結(jié)合四川盆地淺談頁巖氣富集、成藏及前景

李詠洲 祝海華 周俊驊 杜 磊 李壽軍

（1.中國石油西南油氣田公司，四川 達(dá)州 635000；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610000；3.中國石油東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610000）

0 引言

過去半個(gè)世紀(jì)以來，頁巖氣由于分布廣、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，使得美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)對其取得大規(guī)模的商業(yè)開采價(jià)值。我國自2005年開始進(jìn)行頁巖氣勘探開發(fā)以來，在陸相、海相和海陸過渡相頁巖勘探開發(fā)中取得了規(guī)?；陌l(fā)展。通過對國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)的研究，結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)，對頁巖氣的儲(chǔ)層機(jī)理與主控因素進(jìn)行了闡述，總結(jié)了四川盆地頁巖氣的勘探開發(fā)新進(jìn)展，并提出頁巖氣研究存在的問題和前景，以期為我國頁巖氣的研究提供新的思考和理論指導(dǎo)。

1 國內(nèi)外頁巖氣研究現(xiàn)狀

Curtis J B（2002）認(rèn)為頁巖氣是具有生物成因、熱成因或者多種成因混合形成的氣藏，在烴源巖中形成并聚集成藏，與其他天然氣藏具有本質(zhì)的區(qū)別［1］。Mavor Matt（2003）認(rèn)為頁巖氣是一種吸附態(tài)的氣體［2］。Jarvie等（2007）的研究提出頁巖氣賦存的另一種模式，認(rèn)識(shí)到不同賦存方式對頁巖氣成藏具有重要意義，對后期勘探開發(fā)的成功與否具有重要意義［3］。張金川等（2003，2004，2008）認(rèn)為頁巖氣是指以吸附態(tài)或者游離態(tài)賦存在暗色且高碳的泥巖或者頁巖中的天然氣［4-6］。王祥等（2010）將頁巖氣總結(jié)為以吸附態(tài)存在于富有機(jī)質(zhì)且成熟度高的泥頁巖中的具有商業(yè)價(jià)值的天然氣［7］。杜金虎等（2011）通過研究美國頁巖氣，認(rèn)為穩(wěn)定的地質(zhì)背景、高有機(jī)質(zhì)含量、適中的熱演化程度、孔隙發(fā)育、致密蓋層是頁巖氣成藏的良好條件［8］。董大忠等（2014）通過對四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖研究發(fā)現(xiàn)，深海陸棚相、集中段厚度大、有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）適中、正向構(gòu)造下裂縫發(fā)育、儲(chǔ)層超壓是該層位頁巖氣富集的主要因素［9］。郭旭升等（2016）在研究涪陵頁巖氣田的基礎(chǔ)上，則提出保存條件是影響頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵［10］。鄒才能等（2010，2016）通過分析不同類型頁巖氣形成的地質(zhì)條件，總結(jié)富有機(jī)質(zhì)頁巖的分布規(guī)律、開發(fā)特點(diǎn)和核心區(qū)富集高產(chǎn)條件［11-12］。王世謙（2013，2017）認(rèn)為陸相、海陸過渡相和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、Ro過成熟的南方海相地層盡管頁巖有機(jī)碳（TOC）含量高，但由于頁巖氣資源稟賦、水平壓裂技術(shù)、深層鉆井技術(shù)等的不足，導(dǎo)致其勘探開發(fā)困難大［13-14］?？偠灾?，目前對頁巖氣的共識(shí)有以下幾點(diǎn)：①賦存狀態(tài)為游離態(tài)和吸附態(tài)；②物質(zhì)基礎(chǔ)為暗色富有機(jī)質(zhì)且成熟度高的泥頁巖；③富集條件為TOC高、Ro適中、地質(zhì)條件穩(wěn)定、產(chǎn)層厚、有蓋層。目前中國盆地頁巖的沉積環(huán)境主要分為陸相、海陸過渡相和海相3類，不同環(huán)境沉積的頁巖具有不同的地質(zhì)特征和地球化學(xué)參數(shù)，且不同地區(qū)的頁巖氣工業(yè)產(chǎn)值存在巨大差異。

