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页岩气成藏地质条件及中国上扬子区页岩气潜力

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页岩 气成藏 地质 条件 中国 上扬 子区 潜力
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页岩气成藏地质条件及中国上扬子区页岩气潜力孟庆峰1,2,侯贵廷1,2*(1.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871; 2.北京大学石油与天然气研究中心,北京 100871)摘要:通过对北美页岩气藏地质特征进行调研,总结出页岩气藏的分布特征和形成地质条件,并对中国上扬子区海相页岩气资源潜力进行分析。热成因页岩气藏主要位于造山带边缘前陆盆地的前渊和前缘斜坡部位,生物成因页岩气藏主要位于克拉通盆地,二者在资源分布和成藏地质条件等方面均存在差异。页岩气藏形成的地质条件及评价要素包括页岩厚度、埋藏深度、有机碳及吸附气含量、有机质类型及成熟度、脆性矿物含量、地层压力与温度、储层物性、天然裂缝发育程度及含气量等。中国上扬子区古生界下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组的海相黑色页岩具有较好的页岩气潜力,是中国海相页岩气勘探最为有利的目标之一。关键词:页岩气地质条件海相潜力上扬子区中图分类号:献标识码:A 文章编号:1009-9603(2012)01-0011-04页岩气为非常规天然气中最重要的类型之一,资源量巨大,但埋藏一般较深且渗透性差,开发难度及成本很大,因此未受到重视。近20 a 来,随着水平钻井、水力压裂技术的进步及天然气价格攀升,以],尤其是近年来不断涌现资源量更大的页岩气区带,如 起全世界范围内页岩气勘探开发的热潮。笔者在阐明页岩气类型及基本特征的基础上,探讨了含气页岩的分布特征、沉积环境及页岩气的成藏地质条件,并对中国上扬子区海相黑色页岩气潜力进行分析,认为上扬子区古生界下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组海相黑色页岩具有较大的勘探潜力。1 页岩气成藏地质条件1.1 地质特征页岩气为连续型天然气,缺乏明显的盖层、圈闭及界限分明的气水界面,天然裂缝较为发育,页岩渗透性极差,采收率通常低于常规天然气藏,开采的经济性很大程度取决于完井技术[2-3]。页岩气分为生物成因气、热成因气及二者结合成因气,为典型的“自生自储”天然气藏,其存在形式包括游离气和吸附气,游离气分布于天然裂缝和粒间孔隙中,吸附气吸附于干酪根和粘土颗粒表面,或溶解于干酪根和沥青质中[4]。页岩是一个宽泛的概念,还包含泥岩、细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩等夹层。1.2 盆地类型及沉积环境美国目前已工业开发的热成因页岩气藏主要分布于阿巴拉契亚冲断带和南部沃希托冲断带前缘的前陆盆地,其典型气藏包括阿巴拉契亚盆地岩气、福特沃斯盆地 岩气。生物成因页岩气藏主要位于与上述前陆盆地相邻的克拉通盆地,如伊利诺斯盆地气页岩通常为常规油气藏的烃源岩或盖层[5-6],沉积于潮坪或深盆等低能缺氧的环境,同时沉积藻类等有机质,生物扰动少,有机质保存良好[7]。沉积物经沉积、压实及成岩作用后,渗透性极差,部分页岩渗透率甚至小于0.001×10-3μ前陆盆地不同构造部位沉积的页岩特征存在差别,位于前渊部位沉积的页岩面积较大,埋藏较深,有机质丰度和成熟度较高,资源量也较大,例如阿巴拉契亚盆地于前缘斜坡部位沉积的页岩一般埋藏较浅,有机质丰度和成熟度较小,如阿巴拉契亚盆地稿日期:2011-11-01。