我國富含有機質泥頁巖發育特點與頁巖氣戰略選區

摘 要

摘要：我國頁巖氣勘探才剛剛起步，目前研究主要集中在頁巖氣成藏條件和有利區評價方面。頁巖氣有利區優選還處于富含有機質泥頁巖優選階段，優選出的主要是頁巖氣發育遠景區。受復
摘要：我國頁巖氣勘探才剛剛起步，目前研究主要集中在頁巖氣成藏條件和有利區評價方面。頁巖氣有利區優選還處于富含有機質泥頁巖優選階段，優選出的主要是頁巖氣發育遠景區。受復雜地質背景和多階段演化過程的影響，我國含油氣盆地類型多、盆地結構復雜，盆地的不同演化規律直接控制著富含有機質泥頁巖的發育與分布。為此，依據形成環境將富含有機質泥頁巖劃分為海相厚層富含有機質泥頁巖、海陸交互相及陸相煤系地層富含有機質泥頁巖、湖相富含有機質泥頁巖這3種類型，并分別探討了其頁巖氣勘探開發前景。結論認為：①海相厚層富含有機質頁巖是我國近期頁巖氣勘探的首選；②海陸交互相及陸相煤系地層富含有機質泥頁巖單層厚度較薄，但與致密砂巖氣和煤層氣有共生條件，發展頁巖氣與致密砂巖氣等多類型天然氣資源多層合采技術具有十分現實的意義；③湖相富含有機質泥頁巖成巖程度普遍不高，需要進一步優選巖石強度較大、具備裸眼完井條件的層位進行勘探開發。
關鍵詞：中國；頁巖氣；泥頁巖；富集區；海相；海陸交互相；陸相煤系；湖相
    目前，不同的研究者對頁巖氣的界定有著一定的差別。張金川等將頁巖氣定義為：“主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣，在頁巖氣藏中，天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖甚至砂巖地層中，為天然氣生成之后在源巖層內就近聚集的結果，表現為典型的‘原地’成藏模式”[1]。筆者認為，這種界定方式突出了生成并保存天然氣的富含有機質泥頁巖層系，而不是限定在某一單純的富含有機質泥頁巖層，與國際上對頁巖氣的界定相似，同時也有利于頁巖氣的勘探實施。
1 我國頁巖氣勘探與研究現狀
    我國在頁巖氣勘探方面才剛剛起步。2008年11月，中國石油天然氣股份有限公司在四川盆地長寧構造實施了一口深度為200m的頁巖取心井——長芯1井，獲取了志留系頁巖巖心樣品[2]。2009年，國土資源部油氣資源戰略研究中心啟動了“我國重點地區頁巖氣資源潛力及有利區優選研究”項目。該項目2009年的重點集中在四川盆地和上揚子東部地區，中石油和中國地質大學(北京)等有關單位也參與了該項目的研究。通過近一年的工作，研究取得了積極進展，但到目前為止，我國還沒有一口頁巖氣產氣井。
    我國頁巖氣研究目前主要集中在頁巖氣聚集條件和有利區評價方面，其中大中型含油氣盆地的研究程度較高[3～6]。由于直接的頁巖氣井筒資料較少，故目前的多數研究仍不得不借用常規油氣勘探資料數據、煤層氣和固體礦產勘探資料數據，頁巖樣品也主要采自地表和近地表；由于缺少第一手資料，通過借鑒美國等國外資料開展類比研究的也較多[7～8]。
    在頁巖氣成藏條件研究方面，對頁巖本身特點(如厚度、礦物組成、孔隙度、滲透率、裂縫發育程度等)、頁巖成烴能力(如有機質類型及含量、成熟度等)、頁巖聚烴能力(如吸附能力及影響因素等)開展了實驗和類比研究。
    在有利區優選方面，目前多數研究者主要依據頁巖層厚度、埋深、總有機碳含量(TOC)和熱演化程度(Ro)來優選的有利區，部分研究者獲取了等溫吸附能力參數，豐富了有利目標區優選參數，但含氣量等直接參數尚不具備。從這一點看，我國頁巖氣有利區優選還處于富含有機質泥頁巖優選階段，優選出的主要是頁巖氣發育遠景區，主體還沒有進入頁巖氣富集有利區優選階段。因此，充分利用以往地質資料，通過少量關鍵參數，優選具備形成頁巖氣富集條件的富含有機質泥頁巖發育區作為頁巖氣勘探有利目標區，為進一步開展頁巖氣勘探提供依據，是我國開展頁巖氣勘探開發必定要經過的一個起步階段。
