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页岩气特征及我国的资源前景

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页岩气特征及我国的资源前景0 引言页岩气为产自极低孔渗、富有机质暗色页岩地层系统中的天然气,是近期可实现经济规模勘探开发、资源丰富的非常规天然气资源。页岩气的形成与分布独具特征。往往分布在盆地内厚度较大、分布较广的有效烃源岩层中,具有资源潜力大、开采寿命长的优势 [1中国页岩气资源十分丰富,据专家估算,可采资源量约为 26×1012美国(28×10 12致相当 [3],而美国页岩气勘探开发已经取得了巨大的成功,2010 年 9 月在华盛顿召开的“全球推介页岩气大会”上,美国公布本国 2009 年页岩气产量为 889×108过了中国830×108常规天然气产量。美国页岩气开发的巨大成功使其近年的天然气储、产量大增,国内天然气价格下降,直接影响到其他国家的天然气出口价格。近两年来,中国页岩气勘探开发也持续、快速升温,特别是第一口页岩气井——四川威远气田的威 201 井,在下古生界寒武系筇竹寺组黑色页岩段直井压裂获得井口测试日产量上万方的工业性气流,表明了中国页岩气资源开发潜力巨大,前景乐观。1 国内外研究进展世界上页岩气资源的研究和勘探开发最早开始于美国,当前美国和加拿大是实现页岩气商业性开发的 2 个主要国家。页岩气在非常规天然气领域的异军突起已成为全球油气资源勘探开发的新亮点,目前正迈入快速发展期(图 1) 。图 1 全球页岩气勘探开发形势示意图]和 ]研究认为。页岩气以游离态储存在页岩孔隙和天然裂缝中,以吸附态存在于干酪根和粘土颗粒表面,有的甚至以溶解状态存在于干酪根和沥青质中。页岩气是连续生成的生物化学作用气、热裂解气或两者的混合,在成藏和分布上具有运移距离短、多种封闭机理、聚集成藏隐蔽、地层饱含气等地质特殊性 [6]。国内学者对页岩气的定义进行过很多有意义的探讨 [7张金川等 [7]把页岩气定义为主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中。以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果。表现为典型的“原地”成藏模式。1821 年,第一口页岩气井钻于美国东部,20 世纪 20 年代步入规模生产,70 年代页岩气勘探开发扩展到美国中西部地区,进入 90 年代,由于开发技术的进步和政策价格等因素的推动,页岩气成为了重要的勘探开发领域和目标,2000 年以来,美国的页岩气勘探开发突飞猛进,在过去 10 年里,美国页岩气产量增加了近 10 倍,近年来实现了年年翻番;加拿大自 2000 年进行西加拿大盆地群的页岩气研究和勘探开发先导试验以来,2007 年实现了页岩气产量突破。2009 年北美页岩气上表产量达 950×108中美国为 878×108拿大为72×108页岩气产量已占到北美天然气总产量的 12%。成为影响北美地区乃至全球天然气格局的重要战略资源。2000 年以来,中国政府及相关企业就已高度重视页岩气的勘探开发。密切注视北美页岩气的发展动态。近年来,更是掀起了页岩气勘探开发的热潮。借鉴北美页岩气勘探开发经验、广泛的国际交流与合作,目前中国已在南方多个地区开展针对古生界海相页岩地层的页岩气工业化勘探开发试验区建设。正在进行扬子、鄂尔多斯、塔里木、渤海湾、松辽等盆地或地区的页岩气基础研究和前期评价。利用地质类比,预测了中国页岩气资源潜力。