我國頁巖氣富集類型及資源特點

摘 要

摘要：根據頁巖氣聚集的機理條件和中、美頁巖氣地質條件的相似性對比結果認為：中國頁巖氣富集地質條件優越，具有與美國大致相同的頁巖氣資源前景及開發潛力。中國含氣頁巖具有高
摘要：根據頁巖氣聚集的機理條件和中、美頁巖氣地質條件的相似性對比結果認為：中國頁巖氣富集地質條件優越，具有與美國大致相同的頁巖氣資源前景及開發潛力。中國含氣頁巖具有高有機質豐度、高有機質熱演化程度及高后期改造程度等“三高”特點，頁巖氣具有海陸相共存、沉積分區控制以及分布多樣復雜等特點。以間接型和直接型頁巖氣劃分方法為基礎并結合中國區域地質特點，將中國的頁巖氣富集模式劃分為南方型、北方型及西北型等3種，分別具有以下特點：①以揚子地臺為核心的南方型頁巖氣聚集條件有利并以改造較為嚴重的海相古生界海相頁巖聚氣為主，具有單層厚度大、發育層位多、分布面積廣、熱演化程度高、后期改造強等特點；②以華北地臺為主體的北方型頁巖氣具有古-中-新生界頁巖發育齊全、沉積遷移特征明顯、薄互層變化頻率高、沉積相帶分隔明顯等特點；③以塔里木地臺為基礎的西北型頁巖氣儲層以中-古生界為主，沉積類型多、有機碳豐度高、有機質熱演化程度相對較低。結論認為：中國頁巖氣可采資源量約為26×1012m3，大致與美國的28×1012m3相當。
關鍵詞：中國；頁巖氣；資源評價；分區特點；富集模式；開發潛力；華北地臺；揚子地臺；塔里木地臺
    作為源巖排烴殘余的主要產物，頁巖氣的存在具有廣泛意義。頁巖氣是美國大規模經濟性勘探開發的三大非常規天然氣類型(根緣氣、頁巖氣、煤層氣)之一，近年來得到了空前的發展，其頁巖氣年產量相當于目前我國各類天然氣年產量的總和。作為非常規油氣資源的一種[1]，頁巖氣聚集機理特殊，富集條件多樣，它使得一大批不曾具備常規油氣成藏條件的泥頁巖重新變得具有直接勘探意義。高含有機碳泥頁巖在中國廣泛分布，頁巖氣也因此成為值得高度重視且具有廣泛而重要勘探開發意義的非常規油氣資源類型。
1 泥頁巖發育和頁巖氣富集類型
根據沉積環境條件和特點，含氣頁巖可分為海相和陸相兩種端元類型：①海相黑色頁巖主要形成于沉積速率較快、地質條件較為封閉、有機質供給豐富的臺地或陸棚環境中。以揚子、華北、塔里木等板塊為中心[2]，中國古生代時期形成了分布廣泛、厚度巨大且以腐泥型、混合型干酪根為主的黑色頁巖層系[3～5]。在揚子地區，從震旦紀到中三疊世連續發育了多次大規模的海相沉積，最大地層累計厚度超過10km，分布面積超過200×104km2[6]，形成了以下寒武統、上奧陶統-下志留統、下二疊統、上二疊統等為代表的8套黑色頁巖[7～8]。②陸相暗色泥頁巖主要形成于湖泊沉積環境中，主要表現為與海相頁巖相似的水進體系域沉積背景。雖然平面分布受限于分隔性較強的陸相環境，但泥頁巖累計厚度大(50～2000m)、總有機碳含量高(局部平均值大于4%)，總有機質成熟度變化大，是我國有待發現頁巖氣的又一重要領域。在吐哈盆地，中、下侏羅統地層中的湖相泥頁巖以腐殖型干酪根為主，砂泥巖互層變化頻率較快，形成了八道灣、西山窯組等多套中生界泥頁巖；在渤海灣盆地，有機質豐富的始新世湖相泥頁巖與砂巖交替變化頻率更快，泥頁巖的薄互層狀展布特點更具特色。海、陸相兩種典型類型的泥頁巖發育及頁巖氣富集特點共同構建了中國頁巖氣的資源特點——直接型(干酪根直接生成天然氣)和間接型(原油裂解氣)頁巖氣的同時存在(表1)，海陸過渡相頁巖則進一步豐富了中國的頁巖氣類型。
 
