中國重點(diǎn)地區(qū)二疊系海陸過渡相頁巖氣勘探前景

郭少斌，王子龍，馬 嘯

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

隨著人們對天然氣等清潔能源需求的迅速增長和能源行業(yè)的不斷發(fā)展，全球天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步提升，世界能源結(jié)構(gòu)的組成正發(fā)生著劇烈的變化[1-2]。我國頁巖氣產(chǎn)量在2019年達(dá)到了154×108m3，但與美國相比，仍有較大差距，頁巖油氣的革命需要進(jìn)一步發(fā)展。

我國頁巖油氣的革命面臨更加巨大的難題和挑戰(zhàn)。王淑芳等[3]通過中美海相頁巖對比，提出兩者雖都為深水陸棚環(huán)境沉積，但我國海相頁巖具有成熟度過高、盆地內(nèi)外差異大的特征。鄒才能等4]通過統(tǒng)計(jì)我國頁巖氣的分布和資源潛力，指出我國頁巖氣勘探開發(fā)的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域主要是海相頁巖，海陸過渡相和陸相則為戰(zhàn)略新領(lǐng)域。孫彩蓉等[5]通過對比我國海相頁巖與海陸過渡相頁巖，認(rèn)為兩者沉積環(huán)境水動(dòng)力較弱，雖然均有利于有機(jī)質(zhì)的保存和頁巖氣的生成，但在儲(chǔ)層性質(zhì)上差異較大。周德華等[6]對四川地區(qū)陸相自流井組和海相龍馬溪組進(jìn)行分析，認(rèn)為陸相頁巖與海相頁巖相比，成熟度普遍偏低、有機(jī)孔相對不發(fā)育且黏土礦物含量明顯偏高?？傮w來說，海相頁巖面臨的問題是構(gòu)造演化復(fù)雜，盆地外破碎嚴(yán)重，地貌多為山地丘陵；海陸過渡相頁巖面臨的問題是單層厚度小，黏土礦物含量過高，不利于開發(fā)；陸相頁巖存在成巖作用低，有機(jī)質(zhì)成熟度較低，儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，油氣共存等問題。

多年來，專家和學(xué)者針對我國海相頁巖氣進(jìn)行了大量研究，已經(jīng)形成了高有機(jī)碳含量(TOC)和適當(dāng)?shù)某墒於瓤刂祈搸r的生烴能力，孔隙控制頁巖的儲(chǔ)集性能，以及孔隙特征、成藏條件和構(gòu)造變化等因素控制頁巖氣富集程度的認(rèn)識[7-9]。目前，在海相頁巖中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)地質(zhì)儲(chǔ)量超過千億立方米的氣田，3 500 m以淺的頁巖氣開采技術(shù)已經(jīng)成熟，并于2019年完鉆了目前國內(nèi)最深(6 024 m)的頁巖氣探井[7]，得到單井日產(chǎn)量超百萬立方米的頁巖氣井，表現(xiàn)出海相頁巖氣良好的勘探和開發(fā)潛力。關(guān)于陸相頁巖氣的研究，目前最全面的是鄂爾多斯盆地延長組頁巖，已形成的“吸附成藏”和“吸附+游離復(fù)合成藏”兩種模式[10]，分別對應(yīng)深湖相和淺湖相的沉積環(huán)境，在實(shí)踐應(yīng)用中具有指導(dǎo)意義。

對比海相和陸相取得的進(jìn)展，我國海陸過渡相頁巖氣研究主要集中在頁巖儲(chǔ)層的地化特征和物性特征等方面，對成藏規(guī)律和富集主控因素的研究較少。由于其自生自儲(chǔ)的特性與海相、陸相存在一定差異，導(dǎo)致海陸過渡相頁巖氣的成藏模式不能完全借鑒海相和陸相的規(guī)律，給研究帶來了一定難度。本文在總結(jié)海陸過渡相頁巖氣研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了過渡相頁巖的分布特征、地化特征和儲(chǔ)層特征，并將其與海相和陸相頁巖進(jìn)行比較，分析海陸過渡相頁巖氣在勘探和開發(fā)中的優(yōu)勢與劣勢，針對海陸過渡相頁巖氣存在的問題，對未來發(fā)展做出展望與建議。

