論四川盆地頁巖氣資源勘探開發(fā)前景

董大忠 高世葵 黃金亮 管全中 王淑芳 王玉滿

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心 3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）

自從1821年北美首次發(fā)現(xiàn)頁巖氣以來，頁巖氣勘探開發(fā)已有近200年的歷史，但近10年來才實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。據(jù)美國能源信息署（EIA）2014年的數(shù)據(jù)，2013年北美頁巖氣年產(chǎn)量已超過3 500×108m3［1］，其中美國超過3 200×108m3、加拿大約為300×108m3。中國頁巖氣資源豐富，據(jù)國土資源部2012年的預(yù)測(cè)結(jié)果［2］，頁巖氣地質(zhì)資源量為134.4×1012m3，技術(shù)可采資源量為25.08×1012m3，具有較大的發(fā)展前景。為推動(dòng)中國頁巖氣勘探開發(fā)，針對(duì)四川盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖十分發(fā)育、頁巖氣資源潛力大的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，中國率先在四川盆地開展了頁巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)［3－4］。

四川盆地一直是中國天然氣勘探開發(fā)最具潛力的區(qū)域，大型整裝常規(guī)氣田既有2003年發(fā)現(xiàn)的普光氣田，也有2012年新發(fā)現(xiàn)的安岳龍王廟氣田。該盆地非常規(guī)天然氣資源量更為豐富，致密氣資源已在川東、川西等地區(qū)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)。該盆地1966年在威5井下寒武統(tǒng)筇竹寺組、20世紀(jì)80年代在陽63井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組先后獲得頁巖氣發(fā)現(xiàn)。2005年引入北美頁巖氣新概念后，2010年威201井在筇竹寺組、五峰組—龍馬溪組實(shí)現(xiàn)了頁巖氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略性突破，一舉發(fā)現(xiàn)了上述2套優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層，成為中國頁巖氣勘探開發(fā)歷史性起點(diǎn)，掀起了中國頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮。時(shí)隔4年，2014年在涪陵焦石壩地區(qū)探明了中國首個(gè)千億立方米大型頁巖氣田［5］，落實(shí)了50×108m3／a產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了四川盆地頁巖氣工業(yè)化生產(chǎn)，成為中國頁巖氣勘探開發(fā)歷史性轉(zhuǎn)折點(diǎn)，掀起了中國頁巖氣勘探開發(fā)新的高潮［6－8］。

四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)在較大程度上反映和影響了中國頁巖氣未來的發(fā)展前景，為實(shí)現(xiàn)中國頁巖氣勘探開發(fā)快速發(fā)展，筆者在系統(tǒng)總結(jié)近期四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，分析了四川盆地沉積演化及富有機(jī)質(zhì)頁巖特征，闡述了海相頁巖氣形成富集條件及關(guān)鍵控制因素，指出了四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)面臨的重大挑戰(zhàn)，預(yù)測(cè)了四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)前景，以期為中國頁巖氣規(guī)模發(fā)展提供理論與技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于四川省和重慶市所屬轄區(qū)，北界為米倉山、大巴山，南界為大涼山、婁山，西界為龍門山、邛崍山，東界為七曜山（也稱齊岳山），面積約19×104km2（圖1）。四川盆地油氣勘探開發(fā)60余年，累計(jì)發(fā)現(xiàn)天然氣田115個(gè)，開發(fā)天然氣田110個(gè)，2013年天然氣年產(chǎn)量約243×108m3，占中國天然氣總產(chǎn)量的20%，是中國重要的天然氣生產(chǎn)區(qū)。

四川盆地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子地臺(tái)西部重要的一級(jí)單元，為大型古老疊合沉積盆地，基底為前震旦系變質(zhì)巖及巖漿巖，受特提斯構(gòu)造域、太平洋構(gòu)造域的影響，經(jīng)歷了震旦紀(jì)—中三疊世克拉通地臺(tái)沉積、晚三疊世—新生代前陸盆地沉積2大沉積演化階段。印支運(yùn)動(dòng)前，四川盆地為揚(yáng)子古海盆的一部分，受揚(yáng)子地臺(tái)發(fā)展所控制，震旦系、寒武系、奧陶系、志留系在半深水—深水陸棚相區(qū)沉積了豐富的富有機(jī)質(zhì)頁巖，在加里東、海西運(yùn)動(dòng)影響下，盆地邊緣、樂山—龍女寺古隆起等局部區(qū)域頁巖地層遭受剝失。泥盆系、石炭系沉積期，四川盆地—黔北地區(qū)上升隆起，大面積缺失該期沉積。早印支運(yùn)動(dòng)后，四川盆地轉(zhuǎn)向大型內(nèi)陸坳陷—前陸盆地沉積演化階段，沉積了湖相、湖沼相頁巖。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)盆地全面褶皺回返，形成了盆地以北東向?yàn)橹鞯鸟薨櫤蛿嗔洋w系。

