李建忠，李登華，董大忠，王社教

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

中美頁巖氣成藏條件、分布特征差異研究與啟示

李建忠，李登華，董大忠，王社教

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

美國(guó)頁巖氣大多為海相熱成因型，產(chǎn)氣頁巖主要分布在前陸和克拉通盆地的泥盆—石炭系，埋藏深度一般為1500～3500 m。我國(guó)頁巖分為海相、海陸過渡相與煤系、湖相三類，其中海相頁巖主要發(fā)育在坳拉槽和克拉通盆地的下古生界，富有機(jī)質(zhì)集中段分布穩(wěn)定，熱成熟度偏高，有較高的含氣量，勘探前景最好;海陸過渡相與煤系頁巖主要發(fā)育在大型坳陷和前陸盆地，層系以石炭系—侏羅系為主，沒有明顯的富有機(jī)質(zhì)集中段，含氣量差別較大，勘探潛力有待落實(shí);湖相頁巖主要發(fā)育在中、新生代陸相盆地，富有機(jī)質(zhì)集中段厚度大，成熟度較高的凹陷中心區(qū)可能具有一定資源前景。預(yù)測(cè)我國(guó)頁巖氣勘探將經(jīng)歷較長(zhǎng)的探索期，未來年產(chǎn)量可達(dá)500億～600億m3規(guī)模。

頁巖氣;成藏條件;分布特征;富有機(jī)質(zhì)頁巖;中美對(duì)比;啟示

1 前言

美國(guó)是全球頁巖氣發(fā)現(xiàn)最早、開發(fā)最成功的國(guó)家。1821年，第一口商業(yè)性頁巖氣井完鉆，比第一口油井早38年［1］。但因產(chǎn)量低、效益差，頁巖氣開發(fā)進(jìn)展緩慢，直到1999年美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量才突破100億m3。21世紀(jì)以來，隨著水平井鉆探和分段壓裂技術(shù)日臻成熟，美國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)取得突破性進(jìn)展，產(chǎn)量進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。2005年美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量突破200億m3，2008年突破600億m3，2009年，在頁巖氣的助推下，美國(guó)超過俄羅斯成為世界第一大天然氣生產(chǎn)國(guó)。2010年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到1378億m3，約占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的23%。2012年初，AEO(Annual Energy Outlook of U.S.Energy Information Administration，美國(guó)能源信息署發(fā)布的年度能源展望)預(yù)測(cè)美國(guó)待發(fā)現(xiàn)的頁巖氣技術(shù)可采資源量為13.6萬億m3，判斷2021年美國(guó)將成為天然氣凈出口國(guó)［2］。

頁巖氣不僅改變了美國(guó)能源結(jié)構(gòu)，對(duì)世界天然氣供應(yīng)格局產(chǎn)生了重大影響，而且在全球掀起一場(chǎng)“頁巖氣革命”。德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、波蘭、中國(guó)、印度、澳大利亞和新西蘭等國(guó)都開始對(duì)本國(guó)頁巖氣資源進(jìn)行前期研究與評(píng)價(jià)，其中印度、新西蘭等已經(jīng)取得單井突破并進(jìn)入試驗(yàn)性開采階段。我國(guó)相關(guān)政府部門和企業(yè)一直高度重視頁巖氣的勘探開發(fā)，至2011年年底，已設(shè)立威遠(yuǎn)等5個(gè)頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)，完鉆頁巖氣井50余口，獲氣15口，其中9口井初期日產(chǎn)量超過1萬m3［3］。目前頁巖氣被批準(zhǔn)列為單獨(dú)礦種，國(guó)土資源部已組織多輪區(qū)塊招標(biāo)，在全國(guó)掀起了“頁巖氣熱”。

頁巖氣在美國(guó)實(shí)現(xiàn)了巨大成功，這種成功是否能在我國(guó)“復(fù)制”?筆者等對(duì)中、美頁巖氣成藏條件和分布特征進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，以期得出一些重要啟示，對(duì)我國(guó)未來頁巖氣發(fā)展前景作出較為準(zhǔn)確和客觀的判斷。

2 中美頁巖氣成藏條件對(duì)比

頁巖氣的成分以甲烷為主，含有少量輕烴氣體，存在吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)等多種賦存相態(tài)，其中以吸附態(tài)和游離態(tài)為主體。頁巖氣藏按其天然氣成因可分為三種類型:熱成因型、生物成因型和混合型［4］。目前這三種類型在美國(guó)都有發(fā)現(xiàn)，其中熱成因型頁巖氣無論是氣藏個(gè)數(shù)還是資源量都占絕對(duì)多數(shù)［5～7］(見表1)。我國(guó)已發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏均為熱成因型，成藏條件與美國(guó)有相似之處，但也存在明顯的差異。