    古生代結束以來，全球性的區域板塊運動導致亞洲大陸發生碰撞作用并經受了強烈的擠壓作用[9～10]，在各板塊拼合并導致海水區域性退出的同時，使得古生界海相頁巖地層經受了強烈改造、擠壓變形或隆升剝蝕，在揚子地區普遍形成了大面積暴露及近地表埋藏的古生界頁巖。而在構造相對穩定的華北、塔里木等地臺區，構造保存條件相對較好，目前仍有埋深不等的多套較大厚度的海相頁巖地層分布。不同有機質條件、埋藏深度和產烴能力的黑色頁巖分別可能成為其他層位油氣富集的烴源巖、可能具有原地“成藏”特點[11～12]頁巖氣的物質基礎或者兩種可能；進入中生代，陸相沉積逐漸成為主體，主要在中國北方地區形成了區域分布的三疊系(如鄂爾多斯盆地等，也包括川西[13～15])、侏羅系(如準噶爾[16]、吐哈等盆地)及白堊系(如松遼[17]、海拉爾等盆地)湖相暗色泥頁巖。雖然新生代的差異性構造運動導致了部分地層的裸露剝蝕，但目前仍有大規模的殘留保存和區域分布，結果導致產生了不同地質時代、埋藏深度和熱演化程度泥頁巖的同時發育。對于抬升幅度較大、保存條件較差的富含有機質泥頁巖，雖然它們已不再適合作為常規天然氣圈閉的源巖基礎，但仍有可能是頁巖氣資源富集的潛在目標；與古生界和中生界泥頁巖的多期作用特點不同，新生界泥頁巖主要發育在保存條件較好的盆地區域內[18]。由于其他層系天然氣的聚集需要首先滿足其自身對天然氣聚集的需要，故常規油氣地質分析中的氣源巖(泥頁巖)將有可能同時成為頁巖氣勘探的新對象。
中國與美國在頁巖氣富集條件上具有許多相似之處，美國頁巖氣大規模的成功開發為中國的頁巖氣勘探研究提供了參考模式。在美國，圍繞加拿大地盾南緣形成了廣泛的古生界海相沉積，后期的改造和演化形成了現今呈弧形展布的一系列盆地；在中國，塔里木、華北和揚子地臺及其周緣廣泛發育了不同地質時代的多套黑色頁巖，其頁巖氣形成條件完全可與北美相媲美(表2)。以美國東部與中國南方為例，兩者分別在頁巖發育時代、地層沉積格局、有機質熱演化程度、后期構造演化、破壞程度與保存條件、頁巖含氣性以及頁巖氣聚集模式等方面具有可比之處。從兩者系統對比的結果可以看出，中國頁巖氣形成的地質條件優越。
 
2 中國頁巖氣資源特點
2.1 中國頁巖氣富集模式
依據頁巖發育地質基礎、區域構造特點、頁巖氣富集背景以及地表開發條件，可將中國的頁巖氣分布有利區域劃分為南方、北方、西北和青藏4個大區[12]，其中每個大區又可進一步細分(圖1)。由于各區頁巖氣地質條件和特點差異明顯，據此又可劃分為不同的頁巖氣富集模式——南方型、北方型和西北型。
 
2.1.1南方型
    該類型主要分布在揚子地臺及其周緣，南方地區是一個中心抬升并向四周傾沒的古隆起區(江南隆起)，除隆起中心發育一系列北東東-南西西走向的元古界、周緣地區發育一條相對完整連續的中生界環邊以外，大部分地區均發育古生界地層。進一步，該區又可劃分為古生界發育齊全的揚子地塊(I1)和上古生界與花崗巖不規則分布的東南地塊(I2)兩大部分。東南地塊上古生界厚度較薄、有機質條件較差且花崗巖大規模發育其中，上古生界主要發育在地塊的西北部分，黑色頁巖分布范圍、有機質豐度和熱演化程度均相對較小。
