我國頁巖氣的研究進展與展望

楊衛超

（陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西 銅川 727000）

我國的頁巖氣勘探起步較晚，從2005年開始進行頁巖氣地質勘探工作，在海相、海陸過渡相和陸相頁巖氣勘探開發方面取得了良好的效果[1]。本研究通過闡述和總結我國頁巖氣的分布情況、影響因素、富集機理及發展方向，為研究頁巖氣地質方面的學者提供一定的幫助。

1 我國頁巖氣的分布規律

我國天然氣資源豐富，尤其是頁巖氣資源極為豐富，主要產于海相黑色頁巖，另外，在海陸過渡相中也發育了頁巖氣資源。主要分布于四川盆地、鄂爾多斯盆地、柴達木盆地和塔里木盆地，分別屬于南方地區、中東部地區、西北地區及青藏地區。主要類型有海相頁巖氣區、海相+陸相頁巖氣疊合區、湖相頁巖氣區、湖相+海陸過渡相頁巖氣疊合區和海陸過渡相頁巖氣區[2]。總體而言，我國的頁巖氣開發主要集中在華南地區，其次是華東地區。從頁巖氣類型來看，主要是海相和海陸過渡相，可見頁巖的形成與海相環境有關，單一的陸相環境很難形成大規模的具有商業開發價值的頁巖氣富集區。目前，我國開發程度最高、最典型和規模最大的頁巖氣富集區是四川盆地及其周圍的海相頁巖氣區，主要儲集在龍馬溪組—五峰組巖系地層。

2 我國含頁巖氣地層的分布情況

2.1 中元古代地層—北京地區的下馬嶺組

下馬嶺組主要分布在北京地區的中原古代地層，指在硅質巖和砂礫巖之間的一套粉砂質頁巖夾雜白云巖沉積地層。按照傳統的地層分類，下馬嶺組屬于新元古代白口系，最新研究成果將其劃歸中元古代地層。在中元古代末期，北京地區發生了“芹峪運動”，使得北京地臺上升為陸地。到了新元古代，海水由北東向北華北地區侵入，北京地區成為內陸海灣，而下馬嶺組早—中期處于海相環境，隨著海水的不斷侵入，該地區海洋加深，下馬嶺組沉積環境由弱還原環境逐漸向還原環境轉變，下馬嶺組中—后期開始沉積為一套具有有機質的深色頁巖沉積層。

2.2 下古生代—上揚子的下寒武統牛蹄塘組

揚子地區東起神龍架地區，北至漢南地區，西達龍門山一帶，南到滇黔地區。牛蹄塘組位于燈影組與明心寺組之間，下部以黑色磷塊巖、白云巖、硅質巖和高碳頁巖為主，中部以含砂質的黑色碳質頁巖為主，上部以深色碳質頁巖為主，主要形成于海相還原環境。

2.3 上古生界—鄂爾多斯盆地二疊系山西組

鄂爾多斯盆地二疊系的山西組地層下部與下古生界馬家溝組不整合接觸，頂部與中生界不整合接觸。上古生界地層連續沉積，未發生沉積間斷，環境由海相向陸相轉變，沉積體系由河流相向湖相轉變。山西組在整個盆地發育為一套深灰色-黑色頁巖，并含有豐富的有機質泥頁巖，沉積厚度大且橫向沉積連續。

2.4 中生界—鄂爾多斯盆地南部延長組7段

鄂爾多斯盆地中生界的三疊系延長組處于穩定的沉積中，區內構造穩定，以湖相沉積為主，其動植物化豐富、砂體來源充足，為油氣的生成和富集創造了有利條件。盆地南緣的長7段受到揚子板塊北緣與華北板塊南緣碰撞，秦嶺海槽和北祁連海向西南退縮，北部的秦嶺山脈隆升，盆地的內部形成了一個巨大的湖盆，為延長組的沉積提供了必備條件，形成了泥巖、砂巖互層的沉積巖系，泥巖的富集層主要為長7段，同時有機質豐富，成為有利的生油層位，隨著有機質的不斷成熟，演化為頁巖儲層。

