摘要:我國(guó)頁(yè)巖氣勘探才剛剛起步,目前研究主要集中在頁(yè)巖氣成藏條件和有利區(qū)評(píng)價(jià)方面。頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選還處于富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖優(yōu)選階段,優(yōu)選出的主要是頁(yè)巖氣發(fā)育遠(yuǎn)景區(qū)。受復(fù)雜地質(zhì)背景和多階段演化過(guò)程的影響,我國(guó)含油氣盆地類型多、盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜,盆地的不同演化規(guī)律直接控制著富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的發(fā)育與分布。為此,依據(jù)形成環(huán)境將富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖劃分為海相厚層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖、海陸交互相及陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖、湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖這3種類型,并分別探討了其頁(yè)巖氣勘探開發(fā)前景。結(jié)論認(rèn)為:①海相厚層富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖是我國(guó)近期頁(yè)巖氣勘探的首選;②海陸交互相及陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖單層厚度較薄,但與致密砂巖氣和煤層氣有共生條件,發(fā)展頁(yè)巖氣與致密砂巖氣等多類型天然氣資源多層合采技術(shù)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義;③湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖成巖程度普遍不高,需要進(jìn)一步優(yōu)選巖石強(qiáng)度較大、具備裸眼完井條件的層位進(jìn)行勘探開發(fā)。
關(guān)鍵詞:中國(guó);頁(yè)巖氣;泥頁(yè)巖;富集區(qū);海相;海陸交互相;陸相煤系;湖相
目前,不同的研究者對(duì)頁(yè)巖氣的界定有著一定的差別。張金川等將頁(yè)巖氣定義為:“主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣,在頁(yè)巖氣藏中,天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖甚至砂巖地層中,為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果,表現(xiàn)為典型的‘原地’成藏模式”[1]。筆者認(rèn)為,這種界定方式突出了生成并保存天然氣的富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系,而不是限定在某一單純的富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層,與國(guó)際上對(duì)頁(yè)巖氣的界定相似,同時(shí)也有利于頁(yè)巖氣的勘探實(shí)施。
1 我國(guó)頁(yè)巖氣勘探與研究現(xiàn)狀
我國(guó)在頁(yè)巖氣勘探方面才剛剛起步。2008年11月,中國(guó)石油天然氣股份有限公司在四川盆地長(zhǎng)寧構(gòu)造實(shí)施了一口深度為200m的頁(yè)巖取心井——長(zhǎng)芯1井,獲取了志留系頁(yè)巖巖心樣品[2]。2009年,國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心啟動(dòng)了“我國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)選研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目2009年的重點(diǎn)集中在四川盆地和上揚(yáng)子?xùn)|部地區(qū),中石油和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)等有關(guān)單位也參與了該項(xiàng)目的研究。通過(guò)近一年的工作,研究取得了積極進(jìn)展,但到目前為止,我國(guó)還沒有一口頁(yè)巖氣產(chǎn)氣井。
我國(guó)頁(yè)巖氣研究目前主要集中在頁(yè)巖氣聚集條件和有利區(qū)評(píng)價(jià)方面,其中大中型含油氣盆地的研究程度較高[3~6]。由于直接的頁(yè)巖氣井筒資料較少,故目前的多數(shù)研究仍不得不借用常規(guī)油氣勘探資料數(shù)據(jù)、煤層氣和固體礦產(chǎn)勘探資料數(shù)據(jù),頁(yè)巖樣品也主要采自地表和近地表;由于缺少第一手資料,通過(guò)借鑒美國(guó)等國(guó)外資料開展類比研究的也較多[7~8]。
