陸相頁巖氣成藏機理研究

◇長江大學地球科學學院 唐 通

國內頁巖氣行業在近十年取得了迅猛發展，但限于高豐度海相頁巖氣的率先突破，陸相頁巖氣的勘探開發起步較晚。在此背景下，本文對我國陸相頁巖氣成藏機理進行評價總結，確定有效沉積環境應在湖泊環境、辮狀河三角洲環境、泥炭沼澤范圍內，有效埋深應在2000～5000m，有效烴源巖厚度應大于6m，有效脆性指數應大于25%的，有效孔隙度應大于4%，有效有機質的豐度應大于2%，Ⅲ型干酪根成熟度應大于0.5%,Ⅰ-Ⅱ2型應不小于1.1%。

1 前言

天然氣作為最清潔的化石能源，具有煤炭能源1/2、1/10、1/682、1/1479，石油能源2/3、1/5、1/389、1/140的CO2、NOX、SO2、粉塵排放量[1]，在全球能源革命中起著舉足輕重的作用。頁巖氣作為一種非常規天然氣，在我國常規天然氣資源開發壓力日益增大的背景下被重視起來，自2011年被批準為獨立礦種，至今經過國內外多家機構多次調研，已驗證我國陸相頁巖氣技術可采資源量在0.50～7.92萬億方，占頁巖氣技術可采總資源量4.34%～31.58%，資源潛力較大。但限于我國海相頁巖氣的率先突破，我國陸相頁巖氣近年才被列入深入勘探開發的目標，因此需要對其成藏機理進行詳細闡述，以區別于其他相類，便于后續勘探開發理論的深入研究。

2 我國陸相頁巖氣研究現狀

頁巖氣藏指主要以吸附態、游離態保存于厚度大、分布廣的富有機質泥頁巖內部納米-微米孔隙以及微裂縫中，富集成為具有一定規模的天然氣藏，具有分布廣、厚度大、生產周期穩定、開采壽命長久等優點[2]，陸相頁巖氣藏則是指在河流、沖積扇、三角洲、湖泊、沼澤等陸表發育的沉積體系內富集的頁巖氣藏，成藏特點與海相頁巖氣藏相近，儲集空間豐富，但其復雜的內部空間與常常發育在超壓環境下的儲層，常常比海陸過渡相頁巖氣藏具有更好的儲集保存條件。

自2011年12月31日，頁巖氣正式被列為我國第172個獨立礦種，到2013年建成延長陸相頁巖氣示范區，我國陸相頁巖氣的勘探開發有了初步進展。之后柴達木盆地侏羅系陸相頁巖氣成為我國學者研究熱點，以2010年為界分為兩個階段，2010年之前為柴達木盆地油氣資源評價階段，主要成果是發現了侏羅系陸相頁巖氣的資源潛力；2010年之后，圍繞柴北緣侏羅系陸相頁巖氣的研究工作開始展開，“十三五”期間，西安市地質調查中心開始總結柴北緣侏羅系中侏羅統陸相頁巖氣的賦存方式與富集規律，目前，在沉積特征、地質條件特征、儲層特征等方面已經有了較為深入地研究。

3 陸相頁巖氣成藏地質條件

陸相頁巖氣成藏的地質條件可分為生氣條件與儲集保存條件，包括烴源巖的沉積體系、有效厚度、埋藏深度、有機質豐度、類型、成熟度、礦物特征、孔滲特征、孔徑分布以及分形特征等，以國外典型頁巖氣藏（表1）與國內頁巖氣開發示范區成藏特征為對比，將上述陸相頁巖氣成藏的地質條件進行一一總結，劃分有效標準。

表1 北美地區典型頁巖氣藏地質條件特征[3]

3.1 生氣條件

生氣條件的評價可以分為兩部分，第一根據陸相泥頁巖的有效厚度、埋藏深度評價頁巖氣成藏規模，第二根據陸相泥頁巖的沉積體系、有機質豐度、類型、成熟度評價烴源巖生氣能力。

不同于泥頁巖的累計厚度，泥頁巖有效厚度指的是富有機質泥頁巖儲層（即頁巖氣儲層）的厚度。對比北美典型頁巖氣藏的開發經驗，通常以6～15m，15～30m，>30m為標準劃分有效、常規、優質頁巖氣儲層，以此為依據，我國陸相有效頁巖氣儲層的厚度最小不應低于6m，常規厚度應不低于15m，優質頁巖氣儲層的厚度則應在30m以上。

