頁巖氣成藏機理及分布規(guī)律研究對勘探開發(fā)的影響

羅楚湘，陳建飛

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

隨著近些年來我國經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，對能源的需求也大幅度增加，常規(guī)油氣資源的產(chǎn)量已經(jīng)無法滿足我國經(jīng)濟快速發(fā)展的需求，類似頁巖氣的新型清潔能源亟待加快勘探開發(fā)。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳質(zhì)頁巖中，以吸附態(tài)和游離態(tài)為主要存在方式的生物成因、熱成因或者生物—熱成因的連續(xù)型天然氣聚集[1]。頁巖氣資源儲量豐富，全球頁巖氣資源636.283×1012m3，其中技術(shù)可采資源量187×1012m3，主要分布在北美、北非、中東、中亞、中國和前蘇聯(lián)[2]。與美國頁巖氣相比，中國頁巖氣地質(zhì)特征具有明顯的獨特性，海相頁巖具有時代較老、構(gòu)造運動復(fù)雜、演化程度高、有機碳含量高、成熟度高等特征，主要產(chǎn)天然氣；陸相頁巖具有時代較新、埋藏較深、成熟度偏低、脆性礦物含量較低等特征，油氣兼產(chǎn)[3]。受中國頁巖氣藏獨特的地質(zhì)特征和成藏機理及分布規(guī)律影響，頁巖氣的成藏機理及分布規(guī)律研究對未來大規(guī)模頁巖氣勘探開發(fā)具有重大指導(dǎo)作用。

1 頁巖儲層特征及其特殊性的影響

頁巖氣，作為非常規(guī)天然氣的范疇，有著不同于常規(guī)天然氣氣藏的儲層特征：

（1）頁巖氣儲層既是烴源巖又是儲集層，具有一套獨立的油氣系統(tǒng)，生氣層、儲集層和蓋層均為其本身，為典型的“自生自儲”式氣藏[4]。

（2）由于頁巖氣賦存于泥頁巖或高碳質(zhì)頁巖類似巖層中，所以頁巖氣具有低孔、低滲的儲層物性特征。儲層巖石總孔隙度通常小于10%，含氣儲層的有效孔隙度通常為1%～5%[5]，基巖的滲透率極低，通常均小于1×10-3mD[6]。

（3）早前海陸相的沉積盆地環(huán)境決定了頁巖氣儲層面積一般很大，且常呈區(qū)域性、連續(xù)性分布。頁巖氣儲層的埋藏深度范圍較廣，從淺于200 m（最淺僅為8.2 m）到深至3 000 m都可能有頁巖氣藏[4]。這一儲層特征將直接影響頁巖氣藏的開采效率，較大的埋藏深度往往需要更高的成本投入，低孔低滲的儲層及其連續(xù)性分布特征在推動了水平井技術(shù)及井工廠技術(shù)發(fā)展的同時，也要求更高的鉆井技術(shù)和更多的初期成本的投入，對技術(shù)和經(jīng)濟來說都是舉足輕重的突破點。

（4）泥頁巖中天然氣賦存相態(tài)包括:游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)[7]。頁巖氣賦存相態(tài)的多樣性，無疑給勘探開發(fā)提出了難題，不管是在油價低沉的當(dāng)下還是在未來石油資源緊缺的后石油時代，多種相態(tài)共存開采技術(shù)不僅在開發(fā)方面還是在提高采收率方面始終是一個需要持續(xù)挖掘的新技術(shù)。

（5）頁巖氣藏儲層通常具有壓力異常，這主要取決于頁巖氣藏的成因類型。熱成因類型的頁巖氣藏一般為高壓異常，埋藏較深，然而生物成因類型的頁巖氣藏則一般為低壓異常，埋藏較淺[4]。