在頁(yè)巖氣成藏條件研究方面,對(duì)頁(yè)巖本身特點(diǎn)(如厚度、礦物組成、孔隙度、滲透率、裂縫發(fā)育程度等)、頁(yè)巖成烴能力(如有機(jī)質(zhì)類型及含量、成熟度等)、頁(yè)巖聚烴能力(如吸附能力及影響因素等)開展了實(shí)驗(yàn)和類比研究。
在有利區(qū)優(yōu)選方面,目前多數(shù)研究者主要依據(jù)頁(yè)巖層厚度、埋深、總有機(jī)碳含量(TOC)和熱演化程度(Ro)來(lái)優(yōu)選的有利區(qū),部分研究者獲取了等溫吸附能力參數(shù),豐富了有利目標(biāo)區(qū)優(yōu)選參數(shù),但含氣量等直接參數(shù)尚不具備。從這一點(diǎn)看,我國(guó)頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選還處于富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖優(yōu)選階段,優(yōu)選出的主要是頁(yè)巖氣發(fā)育遠(yuǎn)景區(qū),主體還沒有進(jìn)入頁(yè)巖氣富集有利區(qū)優(yōu)選階段。因此,充分利用以往地質(zhì)資料,通過(guò)少量關(guān)鍵參數(shù),優(yōu)選具備形成頁(yè)巖氣富集條件的富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育區(qū)作為頁(yè)巖氣勘探有利目標(biāo)區(qū),為進(jìn)一步開展頁(yè)巖氣勘探提供依據(jù),是我國(guó)開展頁(yè)巖氣勘探開發(fā)必定要經(jīng)過(guò)的一個(gè)起步階段。
2 我國(guó)富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育特點(diǎn)
受復(fù)雜地質(zhì)背景和多階段演化過(guò)程的影響,我國(guó)含油氣盆地類型多、盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在早三疊世及古生代,我國(guó)發(fā)育有華北、揚(yáng)子和華南、塔里木等大中型海相和海陸交互相克拉通和克拉通邊緣盆地。經(jīng)過(guò)中新生代改造后,這些大中型盆地普遍遭到破壞,僅在四川、鄂爾多斯、塔里木等地保留下來(lái)一部分克拉通盆地。中生代以來(lái),陸相盆地廣泛發(fā)育。其中部分陸相盆地疊置在克拉通盆地之上,部分盆地發(fā)育在古生代褶皺帶之上。盆地的不同演化規(guī)律直接控制著富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的發(fā)育與分布。依照形成環(huán)境,可將富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖化分為海相厚層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖、海陸交互相及陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖、陸相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖這3種類型。
2.1 海相厚層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖
我國(guó)海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育于下古生界的下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)-上奧陶統(tǒng)頂部,以揚(yáng)子克拉通地區(qū)最為典型(圖1)。
下寒武統(tǒng)海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在中上揚(yáng)子區(qū)發(fā)育較好,有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型-混合型。從區(qū)域沉積環(huán)境看,川東-鄂西、川南及湘黔(熱水)3個(gè)深水陸棚區(qū)下寒武統(tǒng)海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖最發(fā)育,TOC平均高達(dá)8%左右[9]。從盆地看,四川盆地下寒武統(tǒng)泥頁(yè)巖平均厚度為139m,總有機(jī)碳含量在0.5%~4.0%之間,多超過(guò)1%,有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型,Ro介于2.0%~5.0%,盆地南部埋藏較淺。麻陽(yáng)盆地、洞庭盆地泥頁(yè)巖總有機(jī)碳含量多數(shù)大于1%,有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型,凹陷區(qū)Ro多超過(guò)3%,凸起區(qū)局部有熱演化程度相對(duì)較低的地區(qū)(Ro<1%)。下寒武統(tǒng)海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的熱演化程度普遍較高,僅在上揚(yáng)子南部和北部、鄂西和下?lián)P子中部地區(qū)Ro<3.0%,其他地區(qū)下寒武統(tǒng)海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖普遍Ro>3.0%,頁(yè)巖氣的勘探前景不大。
