高-過成熟區(qū)頁巖氣藏?zé)N源巖評價方法探索

吳 勘 （中國地質(zhì)大學(xué) （武漢）地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430074）

高-過成熟區(qū)頁巖氣藏?zé)N源巖評價方法探索

吳 勘 （中國地質(zhì)大學(xué) （武漢）地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430074）

我國頁巖氣源巖沉積時代較早、有機(jī)質(zhì)演化程度偏高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在頁巖氣理論及勘探開發(fā)實踐上不宜套用美國所用的方法。頁巖氣在構(gòu)造條件、賦存方式、賦存空間、儲層特征、富集機(jī)理等方面又與常規(guī)天然氣存在較大差異，也不宜直接用常規(guī)天然氣氣藏的評價方法來評價頁巖氣資源。新興的地球生物學(xué)理論采取正演方法，對烴源巖進(jìn)行評價，為高熱成熟度、低有機(jī)質(zhì)豐度地區(qū)的烴源巖評價提供了可行的途徑。用地球生物學(xué)理論評價頁巖氣藏值得探索。

頁巖氣；地質(zhì)特征；高－過成熟區(qū)；烴源巖評價；地球生物學(xué)

頁巖氣是一種清潔、高效的以甲烷為主的非常規(guī)天然氣［1］。據(jù)國土資源部的最新調(diào)查顯示：我國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134×1012m3，可采資源潛力為25×1012m3，幾乎與常規(guī)天然氣相當(dāng)。盡管我國頁巖氣資源潛力巨大，但與北美克拉通盆地沉積的黑色頁巖形成環(huán)境不同，我國頁巖氣源巖沉積時代較早、埋藏較深、有機(jī)質(zhì)演化程度偏高；同時儲層連續(xù)性不如美國，氣藏構(gòu)造條件相對復(fù)雜、保存條件不利、氣體大量喪失，降低了潛在資源量。從地表來看，美國頁巖廣泛分布于地勢平坦地區(qū)，而我國多處于復(fù)雜的山地，進(jìn)而增加了勘探開發(fā)和產(chǎn)能建設(shè)的難度。因此在頁巖氣勘探開發(fā)理論方面不宜照套北美國家的地質(zhì)認(rèn)識和技術(shù)方法。

富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖具有普遍的含氣性，如何尋找頁巖氣的富集區(qū)，并能通過合適的工程措施形成工業(yè)氣流，是頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵。與常規(guī)天然氣氣藏相比，盡管頁巖氣與其生成階段基本一致，但在構(gòu)造條件、賦存方式、賦存空間、儲層特征、富集機(jī)理等方面存在較大差異。因此，也不宜簡單地用常規(guī)天然氣氣藏的評價方法來評價頁巖氣的生烴能力。應(yīng)尋找適應(yīng)我國頁巖氣資源評價，特別是頁巖氣儲層烴源巖評價的方法。

1 頁巖氣藏與常規(guī)天然氣藏的地質(zhì)特征差異

頁巖在定義上不同于常規(guī)巖石，一般被定義為 “細(xì)粒的碎屑沉積巖”，但實際上作為巖層它不僅只指頁巖而是不同顆粒大小和不同巖性的混合，巖石一般由黏土礦物、粉砂質(zhì)石英顆粒和有機(jī)質(zhì)所組成，3種礦物分別占30%～50%、15%～25% 和1%～20%［2］。頁巖普遍具有較低的孔隙度和超低的滲透率，頁巖總孔隙度一般小于10%，滲透率主要受裂縫發(fā)育程度的影響［3，4］。頁巖氣藏儲層常常發(fā)育2類孔隙：孔隙直徑≥0.75μm的孔隙和孔隙直徑＜0.75μm的孔隙，其中以孔隙直徑＜0.75μm的孔隙為主。

頁巖氣藏在性質(zhì)上不同于常規(guī)天然氣，頁巖氣藏?zé)o明顯的氣水邊界，大多數(shù)分布在盆地內(nèi)厚度較大的烴源巖地層中，往往需要壓裂改造才能進(jìn)行有效開發(fā)，但氣井生產(chǎn)周期長于常規(guī)天然氣井［2，5，6］。

頁巖氣藏在成藏機(jī)理上不同于常規(guī)天然氣，具有隱蔽性和遞變過渡的特點［7］。頁巖氣圈閉往往不是常規(guī)的構(gòu)造和巖性圈閉，而是以孔隙和裂縫發(fā)育程度為衡量評價氣藏品質(zhì)的重要指標(biāo)。頁巖氣的成藏通常分2個階段［2］：第1階段是由生物化學(xué)作用所產(chǎn)生的天然氣，這類天然氣量通常較少，首先被巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面所吸附，隨后 （當(dāng)這些表面吸附滿足后）多余的天然氣才以游離相進(jìn)行遷移逃逸。這一階段所形成的頁巖氣藏表現(xiàn)為典型的吸附成藏機(jī)理。第2階段是由物理 （熱）化學(xué)作用所產(chǎn)生的天然氣，這類天然氣量通常較大，生氣產(chǎn)生的膨脹力可導(dǎo)致沿巖石的薄弱面產(chǎn)生一些裂縫，天然氣以裂隙聚集為主，主體上表現(xiàn)為原地或就近成藏。在該階段，頁巖氣藏表現(xiàn)出一定的活塞運(yùn)聚成藏機(jī)理。

