徐 波，李敬含，謝 東，王雪峰，段 健

(1.中油冀東油田分公司，河北 唐山 063200;2.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

中石油探區(qū)主要盆地頁巖氣資源分布特征研究

徐 波1，李敬含2，謝 東1，王雪峰1，段 健1

(1.中油冀東油田分公司，河北 唐山 063200;2.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010)

頁巖氣是重要的非常規(guī)天然氣資源類型。中國頁巖發(fā)育廣泛，有著良好的頁巖氣勘探前景。在新一輪油氣資源評價的基礎上，對中石油探區(qū)主要盆地泥頁巖特征和頁巖氣資源進行了初步評價?？傮w上，中－新生界頁巖在中石油探區(qū)各主要含油氣盆地內(nèi)廣泛發(fā)育，以陸相沉積為主，具有東部生油能力強，西部生氣能力強的特征;古生界頁巖主要發(fā)育于中、西部盆地和南方地區(qū)，以海相沉積為主，具有高熱演化程度的特征。通過成因法、統(tǒng)計法、特爾菲法計算，最終確定中石油探區(qū)內(nèi)主要頁巖氣盆地地質(zhì)資源量及分布特征。在平面上，頁巖氣資源主要分布在西部盆地、中部盆地和南方地區(qū)，以塔里木盆地、柴達木盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和南方頁巖發(fā)育區(qū)為最有利勘探區(qū);在剖面上，頁巖氣資源主要集中在上述盆地的古生界地層，四川盆地的中—新生界地層也是值得重視的勘探領域。

頁巖氣;成藏地質(zhì)特點;特爾菲法;資源量計算;分布特征

引 言

頁巖氣是指同時以吸附和游離方式存在于頁巖(或泥巖)及其間所夾砂質(zhì)、粉砂質(zhì)巖地層中的天然氣［1－2］。與其他類型的氣藏相比，頁巖氣藏是真正意義上的“自生自儲”式成藏，頁巖既是烴源巖也是儲集層。作為重要的非常規(guī)氣藏類型，頁巖氣在美國能源結構中占有重要的比例。截至2009年，美國頁巖氣年產(chǎn)量接近1 000×108m3，超過中國常規(guī)天然氣產(chǎn)量［3］。

近年來，中國也逐漸認識到頁巖氣的重要意義，加大了對此類氣藏的研究力度，并取得了一系列成果。

1 中國頁巖氣研究歷程

早在上世紀80年代，中國學者就注意到富集于泥頁巖中的油氣藏，并對此展開了研究，但早期的研究將此類油氣藏作為“泥頁巖裂隙油(氣)藏”來認識，認為其屬于裂縫性油氣藏范圍。2004年，中國地質(zhì)大學(北京)與國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心開始了頁巖氣資源的研究工作;2006年，中國地質(zhì)大學(北京)申報并獲通過了國家自然科學基金項目“頁巖氣成藏機理與聚集條件”，這是中國首個以頁巖氣為研究主體的國家級課題。在課題研究過程中，明確提出頁巖氣藏具有典型的過渡性氣藏特征，吸附機理的存在是頁巖氣藏區(qū)別于其他氣藏類型的重要特征;2007年，中石油與美國新田石油公司簽署合作協(xié)議——“威遠地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究”;2008年，由中國石油勘探開發(fā)研究院設計實施的長芯1井在四川省宜賓市順利完鉆;2009年5月，國土資源部在重慶市綦江縣啟動了中國首個頁巖氣資源勘查項目;同年11月，中美雙方簽署《中美關于在頁巖氣領域開展合作的諒解備忘錄》，中美兩國在頁巖氣方面的合作上升到了國家層面;與此同時，中國石油和殼牌石油公司簽訂并于2009年11月25日啟動了“四川盆地富順—永川區(qū)塊頁巖氣聯(lián)合評價協(xié)議”，中國首個頁巖氣合作開發(fā)項目進入實施階段;2010年1月，由“國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006至2020年)”所確定的16個重大科技專項之一的“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”重大專項正式啟動。該項目由中石油牽頭，下設有“頁巖氣勘探開發(fā)關鍵技術”科研項目。頁巖氣正式被列為國家長期科學和技術發(fā)展計劃;2010年5月，根據(jù)“美國國務院和中國國家能源局關于在頁巖氣領域合作的備忘錄”，中美雙方制訂并簽署“美國國務院和中國國家能源局關于中美頁巖氣資源工作行動計劃”;同時，中石化華東分公司實施的中國首個特大型頁巖氣井壓裂施工——方深1井特大型壓裂施工取得成功;2010年8月，中國首個頁巖氣專門研究機構——國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心在中國石油勘探開發(fā)研究院成立。

