頁(yè)巖氣藏形成條件分析

摘 要

摘要：美國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、資料豐富，剖析該國(guó)典型的頁(yè)巖氣藏有利于清晰認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣成藏的主控因素。按天然氣成因?qū)㈨?yè)巖氣藏分為熱成因型、生物成因型和混合成因型，分析了美國(guó)
摘要：美國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、資料豐富，剖析該國(guó)典型的頁(yè)巖氣藏有利于清晰認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣成藏的主控因素。按天然氣成因?qū)㈨?yè)巖氣藏分為熱成因型、生物成因型和混合成因型，分析了美國(guó)具有代表性的典型氣藏。研究表明，熱成因型頁(yè)巖氣藏主要受頁(yè)巖熱成熟度控制，生物成因型頁(yè)巖氣藏的主控因素為地層水鹽度和裂縫。根據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出有利的熱成因型頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層特征為：TOC≥2%，厚度大于等于15m，Ro介于1.1%～3%，石英含量大于等于28%。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選出四川盆地南部下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組2套海相頁(yè)巖作為有利勘探目標(biāo)，并預(yù)測(cè)湖相頁(yè)巖也能形成具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏。
關(guān)鍵詞：美國(guó)；頁(yè)巖氣；氣藏類型；主控因素；熱成熟度；儲(chǔ)集層特征；裂縫
1 頁(yè)巖氣藏類型及成藏主控因素
    頁(yè)巖氣藏按其天然氣成因可分為兩種主要類型：熱成因型和生物成因型，此外還有上述兩種類型的混合成因型。鑒于美國(guó)的頁(yè)巖氣生產(chǎn)時(shí)間最長(zhǎng)、資料最豐富，剖析該國(guó)典型的頁(yè)巖氣藏將會(huì)對(duì)其主控因素有較清晰的認(rèn)識(shí)。
1.1 熱成因型頁(yè)巖氣藏
    熱成因型頁(yè)巖氣又可分為3個(gè)亞類：①高熱成熟度型，如美國(guó)Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖氣藏；②低熱成熟度型，如Illinois盆地的New Albany頁(yè)巖氣藏；③混合巖性型，即大套頁(yè)巖與砂巖和粉砂巖夾層共同儲(chǔ)氣，如East Texas盆地的Bossier頁(yè)巖氣藏[1]。其中最典型代表是Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖氣藏。
1.1.1 Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖氣藏地質(zhì)背景
Fort Worth盆地位于美國(guó)得克薩斯州中北部，面積約38100km2，為古生代晚期Ouachita造山運(yùn)動(dòng)形成的前陸盆地。其最大沉積厚度3660m，地層自下而上依次為前寒武系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和白堊系(圖1)，其中下石炭統(tǒng)Barnett頁(yè)巖上覆上石炭統(tǒng)Marble Falls石灰?guī)r，下伏奧陶系Viola石灰?guī)r。在盆地的東北部，Barnett頁(yè)巖由Forestburg石灰?guī)r分隔為上、下兩部分[2]。Barnett頁(yè)巖頂面構(gòu)造為一單斜，氣藏不受構(gòu)造控制，面積約15500km2，埋深大于1850m，可采資源量2.66×1012m3(USGS，2008)。氣田可分為兩個(gè)區(qū)：①核心區(qū)，Barnett頁(yè)巖下部發(fā)育Viola石灰?guī)r；②外圍區(qū)，缺失Viola石灰?guī)r，Barnett頁(yè)巖直接與飽含水的下奧陶統(tǒng)Ellenburger組石灰?guī)r接觸。核心區(qū)頁(yè)巖厚度大于107m，外圍區(qū)頁(yè)巖厚度大于30m[3](圖2)。
 