    揚子地塊包含了四川盆地、長江流域及其周緣地區(平面上形成“廠”字形格局)，發育了自震旦紀以來的多套海相古生代地層，黑色頁巖具有分布面積廣、地層厚度大、構造變動強、埋深變化大等特點，與美國東部地區頁巖氣地質條件非常相似。該區復雜的地質背景形成了特色明顯的頁巖氣富集類型(南方型模式)，即在可作為潛在頁巖氣勘探目標層的8套頁巖中，尤其以、S1、P1和P2為佳，普遍具有總有機碳含量高[19～20]、熱演化程度高和構造復雜程度高等典型的南方區域特征。如下志留統龍馬溪組黑色頁巖地層厚度為80～120m，總有機碳含量為0.5%～3%，Ro介于1.3%～4.5%，均達到過成熟階段。在該區內，重慶市所轄區域及其周緣橫跨在四川盆地東部(盆地西部古生界埋深較大，上覆中生界是另一套潛在的目標層系)的隔檔式褶皺與盆外抬隆區之上，形成頁巖氣的多種可能地質條件同時具備，是頁巖氣發育及勘探研究的有利區域。該區發育了多套黑色(碳質)頁巖，分布廣厚度大、變形強埋藏淺，有機質含量高、熱演化程度相對適中，區域上典型的隔檔式背斜褶皺帶及斷裂帶易于產生裂縫并形成“甜點”，區內已發現頁巖氣存在的間接和直接證據(如錳礦中的瓦斯爆炸)。該區頁巖氣地質分區特點明顯，適宜于進一步建立不同地質條件下的頁巖氣聚集模式，如渝西為盆地內隔檔帶、渝東為區域強烈隆升帶、下古生界在渝南廣泛出露而上古生界則覆蓋渝北地區。
2.1.2北方型
    該類型可作為頁巖氣潛在勘探目標的層位較多，但由于后期盆地的不規則疊加，頁巖發育時代具有明顯的向南東方向變新遷移特點，在平面上出現了由古生界、中生界到新生界的逐漸變化。在以鄂爾多斯盆地及其周緣為中心的中部地區，以古生界(奧陶、石炭、二疊系)為主的黑色頁巖分布范圍較廣，從鄂爾多斯盆地西緣、沁水盆地經二連盆地至松遼盆地南緣均有分布。在渤海灣、南華北、蘇北盆地及其周緣也有不同程度地揭示；中生界及其中的暗色泥頁巖主要發育在鄂爾多斯盆地中東部及其東部邊緣地區，向東經渤海灣盆地西側延伸至東北地區中西部。就中生界的地層時代及頁巖分布來說，亦存在著由西向東的逐漸轉移趨勢，即由西向東漸變為白堊系；新生界及其中的暗色泥頁巖則主要分布在北方區的東部，即蘇北、渤海灣至依蘭伊通盆地沿線，在地層時代上亦表現為明顯的向東滾動延展特點。
    在北方地區，泥頁巖系沉積環境由老到新逐漸由海相、海陸過渡相轉變為陸相，潛在的源巖由老到新逐漸由黑色海相頁巖轉變為暗色湖相泥巖，形成了潛在含氣頁巖層系多(古-中-新生界)、地層時代向東逐漸變新特點。頁巖母質類型逐漸從以黑色海相頁巖為主的建造轉變為以黑褐色陸相為主的建造。主要發育在東部地區的新生界湖相暗色泥頁巖厚度大、總有機碳含量高、有機質演化程度適中，是頁巖氣勘探值得考慮的重要領域。在渤海灣盆地(如遼河坳陷)，始新統(沙河街組)頁巖具有明顯的聚氣優勢，具有有機質類型多、有機質豐度高、熱演化程度適中、生氣能力強等特點，多處不同程度的天然氣顯示說明了盆地內潛在的頁巖氣潛力。沙河街組泥頁巖屬于典型的陸相成因，適宜于形成對陸相頁巖氣地質理論的進一步補充。該區泥頁巖沉積在剖面上的相變及頁巖氣富集條件在平面上的遷移構成了典型的北方型頁巖氣富集特點，形成了頁巖層系多、成因變化復雜、滾動沉積特征明顯、相帶分隔明顯、薄互層變化頻率高、頁巖氣富集條件多變的區域特征。
2.1.3西北型