但中国的页岩气勘探开发和相关研究起步较晚。目前总体仍处于起步阶段。2 积环境较快的沉积条件和封闭性较好的还原环境是黑色页岩形成的重要条件。沉积速率较快可以使得富含有机质页岩在被氧化破坏之前能够大量沉积下来,而水体缺氧可以抑制微生物的活动性,减小其对有机质的破坏作用。效厚度众所周知,广泛分布的泥页岩是形成页岩气的重要条件。同时,沉积有效厚度是保证足够的有机质及充足的储集空间的前提条件,页岩的厚度越大,页岩的封盖能力越强,有利于气体的保存,从而有利于页岩气成藏 [10]。有机碳含量总有机碳含量是烃源岩丰度评价的重要指标,也是衡量生烃强度和生烃量的重要参数。有机碳含量随岩性变化而变化,对于富含粘土的泥页岩来说,由于吸附量很大,有机碳含量最高,因此,泥页岩作为潜力源岩的有机含量下限值就愈高,而当烃源岩的有机质类型愈好,热演化程度高时,相应的有机碳含量下限值就低。对泥质油源岩中有机碳含量的下限标准,目前国内外的看法基本一致,为 0. 4%~0. 6%,而泥质气源岩有机碳含量的下限标准则有所不同。大量研究结果表明,气态烃分子小,在水中的溶解能力强,易于运移,气源岩有机碳含量的下限标准要比油源岩低得多。酪根类型和成熟度众所周知,在不同的沉积环境中,由不同来源有机质形成的干酪根,其组成有明显的差别,其性质和生油气潜能也有很大差别。因此,研究干酪根的类型(性质)是油气地球化学的一项重要内容,也是评价干酪根生油、生气潜力的基础。干酪根类型是衡量有机质产烃能力的参数,不同类型的干酪根同时也决定了产物以油为主还是以气为主。一般来说,Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根以生油为主, Ⅲ型干酪根则以生气为主。沉积岩石中分散有机质的丰度和成烃母质类型是油气生成的物质基础,而有机质的成熟度则是油气生成的关键。干酪根只有达到一定的成熟度才能开始大量生烃和排烃。不同类型的干酪根在热演化的不同阶段生烃量也不同。在低熟阶段(0. 4%~0. 6%) ,有机质就可以向烃类转变。美国 5 大页岩盆地页岩的热成熟度分布范围在 间,可见在有机质生烃的整个过程都有页岩气的生成。随着成熟度的增加,早期所生成的原油开始裂解成气。美国 岩之所以含气量大,主要源于生烃体积(有机质丰度、生烃潜力和页岩厚度引起的结果) ,成熟度以及部分液态烃持续裂解生气。成熟度越低的 岩区,其气体产量就越低,这可能是因为生气少,残留烃的流动阻塞孔隙的缘故。许多高熟的岩区干酪根和油的裂解使生气量大幅提高,导致页岩气井气体流量大。因此,成熟度是评价高流量页岩气相似性的关键地球化学参数。岩气的成因类型前人对美国 5 大页岩气盆地页岩气的成因研究表明,页岩气可以通过以下 2种途径演变而来。第 1 种途径:热裂解成因气。页岩中热成因气的形成有 3 个途径( 图 2) : ①干酪根分解成气体和沥青; ②沥青分解成油和气体( 步骤 1 和步骤 2 为初次裂解) ; ③油分解成气体、高含碳量的焦炭或者沥青残余物(二次裂解) 。最后一个步骤主要取决于系统中油的残余量和储层的吸附作用。美国 地的岩气就是通过来源于干酪根热降解和残余油的二次裂解 [11主要以残余油的二次裂解为主,正因为如此,使得 岩气具有较大资源潜力。图 2 岩热成因气形成途径示意 [11]第 2 种途径:生物成因气。一般指页岩在成岩的生物化学阶段直接由细菌降解而成的气体,也有气藏经后期改造而成的生物气。如美国密歇根盆地的 后者为主。其原因可能是发育良好的裂缝系统不仅使天然气和携带大量细菌的原始地层水进入 岩内,而且来自上覆更新统冰川漂移物中含水层的大气降水也同时侵入,有利于细菌甲烷的形成 [13]。