2 頁巖氣藏形成機(jī)理

2.1 頁巖氣儲(chǔ)層特征

頁巖氣儲(chǔ)層特征與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層相比具有較大差異，筆者將其特殊性歸納為5大類：①頁巖氣主要賦存在泥頁巖中，所以儲(chǔ)集層、生油層和蓋層是一套獨(dú)立的油氣系統(tǒng)，是典型的“自生自儲(chǔ)”氣藏。②頁巖層地球化學(xué)特征表現(xiàn)在海相頁巖TOC含量高，部分地區(qū)可超過20%，Ro值較高，普遍大于2%，干酪根類型屬于Ⅰ-Ⅱ1型；陸相頁巖TOC含量較高，介于2%～8%，Ro值較低，介于0.5%～1.3%，干酪根類型以Ⅰ-Ⅱ2型為主；海陸過渡相頁巖TOC含量介于1%～7%，Ro介于1%～2.5%，干酪根類型多為Ⅲ型［15-16］。③巖性特征表現(xiàn)在頁巖氣儲(chǔ)層巖性以暗色泥頁巖為主，粒徑較細(xì)，其中石英、長石、方解石等脆性礦物對儲(chǔ)層孔隙類型、含氣性以及后期開發(fā)存在較大的影響。④物性特征為泥頁巖鑄體表現(xiàn)為低孔低滲的差物性特征，孔隙度一般小于10%，滲透率一般小于1 mD［17］，但是由于泥頁巖中存在大量脆性礦物，因此天然裂縫相對較為發(fā)育，一定程度上改善了儲(chǔ)層物性。⑤生產(chǎn)實(shí)踐表明，頁巖氣地層壓力具有異常高壓的特征，這與頁巖氣的成因有很大聯(lián)系。

2.2 頁巖氣成藏機(jī)理

頁巖氣的成藏過程較為復(fù)雜，張金川［5］15-16立足于頁巖氣賦存條件、運(yùn)移過程和成藏過程將頁巖氣形成機(jī)理總結(jié)為3大階段：第一階段是成藏初期階段，由于泥頁巖中有機(jī)質(zhì)的作用，天然氣產(chǎn)生并且以吸附狀態(tài)附著在巖石顆粒表面，這一階段含氣量有限。第二階段是成藏中期階段，由于第一階段天然氣的生成，使得原有地層壓力不斷提高，造成泥頁巖層中脆性薄弱面、巖性變化接觸面或者應(yīng)力較集中的地方產(chǎn)生裂縫，天然氣易形成游離相為主的工業(yè)氣藏，地層含氣量與第一階段相比有較大提升。第三階段是成藏后期階段，隨著第二階段天然氣的大量生成，超出泥頁巖層的范圍，遇到常規(guī)儲(chǔ)層或者疏導(dǎo)層后，天然氣受浮力作用進(jìn)行置換運(yùn)移，形成大規(guī)模圈閉氣藏，但仍有一部分天然氣殘留于泥頁巖中。這3個(gè)階段的頁巖氣在頁巖儲(chǔ)層中可以同時(shí)存在，保持泥頁巖儲(chǔ)層中賦存狀態(tài)的動(dòng)態(tài)平衡。

3 頁巖氣成藏主控因素

3.1 地質(zhì)條件

1）有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)類型。有機(jī)碳含量決定頁巖的生氣量，高有機(jī)碳含量的泥頁巖層一般資源潛力比較大。有機(jī)質(zhì)類型影響生氣能力，且不同有機(jī)質(zhì)在不同演化階段的生氣量差異較大。

2）有機(jī)質(zhì)成熟度。成熟度是確定有機(jī)質(zhì)生氣量的重要指標(biāo)，一般來說，有機(jī)質(zhì)成熟度高，產(chǎn)氣量和含氣量越高。

3）儲(chǔ)層物性。儲(chǔ)層孔隙度和滲透率是控制儲(chǔ)集層儲(chǔ)氣和產(chǎn)氣能力的重要參數(shù)，泥頁巖儲(chǔ)層中存在大量脆性礦物，經(jīng)過壓裂可以提高儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度，有效改善儲(chǔ)層物性，提高產(chǎn)氣能力。

4）孔隙及裂縫。豐富的納米級(jí)或微米級(jí)孔隙，且呈“蜂窩狀”分布，同時(shí)裂縫發(fā)育，能夠?qū)⑦@些“蜂窩狀”孔隙連接起來，這將有利于提高儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力，有利于頁巖氣的聚集和成藏，改善頁巖滲流能力和壓裂處理的效率。

5）巖石礦物特征。泥頁巖中石英等脆性礦物是決定頁巖氣是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的重要指標(biāo)，例如美國高產(chǎn)工業(yè)頁巖氣區(qū)塊的儲(chǔ)層中，脆性礦物含量可高達(dá)40%以上［18］。

6）濕度。隨著泥頁巖儲(chǔ)層濕度的增加，吸附氣含量會(huì)降低。并且濕度和頁巖的成熟度有關(guān)，成熟度增加，頁巖濕度減小，則吸附氣含量增加。

7）厚度。大規(guī)模厚層泥頁巖中有機(jī)質(zhì)含量高，并且儲(chǔ)集空間也較多，容易形成具有經(jīng)濟(jì)效益的商業(yè)性氣藏。