    古生界、中生界分布范圍較廣并大致以天山為中心形成南、北“蹺蹺板”式沉積特點，即早古生代時以天山以南的塔里木地塊為沉降沉積中心，形成較大面積分布的海相頁巖。晚古生代時則以天山以北的準噶爾地塊為中心形成頁巖沉積。晚二疊紀末中生代以來，全區進入陸相沉積環境，“蹺蹺板”運動基本結束，總體上表現出總有機碳含量向上逐漸增加的趨勢。
    在西北部地區，頁巖氣的分布更多地受現今盆地特點約束，總有機碳含量平均值普遍較高，成熟度變化范圍較大，區域上分布的中生界(侏羅系、三疊系等)和盆地邊緣埋深較淺的古生界泥頁巖是頁巖氣發育的有利區。吐哈盆地吐魯番坳陷水西溝群地層的暗色泥頁巖和碳質泥頁巖累積厚度平均超過600m，總有機碳含量一般介于1.3%～20%，Ro介于0.4%～1.5%，有利于頁巖氣的形成和富集。在西北地區，古生界和中生界是頁巖氣產出的主要層位，沉積類型齊全、有機質豐度高、有機質熱演化程度相對較低，構成了西北型頁巖氣資源的主要特點。
    此外，青藏地區[21]和南方地區同屬于特提斯域，兩者的頁巖沉積過程和特點亦有許多相似之處。但由于區域構造作用特點不同，青藏地區海水退出時間較晚，因此古生界和中生界的海相黑色頁巖仍然是頁巖氣發育的主體。青藏地區頁巖厚度大、有機質豐度高、熱演化程度高，有利于頁巖氣富集，但由于地面條件較差，因此視為頁巖氣勘探開發的有利遠景區。由于勘探程度較低，該區頁巖發育特點尚不甚清楚，對頁巖氣的資源類型和特點尚不能展開進一步的詳細討論。
2.2 中國頁巖氣資源特點
2.2.1頁巖分布
海相頁巖在中國有廣泛的發育和分布，層位上集中出現在古生界，從早寒武世(距今540Ma)開始以來，先后形成了10多套特點各異、連續發育和區域分布的優質頁巖層系(圖2)。其中，僅在距今290Ma的古生代時期內就形成了8套廣泛發育的海相、海陸過渡相黑色頁巖，它們多與碳酸鹽巖或其他碎屑巖共生，具有延伸時代長、發育層系多、地域分布廣、構造改造強烈及后期保存多樣化等特點，其累計最大地層沉積厚度超過10km(劉光鼎，2001)，陸上沉積面積達到330×104km2(賈承造，2007)。這些頁巖埋藏淺、變動強，常規油氣藏難以形成，而頁巖氣則可構成主要的資源類型。
 
   除川西坳陷以外，具有頁巖氣資源潛力的中生界陸相暗色泥頁巖主要發育在中國北方地區，整體上表現為較大范圍內的連續性，總體上具有發育層位多、單層厚度大等特點；新生界暗色泥頁巖地層則主要分布在北方區的東部，具有相對明顯的分隔、多套、層厚等特點。此外，中-新生代時期也有少量的非陸相頁巖發育，局部出現于中國的南方及西藏等地區，增加了頁巖分布的多樣性。
2.2.2頁巖生氣
    由于沉積環境在地質歷史上的多重復雜變化，海相、海陸過渡相及陸相背景下形成的多種類型有機質均有發育。暗色泥頁巖沉積類型多樣，從海相碳酸鹽巖臺地相到海陸過渡淺水相再到陸相湖盆沼澤相沉積，極大地豐富了頁巖及其中的有機質類型。受板塊結構及地質演變的復雜特點影響，上述頁巖的有機質類型、含量、生氣能力和特點變化亦差別明顯。