四川盆地沉積巖總厚度介于7 000～12 000m。震旦系—中三疊統(tǒng)屬海相沉積巖，厚度介于4 000～7 000m；上三疊統(tǒng)—第四系屬陸相沉積巖，厚度介于3 000～5 000m［9－14］。四川盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖豐富，區(qū)域性富有機(jī)質(zhì)頁巖有6套，自下而上分別是：上震旦統(tǒng)陡山沱組、下寒武統(tǒng)筇竹寺組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、上三疊統(tǒng)須家河組及下侏羅統(tǒng)自流井組（—沙溪廟組）（圖1、表1）。其中，陡山沱組厚度介于15～120m，總有機(jī)碳含量（TOC）大于2%的頁巖厚度介于10～70m；筇竹寺組在盆地南部、東北部厚度為400～600m，TOC＞2%的頁巖厚度介于60～150m；五峰組—龍馬溪組在盆地南部、東北部、北部厚度均在300～600m，TOC＞2%的頁巖厚度介于80～120m；龍?zhí)督M為海陸過渡相煤系碳質(zhì)頁巖，厚度介于20～125m，TOC＞2%的頁巖厚度介于20～52m；須家河組為湖沼相煤系頁巖，厚度介于100～800m，TOC＞2%的頁巖厚度介于25～60m；自流井組為半深水—深水湖相頁巖，川中、川北和川東地區(qū)厚度為40～240m，TOC＞2%的頁巖厚度介于20～40m。研究認(rèn)為，上述6套富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大、區(qū)域分布穩(wěn)定，有機(jī)碳含量高，成熟度高（Ro＞1.0%），以生氣為主，均具有良好的頁巖氣資源前景，其中五峰組—龍馬溪組是四川盆地頁巖氣最現(xiàn)實(shí)的勘探開發(fā)層系。

表1 四川盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖基本特征表

2 四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)新進(jìn)展

四川盆地是中國頁巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)基地［3－4］，頁巖氣勘探開發(fā)起步早，已歷時(shí)近10年，可劃分為6個(gè)發(fā)展階段（圖2）。2005年程克明、董大忠、李新景等借鑒美國頁巖氣勘探開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，從四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)古生界海相頁巖入手，開展全盆地頁巖氣形成富集條件與資源前景評(píng)價(jià)［15－19］。2010年評(píng)價(jià)鉆探的威201井在五峰組—龍馬溪組、筇竹寺組率先取得中國頁巖氣突破，2014年長寧—威遠(yuǎn)、焦石壩等區(qū)塊建成了規(guī)模產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。迄今，以中國石油天然氣股份有限公司（以下簡稱中國石油）、中國石油化工股份有限公司（以下簡稱中國石化）為主體的石油企業(yè)和以四川省能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡稱四川能投）、重慶市能源投資集團(tuán)公司（以下簡稱重慶能投）為核心的地方企業(yè)等，在長寧—威遠(yuǎn)、富順—永川、昭通北、焦石壩、犍為等區(qū)塊的古生界海相頁巖，涪陵、建南、元壩、新場(chǎng)等區(qū)塊的中生界湖沼相煤系、湖相頁巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了頁巖氣，建立了長寧—威遠(yuǎn)、富順—永川、焦石壩、昭通北4個(gè)海相頁巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，初步形成了25×108m3／a的頁巖氣產(chǎn)能，預(yù)計(jì)2014年頁巖氣產(chǎn)量將在12×108m3左右。研究與實(shí)踐成果均證實(shí)，四川盆地頁巖氣資源豐富，能夠形成較好的工業(yè)產(chǎn)能，發(fā)展前景優(yōu)于中國其他地區(qū)，是中國頁巖氣勘探開發(fā)最有利和最重要的地區(qū)。

圖2 四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)程示意圖

2.1 下古生界五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)

五峰組—龍馬溪組頁巖以半深水—深水陸棚相沉積為主，分布廣、厚度大、TOC高、Ro高、脆性好、孔隙—裂縫發(fā)育，頁巖氣生成富集條件優(yōu)越。五峰組—龍馬溪組厚300～600m，從上至下由3個(gè)巖性段組成（圖3）。上部巖性段為龍馬溪組三段（以下簡稱龍三段），由雜色黏土質(zhì)頁巖夾薄層碳酸鹽巖組成，厚120～400m，有機(jī)質(zhì)豐度低（TOC一般小于1%），構(gòu)成了五峰組—龍馬溪組頁巖氣的重要蓋層。中部巖性段為龍馬溪組二段（以下簡稱龍二段），以粉砂質(zhì)頁巖為主間夾薄層極細(xì)砂巖、粉砂巖，厚40～100m，有機(jī)質(zhì)豐度高（TOC介于1%～2%），為潛在的頁巖氣層段。最下部巖性段為五峰組—龍馬溪組一段（以下簡稱龍一段），由黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、富筆石頁巖組成，厚80～120m，有機(jī)質(zhì)豐度極高（TOC平均值大于3.0%），為優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段。其中龍一段底部厚30～50m，以富生物硅質(zhì)、鈣質(zhì)頁巖為主，TOC介于3.0%～6.0%，孔隙度介于4.0%～6.0%，含氣量介于4～7m3／t，壓力系數(shù)介于1.2～2.0，與北美優(yōu)質(zhì)頁巖氣層地質(zhì)特征相當(dāng)，為五峰組—龍馬溪組的頁巖氣主力產(chǎn)層段（表2）［2，11，13，20－23］。

