頁巖氣主要富集因素與核心區(qū)選擇及評(píng)價(jià)

王社教，楊 濤，張國生，李登華，陳曉明

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

頁巖氣主要富集因素與核心區(qū)選擇及評(píng)價(jià)

王社教，楊 濤，張國生，李登華，陳曉明

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

影響頁巖氣規(guī)模開發(fā)的因素很多，最核心的因素是首先要通過建立地質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選出頁巖氣核心區(qū)。核心區(qū)的確定關(guān)系到在頁巖氣勘探初期，是否能找準(zhǔn)頁巖氣最富集的目標(biāo)，選擇最有利地區(qū)進(jìn)行勘探，突破出氣關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模經(jīng)濟(jì)開發(fā)。從頁巖氣成藏特征、頁巖氣富集因素分析入手，重點(diǎn)探討我國富有機(jī)質(zhì)頁巖的豐度、成熟度、脆性礦物含量、含氣性以及蓋層等關(guān)鍵參數(shù)及其作用。借鑒北美頁巖氣勘探開發(fā)和研究成果，結(jié)合我國頁巖氣勘探開發(fā)和研究新進(jìn)展，初步建立我國頁巖氣核心區(qū)地質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并優(yōu)選出我國南方海相頁巖氣的核心區(qū)，指出四川盆地南部是我國最現(xiàn)實(shí)的頁巖氣開發(fā)區(qū)。

核心區(qū);選區(qū)與評(píng)價(jià);富集因素;海相頁巖;頁巖氣

1 前言

近幾年，北美頁巖氣產(chǎn)量的快速增加，引起全球?qū)搸r氣勘探開發(fā)的高度重視，并期望該神話能夠在其他地方復(fù)制。最新的勘探和研究進(jìn)展表明，盡管在亞洲、歐洲部分地區(qū)已突破了頁巖氣出氣關(guān)，但距離期望目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。對(duì)比分析北美和中國頁巖氣形成的基本地質(zhì)特征，可以發(fā)現(xiàn)我國的頁巖氣地質(zhì)形成條件和資源條件，存在著明顯特殊性，加之勘探程度低，我國頁巖氣總體認(rèn)識(shí)不高。

文章以筆者近幾年對(duì)我國頁巖氣成藏地質(zhì)條件的研究和認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，通過與北美頁巖氣類比，重點(diǎn)探討我國頁巖氣富集因素與核心區(qū)選擇及評(píng)價(jià)等幾個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)問題，其意義在于不僅可以在勘探初期迅速縮小靶區(qū)，找準(zhǔn)最有利目標(biāo)，盡快突破出氣關(guān)，更決定了未來規(guī)模開發(fā)的前景和經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。

2 頁巖氣富集因素

2.1 頁巖氣藏特征

與常規(guī)及其他非常規(guī)天然氣藏不同［1］，頁巖氣藏具有以下幾方面的地質(zhì)特征，主要表現(xiàn)在:a.頁巖氣成因類型多樣，既有生物成因氣、熱成因氣和熱裂解成因氣，也有混合成因氣，可以生成于有機(jī)質(zhì)演化的各階段，以熱成因氣為主;b.源儲(chǔ)一體，頁巖既是生氣源巖，也是儲(chǔ)集體，成藏過程為持續(xù)充注、原位飽和聚集;c.頁巖儲(chǔ)層超致密，孔隙類型多樣，尤其發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，孔隙大小以微—納米級(jí)為主;d.頁巖氣組分以甲烷為主，氣體賦存方式以吸附氣、游離氣兩種方式為主，比例差異大;e.頁巖氣分布不受構(gòu)造控制，沒有圈閉界限，含氣范圍受成氣源巖面積和良好封蓋層控制;f.資源規(guī)模大，豐度低，但存在高豐度核心區(qū)。