1 海陸過渡相頁巖氣研究現(xiàn)狀

我國海陸過渡相頁巖主要發(fā)育在上古生界，北方地區(qū)主要是石炭系—二疊系，地層包括本溪組、太原組、山西組和下石盒子組，山西組和太原組頁巖地層常與煤、致密砂巖、灰?guī)r等伴生，導(dǎo)致頁巖垂向連續(xù)性較差，單層厚度多小于15 m，分布面積在20×104km2以上；南方地區(qū)主要是二疊系，地層包括龍?zhí)督M、少量梁山組和小江邊組，龍?zhí)督M厚度連續(xù)性較好，分布較廣，面積可達(dá)30×104km2以上(表1)。

1.1 北方石炭系—二疊系研究情況

北方海陸過渡相頁巖分布在鄂爾多斯盆地、沁水盆地和南華北盆地，以太原組—山西組為主，沉積相為濱海相或三角洲平原的沼澤相。鄂爾多斯盆地是華北克拉通的組成部分，內(nèi)含6個(gè)一級構(gòu)造單元，盆地內(nèi)沉積多套烴源巖，其中山西組和太原組巖性復(fù)雜、單層厚度小、層數(shù)多、累計(jì)厚度大，單層最大厚度為64.5 m，累計(jì)厚度在50～180 m之間。太原組主要分布在天環(huán)坳陷，山西組則主要位于伊陜斜坡，二者干酪根類型均以Ⅲ 型為主，主要孔隙類型是溶蝕孔、黏土礦物孔和微裂縫。其中，太原組泥頁巖的脆性礦物含量和孔隙度優(yōu)于山西組，而山西組的泥頁巖發(fā)育程度優(yōu)于太原組。勘探調(diào)查表明，延川地區(qū)和大寧—吉縣地區(qū)的山西組具有頁巖氣顯示[11]。

沁水盆地位于呂梁隆起帶和太行隆起帶之間，東西寬120 km，南北長330 km，總面積超過3×104km2，是一個(gè)NNE向的復(fù)向斜構(gòu)造。盆地內(nèi)研究對象主要為太原組和山西組，頁巖地層累計(jì)厚度介于50～200 m之間，與薄層灰?guī)r互層。頁巖埋深較淺，均在2 000 m以內(nèi)，分布規(guī)律呈現(xiàn)出以沁源—襄垣一帶為最大埋深，向盆地邊緣逐漸變淺的特點(diǎn)；頁巖有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅲ型。太原組TOC分布存在北部壽陽—陽泉、中部沁縣和南部沁源—端氏—長子共3個(gè)高值區(qū)，并向四周逐漸降低；山西組TOC略高，從北向南逐漸增大。

南華北盆地位于華北板塊南部，延伸方向是與秦嶺—大別山造山帶平行的近東西向，盆內(nèi)包含眾多次級凹陷。太原組—山西組干酪根類型以Ⅲ型為主，含Ⅱ2型；平面上，太原組和山西組的TOC以鹿邑、洛陽、伊川地區(qū)相對較高，向四周呈環(huán)帶狀下降；垂向上，從下向上TOC由高變低；鏡質(zhì)體反射率(Ro)分布規(guī)律為北高南低、西高東低。近年來先后部署的蔚參1井、牟頁1井和鄭東頁2井均獲得了頁巖氣流，壓裂后獲得穩(wěn)定日產(chǎn)量1 000～4 000 m3[13]，對比海相頁巖[14]，壓裂效果和產(chǎn)量差距較大。

表1 中國重點(diǎn)地區(qū)海陸過渡相頁巖分布Table 1 Distribution of marine-continental transitional strata of some key areas in China

