中國頁巖氣形成條件及勘探實踐

摘 要

摘要：中國非常規(guī)天然氣已實現(xiàn)了致密氣、煤層氣資源的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，正在尋求實現(xiàn)頁巖氣資源的有效開發(fā)。為此，通過對中國富有機質(zhì)頁巖形成構(gòu)造背景、地質(zhì)特征、頁巖氣形成條件
摘要：中國非常規(guī)天然氣已實現(xiàn)了致密氣、煤層氣資源的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，正在尋求實現(xiàn)頁巖氣資源的有效開發(fā)。為此，通過對中國富有機質(zhì)頁巖形成構(gòu)造背景、地質(zhì)特征、頁巖氣形成條件及影響因素的分析，認為中國富有機質(zhì)頁巖時代多、類型豐富、形成環(huán)境復(fù)雜，不同類型富有機質(zhì)頁巖地質(zhì)特征與頁巖氣形成條件差異明顯。中國富有機質(zhì)頁巖形成環(huán)境有5類：①克拉通邊緣半深水 深水陸棚相(揚子地區(qū)下古生界)；②克拉通邊緣沼澤相(華北地區(qū)石炭-二疊系)；③前陸盆地湖-沼相(四川盆地上三疊統(tǒng)、西部地區(qū)三疊-侏羅系)；④裂谷盆地斷(坳)陷半深-深湖相(渤海灣盆地古近系和新近系、松遼盆地白堊系)；⑤大型陸內(nèi)坳陷盆地深湖相(鄂爾多斯盆地三疊系)。中國頁巖氣形成條件可歸納為：①富有機質(zhì)頁巖發(fā)育具有廣泛性；②富有機質(zhì)頁巖展布具有不均衡性；③不同類型頁巖成氣潛力具有多樣性；④頁巖儲層具有差異性。中國頁巖氣區(qū)帶類型可以劃歸4種類型：熱裂解頁巖含氣區(qū)、熱成熟頁巖含氣區(qū)、深埋熱成熟頁巖含氣區(qū)和生物氣 低成熟頁巖含氣區(qū)。中國頁巖氣勘探實踐表明：中國擁有豐富的頁巖氣資源量，隨著理論與技術(shù)的突破、經(jīng)濟條件的改善，未來中國頁巖氣資源有較好發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：中國；頁巖氣；形成條件；區(qū)帶類型；成藏條件；納米孔隙；勘探實踐；發(fā)展前景
自20世紀80年代初中國改革開放以來，伴隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展和崛起，中國也成為越來越多資源的凈進口國，1993年首次成為石油凈進口國，2006年又跨入天然氣凈進口國之列。目前，中國的石油對外依存度超過55%，天然氣的對外依存度也接近10%。為保障中國能源供給安全，緩解石油對外過渡依賴，擴大天然氣消費量，1987年中國開始了煤層氣的地質(zhì)評價與勘探開發(fā)技術(shù)探索，2006年實現(xiàn)規(guī)模開發(fā)，至2010年底在鄂爾多斯、沁水、渤海灣3個盆地探明煤層氣地質(zhì)儲量2734×108m3，年產(chǎn)煤層氣15×108m3。2000年開始了致密氣的勘探開發(fā)和技術(shù)發(fā)展，至2010年已在中國陸上形成了鄂爾多斯盆地上古生界、四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組兩大致密氣產(chǎn)區(qū)，在吐哈、松遼、渤海灣、塔里木4個盆地發(fā)現(xiàn)規(guī)模致密氣儲量，累計探明致密氣儲量2.9×1012m3，年產(chǎn)致密氣226×108m3。
隨著北美頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)帶的快速擴展和頁巖氣產(chǎn)量的大幅飆升，頁巖氣迅速成為天然氣重要勘探開發(fā)新熱點，在全球掀起了一場轟轟烈烈的“頁巖氣革命”。2005年以來，我國開始了規(guī)模性的頁巖氣前期地質(zhì)評價與勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗，借鑒北美經(jīng)驗，依靠理論創(chuàng)新，強化技術(shù)進步，邊研究邊發(fā)展，有序推進。迄今，中國已在富有機質(zhì)頁巖地質(zhì)特征、頁巖氣形成地質(zhì)條件、有利頁巖氣遠景區(qū)帶等認識上取得重要進展，在頁巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗中于四川盆地古生界海相頁巖等取得重要發(fā)現(xiàn)，未來發(fā)展需要突破“理論、技術(shù)、成本與環(huán)境”四道關(guān)。
1 頁巖氣內(nèi)涵與特征
頁巖氣為產(chǎn)白極低孔隙度和滲透率、以富有機質(zhì)頁巖為主的儲集巖系中的天然氣。氣體成分以甲烷為主，賦存方式為游離氣和吸附氣并存，屬自生自儲、原位飽和成藏[1]。頁巖氣的開發(fā)必須通過大型人工造縫(網(wǎng))工程才能形成工業(yè)產(chǎn)能，因此，也將其稱之為“人造氣藏”(Artificial Reservoir)。