1.1.2 勘探概況
    早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)Fort worth盆地密西西比系Barnett頁(yè)巖就見到良好氣顯示；1981年，Mitchell能源公司大膽地對(duì)Barnett頁(yè)巖段進(jìn)行了氮?dú)馀菽瓑毫迅脑欤瑥亩l(fā)現(xiàn)了Barnett頁(yè)巖氣田。隨著鉆完井技術(shù)的不斷改進(jìn)，氣田的面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量飛速增長(zhǎng)。2007年，F(xiàn)ort Worth盆地近8500口Barnett頁(yè)巖氣生產(chǎn)井的年產(chǎn)量為305.6×108m3。自1982年投產(chǎn)以來(lái)累計(jì)產(chǎn)氣1018.8×108m3，頁(yè)巖含氣量(甲烷)為9.9m3/t，平均地質(zhì)儲(chǔ)量豐度3.8×108m3/km2。
1.1.3 主控因素分析
    Barnett頁(yè)巖為缺氧和上升流發(fā)育的正常鹽度下的海相深水沉積。產(chǎn)氣的黑色頁(yè)巖礦物的體積組成為：石英約45%，黏土(主要是伊利石，含少量蒙脫石)占27%，方解石和白云石占8%，長(zhǎng)石占7%，有機(jī)質(zhì)占5%，黃鐵礦占5%，菱鐵礦占3%，還有微量天然銅和磷酸鹽礦物。根據(jù)礦物、結(jié)構(gòu)、生物和構(gòu)造等，Barnett頁(yè)巖的巖相主要?jiǎng)澐譃?種：層狀硅質(zhì)泥巖、薄片狀灰泥和含生物碎屑的泥粒灰?guī)r。各巖相普遍富集黃鐵礦和磷酸鹽，常見碳酸鹽巖團(tuán)塊。頁(yè)巖的主要測(cè)井響應(yīng)特征為低電阻率、高自然伽馬[4]。
    Barnett頁(yè)巖干酪根以混合型為主，低硫傾向于生油；T0C平均值約4.5%，露頭區(qū)的TOC為11%～13%；R。的分布范圍為0.5%～1.9%；吸附氣含量約20%，游離氣含量達(dá)80%；產(chǎn)氣區(qū)平均孔隙度6.0%，滲透率為(0.15～2.5)×10-9μm2[5]。
    頁(yè)巖的熱成熟度(Ro)是熱成因頁(yè)巖氣成藏的主控因素。絕大部分Barnett頁(yè)巖氣井分布在Ro≥1.1%的范圍內(nèi)。當(dāng)0.6%≤Ro＜1.1%時(shí)，頁(yè)巖會(huì)產(chǎn)正常的黑色石油。由于石油分子直徑較大，容易阻塞頁(yè)巖孔吼，不利于頁(yè)巖氣的成藏[1]。在Ro≥1.1%的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)存在裂解氣[6]。這不僅提供了新的氣源，而且使頁(yè)巖孔喉更加暢通。
    鑒于頁(yè)巖物性較差，很多人會(huì)認(rèn)為宏觀裂縫對(duì)熱成因頁(yè)巖氣成藏起積極的作用，實(shí)際上這種觀點(diǎn)是不正確的。Barnett頁(yè)巖肉眼可識(shí)別的裂縫數(shù)量有限，宏觀裂縫均被方解石和石英等礦物充填，且宏觀裂縫越發(fā)育產(chǎn)氣量越低。這說(shuō)明宏觀裂縫不利于頁(yè)巖氣的保存[5]。真正對(duì)儲(chǔ)層起改善作用的是微裂縫。由于Barnett頁(yè)巖石英含量很高，儲(chǔ)層脆性大，微裂縫極為發(fā)育，它們是天然氣運(yùn)聚的主要通道。
    生產(chǎn)實(shí)踐表明：頁(yè)巖形成氣藏的厚度下限為15m；TOC越高含氣量越高，且當(dāng)丁0C≥2%時(shí)，Barnett頁(yè)巖氣藏才具有商業(yè)價(jià)值。蓋層的作用不明顯，實(shí)際上目前的高產(chǎn)區(qū)在Marble Falls和Viola這兩套致密石灰?guī)r都缺失的區(qū)域。
1.2 生物成因型頁(yè)巖氣藏
