陸相頁巖氣成藏機(jī)理研究

◇長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 唐 通

國內(nèi)頁巖氣行業(yè)在近十年取得了迅猛發(fā)展，但限于高豐度海相頁巖氣的率先突破，陸相頁巖氣的勘探開發(fā)起步較晚。在此背景下，本文對(duì)我國陸相頁巖氣成藏機(jī)理進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)，確定有效沉積環(huán)境應(yīng)在湖泊環(huán)境、辮狀河三角洲環(huán)境、泥炭沼澤范圍內(nèi)，有效埋深應(yīng)在2000～5000m，有效烴源巖厚度應(yīng)大于6m，有效脆性指數(shù)應(yīng)大于25%的，有效孔隙度應(yīng)大于4%，有效有機(jī)質(zhì)的豐度應(yīng)大于2%，Ⅲ型干酪根成熟度應(yīng)大于0.5%,Ⅰ-Ⅱ2型應(yīng)不小于1.1%。

1 前言

天然氣作為最清潔的化石能源，具有煤炭能源1/2、1/10、1/682、1/1479，石油能源2/3、1/5、1/389、1/140的CO2、NOX、SO2、粉塵排放量[1]，在全球能源革命中起著舉足輕重的作用。頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，在我國常規(guī)天然氣資源開發(fā)壓力日益增大的背景下被重視起來，自2011年被批準(zhǔn)為獨(dú)立礦種，至今經(jīng)過國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)多次調(diào)研，已驗(yàn)證我國陸相頁巖氣技術(shù)可采資源量在0.50～7.92萬億方，占頁巖氣技術(shù)可采總資源量4.34%～31.58%，資源潛力較大。但限于我國海相頁巖氣的率先突破，我國陸相頁巖氣近年才被列入深入勘探開發(fā)的目標(biāo)，因此需要對(duì)其成藏機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)闡述，以區(qū)別于其他相類，便于后續(xù)勘探開發(fā)理論的深入研究。

2 我國陸相頁巖氣研究現(xiàn)狀

頁巖氣藏指主要以吸附態(tài)、游離態(tài)保存于厚度大、分布廣的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖內(nèi)部納米-微米孔隙以及微裂縫中，富集成為具有一定規(guī)模的天然氣藏，具有分布廣、厚度大、生產(chǎn)周期穩(wěn)定、開采壽命長久等優(yōu)點(diǎn)[2]，陸相頁巖氣藏則是指在河流、沖積扇、三角洲、湖泊、沼澤等陸表發(fā)育的沉積體系內(nèi)富集的頁巖氣藏，成藏特點(diǎn)與海相頁巖氣藏相近，儲(chǔ)集空間豐富，但其復(fù)雜的內(nèi)部空間與常常發(fā)育在超壓環(huán)境下的儲(chǔ)層，常常比海陸過渡相頁巖氣藏具有更好的儲(chǔ)集保存條件。

自2011年12月31日，頁巖氣正式被列為我國第172個(gè)獨(dú)立礦種，到2013年建成延長陸相頁巖氣示范區(qū)，我國陸相頁巖氣的勘探開發(fā)有了初步進(jìn)展。之后柴達(dá)木盆地侏羅系陸相頁巖氣成為我國學(xué)者研究熱點(diǎn)，以2010年為界分為兩個(gè)階段，2010年之前為柴達(dá)木盆地油氣資源評(píng)價(jià)階段，主要成果是發(fā)現(xiàn)了侏羅系陸相頁巖氣的資源潛力；2010年之后，圍繞柴北緣侏羅系陸相頁巖氣的研究工作開始展開，“十三五”期間，西安市地質(zhì)調(diào)查中心開始總結(jié)柴北緣侏羅系中侏羅統(tǒng)陸相頁巖氣的賦存方式與富集規(guī)律，目前，在沉積特征、地質(zhì)條件特征、儲(chǔ)層特征等方面已經(jīng)有了較為深入地研究。

3 陸相頁巖氣成藏地質(zhì)條件

陸相頁巖氣成藏的地質(zhì)條件可分為生氣條件與儲(chǔ)集保存條件，包括烴源巖的沉積體系、有效厚度、埋藏深度、有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度、礦物特征、孔滲特征、孔徑分布以及分形特征等，以國外典型頁巖氣藏（表1）與國內(nèi)頁巖氣開發(fā)示范區(qū)成藏特征為對(duì)比，將上述陸相頁巖氣成藏的地質(zhì)條件進(jìn)行一一總結(jié)，劃分有效標(biāo)準(zhǔn)。

表1 北美地區(qū)典型頁巖氣藏地質(zhì)條件特征[3]

3.1 生氣條件

生氣條件的評(píng)價(jià)可以分為兩部分，第一根據(jù)陸相泥頁巖的有效厚度、埋藏深度評(píng)價(jià)頁巖氣成藏規(guī)模，第二根據(jù)陸相泥頁巖的沉積體系、有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度評(píng)價(jià)烴源巖生氣能力。

不同于泥頁巖的累計(jì)厚度，泥頁巖有效厚度指的是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖儲(chǔ)層（即頁巖氣儲(chǔ)層）的厚度。對(duì)比北美典型頁巖氣藏的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通常以6～15m，15～30m，>30m為標(biāo)準(zhǔn)劃分有效、常規(guī)、優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層，以此為依據(jù)，我國陸相有效頁巖氣儲(chǔ)層的厚度最小不應(yīng)低于6m，常規(guī)厚度應(yīng)不低于15m，優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層的厚度則應(yīng)在30m以上。

