準噶爾盆地侏羅系煤系頁巖氣地質(zhì)儲量估算

馮 帆

(中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100000)

0 引言

準噶爾盆地的侏羅系是一套湖沼相的含煤沉積建造，在準噶爾盆地分布廣，厚度大。烴源巖主要發(fā)育于中-下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組和西山窯組。其中八道灣組和西山窯組不僅暗色泥巖發(fā)育，而且發(fā)育有炭質(zhì)泥巖等巖層。

經(jīng)過煤炭地質(zhì)工作者多年來的基礎(chǔ)地質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，準噶爾盆地具有頁巖氣成藏的地質(zhì)條件，局部有機碳含量在30%以上，并在煤系地層中發(fā)現(xiàn)了典型頁巖層中局部的天然氣富集。然而，煤系頁巖氣屬于陸相頁巖氣，與其他地區(qū)的海相頁巖氣有諸多差異，深入研究陸相頁巖氣的成藏地質(zhì)條件是一項十分緊迫且很有意義的工作。

因此，本文選擇新疆東北部準噶爾盆地為研究區(qū)，以侏羅紀煤系泥頁巖為重點研究對象，深入研究煤系頁巖氣的成藏地質(zhì)條件，并評價研究區(qū)侏羅紀煤系頁巖氣資源潛力，初步圈定出頁巖氣發(fā)育較好的區(qū)域。研究成果將為研究陸相頁巖氣成藏地質(zhì)條件提供新的思路，為陸相頁巖氣資源量估算探索新的方法體系，為新疆東北部乃至我國西北煤系頁巖氣資源的進一步勘探和開發(fā)奠定一定的研究基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)煤系頁巖氣生烴條件

通過在研究區(qū)采樣分析得到了準噶爾盆地煤系頁巖氣烴源巖地球化學特征(表1)。

表1 準噶爾盆地煤系頁巖氣烴源巖地球化學特征Table 1 Geochemical features of coal measures shale gas source rocks in Junggar Basin

總有機碳含量(TOC)是影響頁巖氣富集的一個根本性因素，不僅決定著頁巖的生氣量，因為頁巖中的有機質(zhì)對氣體具有重要的吸附作用[1-2]，也直接影響頁巖的含氣量[3]。通常認為總有機碳含量超過0.5%的頁巖是有潛力的烴源巖，也有部分專家提出TOC至少應(yīng)為2%。有機質(zhì)類型不僅影響烴源巖層的產(chǎn)氣數(shù)量，而且影響天然氣吸附率和擴散率。H/C原子比越大，吸附量越大；O/C原子比越大，吸附量越小。當頁巖中TOC達到一定指標后，有機質(zhì)的成熟度則成為頁巖氣源巖生烴潛力的重要預測指標，頁巖氣藏的熱演化成熟度(鏡質(zhì)組反射率)可以為0.6%～2.0%，臨界值為0.4%～0.6%，頁巖氣的生成從有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化開始，并伴隨整個演化過程。

將準噶爾盆地最大生烴凹陷阜康凹陷侏羅系烴源巖特征與Barnett頁巖進行對比發(fā)現(xiàn)，阜康凹陷泥質(zhì)烴源巖累計厚度大于Barnett頁巖，雖然其有機質(zhì)豐度偏小，但更大厚度的煤層彌補了有機質(zhì)不足的缺陷；烴源巖多數(shù)進入中-高成熟階段，Ro普遍達1.6%，與Barnett頁巖相當。由此可見，阜康凹陷具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力[4]。

表2 準噶爾盆地阜康凹陷侏羅系烴源巖綜合評價及與Barnett頁巖對比表[4]Table 2 Jurassic source rocks comprehensive assessment and comparison with Barnett shale in Fukang depression,Junggar Basin (after reference [4])

上述對比結(jié)果表明，本文研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖的地球化學特征達到或優(yōu)于國內(nèi)外典型頁巖氣區(qū)塊的生氣條件，準噶爾盆地和吐哈盆地侏羅紀煤系頁巖生烴條件良好。