    目前發(fā)現(xiàn)的生物成因型頁(yè)巖氣藏分兩類：①早成型，氣藏的平面形態(tài)為毯狀，從頁(yè)巖沉積形成初期就開始生氣，頁(yè)巖氣與伴生地層水的絕對(duì)年齡較大，可達(dá)66Ma，如美國(guó)Williston盆地上白堊統(tǒng)Carlile頁(yè)巖氣藏；②晚成型，氣藏的平面形態(tài)為環(huán)狀(圖3)，頁(yè)巖沉積形成與開始生氣間隔時(shí)間很長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為后期構(gòu)造抬升埋藏變淺后開始生氣，頁(yè)巖氣與伴生地層水的絕對(duì)年齡接近現(xiàn)今，如美國(guó)Michigan盆地的Antrim頁(yè)巖氣藏[7]。生物成因型頁(yè)巖氣藏以Antrim頁(yè)巖氣藏最有代表性。
 

1.2.1 Antrim頁(yè)巖氣藏的地質(zhì)背景
    Michigan盆地位于美國(guó)東北部，為一橢圓形的內(nèi)克拉通盆地，面積約31.6×104km2，地跨美國(guó)和加拿大，構(gòu)造簡(jiǎn)單，最大沉積厚度約5200m。地層自下而上為前寒武系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、侏羅系和第四系[8]。
    Antrim頁(yè)巖為晚泥盆世海相深水頁(yè)巖，厚約244m，埋深0～1006m。該頁(yè)巖由富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁(yè)巖、灰色和綠色頁(yè)巖以及碳酸鹽巖互層構(gòu)成，自下而上可分為4個(gè)小層：Norwood、Paxton、Lachine和上Antrim，其中下部的3個(gè)小層又稱為Antrim下段。Norwood和Laehine層為頁(yè)巖氣主力產(chǎn)層，平均疊合厚度約49m，干酪根屬Ⅱ型，TOC為0.5%～24%，石英含量20%～41%，含有豐富的白云巖和石灰?guī)r團(tuán)塊及碳酸鹽巖、硫化物和硫酸鹽膠結(jié)物；Paxton段為泥狀灰?guī)r和灰色頁(yè)巖互層，總有機(jī)碳含量為0.3%～8%，硅質(zhì)含量7%～30%[9]。Antrim頁(yè)巖在盆地北部邊緣的R。為0.4%～0.6%，在盆地中心Ro可達(dá)1.0%。主力產(chǎn)層平均基質(zhì)孔隙度為9%，平均基質(zhì)滲透率為0.1×10-3μm2。
1.2.2 勘探概況
    1940年，第一口Antrim頁(yè)巖氣井投入開發(fā)；隨著鉆井和開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，1986年Antrim頁(yè)巖氣田進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段；進(jìn)入21世紀(jì)，由于環(huán)保和稅收政策的限制，生產(chǎn)成本大幅提升，鉆井?dāng)?shù)量減少，產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。目前已完鉆Antrim頁(yè)巖氣井超過(guò)12000口，產(chǎn)層深度為45.7～975.4m，初步估算頁(yè)巖氣資源量為0.99×1012～2.15×1012m3。
    頁(yè)巖氣主產(chǎn)區(qū)位于盆地北部，產(chǎn)層深度為45.7～457m，單井平均產(chǎn)氣約3300m3/d，產(chǎn)水4.77m3/d。1998年產(chǎn)量最高，達(dá)到55.2×108m3；2006年產(chǎn)量回落到39.6×108m3。頁(yè)巖平均含氣量(甲烷)3.54m3/t，平均地質(zhì)儲(chǔ)量豐度1.2×108m3/km2。1940～2007年，主產(chǎn)區(qū)累計(jì)產(chǎn)氣679.2×108m3，完鉆頁(yè)巖氣井超過(guò)9000口。
1.2.3 主控因素分析
