羅楚湘，陳建飛

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

隨著近些年來我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求也大幅度增加，常規(guī)油氣資源的產(chǎn)量已經(jīng)無法滿足我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，類似頁巖氣的新型清潔能源亟待加快勘探開發(fā)。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳質(zhì)頁巖中，以吸附態(tài)和游離態(tài)為主要存在方式的生物成因、熱成因或者生物—熱成因的連續(xù)型天然氣聚集[1]。頁巖氣資源儲(chǔ)量豐富，全球頁巖氣資源636.283×1012m3，其中技術(shù)可采資源量187×1012m3，主要分布在北美、北非、中東、中亞、中國和前蘇聯(lián)[2]。與美國頁巖氣相比，中國頁巖氣地質(zhì)特征具有明顯的獨(dú)特性，海相頁巖具有時(shí)代較老、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、演化程度高、有機(jī)碳含量高、成熟度高等特征，主要產(chǎn)天然氣；陸相頁巖具有時(shí)代較新、埋藏較深、成熟度偏低、脆性礦物含量較低等特征，油氣兼產(chǎn)[3]。受中國頁巖氣藏獨(dú)特的地質(zhì)特征和成藏機(jī)理及分布規(guī)律影響，頁巖氣的成藏機(jī)理及分布規(guī)律研究對(duì)未來大規(guī)模頁巖氣勘探開發(fā)具有重大指導(dǎo)作用。

1 頁巖儲(chǔ)層特征及其特殊性的影響

頁巖氣，作為非常規(guī)天然氣的范疇，有著不同于常規(guī)天然氣氣藏的儲(chǔ)層特征：

（1）頁巖氣儲(chǔ)層既是烴源巖又是儲(chǔ)集層，具有一套獨(dú)立的油氣系統(tǒng)，生氣層、儲(chǔ)集層和蓋層均為其本身，為典型的“自生自儲(chǔ)”式氣藏[4]。

（2）由于頁巖氣賦存于泥頁巖或高碳質(zhì)頁巖類似巖層中，所以頁巖氣具有低孔、低滲的儲(chǔ)層物性特征。儲(chǔ)層巖石總孔隙度通常小于10%，含氣儲(chǔ)層的有效孔隙度通常為1%～5%[5]，基巖的滲透率極低，通常均小于1×10-3mD[6]。

（3）早前海陸相的沉積盆地環(huán)境決定了頁巖氣儲(chǔ)層面積一般很大，且常呈區(qū)域性、連續(xù)性分布。頁巖氣儲(chǔ)層的埋藏深度范圍較廣，從淺于200 m（最淺僅為8.2 m）到深至3 000 m都可能有頁巖氣藏[4]。這一儲(chǔ)層特征將直接影響頁巖氣藏的開采效率，較大的埋藏深度往往需要更高的成本投入，低孔低滲的儲(chǔ)層及其連續(xù)性分布特征在推動(dòng)了水平井技術(shù)及井工廠技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，也要求更高的鉆井技術(shù)和更多的初期成本的投入，對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)來說都是舉足輕重的突破點(diǎn)。

（4）泥頁巖中天然氣賦存相態(tài)包括:游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)[7]。頁巖氣賦存相態(tài)的多樣性，無疑給勘探開發(fā)提出了難題，不管是在油價(jià)低沉的當(dāng)下還是在未來石油資源緊缺的后石油時(shí)代，多種相態(tài)共存開采技術(shù)不僅在開發(fā)方面還是在提高采收率方面始終是一個(gè)需要持續(xù)挖掘的新技術(shù)。

（5）頁巖氣藏儲(chǔ)層通常具有壓力異常，這主要取決于頁巖氣藏的成因類型。熱成因類型的頁巖氣藏一般為高壓異常，埋藏較深，然而生物成因類型的頁巖氣藏則一般為低壓異常，埋藏較淺[4]。

2 頁巖氣成藏機(jī)理及過程

受頁巖氣儲(chǔ)層特性的影響，其成藏過程復(fù)雜多變，除吸附和溶解外，活塞式推進(jìn)和置換式運(yùn)移也有不同程度發(fā)生，張金川等人從成藏條件出發(fā)，將頁巖氣成藏分為：吸附機(jī)理、活塞運(yùn)聚機(jī)理或者置換運(yùn)聚機(jī)理。根據(jù)不同的成藏機(jī)理，天然氣成藏過程可分為3個(gè)主要階段[1,8]，如表1。

