楊一鳴，毛俊莉，李晶晶

(1.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010;2.中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

頁巖氣藏地質(zhì)特征及地質(zhì)選區(qū)評價方法
——以遼河坳陷東部凸起為例

楊一鳴1，毛俊莉1，李晶晶2

(1.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010;2.中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

以遼河坳陷東部凸起為例，分析了其構(gòu)造特征及沉積環(huán)境，認(rèn)為東部凸起上古生界山西組、太原組存在1套良好的高成熟度、高有機(jī)質(zhì)豐度的烴源巖。通過對山西組、太原組泥頁巖的分析，認(rèn)為有機(jī)碳含量、演化程度、單層厚度、硅質(zhì)含量、含氣量、滲透率是頁巖氣地質(zhì)選區(qū)的6個基本參數(shù)，初步確立了頁巖氣有利區(qū)地質(zhì)評價方法，有助于推動頁巖氣勘探開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

有機(jī)質(zhì);含氣量;地質(zhì)特征;地質(zhì)選區(qū);頁巖氣;東部凸起;遼河坳陷

引 言

據(jù)預(yù)測，世界范圍內(nèi)頁巖氣儲量相當(dāng)于煤層氣與致密砂巖氣儲量的總和，占3種非常規(guī)天然氣總資源量的50%［1－2］。進(jìn)入21世紀(jì)，全球已有30多個國家開展頁巖氣勘探開發(fā)。其中，美國商業(yè)化開采程度最高，年產(chǎn)頁巖氣量為1 000×108m3，已經(jīng)超過中國現(xiàn)今所有類型天然氣產(chǎn)量的總和(大約為830×108m3)。頁巖氣作為1種新型能源，越來越引起人們的關(guān)注，已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。根據(jù)類比法預(yù)測，中國頁巖氣資源前景約30×1012m3。四川盆地寒武系頁巖氣資源量為7.14×1012～14.6×1012m3，志留系為2×1012～4×1012m3［3－4］。中國頁巖氣資源潛力巨大，勘探開發(fā)前景較好，具有加快勘探開發(fā)的巨大資源基礎(chǔ)。

遼河拗陷頁巖分布層位較廣。其中，古生界石炭、二疊系的暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤系地層主要分布在東部凸起，面積為1 600 km2。為了推動頁巖氣資源勘探開發(fā)快速發(fā)展，以東部凸起為例，從頁巖氣藏地質(zhì)特征入手，探討頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價方法，提出了下一步勘探建議。

1 地質(zhì)概況

1.1 勘探概況

遼河坳陷東部凸起為一中、古生界斜坡，中、新生代時期為東部洼陷的一部分，古生界時期為太子河洼陷的一部分，勘探面積為1 600 km2。目前，東部凸起完鉆探井10口，其中6口井鉆遇古生界，佟3、王參1、遼M1等多口井見到油氣顯示，佟3、王參1、遼M1，佟2905等井顯示氣測異常。

1.2 沉積特征

東部凸起上古生界暗色泥巖為海陸過渡的有障壁海岸相沉積，主要分布在石炭系太原組、二疊系山西組。石炭系為1套海陸過渡相地層，廣泛發(fā)育潮坪、潟湖泥炭坪，底部為薄層灰?guī)r，向上演變?yōu)槊簩?、泥巖、粉砂巖互層沉積特征。二疊系下部為海陸過渡相泥頁巖，向上過渡為陸上沉積的石英砂巖，在煤層上下普遍有海相泥巖夾泥灰?guī)r等夾層。

2 頁巖氣藏地質(zhì)特征

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣，頁巖氣的形成和富集有著自身獨(dú)特的特點(diǎn)，往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布較廣的頁巖烴源巖地層中頁巖氣藏不同于常規(guī)氣藏，頁巖本身既是氣源巖又是儲集巖，頁巖氣藏的分布與有效氣源巖的面積相當(dāng)，頁巖氣藏一般不需要常規(guī)圈閉的存在，烴類氣體主要以吸附狀態(tài)賦存在干酪根和黏土顆粒的表面。