2 研究區(qū)煤系頁巖氣的儲集與保存條件

從儲層礦物來看，經(jīng)全巖X衍射分析(表3)，準噶爾盆地侏羅系頁巖礦物成分以黏土礦物和石英為主，尤以石英居多，對壓裂較有利；黏土礦物具有黏土晶層形成的層間微孔隙，增加了頁巖比表面積，為天然氣提供了吸附的場所[5-7]。

表3 準噶爾盆侏羅系頁巖地全巖X衍射分析數(shù)據(jù)Table 3 Whole-rock X-ray diffraction analysis data fromJurassic shale in Junggar Basin

從儲集空間來看，準噶爾盆地侏羅紀煤系主要為河流-沼澤、濱湖-沼澤交互相沉積[4]，所以在每套煤或泥質(zhì)巖細粒沉積之下或之上都發(fā)育有砂質(zhì)巖粗粒沉積。從準南賦煤帶西山窯組巖性特征中可以看出(表4)，各地區(qū)西山窯組中砂礫巖比例在41.4%～70.7%之間，為侏羅系自身生成的烴類物質(zhì)提供了儲集空間。

從儲層巖石的孔隙度和滲透率來看，泥頁巖中發(fā)育的孔隙多屬于微米-納米級孔隙，尤以納米孔隙占優(yōu)勢，成為頁巖氣賦存的主要特征[8-10]。根據(jù)研究區(qū)泥頁巖電鏡照片(圖1a)，樣品主要含有機質(zhì)和黏土礦物，部分有機質(zhì)邊緣與黏土礦物之間存在收縮縫，有機質(zhì)內(nèi)含有裂縫，其直徑大約在幾百個納米到一千多個納米(圖1b)，個別有機質(zhì)內(nèi)部含有孔隙，孔徑大約在幾百個納米。對樣品進行孔滲分析，所測試的2個樣品中巖石密度為2.38～2.69 g/cm3，有效孔隙度為1.4%～8.4%，水平方向滲透率為0.008 5～2.27×10-3μm2，且與有效孔隙度呈正相關(guān)。

表4 準南賦煤帶西山窯組巖性特征Table 4 Southern Junggar coal-bearing zone Xishanyao Formation lithologic features

a.樣品1掃描電鏡下孔隙觀察特征 b.樣品2掃描電鏡下孔隙觀察特征圖1 樣品掃描電鏡下孔隙觀察特征Figure 1 Sample pore features under SEM

從煤系頁巖氣保存條件來看，在沉積旋回上，整個侏羅紀含煤地層沉積以煤泥正旋回為特征，在每個層組各正旋回沉積的上部，以灰、深灰色泥巖蓋層為主，厚度一般為5～30m，最厚達120m，八道灣組中部灰、深灰色泥巖蓋層不僅厚度大，且分布范圍也較廣泛。由前人蓋層封閉效果資料分析，泥質(zhì)巖蓋層當泥質(zhì)含量和結(jié)構(gòu)近似、礦物成分以蒙脫石、伊利石和高嶺石為主時具有較強的封閉能力；當綠泥石含量大于20%時，封閉能力較差，這是由于前3種礦物吸水膨脹性強，堵塞孔隙及喉道，使封閉能力增強，而綠泥石性脆易產(chǎn)生微裂隙，降低了巖石的封閉能力。從準噶爾盆地侏羅系各層系黏土礦物成分統(tǒng)計分析，除腹部莫索灣地區(qū)以外，其綠泥石含量大都小于20%，說明盆地泥質(zhì)巖蓋層具有較強的封蓋能力。

3 煤系頁巖氣地質(zhì)儲量估算

依據(jù)《頁巖氣資源儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范》(DZT0254-2014)，并在系統(tǒng)研究煤系頁巖氣成藏地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取煤系泥頁巖有效總面積、有效厚度、總含氣量、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型、總孔隙度等地質(zhì)參數(shù)，作為煤系頁巖氣資源潛力的主要評價指標。

(1)煤系泥頁巖有效總面積。本文所謂煤系泥頁巖是指含有煤層或煤線的沉積巖系，又稱煤系、含煤沉積、含煤巖系、含煤建造等。根據(jù)頁巖氣烴源巖分布的連續(xù)性特征，將煤系泥頁巖連續(xù)分布且面積大于50km2的范圍確定為有效面積。