2.2 頁巖氣富集因素

頁巖氣一般具有大面積分布、連續(xù)成藏的特點(diǎn)［2］，其富集高產(chǎn)主要受有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度、脆性礦物含量、儲(chǔ)集物性和保存條件等5大因素控制。

2.2.1 豐富的有機(jī)質(zhì)是形成大量吸附氣和納米級(jí)孔隙的重要基礎(chǔ)

頁巖中的吸附氣主要吸附于分散狀的有機(jī)質(zhì)表面，因此高豐度的有機(jī)質(zhì)決定了頁巖具有高吸附氣含量。北美頁巖氣開發(fā)和研究成果表明，主要產(chǎn)氣頁巖吸附氣含量一般為20% ～70%，最高達(dá)85%，且與總有機(jī)碳含量(TOC)成正相關(guān);商業(yè)性頁巖氣藏有機(jī)碳含量一般大于2%，最高達(dá)10%。

另外，豐富的有機(jī)質(zhì)也是形成大量納米級(jí)孔隙的重要載體。目前，通過氬離子拋光+SEM分析，國內(nèi)外學(xué)者已在頁巖地層中發(fā)現(xiàn)大量串珠狀、多邊形狀和蜂窩狀等多種納米級(jí)孔隙，這些有機(jī)質(zhì)孔隙是頁巖氣有效儲(chǔ)集空間，可有效提高頁巖儲(chǔ)層總孔隙度，如Barnett頁巖TOC為5%，有機(jī)質(zhì)孔隙占頁巖總孔隙度30%;Marcellus頁巖TOC為6%，有機(jī)質(zhì)孔隙占頁巖總孔隙度的28%;Haynesville頁巖TOC為3.5%，有機(jī)質(zhì)孔隙占頁巖總孔隙度的12%。

目前，我國已在川南威遠(yuǎn)地區(qū)下古生界兩套海相頁巖鉆探獲氣。經(jīng)過分析測(cè)試，威遠(yuǎn)兩套黑色頁巖含氣量與TOC具有較好的正相關(guān)性(見圖1)，如筇竹寺組 TOC＞2%頁巖段含氣量為1.34～3.51 m3/t(平均2.19 m3/t)，TOC 0.82% ～1.98%頁巖段含氣量為0.85 ～2.01 m3/t(平均 1.46 m3/t);龍馬溪組 TOC＞2%頁巖段含氣量為2.29～5.01 m3/t(平均2.92 m3/t)，TOC 0.51% ～1.75%頁巖段含氣量為0.29 ～1.21 m3/t(平均 0.62 m3/t)。根據(jù)測(cè)井解釋結(jié)果，兩套黑色頁巖含氣量吸附氣所占比例分別為筇竹寺組38%、龍馬溪組51%?？梢姡覈Ｏ囗搸r與北美產(chǎn)氣頁巖層類似，有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)頁巖氣富集具有重要控制作用。

2.2.2 高熱演化程度是形成天然氣和脆性礦物含量的關(guān)鍵地質(zhì)要素

有機(jī)質(zhì)處于成熟生氣階段是形成天然氣的重要地質(zhì)條件。根據(jù)天然氣有機(jī)成因理論，熱成因氣高產(chǎn)氣率Ro為1.1% ～3%。但根據(jù)北美和我國南方海相頁巖氣勘探與生產(chǎn)實(shí)踐，商業(yè)性頁巖氣藏的Ro一般處于1.1% ～3.5%，如美國 Fayetteville頁巖已開發(fā)區(qū)Ro為2.0% ～3.5%。川南下古生界兩套產(chǎn)氣頁巖層均處于高過成熟階段，其中下志留統(tǒng)龍馬溪組Ro為2.4% ～3.3%，下寒武統(tǒng)筇竹寺組Ro為2.33% ～4.12%。

圖1 川南威遠(yuǎn)地區(qū)兩套頁巖TOC與含氣量關(guān)系Fig.1 Relations of TOC and gas content of Cambrian and Ordovician shale in Weiyuan，Southern Sichuan Basin

