頁巖氣藏形成條件分析

摘 要

摘要：美國頁巖氣生產(chǎn)時間長、資料豐富，剖析該國典型的頁巖氣藏有利于清晰認識頁巖氣成藏的主控因素。按天然氣成因將頁巖氣藏分為熱成因型、生物成因型和混合成因型，分析了美國
摘要：美國頁巖氣生產(chǎn)時間長、資料豐富，剖析該國典型的頁巖氣藏有利于清晰認識頁巖氣成藏的主控因素。按天然氣成因將頁巖氣藏分為熱成因型、生物成因型和混合成因型，分析了美國具有代表性的典型氣藏。研究表明，熱成因型頁巖氣藏主要受頁巖熱成熟度控制，生物成因型頁巖氣藏的主控因素為地層水鹽度和裂縫。根據(jù)美國頁巖氣生產(chǎn)實踐，總結出有利的熱成因型頁巖氣藏的儲層特征為：TOC≥2%，厚度大于等于15m，Ro介于1.1%～3%，石英含量大于等于28%。在此基礎上，優(yōu)選出四川盆地南部下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組2套海相頁巖作為有利勘探目標，并預測湖相頁巖也能形成具有商業(yè)價值的頁巖氣藏。
關鍵詞：美國；頁巖氣；氣藏類型；主控因素；熱成熟度；儲集層特征；裂縫
1 頁巖氣藏類型及成藏主控因素
    頁巖氣藏按其天然氣成因可分為兩種主要類型：熱成因型和生物成因型，此外還有上述兩種類型的混合成因型。鑒于美國的頁巖氣生產(chǎn)時間最長、資料最豐富，剖析該國典型的頁巖氣藏將會對其主控因素有較清晰的認識。
1.1 熱成因型頁巖氣藏
    熱成因型頁巖氣又可分為3個亞類：①高熱成熟度型，如美國Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣藏；②低熱成熟度型，如Illinois盆地的New Albany頁巖氣藏；③混合巖性型，即大套頁巖與砂巖和粉砂巖夾層共同儲氣，如East Texas盆地的Bossier頁巖氣藏[1]。其中最典型代表是Fort Worth盆地的Barnett頁巖氣藏。
1.1.1 Fort Worth盆地Barnett頁巖氣藏地質背景
Fort Worth盆地位于美國得克薩斯州中北部，面積約38100km2，為古生代晚期Ouachita造山運動形成的前陸盆地。其最大沉積厚度3660m，地層自下而上依次為前寒武系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和白堊系(圖1)，其中下石炭統(tǒng)Barnett頁巖上覆上石炭統(tǒng)Marble Falls石灰?guī)r，下伏奧陶系Viola石灰?guī)r。在盆地的東北部，Barnett頁巖由Forestburg石灰?guī)r分隔為上、下兩部分[2]。Barnett頁巖頂面構造為一單斜，氣藏不受構造控制，面積約15500km2，埋深大于1850m，可采資源量2.66×1012m3(USGS，2008)。氣田可分為兩個區(qū)：①核心區(qū)，Barnett頁巖下部發(fā)育Viola石灰?guī)r；②外圍區(qū)，缺失Viola石灰?guī)r，Barnett頁巖直接與飽含水的下奧陶統(tǒng)Ellenburger組石灰?guī)r接觸。核心區(qū)頁巖厚度大于107m，外圍區(qū)頁巖厚度大于30m[3](圖2)。
 

1.1.2 勘探概況
    早在20世紀50年代，美國Fort worth盆地密西西比系Barnett頁巖就見到良好氣顯示；1981年，Mitchell能源公司大膽地對Barnett頁巖段進行了氮氣泡沫壓裂改造，從而發(fā)現(xiàn)了Barnett頁巖氣田。隨著鉆完井技術的不斷改進，氣田的面積不斷擴大，產(chǎn)量飛速增長。2007年，F(xiàn)ort Worth盆地近8500口Barnett頁巖氣生產(chǎn)井的年產(chǎn)量為305.6×108m3。自1982年投產(chǎn)以來累計產(chǎn)氣1018.8×108m3，頁巖含氣量(甲烷)為9.9m3/t，平均地質儲量豐度3.8×108m3/km2。
1.1.3 主控因素分析