2 我國富含有機質泥頁巖發育特點
    受復雜地質背景和多階段演化過程的影響，我國含油氣盆地類型多、盆地結構復雜。在早三疊世及古生代，我國發育有華北、揚子和華南、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。經過中新生代改造后，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一部分克拉通盆地。中生代以來，陸相盆地廣泛發育。其中部分陸相盆地疊置在克拉通盆地之上，部分盆地發育在古生代褶皺帶之上。盆地的不同演化規律直接控制著富含有機質泥頁巖的發育與分布。依照形成環境，可將富含有機質泥頁巖化分為海相厚層富含有機質泥頁巖、海陸交互相及陸相煤系地層富含有機質泥頁巖、陸相富含有機質泥頁巖這3種類型。
2.1 海相厚層富含有機質泥頁巖
我國海相富含有機質泥頁巖主要發育于下古生界的下寒武統、下志留統-上奧陶統頂部，以揚子克拉通地區最為典型(圖1)。
 
    下寒武統海相富含有機質泥頁巖在中上揚子區發育較好，有機質類型為腐泥型-混合型。從區域沉積環境看，川東-鄂西、川南及湘黔(熱水)3個深水陸棚區下寒武統海相富含有機質泥頁巖最發育，TOC平均高達8%左右[9]。從盆地看，四川盆地下寒武統泥頁巖平均厚度為139m，總有機碳含量在0.5%～4.0%之間，多超過1%，有機質類型為腐泥型，Ro介于2.0%～5.0%，盆地南部埋藏較淺。麻陽盆地、洞庭盆地泥頁巖總有機碳含量多數大于1%，有機質類型為腐泥型，凹陷區Ro多超過3%，凸起區局部有熱演化程度相對較低的地區(Ro＜1%)。下寒武統海相富含有機質泥頁巖的熱演化程度普遍較高，僅在上揚子南部和北部、鄂西和下揚子中部地區Ro＜3.0%，其他地區下寒武統海相富含有機質泥頁巖普遍Ro＞3.0%，頁巖氣的勘探前景不大。
    下志留統海相富含有機質泥頁巖主要分布在川東南、川東北、鄂西渝東、中揚子、下揚子等區，以硅質巖、頁巖、碳質頁巖為主，有機質類型為腐泥型，Ro介于2.0%～4.5%，厚度為20～100m。其中渝東鄂西地區熱演化程度較低，是頁巖氣勘探較有利的地區之一。
    我國南方地區下寒武統和下志留統富含有機質泥頁巖在單層厚度和有機質含量上，總體均達到了形成頁巖氣藏的基本條件，而埋深和熱演化程度則成為關乎其能否作為頁巖氣勘探靶區的主要因素。
2.2 海陸交直相及陸相煤系地層富含有機質泥頁巖
    晚古生代克拉通海陸交互相及陸相煤系地層富含有機質泥頁巖在華北、華南地區和準噶爾盆地分布廣泛。中新生代陸相煤系地層富含有機質泥頁巖主要在兩類盆地發育：一是大型坳陷，如鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地侏羅系、四川盆地上三疊統；二是斷陷，如我國東北地區含煤盆地中的斷陷。
    華北地區海陸交互相富含有機質泥頁巖單層厚度不大，多數與煤層交互出現。總有機碳含量受沉積相影響，變化較大，一般介于0.5%～10%，其中沼澤相碳質頁巖總有機碳含量普遍較高。這類泥頁巖的有機質類型主要為混合型-腐殖型，Ro多數介于0.5%～2.5%，部分超過3.0%。