頁巖氣藏儲層不同于常規(guī)天然氣，往往集生、儲、蓋于一體，且具有廣泛的飽含氣性，不僅包括了存在于孔隙和裂縫中的游離相天然氣，也包括了吸附在巖石顆粒及不溶有機(jī)質(zhì)表面上的吸附氣［7］。盆地中頁巖氣成藏的有利區(qū)往往是埋藏較深部位，因而原生頁巖氣藏一般都具有高壓異常［8，9］。

綜上所述，頁巖氣藏評價涉及因素很多且這些因素與常規(guī)天然氣差異較大，除常規(guī)方法之外，還必須探索新的評價方法。

2 我國南方頁巖氣藏?zé)N源巖評價情況和面臨的困難

我國不少盆地的頁巖氣成藏條件較好，這些盆地通常發(fā)育多套暗色烴源層，且互層分布有大套的淺色致密砂巖。以往研究資料顯示［10～12］，南方海相頁巖地層極可能成為我國頁巖氣富集地區(qū)之一。李玉喜等［13］對中國南方海相頁巖氣潛力研究表明，海相富含有機(jī)質(zhì)頁巖的大套地層主要有下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)。

1）下寒武統(tǒng)：中上揚(yáng)子區(qū)較好，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ－Ⅱ型，總有機(jī)碳 （TOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值高達(dá)7%～8%，大部分埋深3000～4000m，有的達(dá)5000m以上，熱演化程度普遍較高，鏡質(zhì)體反射率Ro值為2.0%～5.0%，僅在上揚(yáng)子南部和北部、鄂西和下?lián)P子中部地區(qū)Ro值小于3.0%，而埋深和高熱演化程度是主要影響因素。

2）下志留統(tǒng)：主要分布在鄂西渝東、川東南、川東北、中揚(yáng)子以及下?lián)P子等區(qū)，鄂西渝東地區(qū)是頁巖氣勘探的較有利地區(qū)之一，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值2%，平均埋深3000余米，Ro值為2.0%～4.5%，厚度20～200m，同樣埋深和熱演化程度是影響頁巖氣勘探的主要因素。

然而，這些研究大多采用的是反演方法，即利用地層殘余有機(jī)質(zhì)來評價烴源巖，這種傳統(tǒng)烴源巖評價方法對中國南方海相高－過成熟區(qū)烴源巖的評價存在較大的局限性。這是由于這些地區(qū)長期的熱演化和劇烈的構(gòu)造運(yùn)動，使烴源巖中的有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量都出現(xiàn)了較大的改變，因而僅用殘余有機(jī)質(zhì)確定的有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)來進(jìn)行烴源巖評價難免依據(jù)不足。

3 用地球生物學(xué)理論評價頁巖氣藏?zé)N源巖的思考

2006年以來，中國地質(zhì)大學(xué)殷鴻福［14］、謝樹成［15］等首次提出并不斷改進(jìn)了一種新的烴源巖評價方法，即經(jīng)由活生物物質(zhì)生活期→死亡埋藏期→早期成巖期這一個三階段過程來正演烴源巖形成的動力學(xué)過程，并由地球生物相來體現(xiàn)這一過程。地球生物相共有4個特征參數(shù)：生境型、古 （原始）生產(chǎn)力、沉積有機(jī)碳 （古氧相）和埋藏有機(jī)碳 （有機(jī)質(zhì)保存效率）。生境型反映了沉積環(huán)境，可依據(jù)地層的海水深度及古生物化石等來劃分；古生產(chǎn)力反映原始活生物物質(zhì)有機(jī)質(zhì)的多少，可用某些微量元素來計算；沉積有機(jī)碳反映死后沉積物質(zhì)的沉積有機(jī)質(zhì)，可將化石、巖石、礦物及地球化學(xué)指標(biāo)作為古氧相替代指標(biāo)來確定；埋藏有機(jī)碳反映經(jīng)歷了早期成巖作用之后最終保存下來 （第3階段）的有機(jī)碳聚集量，可用有機(jī)質(zhì)的保存效率來表示，即用第3階段最終埋藏保存下來的那部分有機(jī)質(zhì)與第1階段原始活生物物質(zhì)中總有機(jī)質(zhì)的比值表示。這種正演法能夠計算出有機(jī)體在經(jīng)歷地?zé)帷?gòu)造和變質(zhì)改造前的初始的總烴量。地球生物學(xué)過程對現(xiàn)行的烴源巖評價體系 （反演方法），可以說是一個有效的補(bǔ)充，特別是在高－過成熟區(qū)使用。它的主要優(yōu)點是不受晚期成巖改造的影響，以及有機(jī)質(zhì)高成熟或者過成熟的影響［15］。因此，該方法是低有機(jī)質(zhì)豐度、高－過成熟地區(qū)的頁巖氣烴源巖研究的一種新途徑［14，22］。