下志留統(tǒng)海相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要分布在川東南、川東北、鄂西渝東、中揚(yáng)子、下?lián)P子等區(qū),以硅質(zhì)巖、頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖為主,有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型,Ro介于2.0%~4.5%,厚度為20~100m。其中渝東鄂西地區(qū)熱演化程度較低,是頁(yè)巖氣勘探較有利的地區(qū)之一。
我國(guó)南方地區(qū)下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在單層厚度和有機(jī)質(zhì)含量上,總體均達(dá)到了形成頁(yè)巖氣藏的基本條件,而埋深和熱演化程度則成為關(guān)乎其能否作為頁(yè)巖氣勘探靶區(qū)的主要因素。
2.2 海陸交直相及陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖
晚古生代克拉通海陸交互相及陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在華北、華南地區(qū)和準(zhǔn)噶爾盆地分布廣泛。中新生代陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要在兩類盆地發(fā)育:一是大型坳陷,如鄂爾多斯盆地和準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系、四川盆地上三疊統(tǒng);二是斷陷,如我國(guó)東北地區(qū)含煤盆地中的斷陷。
華北地區(qū)海陸交互相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖單層厚度不大,多數(shù)與煤層交互出現(xiàn)??傆袡C(jī)碳含量受沉積相影響,變化較大,一般介于0.5%~10%,其中沼澤相碳質(zhì)頁(yè)巖總有機(jī)碳含量普遍較高。這類泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為混合型-腐殖型,Ro多數(shù)介于0.5%~2.5%,部分超過(guò)3.0%。
華南地區(qū)海陸交互相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有單獨(dú)發(fā)育以及與煤層交互發(fā)育2種類型。滇黔桂地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M深灰色頁(yè)巖厚度一般為20~60m,局部較厚。四川盆地上二疊統(tǒng)泥頁(yè)巖厚度為10~125m,在川中和川西南一帶一般厚80~110m,麻1井最厚,達(dá)125m;在四川盆地西北緣、北緣及東北緣較薄,多小于20m;暗色泥頁(yè)巖總有機(jī)碳含量變化介于0.5%~12.55%,平均為2.91%,多分布在3%~5%;其中瀘州地區(qū)及自貢-資陽(yáng)一帶總有機(jī)碳含量較低(小于3%),有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型為主,但有機(jī)質(zhì)相對(duì)富氫。
準(zhǔn)噶爾盆地石炭系滴水泉組富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖包括暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖,累計(jì)厚度為0~249m,前者有機(jī)碳含量平均為1.45%;后者有機(jī)碳含量平均為15.53%,有機(jī)質(zhì)類型主要為偏腐殖混合型-腐殖型,Ro介于0.51%~1.75%,平均為1.15%[10]。中新生代斷陷含煤盆地的暗色泥巖、煤和碳質(zhì)泥巖互層分布的特點(diǎn)突出,暗色泥巖總有機(jī)碳含量多數(shù)超過(guò)1.0%,碳質(zhì)頁(yè)巖多數(shù)超過(guò)10.0%,單層厚度普遍不大,但累計(jì)厚度較大,Ro多在1.3%以下[11~12]。
