摘 要

　　　　　　——以延長探區上三疊統延長組長7段頁巖為例摘　要：中國陸相頁巖氣的開發還處在探索階段，究其根本原因在于地質理論尚未取得突破，由此導致其開發缺乏理

　　　　　　——以延長探區上三疊統延長組長7段頁巖為例

摘　要：中國陸相頁巖氣的開發還處在探索階段，究其根本原因在于地質理論尚未取得突破，由此導致其開發缺乏理論指導。為此，基于陸相頁巖氣的地球化學特征、地質條件及勘探工程生產實踐，以延長探區上三疊統延長組長7段頁巖為例，歸納總結了目前在該研究領域已取得的主要地質認識：成因類型多樣；地球化學參數綜合決定頁巖含氣量；砂質紋層對改善頁巖儲集物性具有重大貢獻；頁巖氣的賦存需要“蓋層條件”，其賦存形式多樣并存在先后順序。同時指出了當前陸相頁巖氣在地質特征及成藏機理方面亟待解決的問題：陸相頁巖的生油氣機理，對儲層賦存空間的認識，對頁巖氣賦存相態進行精確定量，溫壓系統的演變對地層壓力、氣體賦存作用的影響等。地質評價方面有待解決的問題包括頁巖氣定義對資源結構的影響，資源評價中關鍵參數的取值，勘探靶區的優選等。上述問題的解決，將有助于突破制約陸相頁巖氣地質研究理論的瓶頌，推動陸相頁巖氣的勘探開發。

關鍵詞：鄂爾多斯盆地  延長探區  陸相頁巖氣  晚三疊世  生油氣機理  儲集層賦存空間  砂質紋層  勘探靶區優選

Progress in and challenges to geologic research of terrestrial shale in China：A case study from the 7^th  member of the Upper Triassic Yanchang Fm in the Yanchang exploration block，Ordos Basin

Abstract：The terrestrial shale gas development is still in its infancy in China and no breakthrough has ever been made in the relevant geological theories．In view of this，in a case study from the 7^th member of the Upper Triassic Yanchang Fm in the Yanchang exploration block in the Ordos Basin，we first summarized the current main understandings of the geologic conditions concerning terrestrial shale gas plays，such as muhiple genetic types．geochemical parameters determining shale gas content，sandy laminar critical in improving reservoir property of shale，seals essential to the preservation of shale gas，and multiple shale gas storage patterns with a certain order of priority．The challenges facing the study of geologic features and reservoiring mechanisms of terrestrial shale gas are as follows：hydrocarbon generation mechanism，reservoir space，accurate quantification of phase behaviors of shale gas,as well as the influences of temperature-pressure system evolution on formation pressure and gas storage．And other challenges to geologic evaluation include the influences of shale gas definition on resource structure，value assignment of key parameters in resource evaluation．and the selection of target areas．The successful resolution of all above problems will help break the bottleneck in current geologic research and improve exploration and development of terrestrial shale gas in China．

Keywords：Ordos Basin，Yanchang exploration block，continental shale gas，Late Triassic，oil and gas origin，reservoir，occurrence of space，sandy laminar

延長探區(位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡構造帶)上三疊統延長組長7段陸相頁巖發育。2009年，陜西延長石油(集團)有限責任公司(以下簡稱延長集團)開始針對長7段頁巖氣進行勘探。2011年，柳評l77井頁巖氣(長7段純頁巖)點火成功(初始產氣量為2350m³／d)，成為中國第一口陸相頁巖氣井。在長7段頁巖的勘探開發過程中，針對陸相頁巖氣成因類型、賦存機制、保存過程等方面的地質認識取得了一系列的進展，但在頁巖氣地質特征、成藏機理及地質評價等方面仍存在許多亟待解決的問題。

1　已取得的主要地質認識

1．1　陸相頁巖氣成因類型多樣

延長探區長7段頁巖埋深變化大(500～1800m)、構造演化歷史和熱作用歷史存在差異，其現今的熱成熟度變化亦較大。長7段頁巖的鏡質體反射率變化范圍為0.25％～l.50％，基本上涵蓋了生物作用生甲烷氣、熱降解作用生油氣和高溫熱裂解生氣3個生烴階段，但以熱降解作用階段為主(圖1)。因此，從成因類型上看，長7段頁巖氣包括生物作用成因、熱降解成因和高溫熱裂解成因3種類型。