與高—過成熟生氣窗口相對(duì)應(yīng)，頁巖處于成巖晚期或變生階段，巖石礦物向脆而穩(wěn)定的礦物轉(zhuǎn)化，如不穩(wěn)定的長石向穩(wěn)定正長石、斜長石和石英轉(zhuǎn)化;蒙脫石向伊利石、伊利石/蒙脫石混層轉(zhuǎn)化，伊利石/蒙脫石混層向伊利石轉(zhuǎn)化，高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化等幾種形式［3］。我國四川盆地川南下古生界海相頁巖處于成巖晚期或變生階段，長石礦物以斜長石為主(含量3.9% ～8.2%)，其次為鉀長石(含量0%～2.6%)，粘土礦物轉(zhuǎn)化形式主要為后兩種，不含蒙脫石等膨脹性礦物，巖石變得脆而硬，有利于壓裂改造。

2.2.3 高脆性礦物含量是形成自然裂縫和人工誘導(dǎo)縫的基礎(chǔ)

根據(jù)Barnett頁巖礦物含量分析，核心區(qū)Barnett頁巖上部巖層(淺于2345 m)和下部巖層(2449 m以下)脆性礦物含量一般為40% ～60%(石英含量30% ～50%，碳酸鹽巖含量3% ～20%)，穩(wěn)定性粘土礦物含量30% ～45%，不含蒙脫石等膨脹性礦物。高脆性巖石結(jié)構(gòu)導(dǎo)致頁巖巖石物理具有高楊氏模量(3.4 ～4.4 mmPa)、低泊松比(0.11 ～0.35)特征，易于形成自然裂縫和人工誘導(dǎo)縫，有利于形成頁巖氣的產(chǎn)出通道。

我國川南兩套黑色頁巖脆性礦物含量與北美大致相當(dāng)，均不含蒙脫石等膨脹性礦物，也具有高楊氏模量、低泊松比特征，巖石脆性和裂縫發(fā)育程度與北美主要產(chǎn)氣頁巖相近。下寒武統(tǒng)筇竹寺組主要礦物含量為石英+方解石32.1% ～52.2%(見圖2)，粘土礦物 21.1% ～56.4%，楊氏模量為 1.2～3.6 mmPa。一般在 3.0 mmPa 以上，泊松比為 0.12～0.22;下志留統(tǒng)龍馬溪組主要礦物含量為石英+方解石 40.1% ～65.9%(見圖 3)，粘土礦物25.9% ～50.8%，楊氏模量為1.9 ～4.3 mmPa(一般在3.0 mmPa以上)，泊松比為0.12 ～0.29，力學(xué)性質(zhì)與砂巖接近。目前，從鉆井和露頭資料看，兩套頁巖地層廣泛發(fā)育層間縫、節(jié)理縫、網(wǎng)狀縫等裂縫和微裂隙，或充填鈣質(zhì)、硅質(zhì)，或半充填鈣質(zhì)、硅質(zhì)，或呈開啟狀態(tài)，構(gòu)成了天然氣產(chǎn)出的重要通道。

圖2 四川盆地及周邊下寒武統(tǒng)筇竹寺組巖礦組成圖Fig.2 The mineral composition of Qiongzhusi group rock of Cambrian in Sichuan Basin and surroundings

圖3 川南及周邊下志留統(tǒng)龍馬溪組巖礦組成圖Fig.3 The mineral composition of Longmaxi group rock of Silurian in Sichuan Basin and surroundings