3.2 外部因素

1）埋藏深度。雖然埋藏深度對頁巖氣藏的成藏過程影響較小，但是深度會(huì)影響開發(fā)成本和經(jīng)濟(jì)效益，一般淺層（小于1 000 m）油氣藏具有高孔滲、高吸附氣含量和低開采成本的特點(diǎn)。

2）溫度和壓力。地層溫度與吸附氣含量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，溫度越高，泥頁巖儲(chǔ)層中吸附氣含量越低。地層壓力與吸附氣含量呈正相關(guān)關(guān)系，壓力越高，泥頁巖儲(chǔ)層中吸附氣含量越高。

4 四川盆地頁巖氣研究新進(jìn)展

4.1 四川盆地頁巖氣藏地質(zhì)特征與富集因素

四川盆地屬于揚(yáng)子板塊西部重要的一級(jí)構(gòu)造單元，為大型克拉通疊合盆地，經(jīng)歷了多期沉積構(gòu)造演化階段，發(fā)育海相、海陸過渡相和陸相3種類型的泥頁巖，其中海相地層主要發(fā)育在震旦系、寒武系、奧陶系、志留系，屬于半深水—深水陸棚沉積環(huán)境，陸相（以湖相為主）地層主要發(fā)育在早印支運(yùn)動(dòng)以后［19］。整個(gè)四川盆地的沉積地層厚約7 000～12 000 m，震旦系—中三疊統(tǒng)屬于海相環(huán)境，沉積厚度約為 4 000～7 000 m；上三疊統(tǒng)—第四系屬于陸相環(huán)境，沉積厚度約為3 000～5 000 m，根據(jù)時(shí)代可以將地層分為6套，這6套地層具有不同的地質(zhì)特征和地球化學(xué)參數(shù)（表1）［9］3。從表1中可以看出不同年代、不同環(huán)境沉積的頁巖地質(zhì)條件差異很大。廣泛分布的厚層頁巖為頁巖氣藏的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。有機(jī)質(zhì)類型主要是腐殖型和腐泥型，演化程度比較高，為頁巖氣藏提供了足夠的氣源。頁巖厚度大和分布范圍比較廣可以形成連續(xù)的儲(chǔ)集空間，縱向和橫向的連續(xù)性較好，并且多天然裂縫，提高了儲(chǔ)層物性。

4.2 四川盆地頁巖氣發(fā)育有利區(qū)與進(jìn)展

整個(gè)四川盆地面積廣大，海相、陸相和過渡相頁巖均有發(fā)育，具有良好的勘探開發(fā)前景。川東地區(qū)古生界由于處于盆地沉積—沉降中心，發(fā)育寒武系—二疊系暗色頁巖，厚度較大，埋深較淺，頁巖發(fā)育層數(shù)多、質(zhì)量好，組成了四川盆地最為優(yōu)質(zhì)的頁巖氣藏勘探區(qū)。川南地區(qū)古生界筇竹寺組和龍馬溪組頁巖厚度大，TOC含量高；此外，上三疊統(tǒng)泥巖以Ⅲ型干酪根為主，TOC含量平均為1.14%，分布較穩(wěn)定，也是頁巖氣藏分布的有利區(qū)域。盆地川西地區(qū)位于前陸坳陷區(qū)，古生界地層埋深較大，烴源巖厚度大，具有良好的生氣能力；二疊—三疊系泥巖和砂巖頻繁互層，形成大量的根緣氣［20-21］。四川盆地是中國南方頁巖氣發(fā)展的重要方向，對我國頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義，有良好的地質(zhì)條件，但與美國等發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，存在較大差距，所以未來的發(fā)展要深化基礎(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識(shí)，重點(diǎn)考慮下古生界寒武系和志留系地層，發(fā)展核心開發(fā)技術(shù)，從而降低成本、增加經(jīng)濟(jì)效益。

5 頁巖氣研究存在的問題與發(fā)展前景

5.1 存在問題

1）有效泥頁巖勘探“甜點(diǎn)區(qū)”不明確。從目前頁巖氣的研究成果來看，志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，資源潛力大，部分區(qū)域取得較大成果，但并非所有井都能建產(chǎn)，且這僅是四川盆地的研究成果，能否具有適用性還有待驗(yàn)證，同時(shí)對于其他層系、其他地區(qū)頁巖氣的富集條件和分布規(guī)律還不明確［22］。