2.5 中生界—柴達木盆地北緣—中侏羅統大煤溝組1段

柴達木盆地地處青藏高原東北緣，屬于塔里木—中朝板塊的南部，北側以宗務隆山—青海南山斷裂為界，南側以祁連褶皺系為界，西側以阿爾金山為界，東側以鄂拉山斷裂為界。柴達木盆地侏羅系分布于柴達木盆地北緣和阿爾金山的前地帶。侏羅統沉積連續，下侏羅統由湖西山組、小煤溝組組成，中侏羅統由大煤溝組和石門溝組組成。早—中侏羅統以深灰色和灰黑色泥頁巖沉積為主。

3 影響頁巖氣富集的因素

頁巖氣的形成受到多種因素的影響，并與常規天然氣的形成有一定的區別。前人對頁巖氣的成因、吸附形式、賦存模式、有機質成熟度、不同類型地質背景、成藏條件、保存條件、形成環境和構造運動關系等進行研究，為我國頁巖氣的勘探開發奠定了理論基礎。下面分別從地質特征、控制因素對頁巖氣的影響進行闡述。我國的頁巖沉積主要為海相、海陸過渡相和陸相及其3種相互疊沉積，在不同的沉積環境下，頁巖的儲層特征和潛力不同。

3.1 地質特征

3.1.1 有機碳質量分數和有機質類型

有機碳質量分數決定頁巖的生氣潛力，高有機碳質量分數的泥頁巖層一般頁巖氣開發潛力較大。有機質類型影響生氣潛能，不同有機質所處的演化階段不同，則頁巖的產氣能力差別較大。

3.1.2 頁巖有機質成熟度

頁巖有機質成熟度是確定有機質產氣量的指標，有機質成熟度越高，產氣量就越高。

3.1.3 儲層特征

孔隙度和滲透率是衡量儲集層儲氣和產氣能力的重要指標，泥頁巖儲層體系中脆性礦物的質量分數決定儲層的改造潛力。脆性礦物質量分數越高，壓裂時可以提高儲層的改造程度，進而改善儲層的物性，提高產氣能力。

3.1.4 孔隙及裂縫的關系

頁巖以納米級或微米級孔隙為主，同時裂縫的發育可將這些孔隙連接起來，提高儲層的導氣能力，改善頁巖氣的滲流能力，提高壓裂效率。

3.1.5 巖石礦物特征

在泥頁巖體系中，石英等脆性礦物的質量分數決定頁巖氣是否具有開發潛力，是衡量頁巖氣儲層改造能力的主要指標。例如，在美國高產頁巖氣儲層中，脆性礦物的質量分數超過了40%，這些脆性礦物在頁巖氣開發中對提高產能發揮著重要作用。

3.1.6 濕度與頁巖氣儲層的關系

泥頁巖的濕度越高，吸附氣的質量分數越低，而成熟度越高，濕度越低，含氣量隨之增加。因此，優質的頁巖儲層成熟度越高，濕度越低，吸附氣質量分數越高。

3.1.7 厚度與頁巖氣儲層的關系

頁巖的沉積厚度越大，儲集空間越大，易于形成具有商業價值的氣藏，有機質的質量分數也隨之提高。

3.2 頁巖儲層的外部控制因素

3.2.1 埋藏深度與開發成本的關系

頁巖氣儲層的埋藏深度對頁巖氣的成藏過程影響較小，但是對頁巖氣的開發成本影響較大。一般認為，淺層（小于 1 000 m）頁巖氣儲層具有高孔滲、高吸附氣質量分數和低開發成本的特征。

3.2.2 溫度和壓力與儲層的關系

頁巖儲層的溫度與吸附氣質量分數呈負相關，即儲層的溫度越高，頁巖中的吸附氣質量分數越低。儲層壓力與吸附氣質量分數呈正相關，即儲層壓力越高，儲層的吸附氣質量分數越高。