與常規(guī)及其他非常規(guī)天然氣藏不同，頁巖氣自身具有明顯特征(表1)[2～5]。主要特征表現(xiàn)在：①頁巖氣成因類型多，可以形成于有機質(zhì)演化的各階段，包括生物成因氣、熱成因氣和熱裂解成因氣，源儲一體，成藏過程為持續(xù)充注、原位飽和聚集；②頁巖儲層超致密，孔隙類型多樣，孔隙大小以微-納米級為主；③頁巖氣組成以甲烷為主，乙烷、丙烷等含量少，可以存在N2、C02等非烴氣體，極少有H2S氣體，氣體賦存方式以吸附態(tài)、游離氣兩種方式為主，吸附氣占總氣量的比例為20%～80%；④頁巖氣分布不受構(gòu)造控制，沒有(或無明顯)圈閉界限，含氣范圍受成氣烴源巖面積和良好封蓋層控制，資源規(guī)模大，可采程度低(一般介于10%～35%)，存在高豐度“甜點”核心區(qū)；⑤頁巖氣產(chǎn)出以非達西滲流為主，存在解吸、擴散、滲流等相態(tài)與流動機制的轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)周期長；⑥頁巖氣開發(fā)形成工業(yè)產(chǎn)能必須進行儲層大型體積壓裂，改造前一般低產(chǎn)或無產(chǎn)，生產(chǎn)過程中不產(chǎn)水或產(chǎn)水很少。
    在含油氣區(qū)，頁巖氣的存在具有普遍性，只是由于埋藏深度、含氣程度等經(jīng)濟、技術(shù)條件的差別，使其部分具有工業(yè)價值，部分暫無工業(yè)價值。對比北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)與中國頁巖氣勘探實踐，形成工業(yè)價值頁巖氣基本地質(zhì)條件為(表2)[6]：富有機質(zhì)頁巖必須具備較高有機質(zhì)豐度(TOC＞2.00%)、高熱成熟度(Ro＞1.1%)，高脆性(石英、長石等礦物含量大于40%)、低黏土礦物含量(小于30%)、有效頁巖(Hot Shale)厚度超過30m或50m、成氣后保存條件較好、存在超壓。
 
2 中國頁巖氣形成條件
2.1 中國區(qū)域地質(zhì)背景
    中國大陸處于太平洋、印度洋和西伯利亞等板塊交匯處，動力學(xué)體系復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造具多塊體拼合、多期次、多旋回的復(fù)雜構(gòu)造特征。據(jù)童亨茂等的研究[7]，中國的地質(zhì)構(gòu)造演化分為前南華紀陸核形成與古中國地臺形成階段，古地臺解體與古中國大陸形成階段，印支期后中、新生代中國大陸繼承發(fā)展3大階段。在3大演化期中，形成了多類型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多期疊合、多期構(gòu)造變動的沉積盆地(圖1)，每一階段都有富有機質(zhì)頁巖發(fā)育。古生代發(fā)育6種類型盆地，以海相坳拉槽和克拉通坳陷盆地為主，這些盆地多被中、新生代盆地疊置。中、新生代盆地主要發(fā)育在大陸內(nèi)部，中國東部以伸展(裂谷)盆地為主，西部以擠壓撓曲(前陸)盆地為主，中部的四川盆地為前陸盆地、鄂爾多斯盆地為大型坳陷盆地，郯廬斷裂帶、阿爾金斷裂帶和橫斷山斷裂帶等走滑斷裂帶發(fā)育走滑類盆地。不同演化階段、不同類型盆地直接控制了中國富有機質(zhì)頁巖的發(fā)育與分布、類型與頁巖氣潛力。
 

2.2 中國富有機質(zhì)頁巖類型與分布
    按沉積環(huán)境將富有機質(zhì)頁巖分為3大類：海相富有機質(zhì)頁巖、海陸過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖、湖相富有機質(zhì)頁巖(表3～5)[1～2,6]。按其構(gòu)造-巖相又細分為5種形成類型：海相富有機質(zhì)頁巖主要形成于克拉通內(nèi)坳陷或邊緣半深水-深水陸棚相，過渡相富有機質(zhì)頁巖形成于克拉通邊緣沼澤相，煤系富有機質(zhì)頁巖主要形成于前陸盆地湖-沼相，湖相富有機質(zhì)頁巖形成于裂谷盆地斷(坳)陷和大型陸內(nèi)坳陷盆地的半深-深湖相。
2.2.1海相富有機質(zhì)頁巖
   全球海相富有機質(zhì)頁巖發(fā)育廣泛，北美產(chǎn)氣頁巖以晚古生代泥盆系、石炭系和二疊系海相頁巖為主，形成于克拉通邊緣坳陷及前陸坳陷。中國海相富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育在前古生代及早古生代，區(qū)域上分布于華北、南方、塔里木和青藏4個地區(qū)，層系上為盆地下部層位。
   中國最古老的海相富有機質(zhì)頁巖為中上元古界長城-青白口系的下馬嶺組、薊縣系的鐵嶺組、洪水莊組頁巖和震旦系陡山坨組頁巖。長城-青白口系頁巖分布在華北北部地區(qū)的張家口下花園-承德寬城一帶[8～10]，在鄂爾多斯盆地西緣也有零星出露。目前在露頭區(qū)發(fā)現(xiàn)一些以此套頁巖為源巖的油苗，但尚未發(fā)現(xiàn)以此為源巖形成的工業(yè)性油氣藏。震旦系頁巖在南方揚子(尤其是中-上揚子)地區(qū)廣泛分布，在塔里木盆地東北部庫魯克塔格及孔雀河斜坡、塔兩南周邊露頭區(qū)也有發(fā)現(xiàn)。以震旦系頁巖為源巖的油氣苗及瀝青在露頭區(qū)廣泛存在，四川盆地威遠氣田及高石梯氣田的形成也與其密切相關(guān)。
古生代是中國海相富有機質(zhì)頁巖發(fā)育的最主要時期，形成了多套海相富有機質(zhì)頁巖(圖2)，其中早古生代寒武紀和志留紀頁巖最為典型。寒武紀在揚子地臺、塔里木地臺和華北地臺3大主要海相沉積區(qū)，都發(fā)育了較好的頁巖地層，如南方揚子地區(qū)的筇竹寺組頁巖(q)(或滄浪鋪組、牛蹄塘組、水井沱組、巴山組、荷塘組、幕府山組頁巖)和塔里木盆地玉爾吐斯組(y)與薩爾干組頁巖(—O1s)。揚子地區(qū)的寒武系頁巖形成于早寒武世，厚度大，分布范圍遍及整個揚子地臺區(qū)(圖3)，是麻江、凱里等古油藏及威遠氣田的主要烴源巖。塔里木盆地寒武紀在早期和晚期各發(fā)育一套頁巖，在柯平、塔里南、塔中隆起、塔北隆起、滿加爾坳陷等區(qū)域廣泛分布，是塔里木盆地的重要烴源巖。志留紀頁巖在揚子地區(qū)發(fā)育較好，以早直留世龍馬溪組頁巖為主，分布于整個揚子地區(qū)(圖4)，是四川盆地五百梯、羅家寨、建南等石灰系氣田的主力烴源巖。此外，在鄂爾多斯盆地西緣、塔里木盆地還發(fā)育有中-上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M(O2p)、印干組(O3y)頁巖，在黔南-桂中地區(qū)發(fā)育有泥盆系印堂-羅富組(D2-3y-l)頁巖，在滇東北發(fā)育了石灰系舊司組(C1j)頁巖。