1.2 南方二疊系研究情況

南方二疊系龍?zhí)督M在揚(yáng)子地區(qū)廣泛分布，可分為四川盆地、貴州地區(qū)、下?lián)P子地區(qū)等進(jìn)行評價(jià)。四川盆地南西高、北東低，主要沉積區(qū)位于川中和川東南。該區(qū)龍?zhí)督M頁巖埋深普遍大于4 000 m，厚度在50～200 m之間；頁巖TOC分布整體呈東高西低的趨勢，以遂寧—大足為中心，向西和西南方向逐漸變小。黏土礦物占主導(dǎo)地位，多含黃鐵礦和銳鐵礦。盆地內(nèi)川東南地區(qū)東頁深1井龍?zhí)督M多個(gè)井段有一定的頁巖氣流，但開發(fā)價(jià)值不大[15]。

貴州地區(qū)發(fā)育大量的隔擋式褶皺和斷裂，整體方向?yàn)镹E向，龍?zhí)督M頁巖厚度在30 m以上，以大方—息烽為中心，總體埋深在3 000 m以內(nèi)。頁巖TOC的平面分布同樣以大方為中心，向南北兩側(cè)逐漸降低；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。貴州西部(黔西)金沙頁1井海陸過渡相龍?zhí)督M樣品的含氣量測試結(jié)果為2.07～4.46 m3/t，平均值為3.15 m3/t，表現(xiàn)出較好的含氣性。

下?lián)P子地區(qū)位于揚(yáng)子板塊東北緣，整體呈北東寬、南西窄的V字型，區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M頁巖東南厚西北薄[16]，以江山—上饒和長興—廣德為主要沉積中心。頁巖TOC為0.37%～2.90%，干酪根主要為Ⅱ型和Ⅲ型，Ro分布在0.55%～2.66%。

2 三種巖相頁巖儲(chǔ)層的對比

2.1 頁巖儲(chǔ)層分布特征

由于我國盆地的構(gòu)造演化與沉積演化具有整體性，導(dǎo)致從新元古代震旦紀(jì)—中生代三疊紀(jì)主要發(fā)育海相頁巖，中生代后則以海陸過渡相和陸相頁巖為主。地層的疊加關(guān)系和后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致海相頁巖的埋深范圍較廣，最大埋深可達(dá)5 500 m，主體在1 500～4 500 m，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，4 000 m以內(nèi)的儲(chǔ)層是最主要的開發(fā)區(qū)[17]。海陸過渡相和陸相頁巖地層形成較晚，且埋深較淺，分布在80～4 500 m，主體在3 000 m的范圍內(nèi)，易被剝蝕破壞，不利于頁巖氣生成和富集。

石炭系—二疊系沉積環(huán)境主要是三角洲和潟湖，因而海陸過渡相頁巖的主要特點(diǎn)是累計(jì)厚度大但單層厚度薄，垂向上巖性連續(xù)變化(表2)。海相頁巖的沉積相多為不同封閉程度的深水陸棚相[18]，沉積環(huán)境較穩(wěn)定，頁巖沉積厚度大，平均在100 m左右，且垂向上連續(xù)性好。陸相頁巖主要發(fā)育在坳陷和斷陷湖盆中，沉積相以深湖相和淺湖相為主，中央坳陷區(qū)厚度較大，可達(dá)幾百米以上，但因橫向厚度變化大，導(dǎo)致連續(xù)性差，單層厚度小。根據(jù)頁巖分布情況來看，海陸過渡相雖有較大的分布面積，但是頁巖沉積穩(wěn)定性不如海相頁巖，也不如陸相頁巖在沉積中心有較厚的頁巖發(fā)育，導(dǎo)致其頁巖氣單一開采并不足以滿足鉆井成本。

表2 中國重點(diǎn)地區(qū)不同類型頁巖的分布地區(qū)及參數(shù)Table 2 Distribution areas and parameters of different types of shale strata of some key areas in China