2.2.4 富有機(jī)質(zhì)頁巖必須具有一定規(guī)模和較好的儲(chǔ)集條件

為適應(yīng)水平鉆井和大型酸化壓裂的需要，富有機(jī)質(zhì)頁巖必須達(dá)到一定的厚度。另外，良好的儲(chǔ)、滲條件是頁巖氣賦存和產(chǎn)出的重要通道。因此，實(shí)現(xiàn)頁巖氣富集高產(chǎn)的重要條件是富有機(jī)質(zhì)頁巖必須具有一定規(guī)模和較好的儲(chǔ)集條件。根據(jù)美國主力產(chǎn)氣頁巖層儲(chǔ)層參數(shù)，富有機(jī)質(zhì)(TOC＞2%)頁巖厚度一般在15 m以上(最好在30 m以上)，平面展布一般為數(shù)千至上萬平方千米，孔隙度一般在4%以上(見表1)。

表1 美國8大主力產(chǎn)氣頁巖層儲(chǔ)層參數(shù)Table 1 The reservoir parameters of 8 main producing gas shale formation in United States

我國四川盆地及周邊下古生界兩套海相頁巖有效儲(chǔ)層規(guī)模和物性均達(dá)到較好標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)本次研究統(tǒng)計(jì)結(jié)果，南方地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)(TOC＞2%)頁巖段厚度20～80 m，面積超過18萬km2，有效孔隙度一般為1.2% ～6.0%(平均4.0%);下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)(TOC＞2%)頁巖段厚度20～100 m，面積超過11萬km2，有效孔隙度一般為1.1% ～7.9%(平均 4.4%)。目前，川南威遠(yuǎn)地區(qū)和長寧地區(qū)頁巖氣勘探獲突破，證實(shí)了兩個(gè)頁巖氣富集層段的有效含氣性，為其他探區(qū)勘探和研究提供了依據(jù)。

2.2.5 保存條件是揚(yáng)子地區(qū)海相地層頁巖氣富集的主控因素之一

與北美地臺(tái)相比，我國頁巖氣有利區(qū)構(gòu)造復(fù)雜［4］，穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致頁巖地層天然氣富集條件比較復(fù)雜。在滇黔北地區(qū)鉆探的芒1井和昭101未獲頁巖氣，分析認(rèn)為與構(gòu)造改動(dòng)作用導(dǎo)致保存條件變差有關(guān)。其中，蓋層條件和構(gòu)造條件是兩個(gè)主要影響因素。頁巖氣勘探中的保存條件引起了廣泛的關(guān)注和重視，在盆地以外地區(qū)開展頁巖氣試驗(yàn)區(qū)評(píng)價(jià)應(yīng)該優(yōu)選考慮保存條件的影響?？梢?，保存條件不僅是常規(guī)油氣富集的主控因素，也是頁巖氣形成和富集的關(guān)鍵地質(zhì)要素。其中，蓋層條件和構(gòu)造條件是兩個(gè)主要影響因素。

1)蓋層條件。根據(jù)四川盆地含油氣系統(tǒng)研究成果，上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育3套區(qū)域蓋層，即上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)泥巖(厚度＞1000 m)，中下三疊統(tǒng)泥巖和膏鹽(厚度不超過800 m)，志留系—中下二疊統(tǒng)泥巖(厚300～2000 m)。

在盆地內(nèi)部，三套區(qū)域蓋層發(fā)育齊全，保存條件風(fēng)險(xiǎn)小，因此保存條件不是關(guān)注的重點(diǎn)。在盆地以外，隨著地層抬升遭受剝蝕，在不同地區(qū)三套區(qū)域蓋層殘余程度不同，進(jìn)而導(dǎo)致保存條件存在較大差異。在川南及其周邊，自南向北，地表出露地層依次為中下寒武統(tǒng)、奧陶系—二疊系、中上三疊統(tǒng)、中下侏羅統(tǒng)，即出露地層逐漸變新。顯然，從下古生界的兩套海相頁巖的區(qū)域蓋層分布看，四川盆地以南地區(qū)蓋層條件變差，風(fēng)險(xiǎn)變大。