古生代海相富有機質(zhì)頁巖是中國頁巖氣勘探首選領(lǐng)域，除四川盆地、塔里木盆地等構(gòu)造穩(wěn)定的地臺區(qū)頁巖保存較好外，其余都處于現(xiàn)今盆地之外，遭受多次構(gòu)造改造或大面積裸露，評價這些區(qū)域的頁巖氣潛力，尋找相對穩(wěn)定、保存較好的頁巖區(qū)帶，將是中國頁巖氣勘探需要攻克的一個重大難題。
 
2.2.2過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖
    煤系富有機質(zhì)頁巖主要為中生代三疊-侏羅系淺湖-沼澤沉積環(huán)境下形成的含煤頁巖[11]。這類頁巖的共同特征是有機質(zhì)以陸源高等植物為主，頁巖與煤層共存、砂巖與頁巖互層。
    石炭-二疊紀是中國大陸沉積環(huán)境由海向陸轉(zhuǎn)化的重要階段，在中國大陸形成了廣泛的海陸交互相富有機質(zhì)頁巖，包括準噶爾盆地石炭系滴水泉-巴山組頁巖(C1d-C26)、華北地區(qū)石炭系太原組頁巖(C3t)、二疊系本溪組(P1b)、山西組頁巖(P1sh)和南方地區(qū)二疊系梁山-龍?zhí)督M頁巖(P1l-P2l)。目前，石炭-二疊紀頁巖已被證實為準噶爾盆地陸東-五彩灣、鄂爾多斯盆地蘇里格、渤海灣盆地蘇橋、四川盆地普光、羅家寨等氣田的主要烴源巖。
    中生代晚三疊世以來，除青藏地區(qū)外，中國大陸全面進入內(nèi)陸湖盆發(fā)展階段，沉積了以河流、湖泊、沼澤相為主的陸相含煤碎屑巖建造，發(fā)育了上三疊統(tǒng)-中下侏羅統(tǒng)煤系頁巖。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組煤系頁巖遍及全盆地，川西坳陷發(fā)育最好，川東及川東南厚度相對較小。準噶爾-吐哈盆地侏羅系發(fā)育八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)和西山窯組(J2x)3套煤系頁巖，分布在準噶爾盆地南緣及吐哈盆地臺北坳陷。塔里木盆地發(fā)育的黃山街組(T3h)、塔里奇克組(T3t)、陽霞組(J1y)和克孜勒努爾組(J2k)4套煤系頁巖，分布在庫車、塔西南坳陷。
    三疊-侏羅系煤系頁巖是四川盆地、塔里木盆地、吐哈盆地重要的烴源巖，已發(fā)現(xiàn)了克拉2、迪那2、新場等一批與此相關(guān)的大氣田，在吐哈盆地發(fā)現(xiàn)了大量工業(yè)性油藏。
2.2.3湖相富有機質(zhì)頁巖
    湖相富有機質(zhì)頁巖主要形成于二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀和新近紀、古近紀的陸相裂谷盆地、坳陷盆地[10]。二疊紀湖相富有機質(zhì)頁巖發(fā)育在準噶爾盆地，分布于準噶爾盆地西部-南部坳陷，包括風城組(P1f)、夏子街組(P2x)、烏爾禾組(P2-3w)3套頁巖。三疊紀湖相頁巖發(fā)育在鄂爾多斯盆地，為晚三疊世大型坳陷湖盆沉積，長9段(T3ch9)、長7段(T3ch7)頁巖最好，分布在盆地中南部，南部邊緣銅川地區(qū)有出露。侏羅紀在中-西部地區(qū)為大范圍含煤建造，但在四川盆地為內(nèi)陸淺湖一半深水湖相沉積，早-中侏羅世發(fā)育了自流井組(J1-2z)頁巖，在川中、川北和川東地區(qū)廣泛分布。白堊紀湖相頁巖發(fā)育在松遼盆地，包括下白堊統(tǒng)青山口組、嫩江組、沙河子組和營城組頁巖，在全盆地分布。古近紀湖相頁巖在渤海灣盆地廣泛發(fā)育，以沙河街組[一段(E3s1)、三段(E3s3)、四段(E3S4)]為主，分布于渤海灣盆地各凹陷，黃驊和濟陽坳陷存在孔店組頁巖(E3k)。
    湖相富有機質(zhì)頁巖為中國陸上松遼、渤海灣、鄂爾多斯、準噶爾等大型產(chǎn)油區(qū)的主力源巖。
    綜上所述，中國陸上富有機質(zhì)頁巖類型多，時代廣，分布范圍大，具備頁巖氣形成良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。
2.3 中國頁巖氣形成條件
   與北美相比，中國陸上頁巖氣形成條件可概括為以下4點：
   1) 頁巖發(fā)育具廣泛性。不同時代不同地區(qū)都發(fā)育了程度不同的富有機質(zhì)頁巖。
   2) 頁巖展布具非均衡性。海相富有機質(zhì)頁巖分布在以南方為主的3大區(qū)域，過渡相富有機質(zhì)與煤系富有機質(zhì)頁巖分布在中 西部2大區(qū)域4大盆地，湖相富有機質(zhì)頁巖分布在4大盆地，受沉積凹陷限制分隔性強。
   3) 頁巖成氣潛力具多樣性。有機質(zhì)含量總體豐富，高有機質(zhì)含量(TOC＞2.O0%)頁巖發(fā)育程度和集中程度不一；頁巖有機質(zhì)類型存在腐泥型、腐殖型和混合型等多種類型；頁巖形成時代賦存地質(zhì)背景不同熱成熟度變化范圍大。
   4) 頁巖儲層具差異性。不同頁巖在巖性組合、高TOC含量集中段發(fā)育程度、熱成熟度、礦物組成與含量、納米孔隙發(fā)育程度等主要儲層特征上存在明顯差異。
