū)有望近兩年進行工業(yè)化生產(chǎn)，永川富順也有望成為較大的產(chǎn)能區(qū)塊。2015年僅四川盆地就可實現(xiàn)65 ×108m3頁巖氣產(chǎn)能。

(2)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組：中國石油在南方海相下寒武統(tǒng)牛蹄塘組直井初產(chǎn)氣量已經(jīng)達到3×104m3/d，中國石化在四川盆地西南坳陷威遠構(gòu)造南西斜坡金頁HF-1井，目的層是下寒武統(tǒng)筇竹寺組，目前產(chǎn)氣量8×104m3/d。

(3)石炭系、二疊系：鄂爾多斯盆地石炭系和二疊系埋深合適，延長油田在伊陜斜坡南緣東段實施云頁平1井，對山西組分段壓裂獲得頁巖氣2 ×104m3/d。在鄂爾多斯盆地北部實施鄂頁1井，在太原組獲得1.95×104m3/d的穩(wěn)定產(chǎn)量。在貴州六盤水地區(qū)水城實施水頁1井，石炭系頁巖也獲得間歇高產(chǎn)，折算5×104m3/d。

(4)侏羅系、三疊系：在川東建南區(qū)塊和涪陵區(qū)塊北部、川東北元壩區(qū)塊的下侏羅統(tǒng)自流井組、川西地區(qū)三疊系須家河均組取得重要進展。延長石油在鄂爾多斯三疊系陸相鉆井也獲得頁巖氣流。

4　結(jié)論

(1)熱解成因的頁巖氣與常規(guī)油氣具有共性。以游離態(tài)為主的頁巖氣與常規(guī)氣氣藏評價方面同樣遵從“生儲蓋，圈運?！本C合研究思路，差異表現(xiàn)為賦存的孔隙或微裂縫是否互相連通，以及兩者的運移距離不同，但總體成藏機理本質(zhì)相同，因此，應(yīng)按照常規(guī)氣藏的勘探開發(fā)思路研究頁巖氣成藏因素。

(2)測試手段不當易對頁巖氣儲量評估造成誤差。熱解成因的頁巖氣主要以游離態(tài)賦存，這類頁巖層中吸附氣對開采貢獻率較小，與煤層氣和淺層生物成因的頁巖氣截然不同。因此用研究煤層氣的技術(shù)手段應(yīng)用于熱解成因的頁巖氣會造成較大的誤差。

(3)多項頁巖氣藏評估條件必須綜合考慮。熱解成因的頁巖氣為巖性圈閉氣藏，除了常規(guī)的八大成藏地質(zhì)要素研究十分重要之外，不斷生氣的烴源巖、大量發(fā)育的微裂縫、兩側(cè)封閉的寬緩背斜、頂?shù)装鍘r性圈閉，是頁巖氣富集高產(chǎn)的重要因素。

(4)不建議將過多精力和資金用在構(gòu)造運動強烈、保存條件較差的盆地外區(qū)域進行頁巖氣勘探。以盆地為重點對象，以主要目的層為研究對象，才能推動頁巖氣工業(yè)化生產(chǎn)，才是中國頁巖氣發(fā)展的正確方向。

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編輯：趙川喜

1673-8217(2016)05-0001-05

2016-04-18

楊堃，高級工程師，1965年生，1988年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)石油地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣地質(zhì)研究工作。

TE112.115

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