3 页岩气的基本特征表 1 页岩气与常规及其他非常规天然气藏主要特征对比表 [14]与常规及其他非常规天然气藏不同,页岩气自身具有明显特征(表 1) ,主要特征表现在:①页岩气成因类型多,可以形成于有机质演化的各阶段,包括生物成因气、热成因气和热裂解成因气,源储一体,成藏过程为持续充注,原位饱和聚集;②页岩储层超致密,孔隙类型多样,孔隙大小以微页岩气组成以甲烷为主,乙烷、丙烷等含量少,可以存在 O 2 等非烃气体,极少有 体,气体赋存方式以吸附气、游离气两种方式为主,吸附气占总气量的比例为 20%~80%;④页岩气分布不受构造控制,没有(或无明显)圈闭界限,含气范围受成气烃源岩面积和良好封盖层控制,资源规模大,可采程度低(一般介于 10%~35%) ,存在高丰度“甜点”核心区;⑤页岩气产出以非达西渗流为主,存在解吸、扩散、渗流等相态与流动机制的转化,生产周期长;⑥页岩气开发形成工业产能必须进行储层大型体积压裂,改造前一般低产或无产,生产过程中不产水或产水很少 [14]。3 页岩气藏特征纵观产页岩气盆地分布的大地构造位置、盆地类型和性质,页岩气藏的各种特征也是有规律可循的。分布于前陆盆地的页岩气藏埋藏较深,压力和成熟度较高,天然气为热成因,具有高气体饱和度、低吸附气含量(圣胡安盆地除外)、低孔渗、平缓的等温吸附线和较高的开采成本等特点;而位于克拉通盆地的页岩气藏则埋藏较浅,压力和成熟度较低,天然气为生物成因或混合成因,具有低气体饱和度、高吸附气含量、高孔渗、陡峭的等温吸附线、较低的开采成本等特点,页岩气藏模式也有较大差异。陆盆地页岩气藏特征该类盆地一般存在被动大陆边缘和前陆 2 个演化阶段,均有利于形成页岩气藏所必需的页岩发育,尤其是在层序格架的凝缩段。前陆盆地构造运动比较强,常规油气难以保存,而页岩气藏具有抗破坏能力强的特点,因此,在前陆盆地即使没有常规油气发现的区域也可能会发现大量页岩气资源。(1) 被动陆缘上的前陆盆地一般发育 2 套或多套页岩层,即被动陆缘和前陆盆地 2 个阶段的页岩沉积,具有多层次的页岩发育,具备形成页岩气藏良好的物质基础。(2) 页岩气藏一般埋藏较深。主要分布在 3 个深度段:小于 于 3) 页岩成熟度较高。天然气均为热成因来源。前陆盆地页岩气藏中足够高的页岩成熟度是页岩气藏发育的关键,页岩的高成熟度(>2%)不是制约页岩气成藏的主要因素,相反,成熟度越高,越有利于页岩气藏的发育和开发。(4) 裂缝有助于页岩层中吸附于矿物和(或)有机质表面的天然气吸附和解吸[4]。裂缝对页岩气藏具有双重作用:一方面,裂缝为天然气和水通过黑色页岩层向井筒运移提供通道;另一方面,如果裂缝规模过大,可能导致天然气散失或气层与水层相通。由于前陆盆地构造运动比较强,裂缝比较发育,裂缝可能对页岩气藏的发育和生产起到一定程度的制约作用。(5) 前陆盆地的页岩气藏形成了以福特沃斯盆地 田 3)[15]。图 3 福特沃斯盆地 文献 [15]修改)拉通盆地页岩气藏特征(1) 位于克拉通盆地的页岩气藏主要分布在盆地边缘较浅的部位,近年来在伊利诺斯盆地较深部位也发现了页岩气藏。但就页岩发育的情况看,盆地中心比边缘更有利于页岩气藏的发育。(2) 与前陆盆地的页岩气藏相比,位于克拉通盆地的页岩气藏埋藏普遍较浅,目前在该类盆地发现的页岩气藏通常小于 于埋藏比较浅,气体饱和度较低,相应的吸附气含量较高,一般大于 50%。(3) 页岩气藏以低成熟度和高、低成熟度混合为特征。(4) 克拉通盆地的构造变动较弱,裂缝欠发育,因此,裂缝的发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素,裂缝发育好的气藏,品质也较好,反之,则较差。