(2)煤系泥頁巖有效厚度。一般而言，煤系泥頁巖多與砂巖互層作為煤層頂?shù)装宥鴱V泛出現(xiàn)，厚度較小，這對煤系頁巖氣聚集不利，但這并不意味著煤系泥頁巖不具備頁巖氣成藏聚集條件。準噶爾盆地侏羅紀煤系泥頁巖累計厚度達600～700m，局部超過800m；吐哈盆地侏羅紀煤系泥頁巖最大厚度超過1 100m，而且煤系泥頁巖往往具有很高的有機質(zhì)豐度，這在一定程度上彌補了泥頁巖單層厚度較小的缺陷。另外，煤系泥頁巖中多有薄層粉砂巖夾層，這將大大提高煤系頁巖氣的儲集性能，為微異地運移的頁巖氣聚集提供儲集空間。

根據(jù)陸相頁巖氣儲層的特點，將含氣泥頁巖系統(tǒng)作為評價單元，即在縱向上劃分出一個或多個含氣泥頁巖系統(tǒng)，將含氣泥頁巖系統(tǒng)的厚度作為煤系泥頁巖有效厚度參與頁巖氣資源評價。

含氣泥頁巖系統(tǒng)將上下致密層封擋的同一壓力系統(tǒng)內(nèi)的所有泥頁巖作為一個系統(tǒng)，由富有機碳的泥頁巖和粉砂巖、砂巖、碳酸鹽巖夾層構(gòu)成，富有機碳的泥頁巖為系統(tǒng)的頂和底，內(nèi)部不含明顯的水層，連續(xù)厚度一般不超過100m(由水平井分段壓裂工藝決定)。含氣泥頁巖系統(tǒng)的劃分依據(jù)如下：

① 以傳統(tǒng)的地層單元為界，含氣層段連續(xù)厚度大于30m，以富含有機質(zhì)泥頁巖為主，內(nèi)部可以有砂巖、碳酸鹽巖夾層；泥頁巖TOC值大于0.5%，Ro值大于0.5%，III型干酪根，累計厚度一般大于20m，且占含氣泥頁巖系統(tǒng)厚度的60%以上。

② 頂、底板為致密巖層，內(nèi)部無明顯水層。

③ 有明顯的氣測異常。

④ 伽馬、電阻率、聲波時差、密度等測井曲線具有含氣泥頁巖的測井響應(yīng)特征。

⑤ 處于同一壓力系統(tǒng)內(nèi)。

(3)總含氣量。含氣量是計算頁巖氣資源量的關(guān)鍵參數(shù)。頁巖氣藏具有吸附氣、游離氣、溶解氣等3種存在形式，具有基質(zhì)孔隙和裂縫2種存儲空間。煤系頁巖氣藏作為非常規(guī)氣藏，儲層具有分布上的連續(xù)性、較強的非均質(zhì)性和氣體富集機制的多樣性。煤系頁巖氣藏由基質(zhì)孔隙中的游離氣、裂縫中的溶解氣、游離氣、吸附氣等組成。由于頁巖中所含的溶解氣量極少，故頁巖氣總資源量可近似分解為吸附氣總量與游離氣總量之和。

Q總=Q吸+Q游+Q溶

(1)

式中：Q總-頁巖氣資源量；

Q吸-吸附氣資源量；

Q游-游離氣資源量；

Q溶-溶解氣資源量(總量不足1%)[11]。

泥頁巖中的含氣量Q溶、Q吸和Q游可由解吸法、等溫吸附法、類比法、統(tǒng)計法、測井解釋法及計算法等方法獲得，各種方法所獲得的含氣量數(shù)據(jù)具有不同的地質(zhì)意義和使用條件。當研究程度較低而缺乏含氣量數(shù)據(jù)時，可類比相似地質(zhì)條件下的含氣量數(shù)據(jù)取參考值。

通過現(xiàn)場解吸獲得的吸附含氣量或總含氣量，因己經(jīng)包含了天然氣體積從地下到地表由于壓力條件改變而引起的體積變化，故當通過現(xiàn)場解吸法獲取吸附氣含量或總含氣量時，壓縮因子Z等于1，當采用其他方法且未考慮到壓力條件轉(zhuǎn)變引起的體積變化時，所獲得的含氣量(特別是游離氣含量)需要通過圖版法或其他方法獲得壓縮因子。