2010年威遠(yuǎn)區(qū)塊的第一口頁巖氣井——威201井在五峰組—龍馬溪組獲日產(chǎn)氣（0.3～1.7）×104m3，實(shí)現(xiàn)了中國頁巖氣勘探開發(fā)戰(zhàn)略性突破；2011年長寧區(qū)塊的第一口頁巖氣水平井——寧201－H1井在五峰組—龍馬溪組獲日產(chǎn)氣15.0×104m3，富順—永川區(qū)塊的水平井——陽201－H2井在五峰組—龍馬溪組獲日產(chǎn)氣43.0×104m3，實(shí)現(xiàn)了中國頁巖氣勘探開發(fā)商業(yè)氣流突破；2012年焦石壩區(qū)塊焦頁1HF—焦頁4HF連續(xù)4口井在五峰組—龍馬溪組都獲高產(chǎn)氣流，日產(chǎn)氣（20.3～36.3）×104m3，投入試采穩(wěn)定日產(chǎn)氣（5.5～30）×104m3，由此掀起了四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)新熱潮。2009年四川盆地確定以古生界海相頁巖氣作為勘探目標(biāo)以來，先后發(fā)現(xiàn)了長寧—威遠(yuǎn)、昭通、富順—永川、焦石壩等五峰組—龍馬溪組頁巖氣產(chǎn)區(qū)。至2014年7月，四川盆地完成二維地震10 515 km，三維地震1 345.5km2；發(fā)現(xiàn)了五峰組—龍馬溪組頁巖氣兩種富集模式：構(gòu)造斜坡—裂縫型頁巖氣富集模式和背斜—裂縫型頁巖氣富集模式（圖4）；落實(shí)了有利頁巖氣勘探開發(fā)面積2.0×104～2.5×104km2，頁巖氣可采資源量3.38×1012m3，確定了75×108m3／a產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)；完鉆頁巖氣井142口（其中水平井125口），壓裂獲氣井105口，投產(chǎn)氣井60口；水平井單井初始測(cè)試產(chǎn)量（1.0～54.7）×104m3／d，試采日產(chǎn)頁巖氣435×104m3；落實(shí)三級(jí)頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量超5 000×108m3，其中探明地質(zhì)儲(chǔ)量1 067.5×108m3，初步建成頁巖氣25×108m3／a產(chǎn)能，累計(jì)產(chǎn)氣7.0×108m3，初步實(shí)現(xiàn)了頁巖氣規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。

圖3 五峰組—龍馬溪組地層綜合柱狀圖

表2 五峰組—龍馬溪組與北美頁巖氣層地質(zhì)特征對(duì)比表

圖4 五峰組—龍馬溪組頁巖氣兩種富集模式圖

2.2 下古生界筇竹寺組頁巖氣實(shí)現(xiàn)重要發(fā)現(xiàn)

與五峰組—龍馬溪組相似，筇竹寺組是四川盆地又一個(gè)以半深水—深水陸棚相沉積為主形成的黑色頁巖地層，厚200～600m，TOC＞2%頁巖厚度介于60～150 m。下部為硅質(zhì)頁巖夾碳質(zhì)頁巖，普遍含磷礦石；中部以碳質(zhì)頁巖為主，間夾白云巖及砂質(zhì)白云巖；上部為深灰色、灰綠色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖條帶。筇竹寺組頁巖分布廣、富有機(jī)質(zhì)頁巖集中段厚度大、巖石脆性好，是海相頁巖氣較有潛力的重要目的層系［12－14，17，24］。

筇竹寺組頁巖氣早在1966年就于威5井被發(fā)現(xiàn)過，當(dāng)年威5井在無任何措施情況下筇竹寺組頁巖日產(chǎn)氣（2.35～2.46）×104m3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年頁巖氣勘探前，四川盆地約有107口常規(guī)油氣井鉆遇筇竹寺組頁巖，其中41口井見到了良好的氣顯示［14］。開展頁巖氣勘探以來，四川盆地內(nèi)筇竹寺組頁巖氣層鉆井4口（直井3口、水平井1口井），其中3口井獲工業(yè)氣流，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣重要發(fā)現(xiàn)。威201井日產(chǎn)氣1.08×104m3，金石1井日產(chǎn)氣2.50×104m3，威201－H3井日產(chǎn)氣2.83×104m3，寧206井產(chǎn)水無氣。四川盆地以外筇竹寺組鉆井約20口，只有不到40%的井見到氣顯示或低產(chǎn)氣流，其余井均不含氣或產(chǎn)水。研究認(rèn)為，筇竹寺組頁巖氣形成富集條件較五峰組—龍馬溪組存在明顯差異，筇竹寺組頁巖生物成因硅質(zhì)、鈣質(zhì)含量少，時(shí)代老（距今約5.7億年），熱演化程度高（Ro介于2.5%～5.0%），構(gòu)造改造程度強(qiáng)，儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)有明顯碳化現(xiàn)象，儲(chǔ)集物性差（孔隙度介于1.5%～4.2%、平均為2.4%），含氣性低（含氣量介于0.5～4.0m3／t、平均為1.29m3／t）［24－25］。