表1 美國(guó)主要產(chǎn)氣頁巖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Table 1 Basic data of major gas shale in America

2.1 生烴條件

頁巖氣的工業(yè)聚集需要豐富的氣源物質(zhì)基礎(chǔ)，要求生烴條件要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐表明，良好的頁巖氣成藏條件通常要求發(fā)育厚層成熟的富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖，即頁巖單層有效厚度大于 30 m，熱成熟度 Ro為1.1% ～2.0%，TOC含量大于2%。目前美國(guó)已發(fā)現(xiàn)的頁巖氣絕大多數(shù)為海相熱成因型，產(chǎn)氣頁巖的干酪根以I～I(xiàn)I型為主，TOC含量一般大于 4%，Ro主體為1.1% ～2.0%，有效厚度一般大于50 m。

我國(guó)按沉積環(huán)境，將富有機(jī)質(zhì)頁巖分為3大類:海相、海陸過渡相與煤系、湖相，其中海相頁巖的干酪根為I～I(xiàn)I型，TOC含量一般可以達(dá)到頁巖氣形成的最低標(biāo)準(zhǔn)［8］。南方地區(qū)古生界頁巖的TOC含量平均為1.23% ～4.71%。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖TOC含量大于2%的頁巖厚度平均可占頁巖總厚度的34%，面積約占頁巖總面積的71%;上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組高TOC頁巖的厚度占比為19%，面積占比為87%。塔里木盆地寒武—奧陶系頁巖 TOC含量平均為1.5% ～2.86%，高TOC頁巖厚度占比為10% ～20%，面積占比為25% ～40%。值得注意的是塔里木盆地東部除發(fā)育較好的富有機(jī)質(zhì)頁巖外，還發(fā)育了一套厚度在100～200 m、TOC含量為1% ～10%的海相灰質(zhì)頁巖或泥質(zhì)灰?guī)r，與海相頁巖互層或同期異相。我國(guó)海相頁巖熱成熟度普遍高于北美產(chǎn)氣頁巖，Ro一般大于2.0%，處于高—過成熟熱裂解成氣階段，其中南方地區(qū)海相頁巖熱成熟度更高，下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖Ro為2.3% ～5.12%，上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖 Ro為2.4% ～4.3%。從熱成熟度來看，我國(guó)海相頁巖生氣潛力與美國(guó)存在明顯差距。

海陸過渡相與煤系頁巖中有機(jī)質(zhì)以陸源高等植物為主，頁巖與煤系、砂巖互層，TOC含量一般大于1.0%，炭質(zhì)頁巖TOC含量多數(shù)超過10.0%。由于海陸過渡相與煤系頁巖單層厚度小，常與砂巖、煤層互層或相變，因此頁巖中TOC含量大于2%的高TOC頁巖集中段不太發(fā)育。海陸過渡相與煤系頁巖有機(jī)質(zhì)類型復(fù)雜，以混合型—腐殖型為主。熱成熟度 Ro為1.0% ～3.0%，處于成氣高峰期。華北地區(qū)石炭—二疊系頁巖TOC含量受沉積相影響大，TOC含量為0.5% ～36.79%，其中沼澤相炭質(zhì)頁巖TOC含量高，為10% ～30%。Ro一般為1.0% ～2.5%，局部地區(qū)達(dá)3.0%。南方地區(qū)二疊系頁巖有機(jī)質(zhì)含量與類型受沉積環(huán)境影響，TOC含量平均4.7%，多數(shù)達(dá)3% ～5%。有機(jī)質(zhì)中高等植物、底棲藻類、海灣瀉湖或滯留盆地環(huán)境生物均有發(fā)育，有機(jī)質(zhì)類型呈腐泥型、混合型和腐殖型多類型組合，熱成熟度Ro為1.2% ～3.2%。四川盆地、塔里木盆地及吐哈—準(zhǔn)噶爾盆地的三疊—侏羅系頁巖TOC含量平均為1.5% ～3.3%，有機(jī)質(zhì)類型為II～I(xiàn)II型，熱成熟度Ro為0.7% ～2.2%，為成熟—高成熟演化階段。