 

天然氣碳同位素組成主要受烴源巖母質類型、熱演化程度、氣體運移及混源狀態的影響^[1-2]。對自生白儲的頁巖氣而言，在母質類型相同的情況下(延長探區以混合型為主)，熱演化程度控制了天然氣碳同位素的組成。因此，隨著熱演化程度的增大，頁巖氣中的甲烷碳同位素會逐漸富集。長7段頁巖的甲烷碳同位素值介于-46‰～-53％‰o，整體偏輕。這一方面是由于生物作用成因和熱降解成因氣的比重較大；另一方面，頁巖氣的“自生自儲”性質決定了其賦存的氣體必然是各個熱成因階段氣體的混合體，由此導致進入高成熟階段頁巖的氣體同樣具有較輕的碳同位素組成。

1．2　地球化學參數綜合決定含氣量

與常規天然氣類似，要構成一定的儲量規模，頁巖氣必須具備充足的氣源條件，但這并不意味著其氣源條件狹窄，對地質、地球化學等指標仍有定量上的要求。在頁巖規模確定的前提下，含氣量的大小是決定探區是否具有商業開采價值的關鍵。含氣量的大小一方面受控于儲集空間的發育程度，另一方面受控于烴源巖的生氣能力，而最終決定頁巖生氣能力的是有機質的豐度、類型和成熟度。有機質的豐度、類型和成熟度在一定程度上具有生氣互補性，例如腐泥型母質在熱演化程度較低時也可以生氣，而腐殖型母質在高演化程度下才可能生成同等的氣量^[3]。同理，含氣量的大小是各種地球化學參數指標綜合作用的結果。延長探區內1井與2井具有相同的母質類型(以混合型為主)，但l井的有機碳含量為2.2％，鏡質體反射率為0.88％，孔隙度為0.25％；而2井的有機碳含量為3.9％，鏡質體反射率為1.0l％，孔隙度為0.11％，孔隙度極小。然而，2口井頁巖的含氣量卻大致相當(均接近3.5m³／t)。由此可見，地球化學指標上的差異并不代表頁巖整體含氣性的差異，當某個地球化學指標條件差時，若其他指標較好仍可能具有可觀的含氣量。因此，在進行頁巖氣地質評價時，不能采用單一的地球化學指標來進行判別。

1．3　砂質紋層對改善儲集物性具有重大貢獻

當前，多數學者致力于純頁巖儲層尤其是納米孔隙的研究^[4-6]，而就純頁巖對頁巖氣賦存空間的貢獻存在爭議^[7-8]。通過對探區內幾十口頁巖氣開發井的統計可以發現，砂質紋層對改善頁巖的儲集性能有重大貢獻，探區內所有的頁巖氣高產井都發育砂質紋層。

砂質紋層廣泛發育原生粒間孔和次生溶蝕孔。原生粒間孔主要是碎屑顆粒粒間孔與黏土礦物粒間孔。碎屑顆粒粒間孔在砂質紋層中極為常見，該類孔隙的孔隙形態多呈不規則的多邊形，直徑以微米級至幾十微米為主(大孔級)(圖2-a、2-b)。黏土礦物粒間孔是黏土礦物(主要是伊利石與綠泥石)圄成的孔隙空間，掃描電鏡下常見長軸形和等軸形2種形態(圖2-c、2-d)。長軸形由于壓實的影響而呈“縫”狀，其孔徑大小可達數十納米(中孔級)，一般沿黏土礦物層理呈定向分布；等軸形是黏土礦物顆粒在強水動力環境堆積而成的粒間孔，或者是黏土絮凝物在靜水環境殘留下來的殘余孔(一般為大孔級)，分布較雜亂。次生溶蝕孔一般發育在長石及碎屑顆粒的粒間填隙物內(圖2-c、2-f)，包括粒間孔、粒內孔和鑄模孔，以粒間孔為主。粒間孔形態各異，常見港灣狀溶蝕邊緣，直徑以數十至數百納米為主(中孔級)；粒內孔多納米級(小孔級)；鑄模孔包括顆粒間易溶物鑄模和顆粒鑄模，孔徑變化較大。砂質紋層還發育構造裂縫，裂縫面比較粗糙，以高角度縫為主，產狀不穩定(圖2-g、2-h)。

 