總體上，中國頁巖氣研究經(jīng)歷了3個發(fā)展階段:①對國外成果的引進消化［4－9］。該階段充分認識到頁巖氣吸附機理的存在，對頁巖氣藏的認識由“裂隙氣藏”轉化為“吸附氣藏”。②將中國盆地與美國東部盆地進行地質(zhì)類比，對中國頁巖氣資源進行初步的整體評估［10－15］。在認識到頁巖氣吸附機理的基礎上，不同研究者重新對中國頁巖氣資源量進行認識，普遍認為中國具有豐富的頁巖氣資源。③在中國重點地區(qū)尋找證據(jù)，進行頁巖氣藏勘探［16－24］。該階段在重點地區(qū)取樣，進行頁巖含氣性實驗研究，并分析中國頁巖含氣性影響因素，進行勘探有利區(qū)選擇。大多數(shù)學者認為四川盆地是中國最為現(xiàn)實的頁巖氣勘探區(qū)［16－22］，并對四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組、下三疊統(tǒng)須家河組、下志留統(tǒng)龍馬溪等層系中頁巖氣成藏條件展開了重點研究。此外，還有學者對鄂爾多斯盆地三疊系延長組［23］頁巖氣成藏條件進行研究。

2 頁巖氣成藏地質(zhì)特點

總結國內(nèi)外學者的研究成果，基本確定頁巖氣藏具有如下地質(zhì)特點。

(1)頁巖氣的生、儲、聚集過程都發(fā)生于具有生氣能力的頁巖中，是真正意義上的“源儲一體”型氣藏［1］。

(2)頁巖氣藏中天然氣以吸附態(tài)和游離態(tài)為主體的賦存相態(tài)，兼具典型煤層氣和典型根緣氣的特征，在成藏機理上具有“過渡性氣藏”的特征［1］。吸附作用是頁巖氣成藏的重要作用機理。

(3)在成藏特征上，頁巖氣藏屬非常規(guī)天然氣藏類型，具有不依賴常規(guī)圈閉存在的特征。其既可存在于盆地深部位，也可存在于埋深較淺的斜坡帶和凸起帶［4］。

(4)在成藏條件上，頁巖氣聚集沒有經(jīng)過二次運移，對儲、蓋、運、圈、保等要素要求較低，而對源巖生氣能力要求較高。一般而言，要求頁巖層段有機碳含量不小于 2% ，Ro不低于 0.4%［4－5，8］。

(5)頁巖氣藏資源量巨大，其含氣面積可近似等于源巖面積，但受頁巖儲層致密特征的控制，頁巖氣藏屬于低效氣藏，具有“低產(chǎn)量，長周期”的生產(chǎn)特征。氣藏中裂縫發(fā)育帶是勘探的重點目標。

(6)由于存在吸附作用，相對于常規(guī)天然氣藏，頁巖氣藏具有更強的抗破壞能力。

(7)美國經(jīng)歷多次構造破壞的古生代地層是頁巖氣勘探的主要層系［4］。而美國東部盆地有著與有中國中、西部盆地相近的石油地質(zhì)條件。在這些盆地中大規(guī)模的頁巖氣藏的發(fā)現(xiàn)，預示著中國存在著良好的頁巖氣藏勘探前景。

(8)頁巖氣藏形成條件的特殊性導致常規(guī)資源量計算方法可能對其資源量的錯誤計算，在計算頁巖氣資源量時，有必要對常規(guī)的資源量計算方法進行一定的改進。