表1 成藏過程階段表

在頁巖氣成藏過程中，其吸附機(jī)理和活塞式運(yùn)聚機(jī)理共同作用控制頁巖氣藏中吸附態(tài)和游離態(tài)天然氣所占儲(chǔ)層孔隙空間的比例變化。所以，頁巖氣的成藏機(jī)理實(shí)質(zhì)是天然氣在頁巖儲(chǔ)層孔隙中賦存狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)平衡[9]。

3 頁巖氣成藏控制因素及分布規(guī)律

地質(zhì)因素是頁巖氣成藏的主要控制因素，決定了頁巖氣能否成藏及其分布規(guī)律，主要包括有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度、裂縫發(fā)育程度、孔隙度、滲透率、頁巖脆性礦物含量、頁巖厚度及礦物組成等[4]。

3.1 地質(zhì)因素

3.1.1 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量是頁巖氣藏評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，是頁巖氣形成的重要地質(zhì)基礎(chǔ)，決定了頁巖的生烴強(qiáng)度。據(jù)調(diào)查北美頁巖氣高產(chǎn)層有機(jī)碳含量均基本超過2%。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型即干酪根類型，是影響頁巖氣烴源巖生氣能力的重要因素。干酪根一般分為三種：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型干酪根，前兩種主要生油，第三種以生氣為主，北美頁巖氣高產(chǎn)層為Ⅱ型干酪根。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是確定有機(jī)質(zhì)生油氣的關(guān)鍵指標(biāo)。一般來說，Ro稍微高點(diǎn)好，因?yàn)轫搸r生氣主要以干酪根熱降解、原油熱裂解等為主，Ro低，含氣量、產(chǎn)氣量越小，Ro越高，含氣量、產(chǎn)氣量就越大。北美頁巖氣產(chǎn)層Ro主要集中于1.0%～ 2.0%，屬于成熟—高熟階段。

3.1.4 裂縫發(fā)育程度

裂縫發(fā)育程度決定頁巖氣藏儲(chǔ)集空間的大小。裂縫發(fā)育有利于吸附態(tài)天然氣的解析和游離態(tài)天然氣的富集，提高了流體的滲流能力及壓裂效率，有效地提高了產(chǎn)能。所以構(gòu)造運(yùn)動(dòng)集中帶及微構(gòu)造發(fā)育帶通常是頁巖氣富集的重要場(chǎng)所。人工壓裂就是通過改善裂縫來提高流體的滲流能力增加產(chǎn)能。

3.1.5 其它地質(zhì)因素

孔隙度、滲透率、頁巖脆性礦物含量及頁巖厚度是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層物性及其經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的重要參數(shù)[10]?？紫抖鹊拇笮∮绊懼坞x態(tài)天然氣的富集，滲透率影響著流體的滲流能力，脆性礦物含量越高，越利于頁巖的壓裂，有效厚度越大，儲(chǔ)層開采價(jià)值越高。

3.2 分布規(guī)律

頁巖氣成藏的分布規(guī)律主要受其地質(zhì)因素的影響，可歸納出一些典型頁巖氣藏分布規(guī)律：

（1）總有機(jī)碳含量高的頁巖氣藏含有豐富的烴源物質(zhì)基礎(chǔ)，故總有機(jī)碳含量高的泥頁巖儲(chǔ)層是頁巖氣成藏的最佳巖性，有利于頁巖氣藏氣源的富集分布。

（2）陸相沉積盆地中，湖沼相、三角洲相沉積通常是頁巖氣成藏的最佳條件，一般位于或相對(duì)接近于盆地的沉降—沉積中心處，故湖沼相、三角洲相沉積盆地中心處是頁巖氣藏的有利分布區(qū)[11]。

（3）頁巖氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特征，即使儲(chǔ)層具有普遍含氣性的特點(diǎn)，頁巖氣藏主要還是分布于裂縫系統(tǒng)發(fā)育帶。因此，裂縫系統(tǒng)發(fā)育地段為頁巖氣富集的重要場(chǎng)所。