    Antrim頁(yè)巖氣似乎具有雙重成因，即干酪根經(jīng)熱成因而形成的低熟氣和甲烷菌代謝活動(dòng)形成的生物成因氣。但北部產(chǎn)區(qū)的采出氣以生物成因氣為主，低熟氣所占比例小于20%[10]。更新世冰磧層對(duì)頁(yè)巖氣藏的形成極為重要。不僅有利于頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的保存，且對(duì)降低頁(yè)巖地層水鹽度貢獻(xiàn)顯著(圖4)。由于下伏地層含高濃度鹽水，因此盆地中部Antrim頁(yè)巖地層水鹽度很高。研究表明：地層水Cl-含量高于4mol/L就會(huì)嚴(yán)重抑制甲烷菌的生長(zhǎng)[11]。而盆地邊緣更新世冰磧層淡水和大氣淡水的充注，使得地層水鹽度降低，甲烷菌產(chǎn)氣活躍。目前生物氣為主的產(chǎn)區(qū)主要分布在盆地邊緣，地層水Cl-含量低于4mol/L。
    裂縫是Antrim頁(yè)巖氣藏的主控因素之一。北東和北西向兩組近直立的裂縫發(fā)育，縱穿整個(gè)泥盆系，橫貫盆地北部。這些裂縫通常未被膠結(jié)或者僅有很薄的方解石包覆層，其垂向延伸為數(shù)米，水平延伸可達(dá)幾十米。在主產(chǎn)區(qū)以外，盡管也鉆到了富含天然氣的Antrim頁(yè)巖，但由于天然裂縫不發(fā)育，滲透率很低而不具備商業(yè)價(jià)值[12]。
2 頁(yè)巖氣藏形成條件
2.1 有機(jī)質(zhì)豐度
    美國(guó)主力產(chǎn)氣頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度均較高。其中產(chǎn)生物氣頁(yè)巖TOC平均為6%；產(chǎn)熱成因氣頁(yè)巖TOC平均為3%[9]。生產(chǎn)實(shí)踐表明：頁(yè)巖總有機(jī)碳含量大于2%才有工業(yè)價(jià)值。
2.2 熱成熟度
    對(duì)于熱成因型氣藏，隨著頁(yè)巖Ro的增高，含氣量將會(huì)逐漸增大。主要有兩個(gè)原因：一是有機(jī)質(zhì)生成烴后，體積縮小會(huì)產(chǎn)生超微孔隙，有利于頁(yè)巖氣的保存；二是Ro＞1.1%后，頁(yè)巖油開始裂解生氣。但是當(dāng)Ro＞3%后，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入過(guò)成熟期，生氣量明顯減少[13]，而且有機(jī)質(zhì)的大量減少也不利于吸附氣的形成。鑒于Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖氣藏主要分布在Ro≥1.1%的區(qū)域，因此Ro介于1.1%～3%的范圍是熱成因型頁(yè)巖氣藏的有利分布區(qū)。
    對(duì)于生物成因型氣藏，頁(yè)巖R。越高，TOC越低，越不利于生物氣的形成。根據(jù)Michigan盆地Antrim頁(yè)巖氣藏和Illinois盆地New Albany頁(yè)巖氣藏的分布規(guī)律，生物成因型頁(yè)巖氣藏主要分布在Ro≤0.8%的范圍內(nèi)[11]。
2.3 沉積相
    雖然美國(guó)產(chǎn)氣頁(yè)巖均為海相，但筆者認(rèn)為，只要頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的豐度和硅質(zhì)含量足夠高，陸相環(huán)境同樣能形成具有工業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏。例如鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)湖相沉積的延長(zhǎng)組7段張家灘頁(yè)巖和延長(zhǎng)組9段李家畔頁(yè)巖[14～15]，裂縫發(fā)育，鉆井氣測(cè)異常活躍，其中莊167、莊171和中富18等井均見到良好的頁(yè)巖氣顯示。
2.4 儲(chǔ)集特征
    美國(guó)5大頁(yè)巖氣主產(chǎn)盆地頁(yè)巖SiO2含量一般超過(guò)30%[9]。硅質(zhì)含量越高頁(yè)巖脆性越大，越有利于形成裂縫。雖然斷層和開啟的宏觀裂縫對(duì)熱成因型頁(yè)巖氣藏保存不利，但硅質(zhì)含量高利于后期的壓裂改造，形成裂縫。而生物成因型頁(yè)巖氣藏則相反，越是斷裂發(fā)育的地方，地層水越活躍，而甲烷菌的生理活動(dòng)也越積極，形成的氣量越大。
    頁(yè)巖的物性對(duì)產(chǎn)量有重要影響。產(chǎn)氣頁(yè)巖基質(zhì)孔隙一般大于4%，有效含氣孔隙一般大于2%，基質(zhì)滲透率一般大于1×10-9μm2。