作者简介:孟庆峰,男,在读硕士研究生,从事盆地构造及非常规油气地质研究。联系电话:15210719618,E- 通讯作者:侯贵廷,男,教授,博士。联系电话:(010)62756422,E-金项目:国家重大专项“海外重点裂谷盆地油气成藏规律及目标优选”(200801)。第19卷 第1期 油 气 地 质 与 采 收 率 9,2012年1月 20121.3 成藏地质条件页岩气藏形成的地质条件及评价要素包括页岩厚度、埋藏深度、有机碳及吸附气含量、有机质类型及成熟度、脆性矿物含量、地层压力与温度、储层物性、天然裂缝发育程度和含气量等。页岩厚度 页岩气藏为典型的“自生自储”式气藏,通过页岩厚度及其分布范围可判断页岩气藏的边界,页岩厚度在一定程度上控制着页岩气藏的规模及经济效益[8]。在目前已成功开发的页岩气藏中,9 ~30 m。笔者认为具有工业价值的含气页岩厚度下限为15 m,具有良好经济效益的优质页岩气藏的页岩厚度应大于30 m。埋藏深度 虽然埋藏深度不是控制页岩气成藏的决定性因素,但其关系着页岩气藏开发的难度和经济效益[9]。生物成因气埋藏相对较浅( 小于1 500 m),开发难度小且经济效益高;热成因气埋藏相对较深(多大于1 500 m),但资源量大且分布广泛。目前已进行工业性开发的页岩气藏的埋藏深度一般低于3 000 m,但随着天然气价格的抬升及页岩气钻采工艺的进步,埋藏深度更大的页岩气藏将得以开发。有机碳及吸附气含量 有机碳含量是页岩气聚集成藏的重要控制因素之一,其不仅决定了页岩的物理、化学性质,也在一定程度上控制着页岩裂缝的发育程度,更重要的是控制着页岩的含气量[10-11]。北美主要含气页岩的有机碳含量一般大于2%,多为4% ~8%。页岩有机碳含量是影响页岩吸附气体能力的关键因素,有机碳含量越高,页岩吸附天然气的能力越大。因为干酪根中微孔隙发育,孔隙表面具亲油性,对气态烃有较强的吸附能力,同时气态烃在无定形和无结构基质沥青体中也会发生溶解[12]。吸附气含量在页岩气产能预测中具有重要作用,也是页岩气藏能够长期稳产的重要指标。目前已进行工业开采的页岩气藏中吸附气含量为10% ~85%,多数大于20%,因此笔者认为具有工业价值页岩气藏的吸附气含量下限为20%。有机质类型及成熟度 页岩气通常为干气,成分主要为甲烷(含量一般大于90%),其烃源岩类型多为Ⅰ型和Ⅱ型干酪根。对于生物成因气,其有机质处于未成熟阶段,镜质组反射率为0.4% ~0.6%;对于热成因气,其有机质则处于成熟或过成熟阶段。有机质成熟度较高不是制约热成因页岩气成藏的因素,相反,有机质成熟度越高越有利于页岩气成藏。随着有机质成熟度增高,页岩中有机质更多地转化为烃类,硅质矿物含量相对升高,页岩脆性也随之增强,更易形成裂缝。脆性矿物含量 含气页岩的脆性对其天然裂缝及诱导裂缝的形成具有关键作用。当页岩的泥质含量增加时,会降低岩石脆性,减弱裂缝的发育;而硅质和钙质矿物含量增加时,会增加岩石脆性。脆性大的岩石,裂缝更为发育且易于进行水力压裂,从而降低页岩气开发的难度并提高采收率[13]。通过 描电子显微镜和显微探针分析,粘土矿物平均含量为24%[7],整体脆性较高,易于水力压裂。北美含气页岩的脆性矿物( 石英、长石等) 含量为20% ~80%,多大于30%。笔者认为具有工业价值含气页岩的脆性矿物含量应大于30%,粘土矿物含量应小于50%。地层压力与温度 北美页岩气藏同时具有异常高压和异常低压。页岩气的原始地层压力应为高异常,但由于构造抬升或沉降活动,含气页岩的原始地层压力发生一定程度滞留,从而产生更高或相对降低的异常地层压力[14]。