4 頁巖氣勘探開發(fā)策略

中國頁巖氣地質(zhì)特征的獨(dú)特性，決定了中國的頁巖氣勘探開發(fā)策略不能完全的照搬北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功案列，中國需要在足夠了解中國頁巖氣藏地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上參考北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套適合中國頁巖氣勘探開發(fā)的策略。頁巖氣勘探開發(fā)需要考慮的開發(fā)因素有決定頁巖氣藏是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的頁巖氣藏埋深、溫度與壓力等。

4.1 影響開發(fā)的因素

（1） 埋深。頁巖氣藏的埋深廣，從200 m至深3 000 m都可形成頁巖氣藏，其埋深直接影響著頁巖氣藏的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[10]，埋藏越深，經(jīng)濟(jì)成本越高，開發(fā)難度越大。

（2）壓力和溫度。壓力和溫度影響頁巖氣的富集，頁巖氣藏的壓力與吸附氣含量呈正相關(guān)關(guān)系，頁巖氣藏的溫度與吸附氣含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]。

4.2 頁巖氣的勘探開發(fā)

頁巖氣的勘探開發(fā)主要包括資源評(píng)價(jià)階段、氣田勘探階段和氣層開采階段3個(gè)主要階段[12]，其次，還包括開發(fā)增產(chǎn)階段，如表2。

表2 勘探開發(fā)表

4.2.1 成藏機(jī)理及分布規(guī)律對(duì)資源評(píng)價(jià)的影響

資源評(píng)價(jià)即評(píng)價(jià)頁巖氣藏的資源地質(zhì)儲(chǔ)量和在當(dāng)前技術(shù)條件下的經(jīng)濟(jì)可采性研究，同時(shí)挑選出有利區(qū)域來進(jìn)一步勘探研究。頁巖氣儲(chǔ)層特征及成藏機(jī)理對(duì)頁巖氣資源評(píng)價(jià)影響巨大，其儲(chǔ)層特征中的儲(chǔ)層厚度、礦物成分、滲透率、孔隙度、裂縫發(fā)育程度等和頁巖氣成藏機(jī)理的有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度、頁巖氣吸附能力等均一定程度上影響頁巖氣的資源評(píng)價(jià)。此外，頁巖氣藏的含氣性和可壓裂性(即脆性等力學(xué)性質(zhì))等因素影響頁巖氣的經(jīng)濟(jì)可采價(jià)值[12]。目前，主要采用實(shí)驗(yàn)分析法、測(cè)井評(píng)價(jià)法、地震解譯法等對(duì)影響頁巖氣資源評(píng)價(jià)的因素進(jìn)行研究，采用類比法、單井儲(chǔ)量估算法、容積法等方法來估算頁巖氣資源儲(chǔ)量[13]。

4.2.2 成藏機(jī)理及分布規(guī)律對(duì)頁巖氣勘探的影響

頁巖氣成藏機(jī)理及分布規(guī)律主要通過其儲(chǔ)層特性和成藏機(jī)理的差異來控制影響頁巖氣勘探方法的因素，即通過影響決定地球物理化學(xué)等勘探方法結(jié)果的關(guān)鍵性因素來影響頁巖氣勘探。

（1）地震勘探技術(shù)。頁巖氣藏的泥頁巖儲(chǔ)層與其上下圍巖的地震傳播速度有差異，在泥頁巖的頂?shù)捉缑嫣帟?huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的波阻抗界面，再結(jié)合相應(yīng)錄井、測(cè)井等資料可以識(shí)別泥頁巖層。

（2）測(cè)井技術(shù)。測(cè)井解釋可進(jìn)行儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)和裂縫的預(yù)測(cè)，其儲(chǔ)層特征及裂縫發(fā)育程度及其分布規(guī)律將直接影響測(cè)井解釋的結(jié)果。

4.2.3 成藏機(jī)理及分布規(guī)律對(duì)頁巖氣開發(fā)的影響

頁巖氣獨(dú)特的地質(zhì)條件，需要水平井生產(chǎn)技術(shù)和壓裂技術(shù)相結(jié)合，配以特殊的完井技術(shù)來生產(chǎn)。