2 頁巖氣成藏機理及過程

受頁巖氣儲層特性的影響，其成藏過程復(fù)雜多變，除吸附和溶解外，活塞式推進和置換式運移也有不同程度發(fā)生，張金川等人從成藏條件出發(fā)，將頁巖氣成藏分為：吸附機理、活塞運聚機理或者置換運聚機理。根據(jù)不同的成藏機理，天然氣成藏過程可分為3個主要階段[1,8]，如表1。

表1 成藏過程階段表

在頁巖氣成藏過程中，其吸附機理和活塞式運聚機理共同作用控制頁巖氣藏中吸附態(tài)和游離態(tài)天然氣所占儲層孔隙空間的比例變化。所以，頁巖氣的成藏機理實質(zhì)是天然氣在頁巖儲層孔隙中賦存狀態(tài)之間的動態(tài)平衡[9]。

3 頁巖氣成藏控制因素及分布規(guī)律

地質(zhì)因素是頁巖氣成藏的主要控制因素，決定了頁巖氣能否成藏及其分布規(guī)律，主要包括有機碳含量、有機質(zhì)類型、有機質(zhì)成熟度、裂縫發(fā)育程度、孔隙度、滲透率、頁巖脆性礦物含量、頁巖厚度及礦物組成等[4]。

3.1 地質(zhì)因素

3.1.1 有機碳含量

有機碳含量是頁巖氣藏評價的一個重要指標(biāo)，是頁巖氣形成的重要地質(zhì)基礎(chǔ)，決定了頁巖的生烴強度。據(jù)調(diào)查北美頁巖氣高產(chǎn)層有機碳含量均基本超過2%。

3.1.2 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型即干酪根類型，是影響頁巖氣烴源巖生氣能力的重要因素。干酪根一般分為三種：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型干酪根，前兩種主要生油，第三種以生氣為主，北美頁巖氣高產(chǎn)層為Ⅱ型干酪根。

3.1.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度是確定有機質(zhì)生油氣的關(guān)鍵指標(biāo)。一般來說，Ro稍微高點好，因為頁巖生氣主要以干酪根熱降解、原油熱裂解等為主，Ro低，含氣量、產(chǎn)氣量越小，Ro越高，含氣量、產(chǎn)氣量就越大。北美頁巖氣產(chǎn)層Ro主要集中于1.0%～ 2.0%，屬于成熟—高熟階段。

3.1.4 裂縫發(fā)育程度

裂縫發(fā)育程度決定頁巖氣藏儲集空間的大小。裂縫發(fā)育有利于吸附態(tài)天然氣的解析和游離態(tài)天然氣的富集，提高了流體的滲流能力及壓裂效率，有效地提高了產(chǎn)能。所以構(gòu)造運動集中帶及微構(gòu)造發(fā)育帶通常是頁巖氣富集的重要場所。人工壓裂就是通過改善裂縫來提高流體的滲流能力增加產(chǎn)能。

3.1.5 其它地質(zhì)因素

孔隙度、滲透率、頁巖脆性礦物含量及頁巖厚度是評價儲層物性及其經(jīng)濟開采價值的重要參數(shù)[10]?？紫抖鹊拇笮∮绊懼坞x態(tài)天然氣的富集，滲透率影響著流體的滲流能力，脆性礦物含量越高，越利于頁巖的壓裂，有效厚度越大，儲層開采價值越高。

3.2 分布規(guī)律

頁巖氣成藏的分布規(guī)律主要受其地質(zhì)因素的影響，可歸納出一些典型頁巖氣藏分布規(guī)律：

（1）總有機碳含量高的頁巖氣藏含有豐富的烴源物質(zhì)基礎(chǔ)，故總有機碳含量高的泥頁巖儲層是頁巖氣成藏的最佳巖性，有利于頁巖氣藏氣源的富集分布。

（2）陸相沉積盆地中，湖沼相、三角洲相沉積通常是頁巖氣成藏的最佳條件，一般位于或相對接近于盆地的沉降—沉積中心處，故湖沼相、三角洲相沉積盆地中心處是頁巖氣藏的有利分布區(qū)[11]。