陸相泥頁巖的埋藏深度在影響頁巖氣富集之外，還存在一個(gè)不屬于成藏規(guī)模卻必須要納入考量因素之內(nèi)的影響，那就是開發(fā)經(jīng)濟(jì)性，埋藏深度是頁巖氣儲(chǔ)層開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的主要控制因素之一。按照哈里伯頓公司2011年對(duì)Haynesville頁巖氣藏的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)頁巖氣藏埋深在4000m以下時(shí)，常規(guī)鉆完井設(shè)備受到儲(chǔ)層高溫的影響會(huì)頻發(fā)故障，影響進(jìn)度，需要對(duì)鉆完井設(shè)備的不耐高溫元件進(jìn)行升級(jí)，使開發(fā)成本相對(duì)上升，壓縮乃至無經(jīng)濟(jì)效益[4]。對(duì)比北美頁巖氣的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，隨著我國近年來鉆探技術(shù)的提升，該標(biāo)準(zhǔn)有所擴(kuò)大，但當(dāng)頁巖氣儲(chǔ)層埋深在5000m以下時(shí)，開發(fā)成本仍會(huì)呈幾何倍數(shù)上升，因此將我國陸相頁巖有效埋深的下限定為5000m；在成藏規(guī)模的影響程度上，根據(jù)表1中北美典型頁巖氣藏的埋深范圍可以發(fā)現(xiàn)，一般無上限，下限則在4000m以內(nèi)。綜合上述分析，結(jié)合我國陸相頁巖的地質(zhì)特征，將我國陸相頁巖的有效埋深劃分為2000～5000m范圍內(nèi)。

陸相沉積包括湖泊、河流、沖積扇、三角洲、沼澤等5類沉積體系，有利沉積環(huán)境需要滿足穩(wěn)定缺氧還原環(huán)境的要求，對(duì)比國內(nèi)陸相頁巖氣開發(fā)成果，湖泊環(huán)境、辮狀河三角洲環(huán)境、泥炭沼澤環(huán)境下沉積的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖通常有效厚度較大、橫向連續(xù)性較好，是為有利陸相沉積沉積環(huán)境。

有機(jī)質(zhì)特征是頁巖氣成藏的核心因素，包括有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度等，其中泥頁巖中有機(jī)質(zhì)豐度常與頁巖氣儲(chǔ)層中的含氣量呈正相關(guān)關(guān)系，成熟度的標(biāo)準(zhǔn)則與有機(jī)質(zhì)類型有關(guān)，成熟度大于1.1%的熱成因氣藏進(jìn)入烴裂解階段才有開發(fā)價(jià)值，而生物成因氣藏0.4%以上進(jìn)入生氣階段即可，通常陸相沉積環(huán)境中有機(jī)質(zhì)來源多為高等植物，多為Ⅲ型干酪根。對(duì)比國內(nèi)外陸相頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通常有效頁巖氣儲(chǔ)層的TOC在2%以上，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層則在3%以上，成熟度則是因干酪根類型而異，因此判斷我國陸相有效頁巖氣藏中有機(jī)質(zhì)豐度應(yīng)大于2%，Ⅲ型干酪根成熟度應(yīng)大于0.5%,Ⅰ-Ⅱ2型應(yīng)不小于1.1%。

3.2 儲(chǔ)集保存條件

陸相頁巖氣的儲(chǔ)集保存條件的評(píng)價(jià)分為三部分，根據(jù)物性、孔隙孔徑分布特征評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)集條件，根據(jù)分形特征評(píng)價(jià)頁巖氣保存條件，根據(jù)礦物組成特征評(píng)價(jià)頁巖氣壓裂開發(fā)效果。

孔隙度、滲透率表征泥頁巖中頁巖氣的儲(chǔ)集與流通能力，孔隙孔徑分布則可以對(duì)儲(chǔ)層中的吸附空間與游離空間進(jìn)行定量描述，對(duì)比表1中北美頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，孔隙度的下限應(yīng)為4%，優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙度應(yīng)大于6%。

目前針對(duì)泥頁巖孔隙分形的主流方法包括基于FE-SEM圖像的盒維數(shù)分形模型，基于低溫N2、低壓CO2等溫吸附曲線的BET模型、FHH模型、Jaroniec模型等，分形維數(shù)越高，表明孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)頁巖氣的保存越為有利，我國頁巖氣開發(fā)示范區(qū)-四川焦石壩涪陵頁巖氣田的圖像分形維數(shù)平均在1.32～1.49，N2、CO2等溫吸附曲線分形維數(shù)平均2.77[5]，對(duì)比該標(biāo)準(zhǔn)，我國陸相頁巖氣藏的圖像平均分形維數(shù)應(yīng)不小于1.32，等溫吸附曲線平均分形維數(shù)應(yīng)靠近或大于2.77。

礦物組成特征直接影響頁巖氣儲(chǔ)層的脆性，對(duì)壓裂開發(fā)有著直接影響，根據(jù)北美北美典型頁巖氣藏的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，脆性礦物含量應(yīng)在40%以上，而隨著近年來國內(nèi)壓裂技術(shù)的提升，該標(biāo)準(zhǔn)有所降低，大于25%即可達(dá)到壓裂開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，因此將有效陸相頁巖氣儲(chǔ)層的脆性指數(shù)下限定義為25%。

4 結(jié)論

通過對(duì)前人研究成果歸納，對(duì)比北美與國內(nèi)典型頁巖氣藏，選定湖泊、辮狀河三角洲、泥炭沼澤等陸相穩(wěn)定缺氧還原的沉積體系、2000～5000m的有效埋深、大于6m的有效厚度、大于2%的有效總有機(jī)碳含量、大于25%的有效脆性指數(shù)、大于4%的有效孔隙度以及成熟度大于0.5%的Ⅲ型干酪根、大于1.1%的Ⅰ-Ⅱ2型干酪根為陸相頁巖氣成藏地質(zhì)條件標(biāo)準(zhǔn)。