（1）水平井技術(shù)。目前頁巖氣藏勘探開發(fā)大多數(shù)采用直井勘探獲取地層參數(shù)和水平井生產(chǎn)。頁巖氣低孔低滲的儲(chǔ)層特性限定了頁巖氣主要富集在頁巖儲(chǔ)層的裂縫系統(tǒng)中，故頁巖氣開采應(yīng)當(dāng)盡量利用天然裂縫的導(dǎo)流能力，使之盡可能快而多的直接流入井筒，連通多個(gè)裂縫系統(tǒng)，且把水平井井位與井眼方位適當(dāng)?shù)剡x在有機(jī)質(zhì)富集、裂縫發(fā)育程度偏好、成熟度相對(duì)較高的區(qū)域會(huì)達(dá)到明顯的增產(chǎn)效果。

（2）壓裂技術(shù)。頁巖氣藏低孔低滲的儲(chǔ)層很難直接生產(chǎn)油氣，需要進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)層改造，主要包括壓裂和酸化2種方法。儲(chǔ)層巖石的脆性礦物含量對(duì)壓裂效果有極大的影響，脆性礦物多將有利于壓裂，反之不利于壓裂。

（3）特殊固井、完井技術(shù)。頁巖氣藏以吸附態(tài)為主的賦存狀態(tài)和低孔低滲的儲(chǔ)層特征要求完井技術(shù)不僅要提高其滲透率又能有效地避免地層損害，才能達(dá)到預(yù)期的頁巖氣采收率，這需要特殊的固井、完井方式。泡沫水泥有良好的防竄效果，能順利解決低壓易漏等復(fù)雜井的固井問題[12]。

4.2.4 頁巖氣開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響

頁巖氣是種環(huán)保的新能源，但頁巖氣生產(chǎn)過程卻存在著大量的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。水力壓裂需要消耗大量的水資源，壓裂一次需要消耗大量水，并且通常在注入的壓裂液中還會(huì)加入一些化學(xué)試劑，廢水和壓裂液將會(huì)污染地下水源或者發(fā)生泄漏。大型的體積壓裂不僅會(huì)消耗大量的水資源，同時(shí)會(huì)破壞地下地層的穩(wěn)定性，后期可能會(huì)帶來不可估量的地質(zhì)災(zāi)害。此外，與常規(guī)油氣勘探開發(fā)相比，頁巖氣的勘探開采一般以井工廠的規(guī)模開采，要求鉆更多的生產(chǎn)井，這將導(dǎo)致地貌景觀和地表環(huán)境的嚴(yán)重破壞。

5 結(jié)束語

（1）我國頁巖氣儲(chǔ)量豐富，頁巖氣藏成藏機(jī)理復(fù)雜，賦存狀態(tài)多樣，成藏過程復(fù)雜多變，具有獨(dú)特的地質(zhì)特征及普遍發(fā)育、廣泛分布的特點(diǎn)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)頁巖氣成藏機(jī)理及分布規(guī)律對(duì)勘探開發(fā)不同階段的影響研究，深入探討其影響的根源及其主次，致力研究出一套符合中國頁巖氣藏的勘探開發(fā)策略，使開發(fā)更準(zhǔn)確，開發(fā)效果更佳。

（2）我國頁巖氣勘探開發(fā)總體上還處在起步階段，部分有利目標(biāo)區(qū)達(dá)到試開采階段，面對(duì)我國頁巖氣地質(zhì)條件的復(fù)雜性和特殊性以及國內(nèi)資源的嚴(yán)峻性，決定了中國的頁巖氣勘探開發(fā)策略不能完全的照搬北美頁巖氣勘探開發(fā)的案列，中國需要在足夠了解中國頁巖氣藏地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上參考北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，只能在一定程度上給予借鑒。

（3）頁巖氣作為一種新型清潔能源具有很大的開發(fā)潛力，對(duì)頁巖氣進(jìn)行規(guī)模性開發(fā)只是時(shí)間的問題，為更好、更快的開發(fā)頁巖氣，我國今后應(yīng)：加強(qiáng)對(duì)頁巖氣聚集機(jī)理、賦存狀態(tài)、成藏機(jī)理和分布規(guī)律等地質(zhì)理論研究；加大對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的研究與完善。

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