2.2 頁巖儲(chǔ)層有機(jī)地球化學(xué)特征

海陸過渡相頁巖的干酪根類型主要是Ⅲ型，部分為Ⅱ1型[19-30](表3)。Ⅲ型干酪根生烴潛力較小，主要生氣；Ⅱ1型干酪根富氫貧氧，可大量生氣排烴，但是含量較少[31]。對比以生油為主且能將早期生成的液態(tài)烴在熱演化后期裂解生成氣態(tài)烴[32]的海相和陸相的Ⅰ—Ⅱ型干酪根，其生烴潛力最低。

表3 中國重點(diǎn)地區(qū)不同類型頁巖儲(chǔ)層的有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)[19-30]Table 3 Organic geochemical parameters of different types of shale reservoirs of some key areas in China

有機(jī)質(zhì)碳含量決定頁巖的生烴能力，并影響著有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙的形成。由于海陸過渡相頁巖在形成過程中沉積環(huán)境變化較快，TOC變化范圍大，總體均值分布在1.89%～7.51%之間，部分碳質(zhì)泥巖TOC存在異常高值，整體呈南方略高于北方的特征。海相頁巖TOC介于0.45%～10.47%，均值穩(wěn)定在2%以上，不同地區(qū)的同一層位也有較大的變化，其變化趨勢與區(qū)域構(gòu)造帶密切相關(guān)。陸相頁巖TOC分布在0.33%～22.0%，主體集中在1.0%～3.0%，高值多位于沉積中心。

對于Ⅲ型干酪根，天然氣的轉(zhuǎn)化率在成熟度Ro值達(dá)到1.0%和2.5%時(shí)分別是40%和95%，此時(shí)是有機(jī)質(zhì)最主要的生氣階段。我國海陸過渡相泥頁巖的成熟度介于1.0%～3.0%，主體在1.5%～2.5%之間，分布比較均勻，除部分Ro過高(>3.0%)可能已失去生氣能力以外，多處于成熟—過成熟階段，以原油裂解生氣為主[33]。陸相頁巖成熟度較低，均在2.5%之下，大部分處于生油高峰階段[34]，以生油為主。

對比可知，海陸過渡相頁巖有機(jī)質(zhì)生烴潛力不如海相和陸相，生烴能力最差；TOC變化較大，不如海相穩(wěn)定，且高值TOC比例較低；有機(jī)質(zhì)成熟度低于海相高于陸相，處于自身的生氣高峰階段，由于干酪根類型的限制無法大量生成有機(jī)孔。

2.3 頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集特征

高鳳琳等[35]的研究表明，當(dāng)TOC保持不變時(shí)，較高的黏土礦物含量會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的吸附能力。海陸過渡相頁巖多為碳質(zhì)頁巖，脆性礦物集中在30%～50%，碳酸鹽礦物大多分布在5.0%之下，含量較少，黏土礦物則大都超過50%。對比商業(yè)開發(fā)條件(脆性礦物含量大于40%，黏土礦物含量小于30%)[36]，可知礦物組成問題是海陸過渡相頁巖氣開發(fā)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

對比海相、陸相和海陸過渡相頁巖的礦物組成，可知脆性礦物含量最高的是海相，陸相次之，過渡相最低；黏土礦物含量最高的是海陸過渡相，陸相次之，海相最低(表4)。海陸過渡相黏土礦物的組成均以伊蒙混層為主，幾乎不含蒙脫石，高嶺石與綠泥石并存。海相不含高嶺石，原因是黏土礦物的轉(zhuǎn)化程度與有機(jī)質(zhì)演化成正比[34]，而海相頁巖的成熟度要優(yōu)于海陸過渡相。因埋深和地下水成分不同，海相蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石的比例更高，自生脆性礦物含量高于其余兩相，這是由于海相頁巖處于深水環(huán)境，陸源碎屑補(bǔ)給較弱，所以有利于自生脆性礦物的生成。