2)構(gòu)造條件。揚(yáng)子地臺(tái)構(gòu)造演化歷經(jīng)多期次構(gòu)造活動(dòng)。自志留系沉積以來，經(jīng)歷了加里東、印支、燕山和喜山四次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，對(duì)揚(yáng)子地區(qū)油氣保存條件產(chǎn)生重大影響(見表2)。加里東運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致?lián)P子區(qū)南緣、雪峰—江南隆起、南華、滇東—黔中、川中等區(qū)志留系剝蝕殆盡，印支運(yùn)動(dòng)僅導(dǎo)致中三疊統(tǒng)部分遭受剝蝕，而燕山運(yùn)動(dòng)在上揚(yáng)子地區(qū)形成廣泛的斷裂褶皺推覆、剝蝕和火山活動(dòng)，對(duì)四川盆地以外侏羅系地層破壞嚴(yán)重，喜山運(yùn)動(dòng)形成現(xiàn)今構(gòu)造格局，產(chǎn)生大規(guī)模斷裂褶皺推覆，使隆起區(qū)上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)地層遭受剝蝕。

表2 揚(yáng)子地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)對(duì)保存條件的影響Table 2 The effects of regional tectonic activities on the storage conditions in Yangzi Area

上述分析表明，燕山期以來持續(xù)沉降的地區(qū)保存條件相對(duì)較好，如四川、蘇皖、楚雄、十萬大山等盆地，而盆地以外的褶皺區(qū)保存條件風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

3 核心區(qū)選擇及評(píng)價(jià)

3.1 核心區(qū)參數(shù)選擇

從野外露頭和巖心直觀觀察來看，頁巖均為黑色頁巖或深灰色頁巖，很難分辨出其差異性。在微觀尺度下，則可以發(fā)現(xiàn)頁巖非均質(zhì)性很強(qiáng)，即使相同顏色的頁巖，其有機(jī)碳含量、巖石礦物組成差異也非常大，這就是在頁巖氣勘探早期階段，優(yōu)選最有利地區(qū)、最富集層段即優(yōu)選核心區(qū)的原因。同時(shí)更重要的是，考慮到在目前價(jià)格體系下，頁巖氣開發(fā)成本高，利潤很低或基本無利潤，因此核心區(qū)的選擇和壓裂層段的確定尤為重要。

在含油氣區(qū)，存在氣源巖大的地區(qū)頁巖氣就普遍存在，但受資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、市場等條件的限制，只有分布在核心區(qū)具有高含氣量的富有機(jī)質(zhì)頁巖才具商業(yè)開發(fā)價(jià)值。據(jù)北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)與我國頁巖氣勘探實(shí)踐［5］，形成工業(yè)價(jià)值的頁巖氣基本地質(zhì)條件為:富有機(jī)質(zhì)頁巖必須具備較高有機(jī)質(zhì)豐度(TOC ＞2.0%)、高熱成熟度(Ro＞1.1%)、高脆性(石英、長石等礦物含量＞40%)和低粘土礦物含量(＜30%)，有效頁巖(hot shale)厚度大于30 m，成氣后保存條件較好，存在超壓等。這些參數(shù)和取值是頁巖氣核心區(qū)優(yōu)選及評(píng)價(jià)的基本標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 核心區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3為哈里伯頓和斯倫貝謝公司建立的北美頁巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括富有機(jī)質(zhì)頁巖的有效厚度，有機(jī)碳含量，成熟度，脆性礦物，粘土礦物，物性，含氣量等。美國沃斯堡盆地Barnett頁巖勘探開發(fā)成果表明，頁巖氣核心區(qū)面積為4162 km2，而Ro＞1.1%的頁巖氣有利分布面積1.04萬km2，核心區(qū)約占有利頁巖氣面積的40%。

表3 北美頁巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 North American shale gas evaluation standard