    華南地區海陸交互相富含有機質泥頁巖有單獨發育以及與煤層交互發育2種類型。滇黔桂地區上二疊統龍潭組深灰色頁巖厚度一般為20～60m，局部較厚。四川盆地上二疊統泥頁巖厚度為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；暗色泥頁巖總有機碳含量變化介于0.5%～12.55%，平均為2.91%，多分布在3%～5%；其中瀘州地區及自貢-資陽一帶總有機碳含量較低(小于3%)，有機質類型以腐殖型為主，但有機質相對富氫。
    準噶爾盆地石炭系滴水泉組富含有機質泥頁巖包括暗色泥巖和碳質泥巖，累計厚度為0～249m，前者有機碳含量平均為1.45%；后者有機碳含量平均為15.53%，有機質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、煤和碳質泥巖互層分布的特點突出，暗色泥巖總有機碳含量多數超過1.0%，碳質頁巖多數超過10.0%，單層厚度普遍不大，但累計厚度較大，Ro多在1.3%以下[11～12]。
總體上，我國上古生界海陸交互相富含有機質泥頁巖除上揚子及滇黔桂地區單層厚度較大且具有頁巖氣單獨勘探開發的條件外，多數地區發育的海陸交互相及陸相煤系地層富含有機質泥頁巖單層厚度都不大，不利于頁巖氣的單層獨立開發。中新生代陸相煤系富含有機質泥頁巖一般單層厚度雖然也不大，但其總有機碳含量較高、演化程度一般在過成熟早期以下，有利于成氣且泥頁巖層多與煤層、致密砂巖層互層，易形成頁巖氣、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)。這是我國煤系地層普遍存在的天然氣聚集特點。因此，進一步深入研究頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣等多種類型天然氣共生特點和疊置成藏規律，開展多種共生天然氣資源勘查，探索其經濟有效的多層合采開發技術，是這類天然氣資源有效開發利用的一個新課題。
 
2.3 湖相富含有機質泥頁巖
    我國準噶爾盆地等二疊紀坳陷，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質泥頁巖。這些富含有機質泥頁巖構成了上述盆地的主力烴源巖。
    準噶爾盆地二疊系蘆草溝組地層上段以灰黑色頁巖、頁巖油為主夾瀝青質頁巖，累計厚度超過200m，總有機碳含量為4.85%～10.02%，有機質類型為偏腐泥混合型，Ro介于0.54%～0.91%；二疊系為華南地區上古生界海陸交互相沉積特征(滇東地區)紅雁池組、平地泉組也發育有較好的富含有機質暗色泥頁巖[13]。
    松遼盆地主要發育嫩江組和青山口組兩套富含有機質泥頁巖。其中，嫩江組一段為一套黑色泥頁巖，全盆地穩定分布，在中央坳陷區的厚度超過100m，平均總有機碳含量高達2.40%，有機質以偏腐泥混合型和偏腐殖混合型為主。嫩二段暗色泥頁巖分布范圍比嫩一段更廣，發育更加穩定，平均厚度在150m左右，平均總有機碳含量為1.56%。青山口組一段在中央坳陷區幾乎全部為暗色泥頁巖，厚度為60～80m，平均總有機碳含量為2.2%，但有機質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。
    鄂爾多斯盆地延長組長4+5-長8段主要為湖相沉積，富含有機質的暗色泥頁巖發育。長8、長6段暗色泥頁巖有機質豐度在富縣-葫蘆河地區較高，總有機碳含量分別為3.5%和3.75%，長7段暗色泥頁巖有機質豐度以華池、吳旗地區為最高，其中華池地區總有機碳含量達5.81%；Ro主要介于0.73%～1.06%，普遍達成熟階段。