湖相頁巖形成時(shí)間晚，巖石類型主要為厚層狀黑色頁巖，干酪根以I～I(xiàn)I型為主。熱演化程度低，主體處于生油階段，盆地中心或埋深較大地區(qū)進(jìn)入成氣階段。如松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組一段，有機(jī)質(zhì)類型主要為I～I(xiàn)I型，熱成熟度Ro為0.4% ～1.3%，Ro大于1.0%的區(qū)域分布在古龍、三肇、長(zhǎng)嶺等凹陷，成氣頁巖厚50～60 m，面積約3000 km2。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)長(zhǎng)7段頁巖TOC含量平均為8.3%;長(zhǎng)9段頁巖 TOC含量平均為3.14%。兩套頁巖熱成熟度 Ro為0.73% ～1.16%，在吳旗—慶陽—富縣一帶Ro大于1.0%，進(jìn)入生氣窗，成氣頁巖厚60～90 m，面積約3800 km2。

2.2 儲(chǔ)集條件

頁巖氣為自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣，儲(chǔ)層的物性、含氣性、單層有效厚度和脆性礦物含量對(duì)頁巖氣富集及后期開發(fā)至關(guān)重要。根據(jù)美國(guó)勘探開發(fā)實(shí)踐，商業(yè)性開發(fā)的頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度一般大于4%，含氣量一般大于2 m3/t，單層有效厚度大于15 m，石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等脆性礦物含量在40%以上。如現(xiàn)代頁巖氣工業(yè)的鼻祖——Fort Worth盆地的Barnett頁巖，孔隙度為4% ～5%，含氣量4.2～9.9 m3/t，單層有效厚度一般大于30 m，脆性礦物含量大于40%。目前產(chǎn)氣量最高的East Texas盆地的Haynesville頁巖，孔隙度一般為8% ～9%，含氣量為 2.8～9.3 m3/t，單層有效厚度一般大于60 m，脆性礦物含量大于30%。

我國(guó)海相頁巖也具有相似特點(diǎn)，孔隙度、含氣量、脆性礦物含量較高，單層有效厚度大。儲(chǔ)集空間以納米級(jí)孔隙為主，含氣量為1～3 m3/t，脆性礦物含量一般都在40%以上，單層富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖厚度一般大于30 m。上揚(yáng)子地區(qū)下古生界頁巖孔隙直徑5～750 nm，集中分布在20～80 nm，孔喉半徑10～30 nm，平均為 20 nm。頁巖孔隙度 2% ～12%，平均4.0%左右，滲透率25 nD ～1.73 mD，一般小于100 nD。威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等海相頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)鉆井巖芯含氣量實(shí)際測(cè)定表明，下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖含氣量平均為2.1 m3/t，上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖含氣量平均為2.4 m3/t，基本處于或略超過美國(guó)有利頁巖氣區(qū)含氣量下限［9］。我國(guó)海相頁巖脆性礦物含量豐富，一般都在40%以上。脆性礦物組成中，石英含量為24.3% ～52%、長(zhǎng)石含量為4.3% ～32.3%、方解石含量為8.5%～16.9%，總脆性礦物含量為 53.3% ～78.2%。粘土礦物含量低，小于40%，一般為25.6% ～39.5%。粘土礦物以伊利石為主，含少量綠泥石和高嶺石，不含蒙脫石，或僅在個(gè)別樣品中偶有出現(xiàn)，含量甚微。這表明高—過成熟海相頁巖中粘土礦物已大部分轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定礦物，不具水敏性，有利于大型清水壓裂。下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖均集中在地層中下部，單層有效厚度一般超過30 m，最厚可達(dá)70 m以上。

海陸過渡相與煤系頁巖孔隙度偏低，單層有效厚度薄且橫向變化快，含氣量?jī)蓸O分化，脆性礦物含量較高，但粘土礦物中水敏礦物含量較高。該類頁巖儲(chǔ)集空間以原生孔縫為主，局部發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔，孔隙度偏低，平均為1.2%。含氣量呈現(xiàn)兩級(jí)分化，低壓異常區(qū)一般小于1 m3/t，如鄂爾多斯盆地的石炭—二疊系頁巖含氣量為0.05～0.73 m3/t;高壓異常區(qū)接近3 m3/t，與優(yōu)質(zhì)海相產(chǎn)氣頁巖含氣量相當(dāng)，如川西坳陷須家河組頁巖含氣量為2.57～2.99 m3/t。該類頁巖沒有明顯的富有機(jī)質(zhì)頁巖集中段，單層有效頁巖厚度一般為5～15 m，且橫向上缺乏連續(xù)性。礦物組成與海相頁巖差別不大，脆性礦物含量一般大于35%，如四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組頁巖石英含量33.2% ～52.9%，長(zhǎng)石含量3.0% ～20.0%;鄂爾多斯盆地石炭—二疊系頁巖石英含量32%～54%。粘土礦物雖以伊利石為主，但伊蒙混層和高嶺石等水敏礦物含量偏高，如四川盆地上三疊統(tǒng)頁巖粘土礦物中伊利石含量49.4% ～78.0%，伊蒙混層 12.7% ～22.0%，高嶺石含量 11.0% ～38.0%，綠泥石 11.0% ～56.0%。由此產(chǎn)生的影響是海陸過渡相與煤系頁巖儲(chǔ)集空間不太發(fā)育，物性條件較差。