    中國南方地區沉積厚度巨大并經歷了多期次構造運動，后期改造、抬升剝蝕作用強烈。地史時期內的深埋作用導致古生界海相源巖熱演化程度高，如下寒武統烴源巖Ro在大部分地區都大于3.0%，局部地區高達7.0%；下志留統R。集中在2.0%～3.0%，個別地區高達6.0%；二疊系有機質Ro集中在1.0%～2.0%，局部地區可達3.3%。結合區域統計結果分析認為，古生界黑色頁巖與中生界泥頁巖具有大致相同的有機質豐度，大部分地區或盆地總有機碳含量平均值達到2.0%，而新生界泥頁巖有機質含量總體較低且變化較快(圖3)。平面上，西北地區不同時代泥頁巖總有機碳含量平均值最高，北方最低(圖4)。宏觀上，中國產氣頁巖具有典型的高有機質豐度、高熱演化程度及高后期變動程度的“三高”特點。
2.2.3頁巖氣資源
    根據頁巖氣聚集機理和中美頁巖氣地質條件相似性對比結果認為：中國頁巖氣富集的地質條件優越，具有與美國大致相同的頁巖氣資源前景及開發潛力。以筆者前期估算結果[12]為基礎，采用成因法、統計法、類比法以及特爾菲法進行補充估算，中國頁巖氣可采資源量約為26×1012m3，較之2008年的23.5×1012m3略大，主要原因是補充統計了上次未參加計算的盆地或地區的數據。由于本次計算中仍未對不同地區和盆地的所有可能頁巖氣層位進行計算，故計算結果仍然表示了主要層位所可能代表的頁巖氣資源量。這一結果進一步逼近美國的28×1012m3，故從理論上講，當我國所投入的頁巖氣勘探及研究工作量與美國大致相當時，我國的頁巖氣也將有可能達到與美國基本相同的產量水平。補充后的計算結果表明，南方、北方、西北及青藏地區各自占我國頁巖氣可采資源總量的46.8%、8.9%、43%和1.3%；古生界、中生界和新生界各自占我國頁巖氣資源總量的66.7%、26.7%和6.6%。
3 結論
    1) 在從寒武紀到第四紀的540Ma地質時期內，延續形成了從海相、海陸過渡相到陸相等多種沉積環境條件下的10余套富含有機質及頁巖氣資源潛力的泥頁巖系，它們平面分布廣、剖面層位多、累計厚度大，構成了中國頁巖氣發育的強大物質基礎。經過后期多次的構造運動改造，顯現出頁巖構造變動強、保存模式多、埋深變化大等特點。
    2) 中國頁巖氣發育地質條件與美國具有許多相似之處，但多變的地質條件導致了多樣的頁巖氣發育類型和模式。中國含氣頁巖具有總體上的有機質豐度高、熱演化程度高以及后期變化程度高等“三高”特點，進一步可將頁巖氣劃分為間接型和直接型兩大類，前者以南方地區為代表，是中國主要的頁巖氣富集模式和資源類型；后者主要分布于中國北部，陸相條件下的直接型頁巖氣是我國頁巖氣資源賦存的重要特色。
    3) 按照頁巖氣發育地質背景并考慮勘探開發地表條件，將中國頁巖氣劃分為四大區域、三大模式。其中南方型頁巖單層厚度大、以古生界海相沉積為主、熱演化程度高、后期構造變動強，頁巖氣資源豐富；北方型頁巖氣富集條件多變，古-中-新生界頁巖發育齊全、滾動沉積遷移特征明顯、薄互層變化頻率高、沉積相帶分隔明顯；西北型以古生界和中生界為主，沉積類型齊全、有機質豐度高、有機質熱演化程度相對較低。
    4) 中國頁巖氣可采資源量約為26×1012m3，這一結果大致和美國的28×1012m3相當，故當我國所投入的頁巖氣勘探及研究工作量與美國大致相當時，我國的頁巖氣也將有可能達到與美國基本相同的產量水平。
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(本文作者：張金川 姜生玲 唐玄 張培先 唐穎 荊鐵亞 教育部“海相儲層演化與油氣富集機理”重點實驗室 中國地質大學 北京)