2.3 三疊系—侏羅系陸相頁巖氣見到好苗頭

四川盆地頁巖氣勘探不僅在海相實(shí)現(xiàn)了重大突破，在陸相也見到了好苗頭。初步評(píng)價(jià)，四川盆地陸相上三疊統(tǒng)須家河組和下侏羅統(tǒng)自流井組頁巖氣前景較好。須家河組自下而上沉積演化表現(xiàn)為一個(gè)由海相—海陸過渡相—陸相的完整沉積旋回［26－27］，形成了一套廣覆式分布的海陸過渡相—湖沼相煤系頁巖組合，頁巖發(fā)育在須一段、須三段和須五段，以須五段為主［28］，巖性為黑色頁巖、薄層粉砂巖互層夾薄煤層或煤線。頁巖總厚度介于100～800m，須一段頁巖厚10～300 m，單層最大厚度達(dá)60m，分布以川西坳陷中南段為主；須三段頁巖厚10～200m，單層最大厚度達(dá)50m，分布以川西坳陷中段為主；須五段頁巖厚20～200m，單層最大厚度達(dá)50m，分布在川西坳陷中南部—川中地區(qū)。須家河組頁巖TOC介于1.2%～5.0%（須五段最高，平均為2.35%，最高達(dá)16.33%），有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型為主，熱演化成熟度處于成熟—高成熟階段（Ro介于1.06%～2.40%、平均為1.43%），脆性礦物含量介于41.3%～80.2%、平均為51.67%，含氣量測(cè)試值介于1.18～3.77m3／t、平均為2.55m3／t。

下侏羅統(tǒng)自流井組經(jīng)歷了早期湖侵期、中期最大湖侵和晚期湖退3個(gè)沉積充填演化階段，形成了一套以湖相頁巖夾粉砂巖為主，富含石灰?guī)r、介殼灰?guī)r為特征的內(nèi)陸湖盆沉積巖，從下至上分為珍珠沖、東岳廟、馬鞍山、大安寨4個(gè)巖性段。頁巖為半深湖—深湖相沉積，發(fā)育在大安寨、東岳廟和珍珠沖3個(gè)巖性段［27］，頁巖總厚度介于20～240m，閬中—宣漢—萬州一帶厚度較大（普遍超過100m），川西南—川西厚度較薄（介于20～50m），長壽—川東南厚80～100m。頁巖TOC介于0.2%～2.4%（大安寨段介于 0.58%～3.81%、平均為1.44%，東岳廟段介于0.94%～2.8%、平均為1.87%），有機(jī)質(zhì)類型以混合型為主，熱成熟度處于成熟—高成熟階段（Ro介于0.9%～1.6%、平均為1.3%），脆性礦物含量介于30%～54%、平均為41.53%，含氣量測(cè)試值介于0.27～5.9m3／t、平均為2.23m3／t。

2010年—2012年，中國石化針對(duì)陸相須家河組、自流井組的頁巖氣勘探，在建南、涪陵、新場(chǎng)、元壩等區(qū)塊鉆探了近20口井（表3），經(jīng)過大型水力加砂體積壓裂改造，頁巖氣測(cè)試初始產(chǎn)量為（0.26～50.70）×104m3／d，證實(shí)了陸相頁巖氣的存在，有效壓裂改造后可獲高產(chǎn)頁巖氣流。但遺憾的是，經(jīng)建南、新場(chǎng)等區(qū)塊的試采，陸相頁巖氣穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間非常短，產(chǎn)量遞減快且有水產(chǎn)出，至今尚無陸相頁巖氣能形成有效工業(yè)產(chǎn)能。

2.4 初步形成勘探開發(fā)配套技術(shù)與管理體系

經(jīng)過近10年的勘探實(shí)踐，初步形成了一套適合于四川盆地頁巖氣地質(zhì)特征、頁巖氣產(chǎn)層埋深3 500m以淺的勘探開發(fā)配套技術(shù)與管理體系（表4）。配套勘探開發(fā)技術(shù)包括優(yōu)質(zhì)頁巖（氣層）評(píng)價(jià)方法、水平井優(yōu)快鉆井技術(shù)、大型體積壓裂改造技術(shù)和“井工廠化”作業(yè)模式。在焦石壩、長寧等區(qū)塊已具備水平井1 500～2 000m水平段一趟鉆鉆井和10～15級(jí)（最高26級(jí)）體積壓裂改造能力，建立了一個(gè)平臺(tái)4～8口水平井的鉆井、完井、壓裂、生產(chǎn)交叉施工的“井工廠化”生產(chǎn)作業(yè)模式，單井鉆井時(shí)間由156天大幅度縮減至50天，最快鉆井周期僅36天。