湖相頁巖孔隙度偏低，主體處于生油窗內(nèi)，單層有效厚度大、橫向較連續(xù)，脆性礦物含量較高，但粘土礦物中水敏礦物含量較高。湖相頁巖儲(chǔ)集空間以原生孔縫為主，少見有機(jī)質(zhì)納米孔。由于我國(guó)湖相頁巖主要發(fā)育在中、新生代盆地，熱演化程度偏低，Ro主體小于1.1%，以生油為主，但在凹陷中心區(qū)已進(jìn)入生氣階段，具有一定的頁巖氣勘探潛力。如渤海灣盆地古近系發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)頁巖，巖性以鈣質(zhì)頁巖、厚層黑色頁巖為主，廣泛分布于各斷陷中，面積約1.8萬 ～2.3萬 km2，厚10～600 m。有機(jī)質(zhì)為湖相富藻類生物，有機(jī)質(zhì)類型為I～I(xiàn)I1型，熱演化程度大部分處于液態(tài)烴范圍，在埋深大于4000 m區(qū)域進(jìn)入生氣范圍。沙一段Ro為0.7% ～1.8%，沙三段 Ro為 0.4% ～2.0%，沙四段 Ro為0.6% ～3.0%。頁巖發(fā)育粘土礦物間孔、無機(jī)礦物粒間孔、生物骨架孔、碳酸鹽巖與黃鐵礦晶間孔、頁巖干縮縫等，孔隙直徑44～250 nm，平均76 nm，孔隙度 0.5% ～ 9.8%，平均 5.6%;滲透率0.06～1.6 mD。由于陸相湖盆砂質(zhì)碎屑供給豐富，石英等脆性礦物含量較高，一般大于40%，但粘土礦物含量一般大于30%，且伊蒙混層等水敏礦物含量偏高。如四川盆地下侏羅統(tǒng)頁巖中石英等脆性礦物含量平均49.6%，粘土礦物含量平均48.7%。粘土礦物主要為伊利石(23% ～54%)、綠泥石(0% ～36%)、伊蒙混層(10% ～66%)，伊蒙混層中混層比低(2.5% ～16%)。

2.3 保存條件

頁巖超低的孔隙度和滲透率使其本身就可以作為蓋層，因此頁巖氣對(duì)于蓋層的要求不像常規(guī)氣藏那么苛刻，不需要特定的圈閉條件就可以成藏。當(dāng)然，如果存在良好的封蓋層條件，頁巖氣可以得到更加有效的保存。如美國(guó)Fort Worth盆地Barnett頁巖，頂?shù)拙l(fā)育致密灰?guī)r，頁巖內(nèi)部還發(fā)育一套Forestburg組灰?guī)r［4］，使得Barnett頁巖成為目前全球累計(jì)產(chǎn)氣量最高的頁巖。

頁巖中的天然裂縫有利于頁巖氣的運(yùn)聚，但如果裂縫過于發(fā)育，獨(dú)立封閉體系容易遭受破壞，頁巖氣很容易通過裂縫散失，因此構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁、斷裂過于發(fā)育的地區(qū)，頁巖氣反而難以成藏。北美地臺(tái)整體相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，因此美國(guó)的產(chǎn)氣頁巖保存條件一般較好。中國(guó)大陸處于太平洋、印度和西伯利亞等板塊交匯處，動(dòng)力學(xué)體系復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造具多塊體拼合、多期次、多旋回的復(fù)雜構(gòu)造特征，形成了多類型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多期疊合、多期構(gòu)造變動(dòng)的沉積盆地。雖然我國(guó)發(fā)育三大類、多套富有機(jī)質(zhì)頁巖，但整體保存條件比美國(guó)差，尤其是海相頁巖，后期改造強(qiáng)烈，頁巖氣藏很容易遭受破壞。如處于四川盆地南部穩(wěn)定區(qū)的寧203井，下志留統(tǒng)龍馬溪組實(shí)測(cè)含氣量為3.5 ～6.5 m3/t，壓力系數(shù)2.03;而處于四川盆地之外改造區(qū)的昭101井，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組實(shí)測(cè)含氣量為0.33 m3/t，且90%為氮?dú)?，說明遭受了破壞。