2.3.1海相富有機質(zhì)頁巖成氣條件
    中國海相富有機質(zhì)頁巖分布面積廣、厚度大[7,12～17](圖1、表3)。南方地區(qū)古生界震旦系石炭系海相富有機質(zhì)頁巖分布面積介于9.7×104(石炭系舊司組頁巖)～87×104km2(寒武系筇竹寺組頁巖)，累計厚度介于200～1500m，平均厚度為500m。川西南(自貢-宜賓)、川南-黔北(重慶-貴陽)、川東鄂西(石柱-彭水)、川北(廣元-南江)、當陽-張家界、鹽城-揚州、寧國-石臺、黔南-桂中等地區(qū)厚度較大。塔里木盆地寒武系與奧陶系頁巖分布于巴楚阿瓦提、滿東2個地區(qū)，以滿東地區(qū)寒武系頁巖發(fā)育為最佳，分布面積介于10×104(奧陶系印干組頁巖)～13×104km2(寒武系玉爾吐斯組頁巖)，累計厚度介于40～300m，平均厚度為150m。
    海相富有機質(zhì)頁巖主要形成于沉積速率較慢、水體較為封閉、有機質(zhì)較為豐富的環(huán)境中。有機質(zhì)(南方地區(qū))主要為浮游藻類(魚鱗藻、硅藻、光面球藻、小刺球藻、藍藻、色球藻等)、底棲藻類(藻席、藻孢子囊、海綿、原始線葉植物等)和菌類(硅質(zhì)細菌、鐵細菌、納米細菌、真菌)等，具多種有機質(zhì)共存特征，有機質(zhì)類型為腐泥型-混合型。與北美產(chǎn)氣頁巖相似，中國富有機質(zhì)海相頁巖的TOC相當范圍達到了頁巖氣形成與富集最低標準，頁巖氣前景樂觀。南方地區(qū)古生界頁巖的TOC介于0.43%～25.73%，平均為1.23%～4.71%。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖中T0C＞2.00%的高TOC頁巖厚度占頁巖總厚度的比例介于0.70%～80.00%，平均達34.O0%，高TOC頁巖面積占頁巖總面積的比例為71.00%；上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中高TOC頁巖厚度占頁巖總厚度的比例為19.O0%，高TOC頁巖面積占頁巖總面積的比例為87.00%。塔里木盆地寒武-奧陶系頁巖TOC介于0.50%～14.21%，平均為1.50%～2.86%，高TOC頁巖厚度占頁巖總厚度的比例介于10%～20%，高TOC頁巖面積占頁巖總面積的比例介于25%～40%。值得注意的是塔里木盆地東部除發(fā)育較好的富有機質(zhì)頁巖外，還發(fā)育了一套厚度介于100～200m、TOC介于1.00%～10.00%的海相灰質(zhì)頁巖或泥質(zhì)石灰?guī)r(圖5)，其與海相富有機質(zhì)頁巖互層或相變，頁巖氣前景值得今后探索。
    中國海相富有機質(zhì)頁巖熱成熟度高于北美產(chǎn)氣頁巖，也高于中國其他類型頁巖。北美產(chǎn)氣頁巖Ro介于1.0%～3.5%，為成氣高峰期，中國海相富有機質(zhì)頁巖Ro介于1.5%～4.5%，為高過成熟熱裂解成氣階段。南方海相富有機質(zhì)頁巖熱成熟度更高[12～17]，下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖Ro介于2.30%～5.12%，上奧陶統(tǒng)五峰一下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖Ro介于2.4%～4.3%。從熱成熟度來看，中國海相富有機質(zhì)頁巖目前生氣潛力不具優(yōu)勢，要形成工業(yè)價值的頁巖氣富集區(qū)必須有良好的儲集及優(yōu)越的保存條件。關(guān)于這一點，在盆地中的穩(wěn)定區(qū)問題不大，但在改造區(qū)或出露區(qū)會有一定風險，實際勘探中應(yīng)給予高度重視。
    頁巖礦物構(gòu)成對頁巖氣富集及后期開發(fā)都至關(guān)重要[18]。實現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)的頁巖氣產(chǎn)層的石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物含量要超過40%、黏土礦物含量要小于30%(表2)。中國海相富有機質(zhì)頁巖由粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)鈣質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、黑色頁巖、筆石頁巖等組成，脆性礦物含量豐富，含量一般都超過40%。脆性礦物組成中，石英含量介于24.3%～52.0%、長石含量介于4.3%～32.3%、方解石含量介于8.5%～16.9%，總脆性礦物含量介于53.3%～78.2%，黏土礦物含量小于40%，一般介于25.6%～39.5%，最高達56.4%。黏土礦物以伊利石為主，含少量綠泥石和高嶺石，不含蒙脫石，或僅在個別樣品中偶有出現(xiàn)，含量甚微。這表明高一過成熟海相頁巖中黏土礦物已全部轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性礦物，不具水敏性，有利于大型清水壓裂。