2.5 保存條件
    頁(yè)巖本身既是儲(chǔ)層又是蓋層，因此對(duì)蓋層的要求比較寬松。但斷裂對(duì)頁(yè)巖氣的保存影響巨大。熱成因型頁(yè)巖氣藏主要靠微裂縫運(yùn)聚，斷層和宏觀裂縫起破壞作用，因此強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)不利于該類型氣藏的保存。而生物成因型氣藏的形成與活躍的淡水交換密切相關(guān)，裂縫不僅是地層水的通道，也是頁(yè)巖氣的運(yùn)聚途徑，故構(gòu)造運(yùn)動(dòng)反而起積極作用。
3 我國(guó)頁(yè)巖氣的勘探前景
    我國(guó)不僅海相頁(yè)巖分布廣泛，湖相頁(yè)巖也很發(fā)育。海相頁(yè)巖縱向上主要分布在中、古生界，橫向上主要分布在南方(包括四川盆地等)、華北(包括鄂爾多斯、渤海灣及南華北等盆地)和西北(包括塔里木、準(zhǔn)噶爾等盆地)3大區(qū)域[16～20]。湖相頁(yè)巖縱向上主要分布在新、中生界，橫向上主要分布在東北(松遼盆地)、華北(包括鄂爾多斯和渤海灣等盆地)和西北(包括吐哈、準(zhǔn)噶爾等盆地)3大區(qū)域。
    目前四川盆地發(fā)現(xiàn)的頁(yè)巖氣顯示最多，其中以下寒武筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套頁(yè)巖最為有利。下寒武筇竹寺組頁(yè)巖形成于深水陸棚相帶，主要分布在川南、川北和川東-鄂西。地層厚度由北向南增大，最厚可達(dá)955m；埋深1000m～6000m，川南最淺。頁(yè)巖TOC為0.2%～10%，其中下部最高；演化程度除廣元礦山梁地區(qū)較低外(Ro為0.59%)，其余地區(qū)均很高(Ro為2.5%～4.0%)；頁(yè)巖石英含量較高，如威遠(yuǎn)地區(qū)為30.8%～43.6%；頁(yè)巖氣顯示豐富，集中分布于川南地區(qū)，如威5井1966年獲頁(yè)巖氣2.46×104m3/d。
    下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖也形成于深水陸棚相帶，主要發(fā)育在四川盆地東部和南部。地層厚度為20～115m，川南瀘州地區(qū)最厚可達(dá)80m；埋深1600～4200m，東西淺、南北深。頁(yè)巖TOC為0.1%～8.3%，其中底部最高；演化程度除廣元礦山梁地區(qū)較低外，其余地區(qū)均較高(Ro為2.0%～4.0%)；頁(yè)巖石英含量較高，如威遠(yuǎn)地區(qū)為14.5%～76.2%；頁(yè)巖氣顯示活躍，主要分布于川南地區(qū)，如陽(yáng)63、隆32和威寒8等井已獲低產(chǎn)頁(yè)巖氣。
    因此，筆者建議將四川盆地的川南地區(qū)作為中國(guó)頁(yè)巖氣勘探的首選區(qū)帶。
4 結(jié)論
    1) 頁(yè)巖氣藏大面積連續(xù)分布，不受構(gòu)造控制，可分為熱成因型、生物成因型和混合型3種，是現(xiàn)實(shí)的非常規(guī)天然氣資源。
    2) 美國(guó)有利的熱成因型頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層特征是：TOC≥2%，厚度大于等于15m，Ro介于1.1%～3%，石英含量大于等于30%。
    3) 熱成因型頁(yè)巖氣藏主要受頁(yè)巖熱成熟度控制，生物成因型頁(yè)巖氣藏主要受地層水鹽度和裂縫控制。
    4) 我國(guó)頁(yè)巖氣勘探潛力巨大，其中川南地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套海相頁(yè)巖是非常有利的勘探目標(biāo)。
    在研究過(guò)程中，Daniel M.Jarvie、Frank Mango、Farzam Javadpour、Peter Liu和高瑞琪先生給予了熱情指導(dǎo)，特致以真誠(chéng)的感謝。
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(本文作者：李登華 李建忠 王社教 李新景 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院)