我國海相頁巖在形成、分布及質(zhì)量等基本地質(zhì)條件上與北美具有廣泛的相似性，都是古生界海相沉積所形成，盆地演化也具有較多相似性。但我國中生代以后的構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)于北美大陸，變形更復(fù)雜，受改造范圍和埋深更大。結(jié)合我國實(shí)際地質(zhì)條件，參照北美頁巖氣核心區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步建立了我國頁巖氣核心區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表4)。

表4 頁巖氣核心區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 4 The criteria and standards of core area selection of shale gas in China

3.2.1 富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大于30 m

與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣具有低豐度大面積分布的特點(diǎn)，作為頁巖氣生成和賦存的富有機(jī)質(zhì)頁巖，盡管都可以生成頁巖氣，但只有具有一定的厚度才具有形成商業(yè)開發(fā)價(jià)值，并有利于實(shí)施大型壓裂改造。根據(jù)北美頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐，大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的五大含氣頁巖，連續(xù)厚度至少大于15 m，核心區(qū)在30 m以上。類比我國的頁巖氣形成地質(zhì)條件，由于成藏富集條件遜于北美，我國頁巖氣核心區(qū)的厚度應(yīng)大于 30 m［6］。

3.2.2 有機(jī)碳含量(TOC)大于2.0%

有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)油氣生成能力的關(guān)鍵指標(biāo)，常規(guī)的烴源巖評(píng)價(jià)，TOC為0.5%即為泥質(zhì)生油巖的下限。但是，作為低豐度的頁巖氣藏，TOC為0.5%顯然難以生成足夠量的頁巖氣。根據(jù)斯倫貝謝公司Charles Boyer等及Devon能源公司等關(guān)于頁巖氣藏的研究認(rèn)識(shí)，將TOC下限值確定為2.0%，該值實(shí)際上相當(dāng)于評(píng)定烴源巖等級(jí)時(shí)所確定的“好生油巖”標(biāo)準(zhǔn)，核心區(qū)至少大于4%。筆者認(rèn)為，這一標(biāo)準(zhǔn)雖然在今后隨著頁巖氣的勘探開發(fā)實(shí)踐深入，以及技術(shù)進(jìn)步，可能還會(huì)有所變化，但在目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在確定我國有效頁巖(純頁巖)厚度時(shí)，其TOC下限值選定為2.0%較為合理。

3.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)大于1.1%

據(jù)統(tǒng)計(jì)，北美約85%以上的頁巖氣來自熱成因氣，也就是說，只有烴源巖達(dá)到生氣階段，才能發(fā)現(xiàn)大量的熱成因頁巖氣藏。如Barnett頁巖氣生產(chǎn)井絕大部分分布在Ro大于1.1%的范圍內(nèi)，根據(jù)烴源巖熱模擬結(jié)果，Barnett頁巖在Ro大于1.1%時(shí)，干酪根生成的濕氣和干氣總量已經(jīng)超過65%以上。結(jié)合其他盆地頁巖氣勘探和研究結(jié)果，北美核心區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Ro的下限為1.1%。由于我國發(fā)育海相、煤系和湖湘三類富有機(jī)質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)母質(zhì)類型不同，進(jìn)入大量生氣階段的Ro下限肯定會(huì)有差異，在目前階段，借鑒北美海相頁巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，取Ro的下限值為1.1%(主要指海相頁巖氣)。

3.2.4 石英等脆性礦物含量大于40%

頁巖作為儲(chǔ)層，脆性礦物含量是決定頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙、微裂縫、含氣特征、儲(chǔ)層改造方式等的重要因素。一般認(rèn)為，頁巖中蒙脫石含量越低，石英、長石、方解石等礦物含量越高，巖石脆性越強(qiáng)，在外力作用下容易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于頁巖氣開采。統(tǒng)計(jì)表明，北美含氣頁巖的石英含量一般為28% ～52%、碳酸鹽巖4% ～16%、總脆性礦物含量高達(dá)30% ～70%，是北美頁巖氣成功商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一。我國上揚(yáng)子區(qū)古生界海相黑色頁巖脆性礦物含量豐富，其中石英含量24.3% ～52%、長石含量 4.3% ～32.3%、方解石含量8.5% ～16.9%，總脆性礦物含量40% ～80%。因此，我國海相頁巖的脆性礦物含量與北美相當(dāng)，借鑒北美標(biāo)準(zhǔn)，我國核心區(qū)頁巖的脆性礦物含量應(yīng)為大于40%，粘土礦物含量小于30%。