總體上,我國(guó)上古生界海陸交互相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖除上揚(yáng)子及滇黔桂地區(qū)單層厚度較大且具有頁(yè)巖氣單獨(dú)勘探開發(fā)的條件外,多數(shù)地區(qū)發(fā)育的海陸交互相及陸相煤系地層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖單層厚度都不大,不利于頁(yè)巖氣的單層獨(dú)立開發(fā)。中新生代陸相煤系富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖一般單層厚度雖然也不大,但其總有機(jī)碳含量較高、演化程度一般在過(guò)成熟早期以下,有利于成氣且泥頁(yè)巖層多與煤層、致密砂巖層互層,易形成頁(yè)巖氣、煤層氣和致密砂巖氣等多種類型性天然氣近距離疊置成藏(圖2)。這是我國(guó)煤系地層普遍存在的天然氣聚集特點(diǎn)。因此,進(jìn)一步深入研究頁(yè)巖氣、煤層氣和致密砂巖氣等多種類型天然氣共生特點(diǎn)和疊置成藏規(guī)律,開展多種共生天然氣資源勘查,探索其經(jīng)濟(jì)有效的多層合采開發(fā)技術(shù),是這類天然氣資源有效開發(fā)利用的一個(gè)新課題。
2.3 湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖
我國(guó)準(zhǔn)噶爾盆地等二疊紀(jì)坳陷,松遼、鄂爾多斯盆地等中新生代坳陷,渤海灣盆地等新生代斷陷,都沉積了厚層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。這些富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖構(gòu)成了上述盆地的主力烴源巖。
準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組地層上段以灰黑色頁(yè)巖、頁(yè)巖油為主夾瀝青質(zhì)頁(yè)巖,累計(jì)厚度超過(guò)200m,總有機(jī)碳含量為4.85%~10.02%,有機(jī)質(zhì)類型為偏腐泥混合型,Ro介于0.54%~0.91%;二疊系為華南地區(qū)上古生界海陸交互相沉積特征(滇東地區(qū))紅雁池組、平地泉組也發(fā)育有較好的富含有機(jī)質(zhì)暗色泥頁(yè)巖[13]。
松遼盆地主要發(fā)育嫩江組和青山口組兩套富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。其中,嫩江組一段為一套黑色泥頁(yè)巖,全盆地穩(wěn)定分布,在中央坳陷區(qū)的厚度超過(guò)100m,平均總有機(jī)碳含量高達(dá)2.40%,有機(jī)質(zhì)以偏腐泥混合型和偏腐殖混合型為主。嫩二段暗色泥頁(yè)巖分布范圍比嫩一段更廣,發(fā)育更加穩(wěn)定,平均厚度在150m左右,平均總有機(jī)碳含量為1.56%。青山口組一段在中央坳陷區(qū)幾乎全部為暗色泥頁(yè)巖,厚度為60~80m,平均總有機(jī)碳含量為2.2%,但有機(jī)質(zhì)類型仍以腐泥型和混合型為主。嫩江組一段和青山口組一段的Ro在齊家古龍凹陷較高(分別達(dá)到1.1%和2.0%),在三肇凹陷次之(分別為0.7%和1.3%),在盆地的邊部成熟度比較低。
鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)4+5-長(zhǎng)8段主要為湖相沉積,富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁(yè)巖發(fā)育。長(zhǎng)8、長(zhǎng)6段暗色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度在富縣-葫蘆河地區(qū)較高,總有機(jī)碳含量分別為3.5%和3.75%,長(zhǎng)7段暗色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度以華池、吳旗地區(qū)為最高,其中華池地區(qū)總有機(jī)碳含量達(dá)5.81%;Ro主要介于0.73%~1.06%,普遍達(dá)成熟階段。
總體上,湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的熱演化程度普遍不高,多數(shù)還處于生油窗內(nèi),部分泥頁(yè)巖的巖石硬度小,其中的黏土礦物遇水膨脹現(xiàn)象明顯,經(jīng)常導(dǎo)致套損。這對(duì)于頁(yè)巖氣勘探開發(fā)較為不利。
3 我國(guó)頁(yè)巖氣勘探戰(zhàn)略選區(qū)思考
戰(zhàn)略選區(qū)是頁(yè)巖氣勘探開發(fā)前的基礎(chǔ)性、前瞻性工作,面對(duì)的是新領(lǐng)域、第一手資料缺乏等困難。因此,優(yōu)選頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景區(qū)時(shí),主要考慮以下幾方面:頁(yè)巖地質(zhì)特征、頁(yè)巖氣資源前景和頁(yè)巖氣開發(fā)可行性。
3.1 從頁(yè)巖地質(zhì)特征來(lái)考慮
1) 海相厚層頁(yè)巖的單層厚度大,有機(jī)質(zhì)豐度高,有利于形成頁(yè)巖氣聚集,頁(yè)巖的強(qiáng)度普遍較大,有利于井眼穩(wěn)定;加之裂縫較發(fā)育,有利于頁(yè)巖氣開發(fā)。但部分頁(yè)巖熱演化程度高,Ro已經(jīng)超過(guò)3.0%,生氣高峰已過(guò);部分頁(yè)巖埋深較大,超過(guò)3000m。這兩方面的不利因素使其頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)范圍明顯縮小。