3 中石油主要盆地頁巖特征

中石油探區(qū)內(nèi)各盆地中頁巖廣泛發(fā)育，在剖面上可分為中—新生界和古生界2大套［24］。在平面上，陸區(qū)頁巖的分布可以超出盆地的范圍，如中國華北地臺及以揚子地塊為主體的南方地區(qū)均有頁巖的分布。

3.1 中—新生界

主要發(fā)育于:松遼盆地(白堊系)、渤海灣盆地(古近系)、南華北盆地(三疊系、侏羅系、下白堊統(tǒng)、古近系)、蘇北－南黃海盆地(古近系)、南襄盆地(古近系)、江漢盆地(古近系)、鄂爾多斯盆地(三疊系、侏羅系)、準噶爾盆地(三疊系、侏羅系、白堊系、古近系)、吐哈盆地(侏羅系)、塔里木盆地(三疊系、侏羅系)、柴達木盆地(侏羅系、古近系、第四系)及南方地區(qū)的百色盆地(古近系)等。

總體上，中石油探區(qū)陸上各主要盆地不同層系的中—新生界頁巖最大厚度均逾百米，總厚度逾千米。以陸相沉積為主，主要發(fā)育于半深湖－深湖相(渤海灣盆地等)、沼澤相(鄂爾多斯盆地等)和淺湖相環(huán)境(渤海灣盆地等)。不同沉積相中頁巖有機質(zhì)豐度有著很大的差別，總體上以發(fā)育于深湖－半深湖相(主要分布在東部盆地)和沼澤相(主要分布于中西部地區(qū))的頁巖有機碳含量最高，一般大于2.0%，而鹽湖相則較低。在有機質(zhì)類型上，西部盆地均以Ⅲ型為主;與西部盆地相比，東部盆地內(nèi)Ⅱ型和I型源巖比例有所增大。

受源巖有機質(zhì)類型比例不同的影響，東、西部盆地源巖生烴特征有著很大的區(qū)別。以東部渤海灣盆地黃驊坳陷和西部塔里木盆地為例，兩類源巖的生油均隨著熱演化程度的增加呈現(xiàn)出先增后降的變化規(guī)律，拐點大約出現(xiàn)在Ro為1.0處。兩類源巖的生氣能力均隨熱演化程度的增加而增加，且東部盆地明顯大于西部盆地(圖1)。東部盆地內(nèi)源巖的絕對生油、氣能力均明顯強于西部盆地(圖1)。東部盆地內(nèi)源巖生氣能力強，但其生油能力也強，以烴產(chǎn)物相對比例而言，中國陸區(qū)具有東部盆地以生油為主，西部盆地以生氣為主的特征。

圖1 東、西部盆地烴產(chǎn)物類型及生烴能力對比①新一輪全國油氣資源評價項目組.中國新一輪全國油氣資源評價，2004.

3.2 古生界

古生界頁巖主要發(fā)育于中西部的鄂爾多斯盆地(石炭－二疊系)、四川盆地(寒武系、志留系、二疊系)、吐哈盆地(二疊系)、準噶爾盆地(石炭系、二疊系)、塔里木盆地(寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系)。

古生界頁巖以海相和海陸交互相為最主要的沉積環(huán)境，源巖類型以Ⅲ型干酪根為主，天然氣為其主要的烴產(chǎn)物類型。在有機質(zhì)豐度上，不同盆地，甚至同一盆地內(nèi)不同地區(qū)頁巖有機碳含量變化較大，較之中－新生界陸相頁巖，古生界頁巖有機碳含量有所下降，但各盆地中有機碳含量大于2.0%的地區(qū)呈區(qū)域性發(fā)育，具備了頁巖氣成藏的條件。

與國外盆地相比，我國古生界頁巖以熱演化程度高為特征，四川盆地下寒武統(tǒng)頁巖Ro最高值達5%。美國福特沃斯盆地中Barnett頁巖氣藏產(chǎn)氣區(qū)的成熟度雖總體處在1.0% ～1.3%，但實際上產(chǎn)氣區(qū)西部為 1.3%，東部為 2.1%，平均為1.7%［7－8］。阿巴拉契亞盆地頁巖成熟度的變化范圍為0.5% ～4.0%［8］，在賓夕法尼亞州西部成熟度可達2.0%，在西弗吉尼亞州南部可達4.0%，且只有在成熟度較高的區(qū)域才有頁巖氣的產(chǎn)出［9］。由此可見，頁巖的高成熟度(大于2%)不是制約頁巖氣成藏的主要因素，相反，成熟度越高越有利于頁巖氣的生成，說明在高成熟度下也能夠發(fā)育頁巖氣藏。