3.2.5 含氣量大于2 m3/t

頁巖含氣量是衡量頁巖氣是否具經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值和評(píng)估資源潛力的關(guān)鍵指標(biāo)。目前北美實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣，其含氣量不低于1.1 m3/t，最高為9.9 m3/t。哈里伯頓公司研究認(rèn)為，具商業(yè)性開發(fā)價(jià)值的頁巖含氣量為2.8 m3/t。從我國有限的海相頁巖含氣量測(cè)試結(jié)果看，筇竹寺組含氣量為1.5～3.5 m3/t，中值為 2.2 m3/t;龍馬溪頁巖含氣量為2.0 ～4.0 m3/t，中值為 2.5 m3/t，且均在該兩套層系發(fā)現(xiàn)了商業(yè)性頁巖氣。因此，將我國頁巖氣核心區(qū)含氣量下限值定為2.0 m3/t。

3.2.6 埋深小于4000～4500 m

北美商業(yè)性開發(fā)的頁巖氣，大部分埋深在1500～3500 m。如果埋深太大，則開采技術(shù)成本過高，不具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前頁巖氣年產(chǎn)量最高的Barnett頁巖，埋藏深度為1900～2600 m?？紤]到我國頁巖氣尚處于起步階段，且主力頁巖氣資源分布在南方海相，而且南方多為不穩(wěn)定區(qū)和改造區(qū)，保存條件顯得尤為重要［7］，在確定深度下限時(shí)，盆地內(nèi)(如四川盆地)埋深小于4000 m，盆地外的改造區(qū)埋深小于4500 m為宜。

3.3 頁巖氣有利區(qū)與核心區(qū)優(yōu)選實(shí)例

文章以南方揚(yáng)子地區(qū)為例說明頁巖氣有利區(qū)與核心區(qū)優(yōu)選，可分為3個(gè)步驟:a.利用地質(zhì)與遙感資料編制I、II、III和IV類地形地貌區(qū);b.分層位將富有機(jī)頁巖(TOC≥2%)等厚圖、頁巖頂界構(gòu)造圖與遙感地形區(qū)疊合編圖;c.分層位篩選出I和II類區(qū)地形地貌、富有機(jī)頁巖厚度≥30 m和埋深＜4000～4500 m疊合范圍，扣除斷裂發(fā)育區(qū)，即為該層有利區(qū)分布范圍。

核心區(qū)的優(yōu)選，是在確定有利區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮頁巖氣的含氣量、頁巖脆性礦物含量以及地表?xiàng)l件、地面管網(wǎng)等因素。

依據(jù)地質(zhì)與遙感資料，劃分出了I、II和III+IV類地區(qū)。I類地表區(qū)均分布在四川盆地，面積15.99 萬 km2;II類地表區(qū)11.4 萬 km2，主要分布在滇東—黔北地區(qū);III+IV類地表區(qū)14.25萬km2，均為無法施工的山地。研究認(rèn)為，I類和II類地表區(qū)利于設(shè)備搬運(yùn)和大型壓裂施工，為有利地表區(qū)。

通過上述有利區(qū)優(yōu)選條件，優(yōu)選出龍馬溪組頁巖有利區(qū)面積 9.33萬 km2，其中四川盆地5.7萬km2，渝東—湘鄂西2.4萬 km2，滇東—黔北1.2萬km2;筇竹寺組頁巖有利區(qū)面積11.2萬km2，其中四川盆地2.8萬 km2，渝東—湘鄂西3.1萬km2，滇東—黔北5.3萬km2。加上震旦系陡山沱等其他層系頁巖，初步計(jì)算我國南方海相頁巖有利區(qū)層系疊合面積25萬～30萬km2。