    露頭與巖心觀察、巖石薄片鑒定與顯微電鏡分析發(fā)現(xiàn)，海相富有機質(zhì)頁巖微裂縫、基質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙發(fā)育(圖6)，孔隙類型豐富，包括無機礦物原生粒間孔、自生礦物晶間孔、黏土礦物層間縫、無機礦物顆粒次生溶蝕孔、雜基內(nèi)溶蝕孔、有機質(zhì)孔隙、構(gòu)造或成巖形微裂縫與層間隙等，有機質(zhì)孔隙是頁巖儲層獨有的一類儲集空間，為有機質(zhì)生烴所形成。目前研究發(fā)現(xiàn)頁巖儲集空間以納米級孔隙為主，裂縫以微裂縫為主。揚子地區(qū)下古生界頁巖樣品壓汞測試與氬離子拋光電鏡觀察，孔隙直徑介于5～750nm，集中分布在20～80nm，孔喉半徑介于10～30nm，平均為20nm。頁巖孔隙度介于2%～12%，平均值為4.0%左右，滲透率介于25nD～1.73mD，平均小于100nD。研究還發(fā)現(xiàn)頁巖孔隙發(fā)育程度受無機礦物顆粒粒度與含量、黏土礦物成分與含量、有機質(zhì)含量、成巖作用等多重因素控制。
   總之，中國海相富有機質(zhì)頁巖分布范圍廣，厚度大，高TOC頁巖富集段發(fā)育，熱成熟度高，微納米級孔隙豐富，脆性礦物豐富，頁巖氣成藏條件優(yōu)越，勘探前景最好。海相富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)類型(腐泥型-混合型為主)屬傾成油型母質(zhì)，熱成熟度已達高-過成熟，頁巖氣以原油熱裂解氣為主，因此，海相富有機質(zhì)頁巖氣區(qū)帶為熱裂解含氣區(qū)帶類型。
2.3.2過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖成氣條件
   中國過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖發(fā)育程度、分布范圍與海相富有機質(zhì)頁巖相當(表4)，其差異在于此類頁巖分布受沉積相帶控制[11]，縱橫向變化快，單層厚度小，累計厚度大。華北地區(qū)石炭一二疊系頁巖分布面積介于10×104～20×104km2，累計厚度介于60～200m，最大累計厚度達300m；單層厚度介于8～15m，最大單層厚度達40m。南方地區(qū)二疊系頁巖分布面積介于20×104～50×104km2，累計厚度介于10～125m，最大單層厚度達25m[12]。四川盆地上三疊統(tǒng)、吐哈準噶爾盆地侏羅系和塔里木盆地侏羅-三疊系湖-沼相煤系頁巖面積介于28.165×104～31.150×104km2，累計厚度介于50～1240m，單層厚度介于5～15m，最大單層厚度近50m，縱橫向變化快。
    過渡相與煤系頁巖TOC一般都超過1.00%，碳質(zhì)頁巖TOC多數(shù)超過10.O0%。由于過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖單層厚度小，常與砂巖、煤層互層或相變，因此類型頁巖中TOC＞2.00%的高T0C頁巖集中段不發(fā)育，僅在局部地區(qū)存在，推測在湖盆中心會有發(fā)育。過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)復(fù)雜，有機質(zhì)類型以混合型-腐殖型為主，Ro介于1.0%～3.0%，處于成氣高峰期。華北地區(qū)石炭-二疊系頁巖TOC受沉積相影響大[11]，TOC介于0.50%～36.79%，其中沼澤相碳質(zhì)頁巖TOC高，為10.O0%～30.00%，TOC平均為1.50%～4.20%。有機質(zhì)類型為混合型-腐殖型，Ro一般介于1.0%～2.5%，局部地區(qū)達3.0%。南方地區(qū)二疊系頁巖有機質(zhì)含量與類型受沉積環(huán)境影響，TOC介于0.10%～38.54%，平均為4.70%，多數(shù)超過3.00%。有機質(zhì)中高等植物、底棲藻類、海灣渴湖或滯留盆地環(huán)境生物均有發(fā)育，有機質(zhì)類型呈腐泥型、混合型和腐殖型多類型組合，Ro介于1.2%～3.2%。四川盆地、塔里木盆地及吐哈-準噶爾盆地的三疊-侏羅系頁巖TOC介于0.50%～40.00%，平均為1.5%～3.3%，有機質(zhì)類型為混合型腐殖型，Ro介于0.7%～2.2%，為成熟-高成熟生氣階段。
    過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖巖性主要為高碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、黑色頁巖、粉砂巖、砂巖等，礦物組成宏觀上與海相富有機質(zhì)頁巖元差別，屬脆性礦物含量豐富、黏土礦物含量少的脆性頁巖。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組頁巖石英含量介于33.2%～52.9%，長石含量介于3.0%～20.0%，鄂爾多斯盆地石炭二疊系頁巖石英含量介于32%～54%。在具體構(gòu)成上，過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖礦物組成與海相富有機質(zhì)頁巖還存在較大差異，最為明顯的是黏土礦物構(gòu)成除伊利石為主外，伊蒙}昆層和高嶺石含量比例高，如四川盆地上三疊統(tǒng)頁巖黏土礦物中伊利石含量介于49.4%～78.0%，伊蒙混層含量介于12.7%～22.0%，高嶺石含量介于11.0%～38.0%，綠泥石含量介于11.0%～56.0%。由此產(chǎn)生的影響是過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖儲集空間不發(fā)育、孔滲條件差。儲集空間以原生孔縫為主，納米孔發(fā)育少(圖6)，孔隙度介于1.0%～1.3%，平均為1.2%，滲透率介于0.002～0.004mD。