表3 四川盆地陸相頁巖氣井測(cè)試初始產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

表4 頁巖氣勘探開發(fā)配套技術(shù)與管理體系匯總簡表

組織管理體系摸索方面，建立了有效的組織機(jī)構(gòu)、一體化組織管理模式。圍繞頁巖氣“勘探、生產(chǎn)、成本、安全、環(huán)?！钡确矫嬷朴喠酥苊苡行虻倪\(yùn)行計(jì)劃、操作手冊(cè)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程有章可循、規(guī)范運(yùn)轉(zhuǎn)。規(guī)范了施工組織、內(nèi)部競爭、追求最佳服務(wù)、保證技術(shù)執(zhí)行到位等，油公司科研、設(shè)計(jì)院所直接參與工程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)問題解決。創(chuàng)建了融洽雙贏的企地關(guān)系，地方政府從用地、用水等方面大力支持，企業(yè)增加當(dāng)?shù)鼐蜆I(yè)機(jī)會(huì)，支持地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3 高成熟海相頁巖氣富集條件認(rèn)識(shí)

研究認(rèn)為五峰組—龍馬溪組頁巖氣形成富集高產(chǎn)主要由“四大因素”控制：沉積環(huán)境、巖相組合、熱演化程度、構(gòu)造保存。

3.1 海相半深水—深水陸棚沉積、富有機(jī)質(zhì)頁巖穩(wěn)定分布，是五峰組—龍馬溪組頁巖氣形成的有利相帶

較大規(guī)模（連續(xù)厚度大、分布面積大）富有機(jī)質(zhì)頁巖是頁巖氣形成富集的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。富有機(jī)質(zhì)頁巖的形成有兩個(gè)重要條件：①水體中生物豐富，能為頁巖提供充足的有機(jī)物質(zhì)；②水體安靜、缺氧、沉積物充分，能為有機(jī)物質(zhì)有效保存提供良好環(huán)境。海相半深水—深水陸棚相具有水深、水體循環(huán)性差、易形成水體下部貧氧或缺氧條件，是富有機(jī)質(zhì)頁巖形成的有利沉積環(huán)境。

奧陶紀(jì)末—志留紀(jì)初，在全球持續(xù)性海平面上升背景下，揚(yáng)子板塊所處區(qū)域普遍海侵，上揚(yáng)子克拉通地臺(tái)在川中隆起、黔中隆起和雪峰隆起3個(gè)古隆起控制下，于四川盆地及周緣形成了川南—黔北、川東—鄂西大面積低能、欠補(bǔ)償、缺氧的海相半深水—深水陸棚相環(huán)境，沉積了五峰組—龍馬溪組大套巖性單一、細(xì)粒、厚度大、富有機(jī)質(zhì)、富硅質(zhì)／鈣質(zhì)黑色頁巖（圖5）。如前所述，五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖集中段位于其底部，TOC＞2%，連續(xù)厚度大（一般介于20～100 m），橫向分布穩(wěn)定。據(jù)實(shí)鉆資料統(tǒng)計(jì)，富順—永川地區(qū)集中段頁巖厚度介于40～100m，威遠(yuǎn)地區(qū)厚度介于30～40m，長寧地區(qū)厚度介于30～60m，涪陵地區(qū)厚度介于38～45m［9，21－29］。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，熱裂解成氣，為五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏提供了重要?dú)庠?/h3>

五峰組—龍馬溪組主力頁巖氣層段有機(jī)碳含量高，且由上至下不斷增高，全層段有機(jī)碳含量大于2.0%，一般為2.5%～4.0%，最高達(dá)8.6%。威遠(yuǎn)構(gòu)造區(qū)有機(jī)碳含量介于2.7%～3.0%，長寧構(gòu)造區(qū)有機(jī)碳含量介于3.1%～4.0%，焦石壩構(gòu)造區(qū)有機(jī)碳含量介于3.2%～3.8%。有機(jī)質(zhì)類型好，均為腐泥型—混合型。熱演化程度適中，Ro介于2.1%～3.6%，一般小于3.0%，屬高成熟原油熱裂解有效成氣階段。鉆探證實(shí)，全區(qū)五峰組—龍馬溪組普遍含氣，大面積聚集。與五峰組—龍馬溪組頁巖相比，筇竹寺組頁巖TOC雖然也較高，但其含氣量卻不足，普遍低于2.0m3／t（圖6），測(cè)試初始產(chǎn)量為（1.0～2.8）×104m3／d。分析大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后認(rèn)為，筇竹寺組頁巖熱演化程度過高（Ro均大于3.0%），造成頁巖儲(chǔ)層碳化，有機(jī)質(zhì)孔隙度降低［24－25］，含氣量低，產(chǎn)能較小。

圖5 五峰組—龍馬溪組早期（SQ2）沉積相圖

圖6 五峰組—龍馬溪組與筇竹寺組含氣特征對(duì)比圖

3.3 富硅質(zhì)、富鈣質(zhì)頁巖，發(fā)育基質(zhì)孔隙和裂縫，形成了五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)集層

硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖是頁巖氣儲(chǔ)層最有利的巖石相。五峰組—龍馬溪組頁巖氣主力產(chǎn)層以硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖為主，富含放射蟲、海綿骨針等微體化石。硅質(zhì)、鈣質(zhì)成因部分為生物和生物化學(xué)成因［30］，高硅高鈣有利于形成頁巖基質(zhì)孔隙與裂縫。五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)集空間由基質(zhì)孔隙和裂縫兩部分構(gòu)成?；|(zhì)孔隙發(fā)育黏土礦物晶間孔、有機(jī)質(zhì)納米孔和碎屑顆粒粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔等多種孔隙空間，一般孔徑介于5～200nm。黏土礦物晶間孔、有機(jī)質(zhì)納米孔是頁巖氣主要的儲(chǔ)集空間類型。

不同構(gòu)造背景下，五峰組—龍馬溪組頁巖發(fā)育豐富的頁理縫、構(gòu)造縫、節(jié)理縫等裂縫性儲(chǔ)集空間，在構(gòu)造褶皺區(qū)往往構(gòu)成網(wǎng)狀裂縫體系。天然裂縫的大量存在，不僅為頁巖氣富集提供了充足的空間，而且還可以降低頁巖儲(chǔ)層改造的起裂壓力，易形成人造裂縫網(wǎng)絡(luò)，增大人工改造的裂縫總體積。五峰組—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)集物性優(yōu)越，孔隙度介于2.78%～7.08%、平均為4.65%，滲透率介于42～1 900nD、平均為412.79 nD，達(dá)到優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的孔滲條件。

3.4 構(gòu)造穩(wěn)定、保存條件優(yōu)越、地層超壓，有利于五峰組—龍馬溪組頁巖氣的富集與高產(chǎn)

與北美相比，四川盆地經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，頁巖地層遭受不同程度地破壞［31－32］。為此，需要尋找構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的復(fù)背（向）斜地區(qū)，頁巖地層未被斷層、褶皺破壞，大面積連續(xù)分布。蜀南長寧頁巖氣主產(chǎn)區(qū)位于川南低陡構(gòu)造帶長寧背斜西南翼部，是背斜構(gòu)造背景下平緩的向斜構(gòu)造，遠(yuǎn)離斷裂，尤其是通天斷裂。五峰組—龍馬溪組地層產(chǎn)狀平緩，無大型斷裂帶發(fā)育，保存條件相對(duì)較好，有利于形成頁巖氣核心區(qū)。目前，已成為川南海相頁巖氣重點(diǎn)勘探開發(fā)地區(qū)，水平井單井平均日產(chǎn)量為10×104m3／d。而在盆地外圍構(gòu)造區(qū)頁巖氣含氣性普遍很差，云南昭通的昭101井含氣量只有0.17～0.51m3／t、平均為0.33m3／t，鉆探未獲工業(yè)油氣流。

北美以及中國頁巖氣高產(chǎn)井均表現(xiàn)出異常高壓的狀況。地層超壓是頁巖儲(chǔ)層保存條件好的重要表現(xiàn)，頁巖氣單井產(chǎn)量與壓力系數(shù)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)榈貙訅毫Ω叨鄶?shù)是由于有機(jī)質(zhì)生烴增壓作用，持續(xù)排烴，含氣性好，產(chǎn)量高（表5）。

表5 地層壓力與頁巖氣產(chǎn)量關(guān)系表

勘探表明，四川盆地內(nèi)部五峰組—龍馬溪組地層壓力系數(shù)均大于1.2，普遍超壓，其頁巖層段含氣量一般大于4m3／t，如長寧地區(qū)為4.1m3／t，涪陵為6.1 m3／t等。龍馬溪組含氣量普遍好于筇竹寺組，詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖產(chǎn)層上覆巨厚的黏土質(zhì)頁巖，塑性好，下伏泥質(zhì)含量高、穩(wěn)定性好的寶塔組石灰?guī)r，兩者裂縫均不發(fā)育，因此自封閉能力強(qiáng)，形成超壓頁巖氣層；而筇竹寺組上部為裂縫性砂質(zhì)頁巖與石灰?guī)r，下部為風(fēng)化型白云巖含水層，水動(dòng)力活躍，氣體逸散嚴(yán)重，造成其含氣量低（圖7）。

圖7 五峰組—龍馬溪組與筇竹寺組頁巖氣保存條件模式圖

4 面臨的主要挑戰(zhàn)

四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)雖已在地質(zhì)認(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)方法、勘探開發(fā)技術(shù)等方面取得突破性進(jìn)展，但是離實(shí)現(xiàn)有效規(guī)模開發(fā)路還很長，仍還面臨著地質(zhì)認(rèn)識(shí)深化、技術(shù)水平發(fā)展、環(huán)境保護(hù)加強(qiáng)、開發(fā)成本降低等一系列挑戰(zhàn)，歸納如下。