有機(jī)質(zhì)成熟度、礦物組分和壓實(shí)作用控制著孔隙的發(fā)育程度[37]。海陸過渡相頁巖主要發(fā)育無機(jī)孔和微裂縫，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育。無機(jī)孔包括溶蝕孔、粒間孔和黏土礦物孔；微裂縫產(chǎn)生在高嶺石通過伊蒙混層向著伊利石進(jìn)行轉(zhuǎn)變、黏土礦物脫水體積縮小的過程中，主要是層間裂縫。海相頁巖由于熱演化程度高，原生孔隙較少，次生孔隙居主導(dǎo)地位；孔隙類型主要是蜂窩狀有機(jī)孔，其次是晶間孔和熱演化過程中形成的溶蝕孔等，同時(shí)還存在少量的微裂縫。陸相頁巖演化程度低，原生基質(zhì)孔隙占主導(dǎo)地位，有機(jī)孔和微裂縫均較少，儲(chǔ)集空間不發(fā)育。

由于海陸過渡相頁巖與煤層互層頻繁，且煤層普遍具有低孔低滲的特征，因此，與海相和陸相相比，海陸過渡相頁巖孔滲性較差(表5)。鄂爾多斯盆地山西組、沁水盆地太原組和四川盆地龍馬溪組的頁巖含氣量分別為0.59～4.05，0.79～4.03[29]，1.75～9.60 m3/t[30]。總體而言，海相頁巖含氣性最好，其后依次為陸相和海陸過渡相。根據(jù)前文對有機(jī)質(zhì)演化的分析，海陸過渡相頁巖大多已經(jīng)過了充分的生氣過程，但是由于排烴效率高，降低了自身的含氣量。

頁巖孔隙表征結(jié)果表明，海相頁巖的孔體積最高(表6)[38-40]，海陸過渡相和陸相頁巖相差不大；比表面積由大到小依次為海相、陸相和海陸過渡相。海相頁巖的孔體積和孔比表面積均為其余兩相的2～3倍，具有最優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)集空間。孔體積分布特征表明，三種巖相頁巖均是中孔占比最大，大多超過60%，而微孔和宏孔占比普遍低于40%；在比表面積分布中，海相和海陸過渡相均以微孔和中孔為主，宏孔可忽略不計(jì)，而陸相的宏孔比表面積占了一部分比重。對比可知，海相頁巖除中孔外，微孔也較為發(fā)育，此現(xiàn)象與海相頁巖中大量發(fā)育的有機(jī)孔有關(guān)；海陸過渡相頁巖的黏土礦物成分較高，導(dǎo)致中孔更為發(fā)育，微孔發(fā)育程度介于海相頁巖和陸相頁巖之間；陸相頁巖以中孔為主，微孔和宏孔發(fā)育程度相當(dāng)。海相頁巖整體孔徑分布小于海陸過渡相頁巖和陸相頁巖的孔徑分布。

三種巖相頁巖在對氣體的吸附能力上存在巨大差異。如表7所示，單位TOC條件下，海相頁巖的吸附性能占絕對優(yōu)勢，遠(yuǎn)超陸相和海陸過渡相頁巖；陸相頁巖次之，海陸過渡相頁巖最低。

表4 中國重點(diǎn)地區(qū)不同類型頁巖儲(chǔ)層的礦物組分[19-30]Table 4 Mineral composition of different types of shale reservoirs of some key areas in China