（3）頁巖氣儲層具有低孔、低滲的特征，即使儲層具有普遍含氣性的特點，頁巖氣藏主要還是分布于裂縫系統(tǒng)發(fā)育帶。因此，裂縫系統(tǒng)發(fā)育地段為頁巖氣富集的重要場所。

4 頁巖氣勘探開發(fā)策略

中國頁巖氣地質(zhì)特征的獨特性，決定了中國的頁巖氣勘探開發(fā)策略不能完全的照搬北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功案列，中國需要在足夠了解中國頁巖氣藏地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上參考北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗，總結(jié)出一套適合中國頁巖氣勘探開發(fā)的策略。頁巖氣勘探開發(fā)需要考慮的開發(fā)因素有決定頁巖氣藏是否具有經(jīng)濟開采價值的頁巖氣藏埋深、溫度與壓力等。

4.1 影響開發(fā)的因素

（1） 埋深。頁巖氣藏的埋深廣，從200 m至深3 000 m都可形成頁巖氣藏，其埋深直接影響著頁巖氣藏的經(jīng)濟價值和經(jīng)濟效益[10]，埋藏越深，經(jīng)濟成本越高，開發(fā)難度越大。

（2）壓力和溫度。壓力和溫度影響頁巖氣的富集，頁巖氣藏的壓力與吸附氣含量呈正相關(guān)關(guān)系，頁巖氣藏的溫度與吸附氣含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]。

4.2 頁巖氣的勘探開發(fā)

頁巖氣的勘探開發(fā)主要包括資源評價階段、氣田勘探階段和氣層開采階段3個主要階段[12]，其次，還包括開發(fā)增產(chǎn)階段，如表2。

表2 勘探開發(fā)表

4.2.1 成藏機理及分布規(guī)律對資源評價的影響

資源評價即評價頁巖氣藏的資源地質(zhì)儲量和在當(dāng)前技術(shù)條件下的經(jīng)濟可采性研究，同時挑選出有利區(qū)域來進一步勘探研究。頁巖氣儲層特征及成藏機理對頁巖氣資源評價影響巨大，其儲層特征中的儲層厚度、礦物成分、滲透率、孔隙度、裂縫發(fā)育程度等和頁巖氣成藏機理的有機碳含量、有機質(zhì)類型、成熟度、頁巖氣吸附能力等均一定程度上影響頁巖氣的資源評價。此外，頁巖氣藏的含氣性和可壓裂性(即脆性等力學(xué)性質(zhì))等因素影響頁巖氣的經(jīng)濟可采價值[12]。目前，主要采用實驗分析法、測井評價法、地震解譯法等對影響頁巖氣資源評價的因素進行研究，采用類比法、單井儲量估算法、容積法等方法來估算頁巖氣資源儲量[13]。

4.2.2 成藏機理及分布規(guī)律對頁巖氣勘探的影響

頁巖氣成藏機理及分布規(guī)律主要通過其儲層特性和成藏機理的差異來控制影響頁巖氣勘探方法的因素，即通過影響決定地球物理化學(xué)等勘探方法結(jié)果的關(guān)鍵性因素來影響頁巖氣勘探。

（1）地震勘探技術(shù)。頁巖氣藏的泥頁巖儲層與其上下圍巖的地震傳播速度有差異，在泥頁巖的頂?shù)捉缑嫣帟a(chǎn)生較強的波阻抗界面，再結(jié)合相應(yīng)錄井、測井等資料可以識別泥頁巖層。

（2）測井技術(shù)。測井解釋可進行儲層的評價和裂縫的預(yù)測，其儲層特征及裂縫發(fā)育程度及其分布規(guī)律將直接影響測井解釋的結(jié)果。

