司馬立強，李清，閆建平（西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610500）

王敏（中石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營 257015）

頁巖氣是一種主體上以吸附或游離狀態(tài)賦存于泥頁巖中的非常規(guī)天然氣，常發(fā)育在暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，具有典型的自生自儲、近源地成藏富集的特點［1～6］。21世紀(jì)以來，隨著北美地區(qū)頁巖氣開發(fā)所實現(xiàn)的巨大經(jīng)濟價值以及頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是鉆井、完井技術(shù)的進(jìn)步，極大地刺激了全球其他國家對頁巖氣的興趣，推進(jìn)了勘探開發(fā)頁巖氣的進(jìn)程［1，4，7］。

北美地區(qū)是研究頁巖氣最早的地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了大量的頁巖氣生產(chǎn)區(qū)，如Fort Worth盆地的Barnett頁巖。到2010年，北美地區(qū)頁巖氣產(chǎn)量就占天然氣總產(chǎn)量的20%左右［4］。而我國的頁巖氣勘探開發(fā)工作起步于2005年，研究相對薄弱［4］。我國通過頁巖氣形成的地質(zhì)條件研究以及對頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)的評價，確定了目前中國最具勘探前景的區(qū)塊，即四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組（∈1q）、下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）的兩套海相頁巖以及東部渤海灣盆地始新統(tǒng)沙河街組（E2s）湖相頁巖［1，2，8～10］。隨著勘探進(jìn)展，需要進(jìn)一步確定前景區(qū)塊是否具有工業(yè)開發(fā)的價值。因此，需要將前景區(qū)塊與北美已商業(yè)開發(fā)的頁巖氣層進(jìn)行詳實的地質(zhì)、開發(fā)條件的類比分析。判斷頁巖層區(qū)塊具有商業(yè)開發(fā)價值的地質(zhì)條件標(biāo)準(zhǔn)有：原始有機質(zhì)的類型與演化程度；原生和次生的儲集空間；有機質(zhì)粒內(nèi)孔的發(fā)育程度；脆性礦物的含量等［11］；開發(fā)條件標(biāo)準(zhǔn)有：埋藏深度、壓裂開采難易程度等。通過地層層位、礦物組分三端元圖、地化指標(biāo)、巖石結(jié)構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)等方面的對比，分析我國典型勘探區(qū)頁巖氣地層與北美地區(qū)頁巖氣地層在地質(zhì)及開發(fā)條件上的異同點，以期對我國頁巖油氣勘探開發(fā)提供一定的幫助。

1 頁巖氣地層層位分析

由于我國對頁巖氣的認(rèn)識尚未統(tǒng)一，頁巖氣的選層尚處于探索階段。根據(jù)我國部分頁巖氣井的信息以及所確定的具有勘探前景的區(qū)塊，與北美五大頁巖氣盆地進(jìn)行地層層位對比分析，結(jié)果表明：北美地區(qū)的層位主要發(fā)育在石炭系和泥盆系，埋深較淺（大都小于2000m）；中國四川盆地頁巖氣層位主要發(fā)育于志留系和寒武系，較北美頁巖氣層位年代更老且埋深更深（埋深一般大于3000m）；東部地區(qū)E2s頁巖層主要發(fā)育于古近系，埋深也通常大于2000m，較北美地區(qū)頁巖氣層年代較新但埋藏較深。較大的埋藏深度往往意味著更高的壓裂難度、開采難度和成本投入［12，13］。因此我國頁巖氣前景區(qū)較北美地區(qū)更難形成壓裂縫，不利于頁巖氣的開采。

2 頁巖氣儲層巖石組分分析

頁巖的礦物組成是頁巖儲層發(fā)育及可壓裂性的重要因素之一［1，7］。脆性礦物對頁巖基質(zhì)孔隙度、微裂縫發(fā)育程度、含氣性以及壓裂改造方式具有重要的影響。石英等脆性礦物富集的頁巖產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力強，提供了地層中微裂縫之間的通道，增產(chǎn)效果顯著［10，11］。黏土礦物則是構(gòu)成泥質(zhì)巖和泥質(zhì)沉積物的主體礦物。碳酸鹽膠結(jié)物容易充填裂縫等，降低產(chǎn)量［11］。有研究得出：具備商業(yè)開發(fā)條件的頁巖，其脆性礦物含量較高（一般體積分?jǐn)?shù)高于40%），黏土礦物含量中等（體積分?jǐn)?shù)小于30%）［9，14］。因此，研究頁巖氣儲層巖石組分對于評價其儲層的性能有著決定性的作用。