陸相泥頁巖的埋藏深度在影響頁巖氣富集之外，還存在一個不屬于成藏規模卻必須要納入考量因素之內的影響，那就是開發經濟性，埋藏深度是頁巖氣儲層開發經濟性的主要控制因素之一。按照哈里伯頓公司2011年對Haynesville頁巖氣藏的開發經驗，當頁巖氣藏埋深在4000m以下時，常規鉆完井設備受到儲層高溫的影響會頻發故障，影響進度，需要對鉆完井設備的不耐高溫元件進行升級，使開發成本相對上升，壓縮乃至無經濟效益[4]。對比北美頁巖氣的勘探開發經驗，隨著我國近年來鉆探技術的提升，該標準有所擴大，但當頁巖氣儲層埋深在5000m以下時，開發成本仍會呈幾何倍數上升，因此將我國陸相頁巖有效埋深的下限定為5000m；在成藏規模的影響程度上，根據表1中北美典型頁巖氣藏的埋深范圍可以發現，一般無上限，下限則在4000m以內。綜合上述分析，結合我國陸相頁巖的地質特征，將我國陸相頁巖的有效埋深劃分為2000～5000m范圍內。

陸相沉積包括湖泊、河流、沖積扇、三角洲、沼澤等5類沉積體系，有利沉積環境需要滿足穩定缺氧還原環境的要求，對比國內陸相頁巖氣開發成果，湖泊環境、辮狀河三角洲環境、泥炭沼澤環境下沉積的富有機質泥頁巖通常有效厚度較大、橫向連續性較好，是為有利陸相沉積沉積環境。

有機質特征是頁巖氣成藏的核心因素，包括有機質豐度、類型、成熟度等，其中泥頁巖中有機質豐度常與頁巖氣儲層中的含氣量呈正相關關系，成熟度的標準則與有機質類型有關，成熟度大于1.1%的熱成因氣藏進入烴裂解階段才有開發價值，而生物成因氣藏0.4%以上進入生氣階段即可，通常陸相沉積環境中有機質來源多為高等植物，多為Ⅲ型干酪根。對比國內外陸相頁巖氣開發經驗，通常有效頁巖氣儲層的TOC在2%以上，優質儲層則在3%以上，成熟度則是因干酪根類型而異，因此判斷我國陸相有效頁巖氣藏中有機質豐度應大于2%，Ⅲ型干酪根成熟度應大于0.5%,Ⅰ-Ⅱ2型應不小于1.1%。

3.2 儲集保存條件

陸相頁巖氣的儲集保存條件的評價分為三部分，根據物性、孔隙孔徑分布特征評價頁巖氣儲集條件，根據分形特征評價頁巖氣保存條件，根據礦物組成特征評價頁巖氣壓裂開發效果。

孔隙度、滲透率表征泥頁巖中頁巖氣的儲集與流通能力，孔隙孔徑分布則可以對儲層中的吸附空間與游離空間進行定量描述，對比表1中北美頁巖氣開發經驗，孔隙度的下限應為4%，優質頁巖氣儲層的孔隙度應大于6%。

目前針對泥頁巖孔隙分形的主流方法包括基于FE-SEM圖像的盒維數分形模型，基于低溫N2、低壓CO2等溫吸附曲線的BET模型、FHH模型、Jaroniec模型等，分形維數越高，表明孔隙結構越復雜，對頁巖氣的保存越為有利，我國頁巖氣開發示范區-四川焦石壩涪陵頁巖氣田的圖像分形維數平均在1.32～1.49，N2、CO2等溫吸附曲線分形維數平均2.77[5]，對比該標準，我國陸相頁巖氣藏的圖像平均分形維數應不小于1.32，等溫吸附曲線平均分形維數應靠近或大于2.77。

礦物組成特征直接影響頁巖氣儲層的脆性，對壓裂開發有著直接影響，根據北美北美典型頁巖氣藏的勘探開發經驗，脆性礦物含量應在40%以上，而隨著近年來國內壓裂技術的提升，該標準有所降低，大于25%即可達到壓裂開發標準，因此將有效陸相頁巖氣儲層的脆性指數下限定義為25%。

4 結論

通過對前人研究成果歸納，對比北美與國內典型頁巖氣藏，選定湖泊、辮狀河三角洲、泥炭沼澤等陸相穩定缺氧還原的沉積體系、2000～5000m的有效埋深、大于6m的有效厚度、大于2%的有效總有機碳含量、大于25%的有效脆性指數、大于4%的有效孔隙度以及成熟度大于0.5%的Ⅲ型干酪根、大于1.1%的Ⅰ-Ⅱ2型干酪根為陸相頁巖氣成藏地質條件標準。