    由上述可知，過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖發(fā)育廣泛，TOC含量高，有機質(zhì)類型以腐殖型為主，為傾成氣型母質(zhì)，熱成熟度處在成氣高峰階段，頁巖脆性適中，因此，有利于頁巖氣的形成，頁巖氣區(qū)帶類型為熱成熟含氣區(qū)帶。過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖在累計厚度、單層厚度大的地區(qū)有較好的頁巖氣勘探前景，而單層厚度小，與煤層、砂巖互層的區(qū)域，或許有利于形成頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣等多類型天然氣聚集，與北美頁巖氣類型相比，或許是中國頁巖氣成藏一大特點。因此，深入研究頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣共生共藏、疊置規(guī)律將是有效開發(fā)利用過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖的一個重要課題。
2.3.3湖相富有機質(zhì)頁巖成氣條件
    湖相富有機質(zhì)頁巖形成時間晚，有機質(zhì)來源于湖生浮游生物及部分陸源高等植物，有機質(zhì)豐富，有機質(zhì)類型以腐泥型-混合型為主。湖相富有機質(zhì)頁巖巖石類型主要為厚層狀黑色頁巖、砂巖，熱演化程度低，主體處于生油階段[19]。這類頁巖存在生物成氣低成熟氣區(qū)和盆地中心或埋深較大地區(qū)熱成熟氣區(qū)2種類型頁巖氣區(qū)帶。研究認為湖相富有機質(zhì)頁巖氣前景較好的地區(qū)分布在松遼、鄂爾多斯、渤海灣、四川和準噶爾等大型盆地中。
    松遼盆地白堊系青山口組發(fā)育2套富有機質(zhì)頁巖(表5)，形成于深湖-半深湖缺氧環(huán)境，在中央坳陷區(qū)廣泛分布[1…，面積介于1.6×104～1.8×104km2，厚度介于70～900m，TOC集中在4.00%～8.00%，最高達13.00%，TOC＞2.O0%的頁巖厚度在中央凹陷帶超過100m，在盆地其他地區(qū)也有35～70m厚，有機質(zhì)類型主要為腐泥型、混合型，Ro介于0.4%～1.3%，Ro＞1.0%的區(qū)域有古龍、三肇、長嶺等凹陷，成氣頁巖厚度介于50～60m，面積約3000km2。青山口組頁巖礦物組成中，石英等陸源碎屑礦物含量介于35%～55%，平均為47%，碳酸鹽巖含量介于2%～23%，平均為11%。黏土礦物含量介于22%～49%，平均為39%。頁巖基質(zhì)孔隙發(fā)育，有黏土片內(nèi)孔、黏土片間孔、黃鐵礦晶間孔、黏土質(zhì)條帶和鈣質(zhì)條帶層界面孔、有機質(zhì)條帶和碎屑巖條帶層面孔、介形蟲和碎屑顆粒粒間孔、介形蟲內(nèi)溶蝕孔、泥巖裂縫等，孔隙度介于6.0%～12.0%。
    渤海灣盆地古近系發(fā)育多套富有機質(zhì)頁巖(表5)，巖性以鈣質(zhì)頁巖、厚層黑色頁巖為主，廣泛分布于各斷陷中[19]，面積介于1.8×104～2.3×104km2，厚度介于100～600m。有機質(zhì)為湖相富藻類生物，有機質(zhì)類型為腐泥型-偏腐泥混合型，沙一段T0C介于0.80%～27.30%，平均為2.58%；沙三段TOC介于0.50%～13.80%，平均為3.50%；沙四段TOC介于0.67%～16.70%，平均為3.20%。熱演化程度大部分處于液態(tài)窗范圍，在埋深超過4000m_區(qū)域進入生氣范圍。沙一段Ro介于0.7%～1.8%，沙三段Ro介于0.4%～2.0%，沙四段Ro介于0.6%～3.0%。渤海灣盆地古近系頁巖礦物組成中，石英含量介于7%～66%，平均為29%，長石含量介于5%～34%，平均為17%，碳酸鹽巖含量介于4%～70%，平均為54%，黏土礦物含量介于3%～54%，平均為25%。黏土礦物構(gòu)成中，伊/蒙混層含量介于34.2%～61.2%，平均為47.7%，伊利石含量介于29.5%～59.0%，平均為44.2%，高嶺石含量介于4.7%～6.4%，平均為5.6%，綠泥石含量介于2.1%～2.9%，平均為2.5%。頁巖發(fā)育黏土礦物間孔、無機礦物粒間孔、生物骨架孔、碳酸鹽巖與黃鐵礦晶間孔、頁巖干縮縫等，孔隙直徑介于44～250nm，平均為76nm，孔隙度介于0.5%～9.8%，平均為5.6%，滲透率介于0.06～1.60mD。
    鄂爾多斯盆地延長組長4+5—長9段發(fā)育多套富有機質(zhì)頁巖，長7段、長9段分布廣、厚度大，TOC高。2套頁巖分布面積近10×104km2，厚度介于30～120m。長7段頁巖TOC介于2.40%～36.22%，平均為8.30%；長9段頁巖TOC介于0.40%～11.30%，平均為3.14%。Ro介于0.73%～1.16%，在吳旗慶陽-富縣一帶Ro＞1.0%，進入成氣階段，成氣頁巖厚度為60m，面積約1.4×104km2。長7段、長9段頁巖礦物組成中石英含量介于27%～47%，平均為40%，總脆性礦物含量介于5%～70%。
    四川盆地下侏羅統(tǒng)頁巖分布面積約9×104km2，厚度介于40～180m。TOC介于0.51%～11.82%，平均為1.20%。有機質(zhì)類型為偏腐殖混合型一腐殖型，Ro介于1.4%～1.8%。礦物組成中，石英等脆性礦物含量介于41.9%～57.3%，平均為49.6%，黏土礦物含量介于41.2%～56.1%，平均為48.7%。黏土礦物主要為伊利石(23%～54%)、綠泥石(0～36%)、伊蒙混層(10%～66%)，伊蒙混層中混層比低(2.5%～16%)。頁巖孔隙直徑介于38～375nm，平均92nm。孔隙度介于1.0%～8.4%，平均為3.7%，滲透率介于12nD～9.60mD，平均為0.66mD。