地層壓力是反映頁巖氣藏保存條件好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。美國(guó)熱成因型的頁巖氣，大多表現(xiàn)為超壓異常(見表1)。我國(guó)的海相頁巖在廣大的南方地區(qū)大多呈現(xiàn)低壓異常，僅在四川盆地等構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)氣藏壓力系數(shù)較高，如四川盆地南部的長(zhǎng)寧地區(qū)，下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣藏壓力系數(shù)普遍大于2.0，頁巖含氣量和單井產(chǎn)量較高。海陸過渡相與煤系頁巖低壓與高壓異常并存，含氣性差別很大。如鄂爾多斯盆地東部石炭—二疊系頁巖地層普遍為低壓異常，含氣量均小于1 m3/t，甚至低于0.05 m3/t;而四川盆地川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組頁巖地層壓力系數(shù)可達(dá)1.8以上，須一、三段頁巖實(shí)測(cè)含氣量接近3 m3/t。湖相頁巖大多表現(xiàn)為常壓—高壓，保存條件較好，在部分地區(qū)已獲得工業(yè)氣流。如川西坳陷元壩9井在下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段頁巖初期日產(chǎn)氣超過1萬m3，元壩21井在下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段常規(guī)射孔測(cè)試日產(chǎn)氣50.7萬m3，元壩102—側(cè)1井、元壩11井、元壩101井和元壩5—側(cè)1井在大安寨段均獲頁巖氣流［3］;鄂爾多斯盆地東部的柳評(píng)177井和新57井在上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組7段頁巖壓裂獲氣［10］。

我國(guó)頁巖氣成藏條件可概括為:a.頁巖發(fā)育具廣泛性，不同時(shí)代、不同地區(qū)都發(fā)育規(guī)模不等的富有機(jī)質(zhì)頁巖;b.頁巖展布具非均衡性，海相頁巖厚度大、分布穩(wěn)定，海陸過渡相與煤系頁巖厚度小、橫向變化快，湖相頁巖盆地凹陷中心區(qū)厚度大、分布較穩(wěn)定;c.頁巖成氣潛力具多樣性，有機(jī)質(zhì)含量總體豐富，高有機(jī)碳含量(TOC＞2%)頁巖發(fā)育程度和集中程度不一;頁巖有機(jī)質(zhì)類型存在腐泥型、腐殖型和混合型等多種類型;頁巖形成時(shí)代、賦存地質(zhì)背景不同，熱成熟度變化范圍大;d.頁巖儲(chǔ)層具差異性，不同頁巖巖性組合、含氣量、礦物組成與含量、納米孔隙發(fā)育程度等存在明顯差異。

3 中美頁巖氣分布特征分析

美國(guó)產(chǎn)氣頁巖絕大多數(shù)為海相，呈“U”型分布在Appalachian早古生代逆沖褶皺帶、Ouchita晚古生代逆沖褶皺帶和Laramide中生代逆沖褶皺帶前緣的前陸盆地及其相鄰地臺(tái)之上的克拉通盆地中［11］，時(shí)代以晚古生代泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)為主，其次為中生代侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)(見表1)，橫向上大面積厚層連續(xù)展布，頁巖氣勘探開發(fā)主體深度為1500～3500 m。

我國(guó)海相頁巖主要分布在坳拉槽和克拉通邊緣坳陷盆地中，時(shí)代以早古生代寒武紀(jì)和志留紀(jì)為主，區(qū)域上分布于華北、南方、塔里木和青藏4個(gè)地區(qū)，縱向上位于各層系的中下部。除四川盆地、塔里木盆地等構(gòu)造穩(wěn)定的地臺(tái)區(qū)保存較好外，其余多處于現(xiàn)今盆地范圍之外的褶皺造山帶，遭受過多期構(gòu)造改造，地下構(gòu)造變形強(qiáng)烈，地表多為山地。華北和塔里木地區(qū)埋深一般大于4500 m，青藏地區(qū)海拔高、氣候惡劣，南方大部地區(qū)保存條件較差，且地表多為山地和丘陵，綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為目前最現(xiàn)實(shí)的頁巖氣勘探領(lǐng)域是四川盆地及其周緣地區(qū)［12～16］。

海陸過渡相與煤系頁巖主要分布在前陸和克拉通坳陷盆地中，時(shí)代以晚古生代石炭—二疊紀(jì)為主，其次為中生代侏羅紀(jì)。區(qū)域上分布于華北、南方和西北3個(gè)地區(qū)，縱向上與砂巖及煤層互層，沒有明顯的集中段，且橫向變化快，無法形成大面積連續(xù)分布。除四川盆地、鄂爾多斯盆地等構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)保存較好外，其余均處于現(xiàn)今盆地之外，并遭受過多期構(gòu)造改造。初步研究認(rèn)為，四川盆地川西坳陷的上三疊統(tǒng)須家河組頁巖氣潛力較大。