    Barnett頁巖為缺氧和上升流發(fā)育的正常鹽度下的海相深水沉積。產(chǎn)氣的黑色頁巖礦物的體積組成為：石英約45%，黏土(主要是伊利石，含少量蒙脫石)占27%，方解石和白云石占8%，長石占7%，有機質占5%，黃鐵礦占5%，菱鐵礦占3%，還有微量天然銅和磷酸鹽礦物。根據(jù)礦物、結構、生物和構造等，Barnett頁巖的巖相主要劃分為3種：層狀硅質泥巖、薄片狀灰泥和含生物碎屑的泥?；?guī)r。各巖相普遍富集黃鐵礦和磷酸鹽，常見碳酸鹽巖團塊。頁巖的主要測井響應特征為低電阻率、高自然伽馬[4]。
    Barnett頁巖干酪根以混合型為主，低硫傾向于生油；T0C平均值約4.5%，露頭區(qū)的TOC為11%～13%；R。的分布范圍為0.5%～1.9%；吸附氣含量約20%，游離氣含量達80%；產(chǎn)氣區(qū)平均孔隙度6.0%，滲透率為(0.15～2.5)×10-9μm2[5]。
    頁巖的熱成熟度(Ro)是熱成因頁巖氣成藏的主控因素。絕大部分Barnett頁巖氣井分布在Ro≥1.1%的范圍內(nèi)。當0.6%≤Ro＜1.1%時，頁巖會產(chǎn)正常的黑色石油。由于石油分子直徑較大，容易阻塞頁巖孔吼，不利于頁巖氣的成藏[1]。在Ro≥1.1%的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)存在裂解氣[6]。這不僅提供了新的氣源，而且使頁巖孔喉更加暢通。
    鑒于頁巖物性較差，很多人會認為宏觀裂縫對熱成因頁巖氣成藏起積極的作用，實際上這種觀點是不正確的。Barnett頁巖肉眼可識別的裂縫數(shù)量有限，宏觀裂縫均被方解石和石英等礦物充填，且宏觀裂縫越發(fā)育產(chǎn)氣量越低。這說明宏觀裂縫不利于頁巖氣的保存[5]。真正對儲層起改善作用的是微裂縫。由于Barnett頁巖石英含量很高，儲層脆性大，微裂縫極為發(fā)育，它們是天然氣運聚的主要通道。
    生產(chǎn)實踐表明：頁巖形成氣藏的厚度下限為15m；TOC越高含氣量越高，且當丁0C≥2%時，Barnett頁巖氣藏才具有商業(yè)價值。蓋層的作用不明顯，實際上目前的高產(chǎn)區(qū)在Marble Falls和Viola這兩套致密石灰?guī)r都缺失的區(qū)域。
1.2 生物成因型頁巖氣藏
    目前發(fā)現(xiàn)的生物成因型頁巖氣藏分兩類：①早成型，氣藏的平面形態(tài)為毯狀，從頁巖沉積形成初期就開始生氣，頁巖氣與伴生地層水的絕對年齡較大，可達66Ma，如美國Williston盆地上白堊統(tǒng)Carlile頁巖氣藏；②晚成型，氣藏的平面形態(tài)為環(huán)狀(圖3)，頁巖沉積形成與開始生氣間隔時間很長，主要表現(xiàn)為后期構造抬升埋藏變淺后開始生氣，頁巖氣與伴生地層水的絕對年齡接近現(xiàn)今，如美國Michigan盆地的Antrim頁巖氣藏[7]。生物成因型頁巖氣藏以Antrim頁巖氣藏最有代表性。
 

1.2.1 Antrim頁巖氣藏的地質背景
    Michigan盆地位于美國東北部，為一橢圓形的內(nèi)克拉通盆地，面積約31.6×104km2，地跨美國和加拿大，構造簡單，最大沉積厚度約5200m。地層自下而上為前寒武系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、侏羅系和第四系[8]。
    Antrim頁巖為晚泥盆世海相深水頁巖，厚約244m，埋深0～1006m。該頁巖由富含有機質的黑色頁巖、灰色和綠色頁巖以及碳酸鹽巖互層構成，自下而上可分為4個小層：Norwood、Paxton、Lachine和上Antrim，其中下部的3個小層又稱為Antrim下段。Norwood和Laehine層為頁巖氣主力產(chǎn)層，平均疊合厚度約49m，干酪根屬Ⅱ型，TOC為0.5%～24%，石英含量20%～41%，含有豐富的白云巖和石灰?guī)r團塊及碳酸鹽巖、硫化物和硫酸鹽膠結物；Paxton段為泥狀灰?guī)r和灰色頁巖互層，總有機碳含量為0.3%～8%，硅質含量7%～30%[9]。Antrim頁巖在盆地北部邊緣的R。為0.4%～0.6%，在盆地中心Ro可達1.0%。主力產(chǎn)層平均基質孔隙度為9%，平均基質滲透率為0.1×10-3μm2。