相对来说,地层超压区的页岩气更易开采且具有更高的最终采收率。含气页岩的地层超压不仅利于裂缝发育及天然气开发,且可增加页岩吸附气含量,但当地层压力增加到一定程度时,页岩含气量增速会逐渐变缓[15-16]。含气页岩的温度主要对吸附气含量产生影响。地层温度越高,气体分子运动速度越快,游离气含量相对增加,吸附气含量相对减小。气页岩的平均地层温度为93.3 ℃,在已工业开发页岩气藏中最高,而吸附气含量仅占总含气量的20%,说明地层温度过高严重影响了吸附气含量的增加。储层物性 含气页岩通常较为致密,储层物性较差,主要的孔隙类型有微裂缝和粒间孔隙,孔隙度为2% ~14%。页岩孔隙为游离气的储集场所,孔隙体积越大,游离气含量越高。随着有机质成熟度的增加,页岩中的有机质不断向烃类转化,使其孔隙度相应增大[11]。含气页岩渗透率极低,一般小于0.1×10-3μ于含气页岩渗透性差,需水力压裂,以产生人工诱导裂缝,将吸附气解吸后,经天然裂缝和诱导裂缝系统进入井底。天然裂缝发育程度 天然裂缝的发育程度是决定页岩气藏品质的重要因素,并决定着页岩气的开采难度和采收率[17-19]。页岩的天然裂缝可作为游离气的运移通道和储集空间,且对生物成因气的生·21· 油 气 地 质 与 采 收 率 2012年1月成起关键作用。生物成因气的烃源岩埋藏浅,有机质处于未成熟阶段,天然气的形成主要为甲烷菌对沉积有机质进行生物化学降解而成。研究表明,地层水的盐度尤其是浓度过大将严重影响甲烷菌的生长[19]。由于页岩较为致密,孔隙类型为微毛细管孔隙,渗透率极低,岩层储存和运输地层水的能力差,因此,生物成因气藏普遍发育裂缝作为淡水渗流的通道以稀释地层水的盐度。对于热成因页岩气藏,若其裂缝规模过大,则可能导致吸附气减少和天然气散失,不利于页岩气保存。岩气产量及产出速度相对较低,而页岩气高产区并不是裂缝性页岩,而是微裂缝发育的可压裂的页岩[17]。经测定5 微裂缝[7]。因此,在热成因页岩气藏中普遍发育微裂缝。页岩微裂缝形成的内因主要为欠压实、蒙脱石脱水、有机质生烃及热增压作用等,造成页岩中孔隙流体压力不断增加,形成异常高压导致裂缝发育;外因主要为区域构造运动的影响。此外,微裂缝的发育程度与页岩的脆性即脆性矿物含量有关。含气量 含气量即单位质量岩石的天然气含量。页岩的含气量由游离气和吸附气2 部分组成,其中游离气主要储集在页岩的裂缝和粒间孔隙中,其含量主要受页岩孔隙度控制,并受地层压力和温度的影响;吸附气主要吸附于有机质表面,其含量主要受有机碳含量、地层温度、压力及有机质成熟度的影响。北美主要页岩气藏的含气量为1. 13 ~ 9. 91m3/t,多数页岩气藏含气量超过1. 70 m3/t。热成因页岩气的含气量明显大于生物成因气,主要是由于热成因气的页岩含水饱和度较大,水润湿页岩后导致甲烷吸附性降低;随着页岩有机质成熟度的增大,页岩含水饱和度逐渐降低,页岩含气量也随之增大。2 中国上扬子区页岩气潜力对于页岩气的成藏地质条件,只要有足够大的面积与页岩厚度,多数黑色页岩可形成页岩气藏[20],中国上扬子区具备良好的海相页岩气藏形成条件。上扬子区是扬子地台的一部分,包括川、渝、黔、滇、鄂、湘等区域[21]。在震旦纪—中三叠世为海相沉积,发育多套区域性海相黑色页岩,是中国海相黑色页岩最发育的区域[22],其中以下寒武统和下志留统的黑色页岩最为发育,目前勘探已证实其为上扬子区的重要烃源岩,并已发现工业气流。由于其分布范围较广、厚度大、有机质丰度较高,具有较大的勘探潜力,因此将其作为热成因页岩气的研究目标进行重点评价。2.1 下寒武统筇竹寺组黑色页岩从震旦纪晚期开始,上扬子区进入稳定的热沉降阶段,上扬子地台夹持于华南洋与秦岭洋之间,即“两盆夹一台”的构造格局。