(5)克拉通盆地的构造形态为四周高、中间低,这种形态决定了淡水由盆地边缘向中心注入,成为克拉通盆地 1 种典型的页岩气藏模式(图 4)。图 4 密执安盆地 岩气成藏模式页岩气藏主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中, 是天然气在烃源岩内就近聚集的结果, 其表现为典型的原地成藏模式。结合泥页岩在其成岩发展演化不同阶段的古温度、粘土矿物(伊利石( I) 、蒙皂石( S) 及伊蒙比( I/ S) ) 、镜质体反射率( 、孔隙类型的特征 , 笔者从构造、沉积等方面进行了综合研究, 将页岩气成藏分为早期运聚成藏、中期原地聚集成藏和晚期裂缝调整成藏 3 个阶段( 图 5) 。图 5 页岩气各成藏阶段特征5 页岩气富集地质因素从富集程度来看, 通过重点剖析 地 岩气藏,主要有以下几个影响因素。高的热演化程度 从美国 5 大页岩系统的对比来看, 岩产气量最大, 但其 与岩相差不大, 远较 岩和 岩小, 较 岩大; 页岩厚度与 岩接近 , 较其它页岩小; 热演化指标 除较 较其它页岩大 , 说明其热演化程度较高 (表 2)。可见,热演化程度高是页岩气富集的主要因素之一。 [16]也认为 岩气能够勘探与开发的首要因素是热成熟度,其次为厚度和有机碳含量。事实上, 从 8 个取心、岩屑和露头样品的分析计算来看,岩原始总有机碳(均值为 6. 41%, 其中有 95%来源于 Ⅰ型干酪根,5%来自于Ⅱ型干酪根 [17], 有机质丰度并不低, 高热演化程度下的 15~60m 的页岩有效厚度内(表 2) , 天然气是极为富集的。表 2 美国 5 套页岩气系统的地质、地球化学和储层参数部分数据 [4]对较高的孔隙度孔隙是天然气赖以存在的空间, 其大小直接决定了页岩气的储量及富集程度。页岩中孔隙的来源有: 1) 原生孔隙; 2) 有机质热裂解产生的孔隙; 3)未被胶结的微裂缝; 4) 超压保存的孔隙。好的保存条件天然气要形成富集对保存条件的要求是极为苛刻的, 特别是天然气以游离气为主时更是如此。页岩中天然裂缝是很发育的, 但这些裂缝几乎均为方解石所胶结, 封堵了天然气向上覆岩层的逸散 [18]。6 国陆上富有机质页岩发育特征中国陆上广泛发育海相、海陆过渡相和陆相 3 种富有机质页岩,图 6 是中国陆上富有机质泥页岩的发育与分布略图 [1]。在地质时代上,中国陆上发育的富有机质泥页岩地层划为两大地质时期:古生代海相沉积形成的富有机质泥页岩和中新生代陆相沉积形成的富有机质泥页岩。古生代海相泥页岩主要发育在中国南方地区的古生界、华北地区的古生界和塔里木盆地的寒武系一套有机质丰度高( 、高 O=2%~5%)、富含气( 总含气量 )的深水陆棚相沉积的硅质页岩、炭质页岩、黑色页岩及粉砂一砂质页岩,分布面积(63~90)×10 4新生代陆相富有机质页岩主要发育在中国东部地区松辽盆地白垩系、渤海湾盆地古近系、中部地区的鄂尔多斯盆地三叠系、四川盆地三叠系一侏罗系、西部地区准噶尔盆地侏罗系、柴达木盆地古近系哈盆地侏罗系和塔里木盆地三叠系一套高有机质含量(40%) 、低熟一成熟演化(R O=、含油含气的半深- 深湖相泥页岩。分布面积近(23~33)×10 4时,石炭纪国陆上页岩气资源潜力中国古生界海相富有机质页岩分布范围广、连续厚度大、有机质丰度高.但演化程度高、构造变动多;中新生界陆相富有机质页岩横向变化大.以厚层泥岩或砂泥岩互层为主.有机质丰度中等,热成熟度低。