近幾年，國內(nèi)一些學(xué)者［16～22］在這一地區(qū)運(yùn)用地球生物學(xué)原理和方法做過有益嘗試，其有效性得到公認(rèn)。謝樹成等［16，17］用地球生物學(xué)方法對南方海相優(yōu)質(zhì)烴源巖形成過程進(jìn)行了研究，通過大量實驗?zāi)M得出該區(qū)烴源巖的有機(jī)質(zhì)系數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了殘余有機(jī)碳恢復(fù)，并將恢復(fù)的反演有機(jī)碳數(shù)值與地球生物學(xué)正演計算得出的埋藏有機(jī)碳數(shù)量做了對比，由此實現(xiàn)了正演方法與反演方法的對接和校正。杜遠(yuǎn)生等［18］通過對反映古生產(chǎn)力的生物化石的綜合分析研究，提出了該區(qū)各種沉積類型的生境型模式，并編制了反映生境型幾種主要圖形，進(jìn)一步完善了地球生物相的分析方法。郄文昆等［19，20］通過對華南地區(qū)石炭紀(jì)－早二疊世早期成冰期和廣西巴平剖面地球生物相分析，探討石炭系盆地相烴源巖形成的地球生物學(xué)過程，找到了控制著盆地中有機(jī)質(zhì)沉積和保存、影響盆地相烴源巖的形成與分布的主要原因，有較高的可信度。曹婷婷等［22］針對四川盆地南江楊壩地區(qū)下寒武統(tǒng)地層開展地球生物學(xué)研究，通過野外觀察采樣、實驗室測試計算，對該地區(qū)下寒武統(tǒng)剖面地層的古生物化石、巖石微量元素等的特征進(jìn)行了分析，探討該地區(qū)烴源巖形成的地球生物學(xué)過程和生物相參數(shù)，指出該區(qū)下寒武統(tǒng)地層烴源巖發(fā)育的有利層段，取得了較好效果。

4 結(jié) 語

我國頁巖氣資源潛力巨大，富天然氣頁巖形成過程十分復(fù)雜。頁巖氣勘探和研究尚處于早期階段，尤其需要依靠理論上和技術(shù)上的創(chuàng)新，實現(xiàn)頁巖氣的有效勘探開發(fā)。傳統(tǒng)烴源巖評價方法 （反演方法）在高成熟度地區(qū)的應(yīng)用存在一定的局限性。地球生物學(xué)烴源巖評價方法 （正演法）能夠計算出有機(jī)體在經(jīng)歷地?zé)?、?gòu)造和變質(zhì)改造前的初始的總烴量?？梢宰鳛閭鹘y(tǒng)烴源巖評價方法一個有用的補(bǔ)充工具，它的主要優(yōu)點是不受晚期成巖改造的影響，以及高－過成熟的影響，因此可以在高－過成熟區(qū)應(yīng)用。

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Hydrocarbon Source Rock Evaluation Methods on Shale Gas Reservoir in High and Over-Matured Areas

WU Kan（Author’s Address：College of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan430074，Hubei，China）

In China，shale gas existed earlier in sedimentary times with high organic matter evolution and complex geological structure，it was inappropriate to mechanically apply the method from United States on the theory and practice of the shale gas exploration and development.Shale gas was quite different with conventional gas in structural conditions，occurrence mode，occurrence space，reservoir characteristics and enrichment mechanism，and it was not suitable to use the evaluation methods of conventional gas reservoir to evaluate the shale gas resources.The new geobiological theory，which took the forward modeling to evaluate the hydrocarbon source rocks，provides a feasible way for evaluating the high thermal maturity and low abundance of organic matter.It is worth exploring the application of geobiological methods for the evaluation of shale gas reservoir.

shale gas；geologic feature；high-over matured area；hydrocarbon source rock evaluation；geobiology

TE122.1

A

1000-9752（2012）10-0037-03

2012-03-16

國家自然科學(xué)基金項目 （40839903）；中國地質(zhì)調(diào)查局項目 （1212011220796）。

吳勘 （1984-），男，2008年長江大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事地層古生物與油氣成藏方面的學(xué)習(xí)與研究工作。

［編輯］ 宋換新