    湖相富有機質(zhì)頁巖時代新、熱成熟度不高、成巖作用低、黏土礦物中遇水膨脹礦物含量多，頁巖氣形成條件與其他類型頁巖不同。湖相富有機質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)已是中國主要產(chǎn)油氣區(qū)，地表平坦，地面設(shè)施完善，通過理論與技術(shù)創(chuàng)新，會有較好的勘探前景。
2.4 中國富有機質(zhì)頁巖含氣特征
    含氣性是評價頁巖氣前景的重要參數(shù)。含氣性與頁巖TOC、熱成熟度、礦物組成、孔隙發(fā)育程度、地層壓力等因素有關(guān)[16～18]。頁巖含氣多寡成為決定頁巖氣是否具有商業(yè)開采價值的最終指標。北美已開發(fā)頁巖的含氣量為1.1～9.9m3/t，Rimrock Energy、Schlumberger、EIA[20～21]等公司或機構(gòu)認為有利頁巖氣區(qū)的含氣量最低下限為2m3/t，目前國內(nèi)頁巖氣選區(qū)中基本采用這一標準。中國頁巖氣勘探實踐處于早期評價與先導(dǎo)試驗階段，尚無頁巖氣產(chǎn)區(qū)，頁巖含氣量數(shù)據(jù)有限。對頁巖含氣性的判斷較大程度上依據(jù)已有鉆井的氣顯示。據(jù)經(jīng)驗，鉆井過程中的氣顯示程度與地層含氣性一般有正相關(guān)性。中國南方海相富有機質(zhì)頁巖在四川盆地有107口井在下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖、有23口井在下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中見豐富的氣侵、井涌和井噴等氣顯示，1966年鉆探的威5井在下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖段發(fā)生氣侵與井噴，經(jīng)測試獲日產(chǎn)氣2.46×104m3。四川盆地周邊的方深1等井在下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖、丁山1、林1等井在下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中也發(fā)現(xiàn)了良好的氣測異常。華北地區(qū)沁水盆地鉆探過程中石炭-二疊系頁巖段氣測異常普遍，顯示厚度介于1.2～100.0m。鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖段鉆井過程中氣測異?；钴S。新疆準噶爾盆地中-下侏羅統(tǒng)頁巖鉆井錄井中氣測異?；钴S，顯示厚度介于2.4～12.0m。據(jù)此判斷，中國富有機質(zhì)頁巖有較好的含氣潛力。通過對南方古生界海相富有機質(zhì)頁巖先導(dǎo)試驗區(qū)鉆井巖心的實際含氣量測定，下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖含氣量介于0.13～5.02m3/t，平均為2.14m3/t，上奧陶統(tǒng)五峰-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖含氣量介于0.29～6.50m3/t，平均為2.22m3/t，均達到或超過了北美有利頁巖氣區(qū)含氣量最低下限。
3 中國頁巖氣勘探實踐
3.1 中國頁巖氣勘探進展
   與北美相比，中國頁巖氣勘探起步較晚，而與全球其他地區(qū)相比，中國頁巖氣勘探處于領(lǐng)先地位，為北美以外地區(qū)率先實現(xiàn)頁巖氣突破和工業(yè)化先導(dǎo)試驗的國家。實際上，中國油氣勘探界對于頁巖氣并不陌生。1994—1998年間中國針對頁巖裂縫油氣藏做過大量工作，此后一些學(xué)者在個別地區(qū)涉及過頁巖氣的研究。迄今，中國頁巖氣勘探經(jīng)歷了頁巖裂縫性油氣藏勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)條件研究與技術(shù)儲備、工業(yè)性突破等3個階段(圖7)，邁入工業(yè)化生產(chǎn)先導(dǎo)試驗階段。
 

   中國近年的頁巖氣熱潮始于2005年。2005年以來，中國石油天然氣股份有限公司、中國石油化工股份有限公司、國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)等單位相繼借鑒北美成功經(jīng)驗，以老井復(fù)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，開展了中國陸上頁巖氣形成地質(zhì)條件和資源潛力評價，在頁巖氣遠景區(qū)進行地質(zhì)淺井、參數(shù)井和地震勘探，獲取頁巖氣評價關(guān)鍵參數(shù)[22]，評價優(yōu)選有利頁巖氣區(qū)帶，鉆探頁巖氣評價井，實現(xiàn)了中國頁巖氣勘探初步突破，證實了中國富有機質(zhì)頁巖具有較好的頁巖氣勘探前景。