4.1 頁巖氣資源富集“甜點(diǎn)區(qū)”不完全清楚

北美頁巖氣成功的諸多因素中，“地質(zhì)、資源”是最重要和首要的因素。選擇“資源稟賦、儲(chǔ)層質(zhì)量和鉆完井條件”俱佳的“核心區(qū)”鉆井，才能獲得高的單井產(chǎn)量、高的單井最終可采儲(chǔ)量（EUR）和好的經(jīng)濟(jì)效益。頁巖氣勘探并非總是成功的，頁巖氣資源的非均質(zhì)性比其他任何油氣資源的都要強(qiáng)，用“一區(qū)一井”的結(jié)果去預(yù)測(cè)“另一區(qū)另一井”的結(jié)果會(huì)存在著極大的不確定性。頁巖氣資源富集“甜點(diǎn)區(qū)”依地質(zhì)預(yù)測(cè)、實(shí)鉆評(píng)價(jià)后才能確定。中國地質(zhì)背景整體情況十分復(fù)雜，南方地區(qū)尤為典型。南方海相頁巖分布地域廣，形成時(shí)間早，演化程度高，構(gòu)造變動(dòng)多，埋深變化大，頁巖氣形成富集規(guī)律復(fù)雜，目前所揭示的古生界海相頁巖氣富集條件主要源于四川盆地的五峰組—龍馬溪組，源于長寧—威遠(yuǎn)、焦石壩等試驗(yàn)區(qū)，能否具有普遍性，需要進(jìn)一步勘探實(shí)踐去驗(yàn)證。對(duì)于其他地區(qū)、其他層系的頁巖氣形成富集條件、資源富集“甜點(diǎn)區(qū)”分布規(guī)律還尚不清楚，需進(jìn)一步由勘探開發(fā)實(shí)踐來發(fā)現(xiàn)、證實(shí)。

4.1.1 筇竹寺組頁巖氣富集條件不確定，資源風(fēng)險(xiǎn)大

盡管筇竹寺組在個(gè)別井獲得工業(yè)氣流，但至今尚未建成產(chǎn)能，進(jìn)一步勘探開發(fā)資源風(fēng)險(xiǎn)不斷增大。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，筇竹寺組頁巖可能由于有機(jī)質(zhì)演化程度過高或者有機(jī)物質(zhì)類型不同，造成筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙不如五峰組—龍馬溪組頁巖發(fā)育［32－34］。更重要的是筇竹寺組的保存條件可能是其頁巖氣富集程度的致命弱點(diǎn)。盡管某種程度上頁巖氣富集對(duì)保存條件的要求可以比常規(guī)油氣的低些，但是如果沒有良好的保存條件或缺乏保存條件，即使其他條件都優(yōu)越同樣不能形成頁巖氣富集［23］（圖4、7，表6）。筇竹寺組頁巖氣資源總體風(fēng)險(xiǎn)較大，保存條件較好的地區(qū)才有可能存在有利資源富集的“甜點(diǎn)區(qū)”。

表6 筇竹寺組與龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征對(duì)比表

4.1.2 過渡相—陸相頁巖氣資源潛力及前景不明朗

須家河組、自流井組已有頁巖氣勘探發(fā)現(xiàn)，但未能在產(chǎn)能上取得突破，頁巖氣形成富集條件、資源富集“甜點(diǎn)區(qū)”分布規(guī)律和資源潛力不明朗［35］。研究認(rèn)為，陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖雖分布面積大，但集中段厚度小，橫向連續(xù)性差，有機(jī)質(zhì)以陸源生物為主，熱成熟度偏低，多數(shù)地區(qū)油氣共生，埋深較大或湖盆中心區(qū)成氣為主。同時(shí)，陸相頁巖黏土礦物含量高，成巖階段低，基質(zhì)孔隙與裂縫不發(fā)育，頁巖氣資源潛力有待于進(jìn)一步落實(shí)。

4.2 深度超過3 500m的深層頁巖氣資源開發(fā)技術(shù)尚不成熟

四川盆地頁巖氣資源豐富，占中國南方頁巖氣資源的65%。按深度分布，3 500m以深的深層頁巖氣資源占了50%以上［11－12］。研究和實(shí)踐證實(shí)，四川盆地深層構(gòu)造更為復(fù)雜，尤其是深層地應(yīng)力的復(fù)雜性較大程度地影響了頁巖氣水平井的鉆完井成功率和儲(chǔ)層體積壓裂效果，且隨著深度的增加，地應(yīng)力的影響作用增強(qiáng)。深度超過3 500m的深層頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)需要突破。據(jù)現(xiàn)有鉆井資料統(tǒng)計(jì)，3 500m以深頁巖氣井產(chǎn)量較低，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，無法形成有效工業(yè)油氣流（表7）。深度超過3 500m的深層頁巖氣資源開發(fā)主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：①目標(biāo)頁巖埋深大，構(gòu)造復(fù)雜，水平井鉆井工程事故率高，井眼軌跡控制難；②地層壓力高，儲(chǔ)層體積改造施工難度大，增產(chǎn)改造效果降低；③儲(chǔ)層物性可能會(huì)有所變差，單井產(chǎn)量低，EUR小，勘探開發(fā)成本高；④高溫、高壓條件下，施工配套工具、設(shè)備性能要求高等。