煤系頁巖氣吸附氣量的確定主要是借鑒煤層氣中吸附氣的評價方法，采用等溫吸附模擬實驗，建立吸附氣含量與壓力、溫度的關(guān)系模型。適合于固體表面單分子氣體吸附的模型有亨利、付氏及蘭氏等溫模型等。國外的勘探實踐表明北美頁巖吸附氣大多服從蘭氏等溫吸附式：

V=VL×P/(PL+P)

(2)

式中：V-在壓力P下單位體積儲層里吸附氣的體積，m3/t；

VL-表示吸附的最大吸附體積，m3/t；

P-氣體壓力，MPa；

PL-MPa。

蘭氏等溫吸附式吸附特征是：在低壓下吸附量隨著壓力的增大快速增加，達到一定壓力后吸附量達到飽和，成為一條幾乎不變的平滑直線。通過等溫吸附實驗數(shù)據(jù)，建立某一地區(qū)頁巖吸附氣模型，運用模型計算吸附氣含量。模擬實驗一般采用純CH4作為吸附氣，而實際天然氣除CH4外，一般還含有N2和CO2等氣體組分。以往煤層氣的吸附實驗結(jié)果表明，多元混合氣體的吸附存在差別，因此用純CH4進行等溫吸附實驗能否代表實際氣體直接關(guān)系到頁巖儲層吸附量的評價。在進行模擬實驗時，要充分考慮有機質(zhì)、干酪根類型、礦物組成、氣體成分等因素對吸附量的影響，正確選取有代表性的樣品、選擇最接近的實驗條件(如溫度和濕度)、應(yīng)用最佳的實驗方法來提高實驗結(jié)果的準確性。

(4)總孔隙度。無論是靜態(tài)法還是動態(tài)法，孔隙度是頁巖氣藏儲量計算最重要的參數(shù)之一。測定孔隙度的傳統(tǒng)方法是利用巖心直接在實驗室測量，美國天然氣研究院就多次應(yīng)用改進的巖心實驗室方法測定孔隙度。但是，頁巖氣藏的儲積空間包括基質(zhì)孔隙和裂縫，裂縫的張開度受壓力的影響較大，在巖心的采集過程中壓力的改變會使巖心的裂縫孔隙度發(fā)生改變，不適合用巖心直接測量。因此，應(yīng)該分別確定基質(zhì)孔隙度和裂縫孔隙度。

目前，一般以巖心孔隙度為基礎(chǔ)，利用測井資料測定基質(zhì)孔隙度。當儲層含水時，聲波測井能準確反映基質(zhì)孔隙度。當?shù)貙涌紫抖刃∮?%時，用聲波時差的“威利時間平均公式”計算，當?shù)貙涌紫抖仍?%～25%時，用“雷伊麥公式”計算基質(zhì)孔隙度。但研究發(fā)現(xiàn)在雙孔結(jié)構(gòu)地層中，由于受到次生孔隙的形狀、大小和分布的影響，威利方程求取的基質(zhì)孔隙度不夠準確。近年來，許多研究利用密度和中子測井解釋氣層孔隙度。當儲層含有天然氣時，密度測井受天然氣的影響，解釋孔隙度φD將比實際孔隙度大；而對于中子測井，由于天然氣的含氫指數(shù)與體積密度比水小的多，再加上天然氣挖掘效應(yīng)的影響，解釋孔隙度φN比實際值減小?？梢姡捎陧搸r基質(zhì)孔隙度小，用單一的測井方法解釋的孔隙度值誤差就更大，因此利用中子、密度和聲波的相互補償關(guān)系，建立三孔隙度回歸模型，這樣求取的氣層孔隙度數(shù)據(jù)更可靠。此外，核磁共振測井作為一種新方法近年被用于孔隙度的測定，它能彌補常規(guī)測井受氣層和巖性影響的不足。裂縫孔隙度的確定是難點。目前，雙側(cè)向測井是計算裂縫孔隙度較為成熟的方法。在識別裂縫層段的基礎(chǔ)上，用深、淺側(cè)向測井資料，利用回歸分析建立深淺側(cè)向電阻率與孔隙度的關(guān)系模型。