1．4　頁巖氣賦存形式多樣

在泥頁巖及砂質紋層的孔隙及裂縫中，頁巖氣存在3種賦存狀態，即吸附態、溶解態(包括油溶態和水溶態)及游離態^[4-6]。吸附態頁巖氣主要吸附在黏土礦物顆粒、有機質顆粒、干酪根顆粒及其孔隙表面；溶解態頁巖氣主要溶解于液態石油、殘留水、干酪根以及瀝青質中；游離態則主要賦存在孔隙和裂隙之中。盡管Antrim頁巖產出的部分頁巖氣中，研究者認為超過70％的頁巖氣是溶解氣(由有機質及黏土析出) ^[9]，但絕大多數地區，以溶解態賦存的頁巖氣氣量很少，尤其是陸相頁巖極少有針對溶解態頁巖氣的研究。吸附態氣體的存在已經通過吸附實驗得到了廣泛證實^[10-11]，部分學者甚至認為，吸附態頁巖氣的含量可占頁巖氣總量的40％～85％^[12]。通過吸附實驗可知，l井在原始地層狀態下的吸附氣量為2.2m³／t(圖3，頁巖目的層溫度大約為50℃，壓力大約為8MPa)。受頁巖儲集空間的發育程度、吸附氣體能力及生氣能力等條件的影響，在不同的埋深，頁巖的含氣量存在差異。l井最小含氣量小于1m³／t，最大含氣量大于4m³／t。在1389.81～l498.65m深度段，有4段頁巖的含氣量都大于其在原始地層狀態下的吸附氣量(圖4)。頁巖的實際含氣量大于其實驗條件下的吸附氣量，這充分說明頁巖中存在游離氣。

 

 

1．5　頁巖氣賦存也需要“蓋層條件”

頁巖不但是頁巖氣的烴源巖和儲層，超低的孔滲性還使得頁巖可成為頁巖氣的蓋層^[13-14]。但這并非表明頁巖氣的賦存對蓋層條件沒有嚴格要求。在孔滲條件較優越地區，蓋層條件可能是需要上覆蓋層。例如美國的Barnett頁巖其上覆“蓋層”為石灰巖^[10]。對于孑L滲條件差但裂縫發育的地區，蓋層條件則是裂縫需要被充填。以長7段頁巖為例，部分頁巖裂縫極其發育，但裂縫并沒有破壞其含氣性，原因在于一些裂縫被高度充填，阻止了氣體的二次運移。長7段頁巖的裂縫膠結物包括方解石膠結物(正交光下顯示高級干涉色，圖5-a、5-b)和硅質膠結物(正交光下顯示一級灰干涉色，圖5-c、5-d)。被嵌晶連晶方解石或硅質膠結物充填的裂縫較致密、結晶較大、晶形完整，膠結礦物主要為碳酸鹽類，以方解石為主，局部見菱鐵礦，可見自生黏土礦物充填晶間縫(圖5-e、5-f)。被泥晶方解石和黏土礦物充填的裂縫較疏松，膠結物中發育晶間孔孔隙，泥晶方解石膠結物大小介于5～10mm，自生黏土礦物晶體大小介于l～2mm(圖5-g、5-h)。

 

1．6　頁巖氣的賦存存在先后順序

地質條件下，烴源巖生成的烴類先滿足自身的吸附、溶解等殘留需要后，才能以游離方式存在^[15-20]。結合地質演化過程可以判斷，在熱演化初期，埋藏較淺，此時只有少量油氣生成，液態油會賦存于頁巖孔縫中，而氣體會“就近”吸附于有機質表面及微孔中。結合長7段頁巖的勘探實際情況，很大一部分頁巖僅處于低成熟  未成熟階段(R。＜0.8％)，其頁巖氣含量仍能達到l業氣流(1m³／t)標準，主要原因就是頁巖的吸附作用使得生成的氣體得以最大限度地保存。

隨著熱演化程度增大，油氣大量生成，液態油會賦存于頁巖孔縫中，而氣體則繼續進行吸附作用。在該過程中，頁巖優先吸附重烴氣體和含¹³C的甲烷分子。隨著生氣量的不斷增加，當生成氣體大于有機質干酪根表面和微孔的吸附能力時，部分含¹²C的甲烷分子會通過擴散作用吸附在有機質鄰近的黏土礦物顆粒表面。這可以通過解吸實驗來證明，在解吸過程中，甲烷碳同位素組成不斷變重，乙烷、丙烷和丁烷碳同位素組成變化較小，這說明，頁巖對含¹³C的甲烷分子具有更強的吸附能力(與煤層氣類似)，頁巖對重烴氣的吸附能力與其是否含¹³C無關。