1.2.2 勘探概況
    1940年，第一口Antrim頁巖氣井投入開發(fā)；隨著鉆井和開發(fā)技術的進步，1986年Antrim頁巖氣田進入大規(guī)模開發(fā)階段；進入21世紀，由于環(huán)保和稅收政策的限制，生產(chǎn)成本大幅提升，鉆井數(shù)量減少，產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢。目前已完鉆Antrim頁巖氣井超過12000口，產(chǎn)層深度為45.7～975.4m，初步估算頁巖氣資源量為0.99×1012～2.15×1012m3。
    頁巖氣主產(chǎn)區(qū)位于盆地北部，產(chǎn)層深度為45.7～457m，單井平均產(chǎn)氣約3300m3/d，產(chǎn)水4.77m3/d。1998年產(chǎn)量最高，達到55.2×108m3；2006年產(chǎn)量回落到39.6×108m3。頁巖平均含氣量(甲烷)3.54m3/t，平均地質儲量豐度1.2×108m3/km2。1940～2007年，主產(chǎn)區(qū)累計產(chǎn)氣679.2×108m3，完鉆頁巖氣井超過9000口。
1.2.3 主控因素分析
    Antrim頁巖氣似乎具有雙重成因，即干酪根經(jīng)熱成因而形成的低熟氣和甲烷菌代謝活動形成的生物成因氣。但北部產(chǎn)區(qū)的采出氣以生物成因氣為主，低熟氣所占比例小于20%[10]。更新世冰磧層對頁巖氣藏的形成極為重要。不僅有利于頁巖有機質的保存，且對降低頁巖地層水鹽度貢獻顯著(圖4)。由于下伏地層含高濃度鹽水，因此盆地中部Antrim頁巖地層水鹽度很高。研究表明：地層水Cl-含量高于4mol/L就會嚴重抑制甲烷菌的生長[11]。而盆地邊緣更新世冰磧層淡水和大氣淡水的充注，使得地層水鹽度降低，甲烷菌產(chǎn)氣活躍。目前生物氣為主的產(chǎn)區(qū)主要分布在盆地邊緣，地層水Cl-含量低于4mol/L。
    裂縫是Antrim頁巖氣藏的主控因素之一。北東和北西向兩組近直立的裂縫發(fā)育，縱穿整個泥盆系，橫貫盆地北部。這些裂縫通常未被膠結或者僅有很薄的方解石包覆層，其垂向延伸為數(shù)米，水平延伸可達幾十米。在主產(chǎn)區(qū)以外，盡管也鉆到了富含天然氣的Antrim頁巖，但由于天然裂縫不發(fā)育，滲透率很低而不具備商業(yè)價值[12]。
2 頁巖氣藏形成條件
2.1 有機質豐度
    美國主力產(chǎn)氣頁巖有機質豐度均較高。其中產(chǎn)生物氣頁巖TOC平均為6%；產(chǎn)熱成因氣頁巖TOC平均為3%[9]。生產(chǎn)實踐表明：頁巖總有機碳含量大于2%才有工業(yè)價值。
2.2 熱成熟度
    對于熱成因型氣藏，隨著頁巖Ro的增高，含氣量將會逐漸增大。主要有兩個原因：一是有機質生成烴后，體積縮小會產(chǎn)生超微孔隙，有利于頁巖氣的保存；二是Ro＞1.1%后，頁巖油開始裂解生氣。但是當Ro＞3%后，有機質進入過成熟期，生氣量明顯減少[13]，而且有機質的大量減少也不利于吸附氣的形成。鑒于Fort Worth盆地Barnett頁巖氣藏主要分布在Ro≥1.1%的區(qū)域，因此Ro介于1.1%～3%的范圍是熱成因型頁巖氣藏的有利分布區(qū)。
    對于生物成因型氣藏，頁巖R。越高，TOC越低，越不利于生物氣的形成。根據(jù)Michigan盆地Antrim頁巖氣藏和Illinois盆地New Albany頁巖氣藏的分布規(guī)律，生物成因型頁巖氣藏主要分布在Ro≤0.8%的范圍內(nèi)[11]。
2.3 沉積相
    雖然美國產(chǎn)氣頁巖均為海相，但筆者認為，只要頁巖有機質的豐度和硅質含量足夠高，陸相環(huán)境同樣能形成具有工業(yè)價值的頁巖氣藏。例如鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)湖相沉積的延長組7段張家灘頁巖和延長組9段李家畔頁巖[14～15]，裂縫發(fā)育，鉆井氣測異常活躍，其中莊167、莊171和中富18等井均見到良好的頁巖氣顯示。