通過繪制我國代表性頁巖氣儲層的礦物組分三角圖，來研究我國頁巖氣儲層發(fā)育條件及與北美地區(qū)的區(qū)別（圖1～3）。為分析方便，將烴源巖中的主要礦物分為3類：①碳酸鹽礦物（C）：主要包括方解石、白云石、石膏等；②脆性礦物（Q）：主要包含石英等；③黏土礦物（R）：主要包含蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等。由于烴源巖中還含有少量其他礦物組分，例如黃鐵礦等，在繪圖時需對數(shù)據(jù)重新歸一化后再進(jìn)行投點，結(jié)果可能略有差異［15］。

圖1 四川地區(qū)礦物組分分析（數(shù)據(jù)源于文獻(xiàn) ［5，16］）

通過圖1～3分析發(fā)現(xiàn)，我國四川盆地頁巖氣層位于碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)較?。ㄉ儆?0%），黏土體積分?jǐn)?shù)為20%～80%，石英體積分?jǐn)?shù)為20%～80%；渤海灣盆地濟陽坳陷頁巖位于碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)大于20%，石英體積分?jǐn)?shù)低于50%，黏土體積分?jǐn)?shù)低于40%的區(qū)間［17，18］。

圖2 渤海灣盆地礦物組分分析（數(shù)據(jù)源于文獻(xiàn) ［17］）

圖3 北美地區(qū)礦物組分分析（圖源于文獻(xiàn) ［14］）

北美地區(qū)Bossier頁巖的碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)較高（通常大于25%），黏土體積分?jǐn)?shù)次之，石英、長石和黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)最低；Ohio、Woodford／Barnett頁巖位于碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)較低（低于25%），黏土體積分?jǐn)?shù)為20%～80%，石英體積分?jǐn)?shù)為20%～80%的區(qū)間，其中Barnett硅質(zhì)頁巖黏土體積分?jǐn)?shù)通常小于50%，石英等體積分?jǐn)?shù)超過40%。統(tǒng)計表明：產(chǎn)量最高的Barnett頁巖含有45%的石英，僅有27%的黏土［19］。

總的來說，我國四川盆地頁巖氣儲層的巖石礦物組分與北美地區(qū)頁巖所分布的區(qū)間基本相似，都含有一定的脆性礦物。北美地區(qū)脆性礦物相對富集，而四川盆地的黏土礦物相對富集，脆性礦物含量較北美要低些［20］。東部頁巖儲層的脆性礦物含量更低，碳酸鹽巖礦物含量更高。因此，四川盆地頁巖脆性與造縫能力強，易于形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，相對易于開采。

3 頁巖氣儲層地化特征

通過對美國五大頁巖氣盆地研究得出，具有高產(chǎn)、可進(jìn)行商業(yè)開采的頁巖氣儲層，通常具有總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w（TOC））高（大于2.0%）、熱演化程度（鏡質(zhì)體反射率Ro）適中（1.0%～2.0%）、干酪根類型以Ⅱ型為主的特點［1，7，8，10，21］。

我國四川盆地頁巖儲層烴源巖有機質(zhì)類型主要為Ⅰ－Ⅱ型［22，23］。通過S1l研究表明，w（TOC）為0.5%～4%，且層位下部總體上較上部高，Ro介于2.5%～3.6%，烴源巖已進(jìn)入高成熟－過成熟演化階段［1，2，8］。而∈1q有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，w（TOC）為0.35%～22.15%，普遍大于2%，Ro一般大于2.5%，平均為3.5%，已進(jìn)入過成熟階段［9，24］。