當氣體滿足頁巖的吸附需要后，多余氣體會溶解于水和液態油中。當水和液態油達到飽和后，多余氣體以游離態賦存^[21]。在高溫熱解階段，頁巖新生成的氣體與液態油的裂解氣主要以游離態賦存。在熱演化過程中，隨溫度、壓力和礦化度的改變，頁巖的吸附(氣)能力、油水的溶解(氣)能力都會發生變化。因此，在頁巖的初次運移過程中，以游離態、吸附態和溶解態存在的氣體量還會發生動態變化。

2　亟待解決的問題

2．1　地質特征、成藏機理方面

2．1．1對頁巖生油氣機理的認識

延長探區長7段是重要的烴源巖層段。早在20年前，長7段頁巖就被發現是優質的頁巖油層段，頁巖油一直被開發，氣體被認為是伴生氣而或采或排空。長7段烴源巖的有機質類型以混合型為主，與美國Barnett、Woodford及Fayetteville頁巖比較而言，其熱演化程度相對較低^[10，21]。但是，現有研究表明，長7段頁巖中的氣體并非是伴生氣。在研究區內，部分地區的頁巖只生油，部分地區的頁巖只生氣，部分地區的頁巖既生油又生氣，頁巖的生油氣機理是什么目前尚不清楚，決定頁巖生油、生氣的主控因素是頁巖中部分母質化學組分的差異還是頁巖在成巖過程中的物理性質變化?或是頁巖中化學組分的催化作用?對這一系列問題，目前尚不能得到有效解決。

2．1．2對儲層賦存空間的認識

頁巖儲集空間包括各類原生及次生的孔隙或裂縫(包括有機質生烴孔)。近年來，研究者發現了大量納米孔隙^[5，22-25]。目前對微觀的納米孔隙成因的認識比  較多樣，但普遍認為是物理、化學綜合作用的結果，其  對改善頁巖的儲集性能具有重大作用。根據延長探區的勘探開發實際情況來看，發現很大一部分納米孔隙在三維上并非是連通的，而且分布局限。因此，頁巖賦存空間以何種類型為主尚不能確定，是宏觀孔縫還是微觀孔縫控制了頁巖的賦存空間能力尚不得而知。對賦存空間能力的認識是正確認識“甜點”的關鍵，這對優選勘探靶區至關重要，只有具備良好的賦存空間，頁巖才可能獲得較高的工業產能。

2．1．3對頁巖氣賦存狀態的認識

美國學者對北美各頁巖氣盆地進行了深入研究，最終認為頁巖氣存在多種賦存相態，包括吸附態、游離態以及溶解態，以吸附態和游離態為主^[26]，如Ohio頁巖和Lewis頁巖以吸附氣為主，吸附氣含量可分別占50％～70％和60％～85％^[12,27-28]；Scott認為Barnett頁巖中，以吸附狀態存在的頁巖氣占頁巖氣總量的20％～85％^[29]。但上述研究中，對吸附氣的判斷都是基于巖心的等溫吸附實驗得到的，該類實驗沿用煤層氣的實驗儀器、測試方法和理論模型^[29-31]，而在勘探實際中，要準確區分吸附態與游離態十分困難。首先，當鉆井鉆至頁巖時，盡管有鉆井液填滿井筒，頁巖的溫壓系統已經被破壞，溫壓條件的變化導致部分游離氣的散失和吸附氣的解吸；其次，在巖心上返至地面的過程中，溫壓條件的再次變化同樣會導致游離氣的散失和吸附氣的解吸。無論是頁巖中的封閉孔縫空間還是連通孔縫空間，其中都可能同時存在吸附氣和游離氣，而實驗條件下，很難精確定量封閉孔縫空間和連通封閉孔縫空間，因此無法對其中的吸附氣和游離氣進行精確定量，最終無法判斷某一特定地區吸附氣和游離氣各自的比例。