2）頁巖氣開發(fā)核心技術(shù)和關(guān)鍵裝備還須持續(xù)攻關(guān)。我國頁巖氣資源主要集中在南方古生界海相頁巖中，但南方地區(qū)多山丘峽谷，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，存在地震層位追蹤和構(gòu)造解釋困難的問題，特別是在深度超3 500 m的頁巖地層中，地面和地下雙重復(fù)雜性使得在實(shí)際鉆井結(jié)果中出現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)際不符，甚至由于地層極其復(fù)雜而放棄鉆井的情況［8，16］。當(dāng)前的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在以下方面：地層較老，埋深較大，斷層較多，水平井施工難度大，事故率高；埋深導(dǎo)致地層壓力大，壓裂改造困難，效果較差；地層溫度較高，對設(shè)備要求普遍較高。

表1 四川盆地頁巖基本特征表

3）勘探開發(fā)成本較高，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。目前，頁巖氣井的開采方式主要以水平井為主，單井成本已降低20%～40%，約為6 000萬元～8 000萬元。以四川盆地蜀南地區(qū)的一口頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)為例，該井投資約7 000萬元，壓裂后第一年產(chǎn)氣量約為2 600×104m3，按照頁巖氣井的年自然遞減率計(jì)算，前4年遞減率取65%、35%、20%、10%，第5年及以后取5%左右，以15年開采為一個(gè)生命周期，全生命周期單井累計(jì)產(chǎn)量估算為9 000×104m3，每立方米氣開采成本約為0.8元，其開采成本要比常規(guī)天然氣高出約1倍［23］。

為了鼓勵(lì)頁巖氣的開發(fā)利用，自2012年開始國家出臺(tái)相關(guān)政策對頁巖氣進(jìn)行補(bǔ)貼，“十三五”期間，頁巖氣開發(fā)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為前3年0.3元／m3、后兩年0.2元／m3。應(yīng)當(dāng)注意，補(bǔ)貼下降主要是由于技術(shù)進(jìn)步帶來的相關(guān)技術(shù)成本下降。此外，2018年出臺(tái)《關(guān)于對頁巖氣減征資源稅的通知》還明確將頁巖氣資源稅降低30%征收。但對于頁巖氣來說，有規(guī)模才會(huì)有效益，以四川盆地為例，從目前的開發(fā)情況來看，需達(dá)到礁石壩和長寧頁巖氣區(qū)那樣的產(chǎn)量才能實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。

4）綠色開發(fā)之路任重道遠(yuǎn)。未來，頁巖氣將成為中國重要的能源組成部分，但由于頁巖儲(chǔ)層固有的低滲特點(diǎn)，需對儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂改造以提高滲透率。從現(xiàn)有技術(shù)水平來看，即便是在北美，其單井鉆井、壓裂等耗水為（1.5～3.2）×104m3，相比國內(nèi)，由于頁巖氣藏埋深較深，以四川盆地為例，耗水為（1.8～4.3）×104m3，這里面單壓裂用水即占80%以上［24］?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，頁巖氣開采中水力壓裂階段的耗水量是常規(guī)油氣井的50～100倍［25］。從中國頁巖氣區(qū)分布來看，多在我國西南山區(qū)，這里交通不便、淡水資源缺乏，如果要大規(guī)模開發(fā)，勢必會(huì)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成影響。同時(shí)，壓裂液含多種化學(xué)物質(zhì)，若留在地層可能會(huì)污染地下水資源，若返至地表，會(huì)攜帶地層污染物，增加處理難度。經(jīng)壓裂改造后的地層，會(huì)在地下產(chǎn)生人工裂縫，打破地層原有的平衡［26］，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，其在西南山區(qū)影響更甚。

5.2 頁巖氣發(fā)展前景

目前常規(guī)油氣能源的開采已經(jīng)進(jìn)入后期發(fā)展階段，資源量也在逐步減少，但是我國對油氣等能源的需求量依舊很大，特別是在去產(chǎn)能與“煤改氣”的背景下，尤其對天然氣的需求量在逐年增長，對國外進(jìn)口天然氣的依賴程度較大，所以頁巖氣等非常規(guī)能源是我國能源安全發(fā)展戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)，也是打好“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的重要基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

頁巖氣作為油氣資源的一種，其富集、成藏規(guī)律仍然符合天然氣地質(zhì)的基本規(guī)律，但相比常規(guī)油氣資源條件更加苛刻。即便如此，目前頁巖氣的勘探開發(fā)已取得一定成果，其中以四川盆地五峰組—龍馬溪組、筇竹寺組海相頁巖潛力最大，并初步進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段，但依然面臨有效頁巖勘探“甜點(diǎn)區(qū)”不明，技術(shù)上的限制以及成本、環(huán)保方面的制約，這將使我國頁巖氣勘探開發(fā)任重道遠(yuǎn)。