濟陽坳陷古近系頁巖層主要為沙三下亞段（E2sL3）、沙四上亞段（E2su4），烴源巖的干酪根類型以Ⅰ型為主，Ⅱ1和Ⅱ2為輔。東營凹陷E2s烴源巖w（TOC）為0.8%～18.6%，Ro為0.48%～1.24%，主要處于成熟演化階段；沾化凹陷E2s烴源巖w（TOC）為0.65%～4.1%，Ro為0.52%～1.72%，但以小于1%為主，主要處于成熟演化階段，部分進(jìn)入高成熟階段；車鎮(zhèn)凹陷E2s烴源巖w（TOC）為0.52%～5.8%，Ro＞0.50%，烴源巖進(jìn)入成熟演化階段；惠民凹陷E2s暗色泥頁巖w（TOC）為0.83%～4.30%，Ro為0.58%～1.20%，屬于成熟－高成熟階段（見表1）。

北美頁巖層研究得出：較高的有機質(zhì)或干酪根含量有利于頁巖中微孔隙的發(fā)育；Ro越高，產(chǎn)氣量越高［21］。四川盆地頁巖層w（TOC）較高，與北美頁巖層基本相當(dāng)，具有較高的生烴潛量和儲集性能，而濟陽坳陷古近系頁巖層w（TOC）較低，其生烴潛量和儲集性能不及四川和北美地區(qū)的頁巖層。濟陽坳陷古近系頁巖層的Ro與北美地區(qū)分布范圍基本一致，但四川盆地卻要比北美地區(qū)高很多，由于目前沒有高成熟度頁巖商業(yè)開發(fā)的先例，因此四川盆地高Ro頁巖資源量以及產(chǎn)能還有待研究。四川盆地干酪根類型與北美地區(qū)一樣，以Ⅱ型為主，屬于偏生油型干酪根，而濟陽坳陷古近系頁巖層則以Ⅰ型為主，屬于生油型干酪根。干酪根類型的不同會影響生油還是生氣的結(jié)果，但進(jìn)入高成熟度的頁巖，原來生成的油也會裂解［21］。與北美頁巖氣形成的基本條件的地球化學(xué)特征對比，四川盆地S1l、∈1q海相頁巖與濟陽坳陷E2s陸相富有機質(zhì)泥頁巖都具有生成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)［23，25］，較于北美地區(qū)的頁巖層，濟陽坳陷古近系E2s頁巖w（TOC）較低，四川盆地S1l、∈1q頁巖Ro過高，這些差異可能會影響頁巖氣的資源量與產(chǎn)能。

表1 中國頁巖與北美頁巖地化特征指標(biāo)

4 頁巖氣儲層巖石結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)分析

頁巖儲集層的孔隙空間類型主要可以分為粒內(nèi)孔、粒間孔（孔隙直徑不小于0.75μm）以及有機質(zhì)粒內(nèi)孔（孔隙直徑小于0.75μm）3類孔隙類型。原生粒間孔與原始泥巖的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，原始孔隙結(jié)構(gòu)形成了普遍連通的原生孔隙。通常由于機械壓實作用和膠結(jié)作用而降低的粒間孔大多發(fā)生在軟顆粒中。粒內(nèi)孔可以是原生孔隙也可以是次生孔隙，但通常發(fā)育在不連續(xù)的個別顆粒內(nèi)，比如黃鐵礦或者多孔的磷酸鹽顆粒等［26］。有機粒內(nèi)孔是有機質(zhì)內(nèi)部的孔隙，是由固體干酪根轉(zhuǎn)化為烴類流體而在干酪根內(nèi)部形成的孔隙［26～28］。這些孔隙是頁巖主要的儲集空間，賦存了大量的天然氣，孔隙度大小直接控制著天然氣的含量［6，29，30］。其中有機質(zhì)孔隙的形成主要受有機質(zhì)豐度、類型及演化程度的影響，其表現(xiàn)為吸收孔隙，是吸附態(tài)賦存的天然氣的主要儲集空間［26，27］。

泥頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)一般都是一種孔隙類型占主導(dǎo)或者是多種類型的復(fù)雜組合。盡管粒內(nèi)孔、粒間孔也曾被認(rèn)為是頁巖中良好的儲集空間，但北美高產(chǎn)的Barnett地層的產(chǎn)氣泥頁巖樣品表明，發(fā)育的粒內(nèi)孔、粒間孔因為膠結(jié)作用等而變得稀少，有機質(zhì)粒內(nèi)孔是其最主要的孔隙類型，其某些層位的有機質(zhì)粒內(nèi)孔所占孔隙體積比例高達(dá)90%左右［26，28，31］。有機質(zhì)粒內(nèi)孔是致密儲層連通性儲集空間的主體，在提高頁巖儲集性能上具有重要的作用［32，33］。因此，重點研究有機質(zhì)粒內(nèi)孔的發(fā)育情況是評價頁巖儲層性能的關(guān)鍵。