各盆地內(nèi)中—新生界和古生界頁巖發(fā)育特征見表1。

4 頁巖氣資源量計算方法

與常規(guī)油氣資源不同，頁巖氣的生、儲、聚、散都發(fā)生于源巖層系中，常規(guī)油氣資源計算方法中關于儲層、蓋層等因素的評價參數(shù)均不適用于頁巖氣資源量的計算。本文采用成因法、類比法和特爾菲法對中石油探區(qū)內(nèi)主要含頁巖盆地頁巖氣資源量進行了探討性計算。

4.1 成因法

頁巖氣是天然氣在源巖層系內(nèi)的聚集，IEA《2009年世界能源展望》估計的原地資源量中有約40% 會成為可采資源量。此次計算對頁巖氣資源量進行較保守取值，認為頁巖中的殘留氣量的50%可成為頁巖氣地質(zhì)資源。即:

式中:Q為評價盆地頁巖氣資源量，1012m3;Q生為生氣量，1012m3;Q排為排氣量，1012m3。

4.2 統(tǒng)計法

國外已勘探盆地資料顯示，頁巖氣資源量與常規(guī)天然氣資源量存在密切的關系，一般而言，盆地中常規(guī)天然氣富集，盆地中頁巖氣資源量也相應富集。按國外學者的計算及美國已產(chǎn)頁巖氣盆地的統(tǒng)計，頁巖氣與常規(guī)氣資源量比一般在0.88至1.06之間［8］，本次計算按中國盆地與美國東部盆地的相似程度，對頁巖氣與常規(guī)天然氣資源量比值保守賦值0.8～0.9，依據(jù)常規(guī)天然氣資源量計算出頁巖氣資源量。

式中:Q為評價盆地頁巖氣資源量，1012m3;α為頁巖氣與常規(guī)氣資源量之比;Q1為常規(guī)氣資源量，1012m3。

表1 中石油探區(qū)陸區(qū)源巖基本特征統(tǒng)計①

4.3 特爾菲法

從原理上分析，各種資源量計算方法重點考慮的只是油氣諸多成藏要素中的一種或幾種因素，或依據(jù)實驗模擬結果，或采用統(tǒng)計方法，故所得結果往往有著很大的差別。資源量是用概率表示的，說明資源量預測具有隨機性，采用某種方法預測的資源量只代表一種可能性。因此，要比較客觀的預測盆地油氣資源量潛力，就應該從不同的角度同時采用多種不同類型的預測方法。為了便于表達，需要把多種不同方法計算出的資源量進行合理的綜合，并得到統(tǒng)一的盆地總資源量。

本文采用特爾菲法對盆地資源量多種方法計算結果綜合平均，該方法可用公式(3)來表示:

在資源量計算過程中，考慮到源巖生氣量與天然氣地質(zhì)資源量存在著數(shù)量級的差異，天然氣運聚系數(shù)一般取值0.010～0.015。雖然在原理上，凡是殘留在泥頁巖內(nèi)的天然氣均可聚集成頁巖氣藏，但若成因法所給權重系數(shù)過高，則計算所得頁巖氣資源量過大，會對頁巖氣資源前景產(chǎn)生誤導。故本文將成因法的權系數(shù)定為0.2。

按上述方法，計算中石油探區(qū)內(nèi)主要產(chǎn)油氣盆地頁巖氣資源量，計算結果見表2。

表2 中石油探區(qū)主要盆地頁巖氣資源量計算結果統(tǒng)計

5 中石油探區(qū)頁巖氣資源分布特征

本次計算結果顯示，中國中石油探區(qū)頁巖氣資源量為25.5×1012m3，與美國頁巖氣資源量28.3×1012m3［25］基本相當。

5.1 平面特征

總體上中石油探區(qū)內(nèi)頁巖氣資源呈現(xiàn)出中西部盆地較東部盆地更為富集的特征。頁巖氣資源超過4.5×1012m3的盆地主要有西部地區(qū)的塔里木盆地和中部地區(qū)的鄂爾多斯盆地、四川盆地，與中國目前的常規(guī)天然氣產(chǎn)區(qū)相一致。其中以四川盆地最為富集，資源量約為8.7×1012m3。