2．1．4對溫度、壓力系統的認識

頁巖氣藏為一個近封閉的獨立系統，除少量氣體以滲濾、擴散等形式散失外，大部分氣體賦存在頁巖內部，因此頁巖氣藏大多具有異常壓力，壓力越大則頁巖吸附氣體的能力越強”]。從烴源巖的熱演化過程上看，在較淺埋深(熱演化程度低)時，頁巖以生物氣為主，生氣量往往小于其上下泥巖的生氣量，此時可形成異常低壓；在較大埋深時(熱演化程度較高)，頁巖以生成熱解氣為主，生氣量較大，氣體膨脹可形成異常高壓。盡管頁巖氣藏的高壓與低壓并非絕對，如埋深較大時，頁巖的上覆或下伏地層其液態烴熱解成氣會導致壓力升高，頁巖氣藏則表現為異常低壓；頁巖氣藏發生構造沉降或抬升時，氣藏壓力滯留，也可能形成異常高(低)壓力。但是，無論哪種作用機制都很難解釋頁巖層壓力小于靜水壓力。而延長探區長7段頁巖地層壓力普遍小于靜水壓力(地層壓力系數小于l)。

頁巖對氣體的吸附能7力隨溫度的升高而增大，當溫度升高到一定程度時，其吸附／能力就會降低，Daniel等學者認為該溫度界限是130℃^[33]。而延長探區經歷了多期構造活動，長7段頁巖受多期熱作用，整體上呈溫度冷熱交替的過程，該過程對氣體賦存作用的影響尚不明確。

2．2　地質評價方面

2．2．1頁巖氣定義對資源結構的影響

目前，國內將頁巖氣定義為：主體上以吸附或游離狀態存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質巖類夾層中的天然氣^[34]。國內提出的頁巖氣的開發標準中，泥頁巖厚度占層段厚度的比例不小于80％，各類夾層(如砂巖、碳酸鹽巖、硅質巖等)的單層厚度不超過2m^[34]。而在實際勘探過程中發現，頁巖大量發育單層厚度超過2m的砂巖夾層，較厚的砂質夾層發育也是陸相頁巖沉積的典型特點。從地質條件上分析，該類砂巖夾層位于泥巖內部，生成氣體優先賦存其中，周圍的頁巖又為其提供了良好的封閉條件。因此砂巖夾層是理想的頁巖氣聚集場所。但按照頁巖氣開發標準，這部分夾層卻不能加以開發。同時，由于該類夾層的厚度及橫向延伸規模普遍不大，資源前景有限，也不足以按照常規天然氣進行商業開發。由此導致該部分資源被排除在勘探開發序列之外，既不屬于常規天然氣，也不能定義為頁巖氣資源，難以得到有效利用。

2．2．2資源評價中關鍵參數的取值

與常規天然氣相比，準確選取頁巖氣資源評價中的關鍵參數更加困難。正如前文所述，在鉆井過程和取心過程中，隨溫度、壓力條件的改變，游離氣會散失、部分吸附氣會解吸，由此導致無法準確獲得頁巖的含氣量。此外，頁巖普遍比較致密、物性較差，其測井解釋結果的可信度較差，而大量取心又會增加成本。因此，準確獲得頁巖氣層的有效厚度存在困難。而在資源評價過程中，關鍵參數的選取對資源量的計算結果甚至具有數量級的影響。

2．2．3勘探靶區的優選

當前，陸相頁巖氣儲層預測、儲層裂縫的識別與預測、有效氣層的判斷基本上還處于探索階段，技術尚不成熟完善，缺乏定量標準和行之有效的手段。目前，國外多采用井震技術來預測“甜點”，確定勘探靶區，但鄂爾多斯盆地地表普遍被黃土覆蓋，采集到高品質地震資料的難度較大，目前尚不能有效依賴地震資料，導致“甜點”無法準確預測，靶區優選存在困難。

3　結論

1)陸相頁巖氣地質研究進展為：成因類型多樣，地球化學參數綜合決定含氣量，砂質紋層對改善儲集物性具有重大貢獻，頁巖氣的賦存形式多樣，頁巖氣的賦存需要“蓋層條件”，頁巖氣的賦存存在先后順序。

2)陸相頁巖氣面臨的地質問題為：對生油氣機理的認識，對儲層賦存空間的認識，對頁巖氣賦存狀態的定量認識，溫壓系統的演變對地層壓力、氣體賦存作用的影響，頁巖氣定義對資源結構的影響，資源評價中關鍵參數的取值，勘探靶區優選等。

 

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本文作者：姜呈馥　程玉群　范柏江　高勝利

作者單位：陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院

  陜西省頁巖氣勘探開發工程技術研究中心