2) 海陸交互相及陸相煤系富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高,熱演化程度普遍不高,Ro多在3.0%以下,多數(shù)處于生氣高峰。但單層厚度普遍不大,單獨(dú)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性存在疑問(wèn)。由于其多與煤層和致密砂巖層互層產(chǎn)出,如果煤層中存在煤層氣富集或致密砂巖層中普遍存在天然氣富集,那么發(fā)展不同類型天然氣資源多層合采技術(shù)也是海陸交互相及陸相煤系地層頁(yè)巖氣開發(fā)的一種可行方式。
3) 湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中,高有機(jī)質(zhì)豐度的中厚層泥頁(yè)巖普遍發(fā)育,但多數(shù)成巖程度不高,井眼易于變形,不利于水平井開發(fā)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
3.2 從頁(yè)巖氣資源前景和頁(yè)巖氣開發(fā)可行性來(lái)考慮
考慮我國(guó)不同類型富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的具體特點(diǎn),結(jié)合國(guó)外頁(yè)巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為:我國(guó)頁(yè)巖氣起步階段首先要考慮海相厚層頁(yè)巖中那些總有機(jī)碳含量大于1.40%,Ro介于1.0%~2.5%之間,埋深介于200~3000m之間,厚度大于30m的富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育區(qū);其次考慮海陸交互相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與致密砂巖和煤層在層位上的緊密共生區(qū),但同時(shí)要研發(fā)不同類型天然氣資源多層合采技術(shù);對(duì)于湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖,重點(diǎn)考慮硅質(zhì)成分高、巖石強(qiáng)度大、有利于井眼穩(wěn)定的層系。
按以上原則對(duì)頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)后認(rèn)為:曾被廣泛看好的四川I盆地大部分地區(qū)的下寒武和下志留統(tǒng)海相厚層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖,由于其埋深較大且有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高,并不利于頁(yè)巖氣的勘探開發(fā),僅川南地區(qū)較為有利;渝東鄂西、滇黔桂和川北地區(qū)下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)和上二疊統(tǒng)富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖,Ro普遍小于3.0%,但由于構(gòu)造改造,儲(chǔ)層或部分出露地表或部分深埋,其中埋深介于500~3000m的條帶狀頁(yè)巖儲(chǔ)層為勘探有利區(qū)。
海陸交互相及陸相煤系地層的富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖因單層厚度薄,多數(shù)不具備單獨(dú)開發(fā)的條件。但我國(guó)海陸交互相及陸相煤系地層發(fā)育廣泛,泥頁(yè)巖層與煤層氣特別是致密砂巖氣疊置共生。因此,發(fā)展頁(yè)巖氣與致密砂巖氣等多種類型天然氣資源多層合采技術(shù)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。沁水盆地、鄂爾多斯盆地河?xùn)|地區(qū)、滇東黔西等含煤盆地的中深部,特別是煤炭開采深度以下的煤系地層可以考慮作為發(fā)展多種類型天然氣資源多層合采的研究試驗(yàn)區(qū)。
湖相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育區(qū)的頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選首先應(yīng)考慮的是巖石強(qiáng)度指標(biāo)。準(zhǔn)噶爾盆地埋深在3000m以淺的二疊系蘆草溝組、紅雁池組和平地泉組厚層富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育區(qū)是該類頁(yè)巖氣勘探的首選目標(biāo)區(qū)。
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(本文作者:李玉喜1 聶海寬2 龍鵬宇2 國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 北京)
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