扬子地台主体为克拉通盆地,北部为活动大陆边缘,南部为被动大陆边缘[23]。早寒武世初期,上扬子区经历早期的快速海进,大部分地区演变为陆棚沉积环境,其中四川盆地主体为浅水陆棚沉积环境,周边的陕南—川北、川东—湘鄂西及川南为深水陆棚沉积环境,沉积了下寒武统黑色泥页岩[21],是中国南部的海相主力烃源岩层之一。下寒武统筇竹寺组主要为黑色页岩,含粉砂质页岩、粉砂岩夹层,厚度为80 ~100 m。页岩有机碳含量大于2%的区域与深水陆棚沉积相带的分布基本一致,有机碳含量最高达23%,有机质丰度受沉积相带控制,由浅海台地相向深水陆棚相增大。烃源岩类型以Ⅰ—Ⅱ型干酪根为主,镜质组反射率为3.07% ~3.81%,有机质处于过成熟阶段,天然气类型为热成因气[23]。岩石 X-射线衍射分析表明,筇竹寺组黑色页岩的粘土矿物含量为21.1% ~56.4%,缺乏蒙脱石等膨胀性粘土矿物,石英含量为28% ~52%,长石含量为11. 4% ~32. 3%[21],脆性矿物含量高,表明其脆性大、易于压裂。研究表明,上扬子区四川盆地下寒武统筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17 ~6.02 m3/t,平均为2.82 m3/t[24],达到优质页岩气藏的标准。2.2 下志留统龙马溪组黑色页岩加里东运动晚期,华南洋处于关闭期,华夏板块与扬子板块发生碰撞挤压,形成前陆盆地[25]。晚奥陶世至早志留世,上扬子区再次发生大规模海侵,继承了早寒武世的沉积体系,四川盆地内围绕川中古隆起的区域为浅水陆棚沉积,盆地周边的陕南—川北、川东—湘鄂西及川南的深水陆棚沉积体系范围进一步扩大,沉积了黑色笔石页岩、粉砂质页岩夹泥质粉砂岩[21]。下志留统龙马溪组黑色页岩有机碳含量大于2.0%的区域与深水陆棚沉积相带的分布基本一致,页岩厚度为30 ~ 115 m[26],有机碳含量最高达6.7%。烃源岩类型以Ⅰ—Ⅱ型干酪根为主,镜质组反射率为 1. 9% ~ 3. 21%,有机质处于过成熟阶·31·第19卷 第1期 孟庆峰等.页岩气成藏地质条件及中国上扬子区页岩气潜力段[22],天然气类型为热成因气。岩石马溪组黑色页岩的粘土矿物含量为37. 4% ~48. 3%,不含蒙脱石,石英含量为24. 3% ~43.5%,长石含量为4.3% ~10.8%[21],脆性矿物含量高。研究表明,上扬子区下志留统龙马溪组黑色页岩的含气量为1.73 ~3.28 m3/t,与北美多数页岩气藏含气量大致持平[24]。综上所述,上扬子区古生界下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组海相黑色页岩分布范围广、有机质丰度高、页岩厚度较大、有机质成熟度高、脆性矿物含量高、微裂缝发育,具备较好的页岩气成藏条件,且利于压裂及后期开发,具有较大的勘探潜力。3 结论页岩气主要包括热成因页岩气和生物成因页岩气。热成因页岩气藏主要位于造山带边缘前陆盆地前渊和前缘斜坡部位,生物成因页岩气藏主要位于克拉通盆地。含气页岩均沉积于低能缺氧且藻类沉积物丰富的环境,使有机质得以良好保存。页岩气藏的形成要求页岩具有较大的厚度,较高的有机碳及吸附气含量、脆性矿物含量,较好的储层物性,地层温度较低且地层超压。生物成因页岩气藏要求有机质成熟度适中且裂缝发育,而热成因页岩气藏要求有机质成熟度较高且微裂缝发育。通过对中国上扬子区古生界下寒武统筇竹寺组和下志留统龙马溪组海相黑色页岩分析认为,二者均具有良好的页岩气潜力,在页岩气勘探选区及研究评价中值得重视。参考文献:[1] D,,. 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