4 頁巖氣的富集機制

4.1 頁巖儲層特征

頁巖儲層特征與常規砂巖儲層特征差異較大，本研究對其進行比較，歸納為5類特征：（1）頁巖氣主要存在于泥頁巖中，所以儲層既是產層，又是蓋層，是一套獨立的自生自儲型氣藏。（2）頁巖儲層的地球化學特征顯示：首先是海相體系，具有最優總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）質量分數，高達20.0%；Ro值普遍較高，可達2.0%；干酪根類型屬于I～Ⅱ1型；其次是陸相體系，TOC質量分數介于2.0%～8.0%，Ro值介于0.5%～1.3%，干酪根類型主要是I～Ⅱ2型；最后是海陸過渡相體系，TOC質量分數介于1.0%～7.0%，Ro值介于1.0%～2.5%，干酪根類型主要是Ⅲ型。（3）頁巖的巖性以暗色泥頁巖為主，粒徑較細，其石英、長石、方解石等脆性礦物對儲層孔隙特征、含氣性及后期開發影響較大。（4）頁巖儲層的物性主要表現為低孔低滲，一般滲透率小于1 mD，孔隙度小于10.0%，但是泥頁巖中脆性礦物的質量分數高，其天然裂縫較為發育，在一定程度上改善了儲層物性。（5）泥頁巖地層的異常高壓，主要受控于頁巖成因[3]。

4.2 頁巖氣成藏機理

頁巖氣成藏過程復雜，立足頁巖氣賦存特征、運移過程和成藏機理，將頁巖氣的形成機理劃分為3個階段： （1）成藏初期。泥頁巖中有機質生氣，并吸附于頁巖顆粒表面。（2）成藏中期。由于成藏初期產生的頁巖氣集聚，儲層壓力不斷增大，使頁巖儲層中脆性礦物聚集區應力集中，產生裂縫，頁巖氣以游離態存儲于裂縫中，提高頁巖氣儲層的儲氣能力。（3）成藏后期。由于產出的頁巖氣超出頁巖儲層范圍，再加上常規儲層，或者疏導后受浮力作用影響，形成大規模的圈閉氣藏，殘余氣儲存于頁巖中。這3個階段可以同時存在于頁巖儲層中，保持頁巖儲層含氣動態平衡。

5 我國頁巖氣的發展趨勢

綠色開發之路任重道遠，要正確處理人與自然的關系。未來，頁巖氣將成為我國能源的重要組成部分，但是頁巖氣的低孔低滲特點要求人們對儲層進行改造，以提高儲層的滲流能力，主要的手段是壓裂技術。目前，從全球來看，北美的單井壓裂耗水量在1.5×104～3.2×104m3，而我國由于頁巖氣藏埋藏深的特點，耗水量為1.8×104～4.3×104m3。現有資料表明，頁巖氣壓裂開采耗水量為常規油氣井的50～100倍。我國頁巖氣主要分布于西南山區，交通條件差，水資源缺乏，如果加大頁巖氣的開發力度，勢必造成當地的用水困難，且壓裂液含有多種化學物質，排放也成為一個棘手的問題，需要配套的環境保護技術，對其廢液進行處理再利用，同時由于高能液體進入地層，會破壞地下水、導致地層壓力失衡，對當地造成一定的危害。因此，我國頁巖氣的勘探開發要重視環境保護，習近平同志提出“綠水青山就是金山銀山”的理念，要貫徹于能源生產的實踐中，融入人們的實際生活中。另外，隨著計算機技術和人工智能技術的不斷發展，在頁巖氣的勘探與開發過程中，要注重大數據與人工智能技術的應用，為頁巖氣的開發提供技術支撐，提高生產效率，預測評估開發過程中的環境破壞程度，盡可能以最小的環境代價，換取最大的經濟效益。

6 結語

我國頁巖氣勘探開發程度較低，還處于起步階段，需要引入高新技術，同時實現環境保護。因此，要多學科融合、相互協作，實現頁巖氣的清潔開發、高效利用。