湖相頁巖主要分布在中新生代陸相盆地，其次為二疊系，區(qū)域上分布于東北、華北、南方和西北4個(gè)地區(qū)的各主要產(chǎn)油氣盆地，富有機(jī)質(zhì)頁巖集中段縱向上厚度大，橫向上大面積連續(xù)分布。由于埋深適中，主體在2000～4000 m，地表?xiàng)l件良好，且地面管網(wǎng)較發(fā)達(dá)，如能解決水平井和分段壓裂等關(guān)鍵工程技術(shù)問題，在進(jìn)入生氣階段的各盆地凹陷中心區(qū)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)。初步研究認(rèn)為，松遼盆地中央凹陷區(qū)上白堊統(tǒng)青一段、渤海灣盆地凹陷中心區(qū)沙河街組、四川盆地川北地區(qū)中下侏羅統(tǒng)、鄂爾多斯盆地東部上三疊統(tǒng)長(zhǎng)7、長(zhǎng)9段等有一定的頁巖氣勘探前景。

與美國(guó)相比，我國(guó)陸上頁巖具有“一深二雜三多”的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在埋藏較深，埋深超過3500 m的頁巖占65%;地表?xiàng)l件與頁巖熱演化史復(fù)雜，南方和中西部地區(qū)以山地與丘陵為主，海相頁巖成熟度偏高，陸相頁巖成熟度偏低;頁巖類型、分布層位和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多，發(fā)育海相、海陸過渡相與煤系、湖相3類頁巖，涵蓋上元古界—新生界十余套層系，歷經(jīng)加里東、海西和喜馬拉雅期等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(見表2)?？傮w而言，我國(guó)海相頁巖氣勘探前景最好，其中四川盆地及其周緣地區(qū)最為現(xiàn)實(shí);海陸過渡相與煤系頁巖氣勘探潛力有待落實(shí);湖相頁巖氣主要分布于凹陷中心區(qū)，具有一定的勘探潛力。

表2 中、美頁巖氣綜合條件對(duì)比表Table 2 Comparison on comprehensive conditions between China and U.S.

4 啟示

4.1 我國(guó)頁巖氣勘探前景展望

頁巖氣的成功開發(fā)，已使美國(guó)從過去的天然氣進(jìn)口國(guó)基本上實(shí)現(xiàn)了自給自足，將來甚至有可能成為天然氣出口國(guó)。雖然中、美兩國(guó)的地質(zhì)條件差異較大，但美國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)頁巖氣的發(fā)展具有重要啟示。

4.1.1 頁巖氣規(guī)模開發(fā)要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備

美國(guó)的頁巖氣開發(fā)已有幾十年的歷史，前期并不是很成功，但在政府各種優(yōu)惠政策的支持下，中小油氣公司一直堅(jiān)持開展深入的研究和技術(shù)研發(fā)，最終在水平井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)出現(xiàn)突破之后，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣開發(fā)的突飛猛進(jìn)。例如Barnett頁巖1981年開始探索，歷經(jīng)了22年產(chǎn)量才達(dá)到100億 m3。整個(gè)開發(fā)過程分為5個(gè)階段:局部發(fā)現(xiàn)、整體評(píng)價(jià)、落實(shí)資源、確定核心區(qū)、拓展外圍區(qū)，開發(fā)區(qū)的面積也由最初的60 km2擴(kuò)展到目前的1.07萬km2。說明頁巖氣的發(fā)展需要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)探索和規(guī)模應(yīng)用的準(zhǔn)備。

4.1.2 自身必須掌握核心技術(shù)

美國(guó)依靠持續(xù)的技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)化，并開始向外輸出技術(shù)，明顯具有用技術(shù)控制資源的用意。我國(guó)在煤層氣領(lǐng)域起步較早，但受制于開發(fā)體制不順暢和對(duì)外技術(shù)依賴，發(fā)展的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)。因此頁巖氣應(yīng)在抓住機(jī)會(huì)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，立足于自主創(chuàng)新，加大科研攻關(guān)力度，形成適合我國(guó)地質(zhì)條件的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)頁巖氣重大裝備自主生產(chǎn)制造。