我國四川海相盆地，頁巖儲層孔隙類型多樣，微米－納米級有機質(zhì)粒內(nèi)孔發(fā)育［34］。在對中國四川盆地∈1q和S1l高－過成熟的海相頁巖儲集層的研究中發(fā)現(xiàn)，其“有機質(zhì)顆?！眱?nèi)部發(fā)育大量微米～納米級孔隙，其中S1l納米級孔隙約為2%［1］，∈1q納米級孔隙約為1%～3%［5］。這些孔隙的直徑大者3～4μm，小至幾個納米，對頁巖氣的吸附能力極強，為豐富的頁巖氣資源提供了充足的儲集空間，有力地說明中國南方致密的海相頁巖具備優(yōu)質(zhì)儲集條件，在微米～納米級有機質(zhì)粒內(nèi)孔發(fā)育的層段和區(qū)域，勘探開發(fā)前景良好［1，5，16，27，34］。

渤海灣盆地東營凹陷高有機質(zhì)豐度的泥頁巖（w（TOC）＞4%）在演化程度較高（Ro＞1.1%）的條件下有機質(zhì)粒內(nèi)孔發(fā)育較好，而在低有機質(zhì)豐度的泥頁巖（w（TOC）＜2%）中一般不發(fā)育［27］。因此，其主力層段和在埋藏較深（3000～4000m）層段的烴源巖均屬于高有機質(zhì)豐度的泥頁巖，但東營凹陷生烴門限深度較淺，埋藏較深，演化程度高，發(fā)育廣泛的、豐富的有機質(zhì)粒內(nèi)孔；由于生烴門限深度較深，埋深相對較淺，整體演化程度不高，發(fā)育較少的有機質(zhì)粒內(nèi)孔［27］?？偟膩碚f，東部渤海灣地區(qū)發(fā)育有機質(zhì)粒內(nèi)孔較少，只在東營凹陷發(fā)育豐富。而我國四川盆地∈1q和S1l發(fā)育大量的有機質(zhì)粒內(nèi)孔，具有良好的頁巖氣儲集空間，更具頁巖氣勘探開發(fā)前景。

5 結(jié)論

1）北美地區(qū)頁巖氣區(qū)沉積類型單一，主要是海相頁巖；層段埋藏深度較淺（大都小于2000m）且集中發(fā)育在泥盆系和石炭系；脆性礦物含量較高，體積分?jǐn)?shù)普遍大于40%；具有較高的有機質(zhì)豐度（w（TOC）以5%～10%為主），烴源巖熱演化程度適中，普遍進(jìn)入中－高成熟階段，為濕氣生成的高峰階段，且仍在生氣，使得孔隙壓力較大；干酪根以Ⅱ型為主；有機質(zhì)粒內(nèi)孔高度發(fā)育，提供了良好的儲氣空間。

2）我國頁巖氣區(qū)沉積類型多樣，四川盆地S1l和∈1q主要為海相頁巖，東部E2s為陸相頁巖；我國頁巖氣層普遍埋藏較深（大于3000m），實施壓裂和開發(fā)具有一定的難度；渤海灣E2s頁巖層w（TOC）偏低，以1%～5%為主；熱演化程度復(fù)雜，四川盆地海相頁巖較高，東部陸相頁巖相與北美基本相同；四川盆地發(fā)育一定的有機質(zhì)粒內(nèi)孔和基質(zhì)孔隙，可提供頁巖氣充足的儲層空間；東部有機質(zhì)粒內(nèi)孔廣泛發(fā)育，只有局部發(fā)育。

3）這些類比得到的認(rèn)識，有助于冷靜地分析我國不同區(qū)塊、不同層位頁巖的特殊地質(zhì)條件、油氣資源量及開發(fā)條件與北美的差異，以便更有效地指導(dǎo)我國頁巖油氣的勘探和開發(fā)。

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