2.4 儲集特征
    美國5大頁巖氣主產(chǎn)盆地頁巖SiO2含量一般超過30%[9]。硅質含量越高頁巖脆性越大，越有利于形成裂縫。雖然斷層和開啟的宏觀裂縫對熱成因型頁巖氣藏保存不利，但硅質含量高利于后期的壓裂改造，形成裂縫。而生物成因型頁巖氣藏則相反，越是斷裂發(fā)育的地方，地層水越活躍，而甲烷菌的生理活動也越積極，形成的氣量越大。
    頁巖的物性對產(chǎn)量有重要影響。產(chǎn)氣頁巖基質孔隙一般大于4%，有效含氣孔隙一般大于2%，基質滲透率一般大于1×10-9μm2。
2.5 保存條件
    頁巖本身既是儲層又是蓋層，因此對蓋層的要求比較寬松。但斷裂對頁巖氣的保存影響巨大。熱成因型頁巖氣藏主要靠微裂縫運聚，斷層和宏觀裂縫起破壞作用，因此強烈的構造活動不利于該類型氣藏的保存。而生物成因型氣藏的形成與活躍的淡水交換密切相關，裂縫不僅是地層水的通道，也是頁巖氣的運聚途徑，故構造運動反而起積極作用。
3 我國頁巖氣的勘探前景
    我國不僅海相頁巖分布廣泛，湖相頁巖也很發(fā)育。海相頁巖縱向上主要分布在中、古生界，橫向上主要分布在南方(包括四川盆地等)、華北(包括鄂爾多斯、渤海灣及南華北等盆地)和西北(包括塔里木、準噶爾等盆地)3大區(qū)域[16～20]。湖相頁巖縱向上主要分布在新、中生界，橫向上主要分布在東北(松遼盆地)、華北(包括鄂爾多斯和渤海灣等盆地)和西北(包括吐哈、準噶爾等盆地)3大區(qū)域。
    目前四川盆地發(fā)現(xiàn)的頁巖氣顯示最多，其中以下寒武筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套頁巖最為有利。下寒武筇竹寺組頁巖形成于深水陸棚相帶，主要分布在川南、川北和川東-鄂西。地層厚度由北向南增大，最厚可達955m；埋深1000m～6000m，川南最淺。頁巖TOC為0.2%～10%，其中下部最高；演化程度除廣元礦山梁地區(qū)較低外(Ro為0.59%)，其余地區(qū)均很高(Ro為2.5%～4.0%)；頁巖石英含量較高，如威遠地區(qū)為30.8%～43.6%；頁巖氣顯示豐富，集中分布于川南地區(qū)，如威5井1966年獲頁巖氣2.46×104m3/d。
    下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖也形成于深水陸棚相帶，主要發(fā)育在四川盆地東部和南部。地層厚度為20～115m，川南瀘州地區(qū)最厚可達80m；埋深1600～4200m，東西淺、南北深。頁巖TOC為0.1%～8.3%，其中底部最高；演化程度除廣元礦山梁地區(qū)較低外，其余地區(qū)均較高(Ro為2.0%～4.0%)；頁巖石英含量較高，如威遠地區(qū)為14.5%～76.2%；頁巖氣顯示活躍，主要分布于川南地區(qū)，如陽63、隆32和威寒8等井已獲低產(chǎn)頁巖氣。
    因此，筆者建議將四川盆地的川南地區(qū)作為中國頁巖氣勘探的首選區(qū)帶。
4 結論
    1) 頁巖氣藏大面積連續(xù)分布，不受構造控制，可分為熱成因型、生物成因型和混合型3種，是現(xiàn)實的非常規(guī)天然氣資源。
    2) 美國有利的熱成因型頁巖氣藏的儲層特征是：TOC≥2%，厚度大于等于15m，Ro介于1.1%～3%，石英含量大于等于30%。
    3) 熱成因型頁巖氣藏主要受頁巖熱成熟度控制，生物成因型頁巖氣藏主要受地層水鹽度和裂縫控制。
    4) 我國頁巖氣勘探潛力巨大，其中川南地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套海相頁巖是非常有利的勘探目標。
    在研究過程中，Daniel M.Jarvie、Frank Mango、Farzam Javadpour、Peter Liu和高瑞琪先生給予了熱情指導，特致以真誠的感謝。
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(本文作者：李登華 李建忠 王社教 李新景 中國石油勘探開發(fā)研究院)