4.1.3 需要政府給予政策支持

政府可資助前期技術(shù)開發(fā)和勘探研究，同時(shí)在發(fā)展初期提供必要的優(yōu)惠政策支持。這樣可以使頁巖氣的開發(fā)活動(dòng)有利可圖，對(duì)吸引更多資本進(jìn)入有決定性作用。當(dāng)頁巖氣進(jìn)入商業(yè)化階段后，政府再逐漸減少或取消特殊優(yōu)惠，既可減輕政府負(fù)擔(dān)，又可刺激技術(shù)創(chuàng)新。用資源稅、增值稅、所得稅等稅收減免而不是直接補(bǔ)貼的方式更有利于鼓勵(lì)開發(fā)商進(jìn)行設(shè)備投資和降低成本。

4.1.4 嚴(yán)格的環(huán)境監(jiān)管是持續(xù)發(fā)展的保障

開發(fā)主體多、開發(fā)速度快，并非必然帶來開采混亂，關(guān)鍵是要在大規(guī)模開采之前就制定并執(zhí)行嚴(yán)格的監(jiān)管制度。環(huán)境問題應(yīng)作為頁巖氣的監(jiān)管重點(diǎn)，借鑒了解美國(guó)在頁巖氣環(huán)境監(jiān)管方面的最新動(dòng)態(tài)，并結(jié)合我國(guó)特點(diǎn)，及時(shí)制定有關(guān)法規(guī)和管理辦法，確保監(jiān)管先行到位，開發(fā)可控。

4.2 對(duì)我國(guó)頁巖氣產(chǎn)量發(fā)展規(guī)模的預(yù)測(cè)

與北美相比，我國(guó)頁巖氣勘探起步較晚。與全球其他地區(qū)相比，我國(guó)頁巖氣勘探相對(duì)領(lǐng)先，是北美以外率先開展工業(yè)化先導(dǎo)試驗(yàn)和獲得頁巖氣流的國(guó)家。實(shí)際上，我國(guó)油氣勘探對(duì)于頁巖氣并不陌生。1994—1998年間我國(guó)針對(duì)頁巖裂縫油氣藏做過大量工作，此后一些學(xué)者在個(gè)別地區(qū)涉及過頁巖氣的研究。迄今，我國(guó)頁巖氣勘探經(jīng)歷了裂縫性頁巖油氣藏勘探、基礎(chǔ)地質(zhì)條件研究與技術(shù)儲(chǔ)備，正處于工業(yè)化生產(chǎn)先導(dǎo)試驗(yàn)階段。

我國(guó)近年的頁巖氣熱潮始于2005年。2005年以來，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司、國(guó)土資源部油氣研究中心、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等單位相繼借鑒北美成功經(jīng)驗(yàn)，以老井復(fù)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，開展了中國(guó)陸上頁巖氣形成地質(zhì)條件和資源潛力評(píng)價(jià)，在頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行地質(zhì)淺井、參數(shù)井和地震勘探，獲取頁巖氣評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)，評(píng)價(jià)優(yōu)選有利頁巖氣區(qū)帶，鉆探頁巖氣評(píng)價(jià)井，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)頁巖氣勘探初步突破，證實(shí)了我國(guó)富有機(jī)質(zhì)頁巖具有較好的頁巖氣勘探前景。

頁巖氣資源的勘探開發(fā)前景日益凸顯，已引起各方的廣泛關(guān)注。有效利用頁巖氣資源可以在很大程度上緩解我國(guó)能源緊張的狀況，為天然氣工業(yè)的快速發(fā)展提供重要接替資源。據(jù)EIA(U.S.Energy Information Administration，美國(guó)能源信息署)等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來全球頁巖氣產(chǎn)量將有較快增長(zhǎng)，其中美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量將在2035年占其天然氣總產(chǎn)量的45%以上［2］。通過對(duì)比分析我國(guó)已開展頁巖氣先導(dǎo)試驗(yàn)的四川盆地南部地區(qū)(蜀南)與作為美國(guó)現(xiàn)代頁巖氣工業(yè)搖籃的Fort Worth盆地Barnett頁巖(見表3)，認(rèn)為頁巖氣從發(fā)現(xiàn)到規(guī)模開發(fā)需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)準(zhǔn)備。

表3 蜀南下古生界頁巖與Barnett頁巖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 3 Comparison on basic data between the Lower Paleozoic shale in the southern of Sichuan basin and Barnett shale