(5)含氣量的確定。對該區(qū)侏羅紀煤系泥頁巖進行了等溫吸附實驗，根據(jù)準噶爾盆地侏羅紀煤系泥頁巖等溫吸附實驗結(jié)果，綜合考慮有機碳含量與甲烷吸附能力之間良好的正相關(guān)關(guān)系[12]，以鄂爾多斯盆地三疊系泥頁巖頁巖氣資源量計算時所擬合的吸附氣量計算方法[13]為借鑒，通過TOC數(shù)據(jù)和等溫吸附數(shù)據(jù)擬合出適合本研究區(qū)的泥頁巖吸附氣計算公式為：

q1=0.205ρ+1.528 5

(3)

然而，一般情況下等溫吸附法計算所得的含氣量通常大于實際含氣量，且受到孔隙度的影響(圖2)。為此，綜合考慮煤系泥頁巖的含煤因素及孔隙度特性，準南賦煤區(qū)選用校正系數(shù)0.8，其泥頁巖吸附氣計算公式為：

y=0.164x+1.222 8

(4)

準東賦煤區(qū)校正系數(shù)取0.6，其泥頁巖吸附氣計算公式為

y=0.123x+0.917 1

(5)

(a)孔隙度=0.5% (b)孔隙度=4.2%圖2 孔隙度對吸附氣含量的影響Figure 2 Impact from porosity on adsorption gas content

②游離氣含量

游離氣含量的計算采用以下公式：

q游=0.01φg×Sg/Z

(6)

式中：φg-頁巖孔隙度，%；

Sg-含氣飽和度，%；

Z-天然氣壓縮因子，無量綱，選取1。

根據(jù)準噶爾盆地的以往勘查成果，本次計算選取的侏羅紀煤系泥頁巖孔隙度準南賦煤帶為1.4%，準東賦煤帶為8.4%。而對于含氣飽和度，不同地區(qū)由于不同演化程度造成生氣量不同，因而氣體的飽和度有差異，飽和度與孔隙大小及壓力場有關(guān)，只有先滿足了吸附，才能有多余的氣體游離。受工作程度和測試條件限制，本文綜合準噶爾盆地全區(qū)構(gòu)造、熱演化等因素，準東賦煤區(qū)含氣飽和度選取最低值15%，準南賦煤帶取值為60%；天然氣壓縮因子選取1。經(jīng)計算得出游離含氣量準南賦煤帶為0.84m3/t、準東賦煤帶為1.26m3/t。

對準東、準南賦煤帶各含煤地層中煤系泥頁巖的有效面積、泥頁巖有效厚度、泥頁巖平均密度、含氣量等按照技術(shù)要求分別進行統(tǒng)計(表5)，再按照體積法計算公式進行計算，估算出準噶爾盆地準東賦煤帶煤系頁巖氣資源量為894.19×108m3，準南賦煤帶煤系頁巖氣資源量為7 339.95×108m3，合計8 234.14×108m3。

表5 準噶爾盆地侏羅系頁巖氣資源量計算表Table 5 Data sheet of Junggar Basin Jurassic shale gas resources estimation

4 結(jié)論

(1)本文通過對準噶爾盆地侏羅系煤系頁巖氣成藏條件的研究，認為準噶爾盆地侏羅系煤系頁巖氣成藏條件較好，有較高的勘探開發(fā)前景。

(2)本文探討了中國西北地區(qū)煤系頁巖氣資源評價方法，確定了陸相頁巖氣評價的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。選取煤系泥頁巖面積、厚度、總含氣量、有機質(zhì)豐度、類型、總孔隙度等作為研究區(qū)煤系頁巖氣資源潛力預測參數(shù)。采用體積法對準噶爾盆地侏羅紀煤系頁巖氣資源量進行了估算。準噶爾盆地準東賦煤帶煤系頁巖氣資源量為894.19×108m3，準南賦煤帶煤系頁巖氣資源量為7 339.95×108m3，合計8 234.14×108m3。