    中國政府對中國頁巖氣勘探給予了高度重視。2009年中國與美國簽署了《中美關(guān)于在頁巖氣領(lǐng)域開展合作的諒解備忘錄》，國土資源部設(shè)立了“全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選”重大專項；2010年中國與美國制訂并簽署了《美國國務(wù)院和中國國家能源局關(guān)于中美頁巖氣資源工作行動計劃》、成立了國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心；2011年科技部在油氣重大專項中設(shè)立《頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)》項目，國家發(fā)展和改革委員會等多部委聯(lián)合編制了中國頁巖氣“十二五”勘探開發(fā)規(guī)劃。目前，中國已在陸上廣泛開展了頁巖氣前期地質(zhì)評價和勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗，初步明確了上揚子區(qū)古生界海相富有機質(zhì)頁巖為中國陸上頁巖氣勘探最有利領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(圖8)，中國已在陸上四川、鄂爾多斯、渤海灣、沁水、泌陽等盆地，云南昭通、貴州大方、建南、銅仁等地區(qū)開展了頁巖氣鉆探與水力壓裂試氣，完鉆頁巖氣井35口(其中水平井5口)，水力壓裂試氣井14(氣中水平井2口)，獲工業(yè)氣(油)流井11口(其中水平井1口)，初產(chǎn)超過1×104m3/d氣井7口。四川盆地、云南昭通實現(xiàn)了古生界海相頁巖氣的突破；四川盆地、鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣見到良好顯示；泌陽盆地陸相頁巖油勘探也取得了進展。
 

3.2 中國頁巖氣發(fā)展前景
    頁巖氣產(chǎn)量在北美快速增長，2010年年產(chǎn)量約1500×108m3，占北美天然氣總產(chǎn)量的18%，改變了北美天然氣供應(yīng)局面，影響了全球天然氣格局。中國頁巖氣勘探的快速升溫，一批頁巖氣先導(dǎo)試驗井的相繼鉆探并試采，初步展示了中國頁巖氣資源潛力。
    據(jù)不同學(xué)者或機構(gòu)對頁巖氣資源的預(yù)測(表6)，中國頁巖氣地質(zhì)資源量介于30×1012～166×1012m3，技術(shù)可采資源量介于7×1012～45×1012m3。據(jù)此，有專家預(yù)測中國頁巖氣年產(chǎn)量近10年內(nèi)有望達到100×108m3左右，主要取決于理論突破、技術(shù)進步、成本降低和政策扶持?？偟恼J為，中國頁巖氣具有較好的發(fā)展前景。
    頁巖氣為典型的非常規(guī)氣藏，與目前開采的其他類型氣藏有明顯差異。中國頁巖氣勘探雖在先導(dǎo)試驗井取得突破，但仍為起步階段，發(fā)展基礎(chǔ)與北美頁巖氣成熟區(qū)相比有特殊性。因此，中國頁巖氣勘探的成功不會一蹴而就，需要一定時間的探索與實踐。未來5～10年需要堅持深化地質(zhì)認識與技術(shù)攻關(guān)，突出基礎(chǔ)地質(zhì)研究、核心區(qū)評價和先導(dǎo)試驗區(qū)建設(shè)。海相富有機質(zhì)頁巖氣重在深化基礎(chǔ)地質(zhì)研究，落實經(jīng)濟可采資源，優(yōu)選開發(fā)核心區(qū)，強化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推進先導(dǎo)試驗區(qū)建設(shè)，形成一定規(guī)模頁巖氣產(chǎn)量。過渡相、煤系及湖相富有機質(zhì)頁巖以地質(zhì)條件評價為重點，以技術(shù)可采資源潛力落實為核心，鉆探一批先導(dǎo)試驗井，優(yōu)選有利頁巖氣區(qū)帶和層系，實現(xiàn)中國頁巖氣持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。
4 結(jié)論
    1) 中國大陸經(jīng)歷了多期、復(fù)雜構(gòu)造演化，形成了多類型、多層系富有機質(zhì)頁巖。不同類型頁巖成氣條件有差異，頁巖氣前景不同，勘探中要區(qū)別對待。
    2) 古生界海相富有機質(zhì)頁巖厚度大，分布穩(wěn)定，有機碳含量高，熱成熟度高，脆性好，納米孔隙發(fā)育，先導(dǎo)試驗已取得突破，蜀南等地區(qū)勘探前景比較現(xiàn)實。
    3) 過渡相與煤系富有機質(zhì)頁巖廣泛發(fā)育，總厚度大，有機碳含量高，處在成氣高峰期，脆性礦物含量適中，有利于形成頁巖氣。但頁巖單層厚度小，與砂巖間互分布，橫向變化大，納米孔隙發(fā)育少，物性較差，黏土礦物中高嶺石與伊/蒙混層比例高，有較好頁巖氣資源前景，勘探前景尚具不確定性。
    4) 湖相富有機質(zhì)頁巖總厚度大，有機碳含量高，熱成熟度低，頁巖成巖作用低，黏土礦物中水敏礦物含量多，有利區(qū)以盆地中心或埋深較大地區(qū)為主，開采技術(shù)要求高。
    5) 中國頁巖氣勘探尚處起步階段，發(fā)展基礎(chǔ)與北美頁巖氣成熟區(qū)不同，規(guī)模發(fā)展不會一蹴而就，需要一段時間的探索與實踐。
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(本文作者：鄒才能1 董大忠1 楊樺1 王玉滿1 黃金亮1 王淑芳2 付成信3 1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.北京大學(xué)；3.中國地質(zhì)大學(xué) 北京)