表7 深度超過4 000m深井頁巖氣測(cè)試產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

5 四川盆地頁巖氣發(fā)展前景預(yù)測(cè)

相對(duì)北美近200年的頁巖氣歷史，四川盆地頁巖氣起步較晚，迄今僅實(shí)現(xiàn)工業(yè)化起步。四川盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖層系多，頁巖氣資源豐富，隨著地質(zhì)認(rèn)識(shí)深化、勘探開發(fā)技術(shù)進(jìn)步，將會(huì)實(shí)現(xiàn)有效大發(fā)展，成為中國頁巖氣的重要支撐。

5.1 四川盆地頁巖層系多，頁巖氣資源豐富

前文已述，四川盆地共發(fā)育6套富有機(jī)質(zhì)頁巖，據(jù)2012年國土資源部全國頁巖氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果［2］，全國頁巖氣地質(zhì)資源量為134.4×1012m3、技術(shù)可采資源量為25.08×1012m3，其中四川盆地頁巖氣地質(zhì)資源量為40.02×1012m3、技術(shù)可采資源量為6.45×1012m3（表8），二者分別占全國頁巖氣資源總量的30%和26%。由此可見，四川盆地頁巖氣資源量十分豐富，具有良好的發(fā)展前景。

5.2 五峰組—龍馬溪組具備形成規(guī)模頁巖氣產(chǎn)量條件

同北美3個(gè)高產(chǎn)頁巖氣區(qū)帶類比（表9）［11］，五峰組—龍馬溪組產(chǎn)氣特征與其有著很好的相似性。涪陵焦石壩五峰組—龍馬溪組探明頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量1 067.5×108m3，控制預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量約2 000×108m3。長寧—威遠(yuǎn)、昭通落實(shí)三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量超過2 000×108m3。目前，五峰組—龍馬溪組已累計(jì)實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量7.0×108m3，中石油、中石化預(yù)計(jì)2015年建成75×108m3／a產(chǎn)能，屆時(shí)預(yù)計(jì)可年產(chǎn)頁巖氣50×108m3。此外，重慶能投、中國華電集團(tuán)公司等多家企業(yè)在四川盆地及周邊開展頁巖氣勘探，已完成了大量地質(zhì)研究和勘探評(píng)價(jià)工作，“十三五”期間若有所突破，則可進(jìn)一步增加四川盆地的頁巖氣儲(chǔ)產(chǎn)量。

表8 四川盆地頁巖氣資源量分布表

表9 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣產(chǎn)層與北美3個(gè)典型頁巖氣產(chǎn)層特征對(duì)比表

5.3 頁巖氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)

與Fort Worth盆地Barnett頁巖氣區(qū)帶類比［11］，預(yù)測(cè)四川盆地古生界海相頁巖氣產(chǎn)量有望實(shí)現(xiàn)300×108～600×108m3。Fort Worth盆地地頁巖氣有利區(qū)面積1.04×104km2，核心區(qū)面積4 162km2，頁巖氣技術(shù)可采資源量為1.25×1012m3，埋深介于2 000～2 500m，儲(chǔ)層有效厚度介于30～300m，平均厚度為60～90m，含氣量4.2～9.9m3／t，已鉆頁巖氣生產(chǎn)井15 000余口，2013年頁巖氣年產(chǎn)量為472.6×108m3（表10），最高年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到520×108m3（2011年）。

表10 古生界海相頁巖氣產(chǎn)量預(yù)測(cè)類比表

與其相比，四川盆地有利頁巖氣區(qū)面積9.43×104km2，核心區(qū)面積約6.44×104km2，估算頁巖氣技術(shù)可采資源量2.64×1012m3。頁巖埋深一般介于1 500～4 500m，儲(chǔ)層厚度介于30～120m，平均厚度為60m，含氣量介于2.0～4.0m3／t，預(yù)計(jì)可形成年產(chǎn)頁巖氣300×108～600×108m3。

6 結(jié)論

1）四川盆地廣泛發(fā)育海相、海陸過渡相、陸相沉積地層，賦存6套富有機(jī)質(zhì)頁巖地層，頁巖氣形成與富集條件優(yōu)越，頁巖氣資源量豐富，具有良好的頁巖氣發(fā)展前景。實(shí)踐證實(shí)，下古生界海相五峰組—龍馬溪組是最有利頁巖氣層段，勘探開發(fā)已取得重大突破，初步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

2）四川盆地是目前中國頁巖氣開發(fā)最成功的地區(qū)，未來發(fā)展產(chǎn)量有望實(shí)現(xiàn)300×108～600×108m3。2014年四川盆地頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到12×108m3，2015年將成為該盆地頁巖氣發(fā)展重要的轉(zhuǎn)折期，若取得進(jìn)一步成功，將為中國頁巖氣發(fā)展提供重要支撐。

3）與北美相比，四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)起步較晚，仍面臨一系列挑戰(zhàn)，未來要實(shí)現(xiàn)頁巖氣規(guī)?；l(fā)展，深化資源認(rèn)識(shí)、發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、降低開發(fā)成本是必由之路。

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