綜上所述，海相、海陸過渡相和陸相頁巖在分布規(guī)律、地化特征、礦物特征、孔隙發(fā)育類型、孔隙結(jié)構(gòu)特征和吸附性能等方面存在巨大的差別。海相頁巖埋深較深，海陸過渡相和陸相頁巖埋深較淺。海陸過渡相頁巖雖然分布面積較廣，但頁巖沉積穩(wěn)定性不如海相頁巖，也不如陸相頁巖在沉積中心有較厚的頁巖發(fā)育。海陸過渡相頁巖TOC變化較大，高值比例低，不如海相穩(wěn)定；干酪根以Ⅲ型為主，相比海相和陸相的Ⅰ—Ⅱ型干酪根，生烴潛力最差；有機(jī)質(zhì)成熟度低于海相高于陸相，處于生氣高峰階段。海陸過渡相頁巖多為碳質(zhì)頁巖，黏土礦物含量超50%，內(nèi)部組成以伊蒙混層為主，給頁巖氣開發(fā)增加了困難。受限于干酪根類型，海陸過渡相頁巖有機(jī)質(zhì)內(nèi)部無法生成大量孔隙，因而孔隙類型主要是無機(jī)孔和微裂縫；因與煤層互層頻繁，且煤層具有普遍低孔低滲的特征，導(dǎo)致其孔滲性比海相與陸相頁巖的孔滲性差。海相頁巖孔體積和比表面積最大，主要發(fā)育微孔和中孔，整體孔徑分布最?。缓ｊ戇^渡相頁巖和陸相頁巖則主要發(fā)育中孔，孔徑分布較大。海相頁巖的吸附性能遠(yuǎn)超陸相和海陸過渡相頁巖。

表5 中國重點(diǎn)地區(qū)不同類型頁巖儲(chǔ)層的孔滲參數(shù)[29-30]Table 5 Porosity and permeability parameters of different types of shale reservoirs of some key areas in China

表6 中國重點(diǎn)地區(qū)部分頁巖儲(chǔ)層孔隙表征參數(shù)[38-40]Table 6 Pore characterization parameters of shale reservoirs of some key areas in China

表7 中國重點(diǎn)地區(qū)不同類型頁巖儲(chǔ)層的等溫吸附參數(shù)Table 7 Isothermal adsorption parameters of different types of shale reservoirs of some key areas in China

3 結(jié)論

(1)海陸過渡相頁巖主體分布在華北及東北地區(qū)，分布面積較大，與海相頁巖相當(dāng)；南方地區(qū)埋深較深，北方地區(qū)埋深較淺且保存條件較差；頁巖垂向上厚度不如陸相有較厚的沉積中心，橫向連續(xù)性不如海相厚度穩(wěn)定，具有單層厚度薄、巖性變化快的特點(diǎn)。

(2)海陸過渡相頁巖干酪根類型以Ⅲ型為主，生烴潛力不如海相和陸相；Ro介于1.5%～2.5%，高于陸相，低于海相，處于生氣高峰階段，但受限于干酪根類型，有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育；TOC集中分布在2%～3%之間，除碳質(zhì)泥巖外，TOC總體偏低，生烴能力不如海相頁巖。

(3)海陸過渡相頁巖礦物組成復(fù)雜，黏土礦物占絕對優(yōu)勢，脆性礦物低于其余兩相，不利于壓裂；其孔隙發(fā)育程度和孔徑分布介于海相與陸相之間，孔體積以中孔和宏孔為主，比表面積以微孔和中孔為主；有機(jī)孔不發(fā)育，孔隙類型主要是無機(jī)孔和微裂縫，導(dǎo)致孔體積和孔比表面積均不如海相頁巖。

(4)對比三種巖相頁巖的各項(xiàng)特征可知，海相頁巖具有分布面積大、TOC高、熱演化程度高、脆性礦物含量高、有機(jī)孔最發(fā)育、含氣量高、吸附性能強(qiáng)的優(yōu)勢，最具開發(fā)前景；陸相頁巖分布面積小、熱演化程度低，但湖盆中心的沉積厚度和TOC較大，有望在部分高成熟度的凹陷區(qū)實(shí)現(xiàn)突破，具有勘探前景；海陸過渡相頁巖單層厚度薄、與其他巖性互層頻繁、TOC低值占比大、有機(jī)質(zhì)孔不發(fā)育、脆性礦物含量低，具有一定的勘探潛力。