根據(jù)目前的勘探成果、地表?xiàng)l件、地面管網(wǎng)和地質(zhì)條件，綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為四川盆地蜀南地區(qū)是我國目前最現(xiàn)實(shí)、最有利的海相頁巖勘探區(qū)(見圖4)，優(yōu)選出的頁巖氣有利區(qū)面積約14500 km2，核心區(qū)面積4000 km2，核心區(qū)占有利區(qū)面積比例為27%，低于美國Fort Worth盆地Barnett頁巖核心區(qū)占比40%。

4 結(jié)語

1)頁巖氣具有以下基本地質(zhì)特征:源儲(chǔ)一體，沒有圈閉，但蓋層一般仍必不可少;天然氣以吸附氣、游離氣等多種方式賦存于頁巖儲(chǔ)層中;儲(chǔ)層致密，脆性礦物含量高，粘土礦物含量低，易于壓裂改造;頁巖氣藏不受構(gòu)造控制，大面積連續(xù)分布，與有效生氣源巖面積相當(dāng)，但資源豐度低。

2)初步建立頁巖氣核心區(qū)的選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大于30 m，有機(jī)碳含量大于2.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度Ro大于1.1%，含氣量大于2.0 m3/t，埋深小于4000～4500 m。地表相對(duì)平坦，改造程度低。

圖4 蜀南地區(qū)龍馬溪組頁巖核心區(qū)評(píng)價(jià)圖Fig.4 Core area evaluation map of Longmaxi shale gas in Shunan area

3)初步優(yōu)選南方海相頁巖氣有利區(qū)和核心區(qū)。優(yōu)選出我國南方海相頁巖有利區(qū)層系疊合面積25萬～30萬km2。其中，龍馬溪組頁巖有利區(qū)面積9.33萬km2，筇竹寺組頁巖有利區(qū)面積11.2萬km2。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為四川盆地蜀南地區(qū)是我國目前最現(xiàn)實(shí)、最有利的海相頁巖勘探區(qū)，優(yōu)選出的頁巖氣有利區(qū)面積約14500 km2，核心區(qū)面積達(dá)到4000 km2。

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Shale gas enrichment factors and the selection and evaluation of the core area

Wang Shejiao，Yang Tao，Zhang Guosheng，Li Denghua，Chen Xiaoming

(Research Institute of Petroleum Exploration ＆ Development，Petrochina，Beijing 100083，China)

Many factors affect the size of the shale gas development.First and foremost factor is how to establish the geological evaluation standards and select the core area of shale gas.In the early stage of exploration the optimized shale gas core area makes it possible to identify the target and to select the most favorable region for exploration.The main purpose is to find shale gas and achieve economic development.Based on the analysis of shale gas reservoir characteristics and the enrichment factors we discuss the organic-rich shale maturity，mineral content，gas content and conservation parameters in China.Learn from the U.S.shale gas exploration and development and research，combined with the new progress of China’s shale gas exploration and development and research，we establish china’s first shale gas core area parameter system and value standards.Finally，we optimize some favorable areas and core areas of the marine shale in southern China and point out Southern Sichuan Basin is the most realistic area for shale gas development.

core area;selection and evaluation;enrichment factors;marine shale;shale gas

TE1;TE3

A

1009－1742(2012)06－0094－07

2012－04－05

中國工程院重大咨詢研究項(xiàng)目“我國非常規(guī)天然氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研究”(2011－ZD－19－2);國家大型油氣田與煤層氣開發(fā)項(xiàng)目(2011ZX05018－001，2011ZX05028－002)

王社教(1965—)，男，安徽碭山縣人，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣資源與可再生能源;E－mail:wsj@petrochina.com.cn