特別值得注意的是，受資料所限，本次計算未能對中石油探區(qū)內(nèi)華北地臺和南方海相地層中古生界頁巖氣資源做計算，但據(jù)已有資料分析，上述地區(qū)源巖發(fā)育，具備良好的頁巖氣成藏的物質(zhì)條件，也應是頁巖氣藏勘探值得重視的區(qū)域。

5.2 剖面特征

在剖面上，古生界和中新生界地層中頁巖氣資源基本相當，分別為13.2×1012m3和12.2×1012m3。古生界頁巖氣資源主要集中在鄂爾多斯盆地，中新生界頁巖氣資源主要集中在四川盆地，塔里木盆地次之。

6 結論

(1)中石油探區(qū)內(nèi)各主要盆地中廣泛發(fā)育有中—新生界泥頁巖，頁巖氣成藏條件優(yōu)越。古生界頁巖主要發(fā)育于中西部和南方地區(qū)。各層系內(nèi)頁巖累計厚度最大均逾千米。

(2)各層系內(nèi)均有高有機質(zhì)豐度(TOC大于2%)的頁巖發(fā)育，較之西部地區(qū)，東部地區(qū)中—新生界頁巖Ⅱ型干酪根含量增加，油氣兼生，但氣的相對比例較小，總體上，中—新生界頁巖具有東部生油，西部生氣的特征。東西部各盆地古生界頁巖均以III型干酪根為主，具有高熱演化程度的特征，具有良好的生氣能力。

(3)中石油探區(qū)內(nèi)，頁巖氣資源在平面上以中部鄂爾多斯盆地、四川盆地，西部塔里木盆地、柴達木盆地為最多;在層系上，古生界地層和中—新生界地層中均有頁巖氣發(fā)育，古生界頁巖氣資源集中在鄂爾多斯盆地，中—新生界頁巖氣資源主要集中在四川盆地。

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Distribution of shale gas resources in CNPC exploration area

XU Bo1，LI Jing－h(huán)an2，XIE Dong1，WANG Xue－feng1，DUAN Jian1
(1．Jidong Oilfield Company，PetroChina，Tangshan，Hebei063200，China;
2．Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning124010，China)

Shale gas is an important type of unconventional gas resources．China has widespread shale development and expectable shale gas exploration prospect．On the basis of the last national petroleum resources assessment，shale gas characteristics and resources are preliminarily evaluated for the main basins in CNPC exploration area．Generally，Meso－Cenozoic shale had developed widely in CNPC exploration area，mainly in continental deposit．The shale in the east had generated more oil and in the west generated more gas．Palaeozoic shale had developed mainly in the central and western basins and in south China，mostly in marine deposit，showing high degree of thermal evolution．The resource extent and distribution of shale gas in the main basins of CNPC exploration area are determined through means of genetic method，statistical method and Delphi method．Horizontally，shale gas distributes in the western and central basins and south China，with favorable exploration zones such as Tarim Basin，Qaidam Basin，Sichuan Basin and Ordos Basin，as well as south China;vertically，shale gas mainly exists in the Palaeozoic of these basins，and the Meso－Cenozoic in the Sichuan Basin is also noteworthy for shale gas exploration．

shale gas;geological characteristics;Delphi method;resource extent calculation;distribution

TE132.1

A

1006－6535(2011)04－0001－06

20110329;改回日期20110408

國家自然科學基金項目“碎屑巖盆地天然氣聚集主要機理類型及條件轉換”(40472073)和“頁巖氣聚集機理與成藏條件”(40672087)

徐波(1977－)，男，1999年畢業(yè)于江漢石油學院礦產(chǎn)普查專業(yè)，2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)并獲博士學位，現(xiàn)從事油氣生產(chǎn)與科研相關工作。

編輯 劉兆芝