中国沉积岩面积约 670×104中海相沉积岩面积近 300×104类比法预测(表 3),中国陆上富有机质泥页岩有利勘探开发面积约(100~150)×10 4度20~300m,有机碳含量 R O=页岩气资源潜力为(86~166)×10 12。其中古生界海相页岩气资源潜力为(75~147)×10 12页岩气总资源量的 88%。中新生界页岩气资源潜力为(11~19)×10 12页岩气总资源量的 12%。初步评价认为。南方地区古生界海相页岩分布面积广、厚度大、有机质丰富、成熟度高,有利于页岩气的形成与富集。资源潜力大,是中国页岩气勘探开发的现实领域。其中奥陶系五峰组2×104度 20~700m。平均厚度大于 100m,最高约 R O=寒武系筇竹寺组富有机质页岩面积 50×104度 50~300m,平均厚度大于 120m,最高 R O 以往钻井过程中 2 套页岩气显示普遍,显示率(获气显示井与中钻井数之比)高达 34%,尤其是部分井已获得低产气流和工业气流,将会成为中国页岩气勘探开发率先突破的领域。7 结论(1)页岩气成藏机理特殊,成藏条件多样,具有普遍发育、广泛分布特点,是中国值得高度重视且具有广泛勘探意义的非常规油气资源类型。(2)页岩气在中国的分布具有普遍性意义,在剖面上可分为古生界和中—新生界两大套特点差异较大的重点层系,在平面上可划分为南方、西北、华北—东北及青藏等 4 个页岩气大区。其中,南方及西北地区的页岩气(也包括鄂尔多斯盆地及其周缘) 成藏条件最好,资源量最大,剖面上以南方地区的古生界和西北地区的中—古生界为最优。参考文献[1] 邹才能,董大忠,王社教,等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发,2010,37(6):641[2] 董大忠,程克明,王玉满,等.中国上扬子地区下古生界页岩气形成条件及特征[J].石油与天然气地质,2010 ,31(3) :2883] 张鸿翔. 页岩气: 全球油气资源开发的新亮点-我国页岩气开发的现状与关键问题[J].中国科学院院刊, 2010, 25 (4): 4064] B.,2002,86(11):1921—1938.[5] ] 2003.[6] 张金川,聂海宽,徐波.四川盆地页岩气成藏地质条件田[J].天然气工业,2008,28(2):1517] 张金川,金之钧,袁明生.页岩气成藏机理和分布田[J].天然气工业. 2004;24(7) :158] 张林晔,李政.朱日房,等.页岩气的形成与开发[J].天然气工业,2009.29(1) :1249] 李新景, 胡素云, 程克明. 北美裂缝型页岩气勘探开发的启示[J].石油勘探与开发, 2007, 34(4): 39210] 杨振恒,李志明,沈宝剑,等. 页岩气成藏条件及我国黔南坳陷页岩气勘探前景浅析[J]. 中国石油勘探,2009, (5) :24230.[11] L, M, A, et J]. 2005, 89(2) :1552175.[12] M, J , M ,et of [C]//. 212003: 324.[13] M, M, M, et ]. 998, 62(10) : 169914] 邹才能, 董大忠, 等. 中国页岩气形成条件及勘探实践[J].天燃气工业,2011,12:2615] A.].007,91(4):523—533.[16] B, . of ]. 2007, 91(4): 53517] J, H, et of as J]. 2007, 91(4): 47518] W, M, . in ]. 2007, 91(4): 603
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