我國(guó)具有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)縮短探索周期。綜合對(duì)比核心區(qū)比例、含氣性、埋深、資源和地面等條件，預(yù)測(cè)蜀南地區(qū)最有可能在未來5～10年實(shí)現(xiàn)工業(yè)性突破，具備形成200億m3左右頁巖氣產(chǎn)量規(guī)模的資源條件。按照美國(guó)頁巖氣前20年(1980—2000年)平均年新增產(chǎn)量5億m3，后10年(2001—2010年)平均年新增產(chǎn)量90億m3的綜合發(fā)展趨勢(shì)，如果中國(guó)頁巖氣產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)20年，采用Pad井場(chǎng)，每個(gè)井場(chǎng)鉆6口水平井，可控制面積3 km2，在不同單井產(chǎn)量規(guī)模下，核心區(qū)面積估算為:單井初始產(chǎn)量10萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積0.77萬km2;單井初始產(chǎn)量8萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積0.96萬km2;單井初始產(chǎn)量6萬m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積1.28萬km2;單井初始產(chǎn)量 5萬 m3/d，最小頁巖氣核心區(qū)面積1.53萬km2。本次評(píng)價(jià)我國(guó)頁巖氣有利區(qū)面積25萬～30萬 km2，理論上可以滿足頁巖氣年產(chǎn) 500億～600億m3規(guī)模的需要，但發(fā)展節(jié)奏將不可能太快，預(yù)計(jì)2020年后可進(jìn)入快速發(fā)展階段。

5 結(jié)語

1)美國(guó)頁巖氣大多為海相熱成因型，產(chǎn)氣頁巖平面上呈“U”型大面積連續(xù)分布在3條古生代—中生代逆沖褶皺帶前緣及周邊的前陸和克拉通盆地中，剖面上主要分布在上古生界泥盆—石炭系，其次為中生界侏羅—白堊系地層，勘探開發(fā)主體深度為1500～3500m。

2)我國(guó)頁巖總體呈現(xiàn)為“一深二雜三多”的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為埋藏較深，地表?xiàng)l件與頁巖熱演化史復(fù)雜，頁巖類型、分布層位和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多。

3)我國(guó)海相頁巖勘探前景最好，其中四川盆地及其周緣地區(qū)最為現(xiàn)實(shí);海陸過渡相與煤系頁巖難以形成規(guī)模區(qū)塊，勘探潛力有待落實(shí);湖相頁巖在主要含油氣盆地凹陷中心區(qū)已進(jìn)入生氣階段，可望實(shí)現(xiàn)規(guī)模開發(fā)。

4)美國(guó)頁巖氣的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，頁巖氣從發(fā)現(xiàn)到規(guī)模開發(fā)需要較長(zhǎng)的理論創(chuàng)新、技術(shù)準(zhǔn)備和工業(yè)化推廣時(shí)期，我國(guó)在突破理論和技術(shù)瓶頸后，未來頁巖氣年產(chǎn)量可達(dá)500億～600億m3。

致謝 在研究過程中，得到翟光明、胡見義、童曉光、賈承造、袁士義、馬永生、胡文瑞、孫龍德、高瑞琪、柳廣弟等院士、專家的熱情指導(dǎo)，特致以真誠(chéng)的感謝。

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Comparison and enlightenment on formation condition and distribution characteristics of shale gas between China and U.S.

Li Jianzhong，Li Denghua，Dong Dazhong，Wang Shejiao

(Research Institute of Petroleum Exploration＆ Development，Petrochina，Beijing 100083，China)

Shale gas in America mostly comes from thermogenic marine shales，and gas shales mainly dis-tribute in Devonian and Carboniferous of Foreland and Craton basins，while the buried depth is 1500～3500 m.Shales in China include 3 types:marine，transitional and lacustrine.Marine shales basically distribute in the lower Paleozoic of Aulacogen and Craton basins;organic-rich concentrated parts are steady-going，and thermal maturity phase and gas content are high，so the explorational prospect is the best.Transitional shales mostly distribute in Carboniferous-Jurassic of Foreland and Craton basins;there is no obvious organic-rich concentrated part，and gas content changes greatly，so the explorational potential needs to be proved.Lacustrine shales typically distribute in Mesozoic and Cenozoic of rift and Craton basins;organic-rich concentrated parts are thick and stable，and explorational potential is probably great in center of depression which reaches generating gas stage.It is forecast that shale gas exploration will take a long time and output will be 50 billion ～60 billion m3in the future.

shale gas;formation condition;distribution characteristics;organic-rich shale;comparison between China and U.S.;enlightenment

TE132.2

A

1009－1742(2012)06－0056－08

2012－04－06

中國(guó)工程院重大咨詢研究項(xiàng)目“我國(guó)非常規(guī)天然氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研究”(2011－ZD－19－2)

李建忠(1968—)，男，河南輝縣市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事油氣資源評(píng)價(jià)和規(guī)劃部署研究;E－mail:lijizh@petrochina.com.cn