    總體上，湖相富含有機質泥頁巖的熱演化程度普遍不高，多數還處于生油窗內，部分泥頁巖的巖石硬度小，其中的黏土礦物遇水膨脹現象明顯，經常導致套損。這對于頁巖氣勘探開發較為不利。
3 我國頁巖氣勘探戰略選區思考
    戰略選區是頁巖氣勘探開發前的基礎性、前瞻性工作，面對的是新領域、第一手資料缺乏等困難。因此，優選頁巖氣遠景區時，主要考慮以下幾方面：頁巖地質特征、頁巖氣資源前景和頁巖氣開發可行性。
3.1 從頁巖地質特征來考慮
    1) 海相厚層頁巖的單層厚度大，有機質豐度高，有利于形成頁巖氣聚集，頁巖的強度普遍較大，有利于井眼穩定；加之裂縫較發育，有利于頁巖氣開發。但部分頁巖熱演化程度高，Ro已經超過3.0%，生氣高峰已過；部分頁巖埋深較大，超過3000m。這兩方面的不利因素使其頁巖氣勘探有利區范圍明顯縮小。
    2) 海陸交互相及陸相煤系富含有機質泥頁巖有機質豐度高，熱演化程度普遍不高，Ro多在3.0%以下，多數處于生氣高峰。但單層厚度普遍不大，單獨開發的經濟性存在疑問。由于其多與煤層和致密砂巖層互層產出，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，那么發展不同類型天然氣資源多層合采技術也是海陸交互相及陸相煤系地層頁巖氣開發的一種可行方式。
    3) 湖相富含有機質泥頁巖中，高有機質豐度的中厚層泥頁巖普遍發育，但多數成巖程度不高，井眼易于變形，不利于水平井開發技術的廣泛應用。
3.2 從頁巖氣資源前景和頁巖氣開發可行性來考慮
    考慮我國不同類型富含有機質泥頁巖的具體特點，結合國外頁巖氣開發的成功經驗，筆者認為：我國頁巖氣起步階段首先要考慮海相厚層頁巖中那些總有機碳含量大于1.40%，Ro介于1.0%～2.5%之間，埋深介于200～3000m之間，厚度大于30m的富含有機質頁巖發育區；其次考慮海陸交互相富含有機質泥頁巖與致密砂巖和煤層在層位上的緊密共生區，但同時要研發不同類型天然氣資源多層合采技術；對于湖相富含有機質泥頁巖，重點考慮硅質成分高、巖石強度大、有利于井眼穩定的層系。
    按以上原則對頁巖氣遠景區進行評價后認為：曾被廣泛看好的四川I盆地大部分地區的下寒武和下志留統海相厚層富含有機質泥頁巖，由于其埋深較大且有機質熱演化程度較高，并不利于頁巖氣的勘探開發，僅川南地區較為有利；渝東鄂西、滇黔桂和川北地區下寒武統、下志留統和上二疊統富含有機質泥頁巖，Ro普遍小于3.0%，但由于構造改造，儲層或部分出露地表或部分深埋，其中埋深介于500～3000m的條帶狀頁巖儲層為勘探有利區。
    海陸交互相及陸相煤系地層的富含有機質泥頁巖因單層厚度薄，多數不具備單獨開發的條件。但我國海陸交互相及陸相煤系地層發育廣泛，泥頁巖層與煤層氣特別是致密砂巖氣疊置共生。因此，發展頁巖氣與致密砂巖氣等多種類型天然氣資源多層合采技術具有十分現實的意義。沁水盆地、鄂爾多斯盆地河東地區、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展多種類型天然氣資源多層合采的研究試驗區。
    湖相富含有機質泥頁巖發育區的頁巖氣有利區優選首先應考慮的是巖石強度指標。準噶爾盆地埋深在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質泥頁巖發育區是該類頁巖氣勘探的首選目標區。
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(本文作者：李玉喜1 聶海寬2 龍鵬宇2 國土資源部油氣資源戰略研究中心；2.中國地質大學 北京)