4.2.3 成藏機理及分布規(guī)律對頁巖氣開發(fā)的影響

頁巖氣獨特的地質(zhì)條件，需要水平井生產(chǎn)技術(shù)和壓裂技術(shù)相結(jié)合，配以特殊的完井技術(shù)來生產(chǎn)。

（1）水平井技術(shù)。目前頁巖氣藏勘探開發(fā)大多數(shù)采用直井勘探獲取地層參數(shù)和水平井生產(chǎn)。頁巖氣低孔低滲的儲層特性限定了頁巖氣主要富集在頁巖儲層的裂縫系統(tǒng)中，故頁巖氣開采應(yīng)當(dāng)盡量利用天然裂縫的導(dǎo)流能力，使之盡可能快而多的直接流入井筒，連通多個裂縫系統(tǒng)，且把水平井井位與井眼方位適當(dāng)?shù)剡x在有機質(zhì)富集、裂縫發(fā)育程度偏好、成熟度相對較高的區(qū)域會達(dá)到明顯的增產(chǎn)效果。

（2）壓裂技術(shù)。頁巖氣藏低孔低滲的儲層很難直接生產(chǎn)油氣，需要進行大規(guī)模儲層改造，主要包括壓裂和酸化2種方法。儲層巖石的脆性礦物含量對壓裂效果有極大的影響，脆性礦物多將有利于壓裂，反之不利于壓裂。

（3）特殊固井、完井技術(shù)。頁巖氣藏以吸附態(tài)為主的賦存狀態(tài)和低孔低滲的儲層特征要求完井技術(shù)不僅要提高其滲透率又能有效地避免地層損害，才能達(dá)到預(yù)期的頁巖氣采收率，這需要特殊的固井、完井方式。泡沫水泥有良好的防竄效果，能順利解決低壓易漏等復(fù)雜井的固井問題[12]。

4.2.4 頁巖氣開發(fā)對環(huán)境的影響

頁巖氣是種環(huán)保的新能源，但頁巖氣生產(chǎn)過程卻存在著大量的環(huán)境風(fēng)險。水力壓裂需要消耗大量的水資源，壓裂一次需要消耗大量水，并且通常在注入的壓裂液中還會加入一些化學(xué)試劑，廢水和壓裂液將會污染地下水源或者發(fā)生泄漏。大型的體積壓裂不僅會消耗大量的水資源，同時會破壞地下地層的穩(wěn)定性，后期可能會帶來不可估量的地質(zhì)災(zāi)害。此外，與常規(guī)油氣勘探開發(fā)相比，頁巖氣的勘探開采一般以井工廠的規(guī)模開采，要求鉆更多的生產(chǎn)井，這將導(dǎo)致地貌景觀和地表環(huán)境的嚴(yán)重破壞。

5 結(jié)束語

（1）我國頁巖氣儲量豐富，頁巖氣藏成藏機理復(fù)雜，賦存狀態(tài)多樣，成藏過程復(fù)雜多變，具有獨特的地質(zhì)特征及普遍發(fā)育、廣泛分布的特點，需要進一步加強頁巖氣成藏機理及分布規(guī)律對勘探開發(fā)不同階段的影響研究，深入探討其影響的根源及其主次，致力研究出一套符合中國頁巖氣藏的勘探開發(fā)策略，使開發(fā)更準(zhǔn)確，開發(fā)效果更佳。

（2）我國頁巖氣勘探開發(fā)總體上還處在起步階段，部分有利目標(biāo)區(qū)達(dá)到試開采階段，面對我國頁巖氣地質(zhì)條件的復(fù)雜性和特殊性以及國內(nèi)資源的嚴(yán)峻性，決定了中國的頁巖氣勘探開發(fā)策略不能完全的照搬北美頁巖氣勘探開發(fā)的案列，中國需要在足夠了解中國頁巖氣藏地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上參考北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗，只能在一定程度上給予借鑒。

（3）頁巖氣作為一種新型清潔能源具有很大的開發(fā)潛力，對頁巖氣進行規(guī)模性開發(fā)只是時間的問題，為更好、更快的開發(fā)頁巖氣，我國今后應(yīng)：加強對頁巖氣聚集機理、賦存狀態(tài)、成藏機理和分布規(guī)律等地質(zhì)理論研究；加大對頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的研究與完善。

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