根據(jù)頁巖氣定義，高有機(jī)質(zhì)豐度頁巖既是成烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是頁巖氣吸附的重要載體［5－7］。在同一壓力下，有機(jī)碳含量越高，吸附氣含量越大(圖1)。頁巖經(jīng)歷沉積埋藏，有機(jī)物逐步進(jìn)入成巖作用、深成熱解作用及后成巖作用階段，成熟度加深，生成大量油氣。按照Tissot劃分方案：Ro小于0.5%為成巖作用階段，生油巖處于未成熟或低成熟作用階段;Ro介于0.5% ～1.3%為深成熱解階段，處于生油窗內(nèi);Ro介于1.3% ～2.0%為深成熱解作用階段的濕氣和凝析油帶;Ro大于2%為后成巖作用階段，處于干氣帶［8］。當(dāng)然，對于不同干酪根類型進(jìn)入濕氣階段的界限有一定差異，一般Ro為1.2% ～1.4%。

圖1 東部凹陷不同有機(jī)質(zhì)泥巖等溫吸附試驗(yàn)

與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣開發(fā)開采壽命長，生產(chǎn)周期長，大部分產(chǎn)氣頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，這使得頁巖氣井能夠長期地以穩(wěn)定的速率產(chǎn)氣。根據(jù)估算認(rèn)為，頁巖氣井生產(chǎn)壽命可在30 ～50 a。

頁巖的孔隙度與滲透率極低，需要裂縫來提高孔、滲性能。一般情況下，頁巖氣藏需要人工壓裂才能進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)美國東部早期頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，40%的頁巖氣井初期裸眼測試時無天然氣流;55%的頁巖氣井初始無阻流量，沒有工業(yè)價值;90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產(chǎn)措施溝通裂縫［9－10］。

3 頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價方法

東部凸起上古生界山西組、太原組分布穩(wěn)定，厚度大于100 m，發(fā)育高炭質(zhì)泥頁巖，TOC平均為3.34%，Ro大于1.2%，為頁巖氣主要目標(biāo)層系。針對東部凸起上古生界山西組、太原組各參數(shù)進(jìn)行分析，在現(xiàn)有階段初步確定了頁巖氣藏地質(zhì)選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 泥頁巖厚度

太原組泥巖厚度為60～80 m，山西組泥巖厚度為70～80 m。暗色泥巖分布趨勢呈現(xiàn)2個中心分布，北部沿北東方向，分布于佟二堡洼陷內(nèi);南部沿近東西向，位于劉二堡洼陷內(nèi)。單層厚度為3～40 m。

3.2 礦物成分

在頁巖氣開發(fā)中，壓裂造縫較關(guān)鍵，牽涉到頁巖氣井的產(chǎn)能，而暗色泥巖中的脆性成分是保證泥巖能被順利壓裂的關(guān)鍵因素。脆性成分，尤其是SiO2含量高，地層脆性大，在合適的地應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂縫，為天然氣聚集提供有效空間。

通過對某A、B井的取樣進(jìn)行全巖分析后認(rèn)為，A井山西組脆性成分(SiO2)的評價含量超過35%，大部分超過45%，A、B井太原組全巖分析脆性成分含量整體超過45%(圖2)，具備頁巖氣藏后期改造的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 某A井和某B井太原組暗色泥巖礦物成分統(tǒng)計(jì)

3.3 有機(jī)碳含量(TOC)

頁巖有機(jī)碳含量(TOC)是頁巖氣藏形成的重要地質(zhì)條件之一。頁巖富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳含量一般大于2%，甚至高達(dá)25%。研究區(qū)石炭、二疊系泥頁巖有機(jī)碳含量基本大于2%，山西組底部和太原組相對高某B井有機(jī)碳含量最大為13%，某C井有機(jī)碳含量最大為11%，是頁巖氣主要目的層系。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，B、C井太原組有機(jī)碳值較高，均值超過2%，部分值超過10%，C井均值接近2%;山西組底部數(shù)據(jù)較高，整體超過2%［11］。

3.4 鏡質(zhì)體反射率(Ro)

東部凸起上古生界有機(jī)質(zhì)以Ⅲ型干酪根為主。根據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化剖面，上古生界頁巖演化成熟度(Ro)在高成熟濕氣—過成熟干氣階段，有機(jī)碳含量較高的石炭、二疊系源巖仍處于大量生氣階段(圖3)。

圖3 東部凸起C－P泥頁巖熱演化成熟度Ro剖面

3.5 儲層物性

通過對某A井泥巖進(jìn)行巖石孔隙度、滲透率分析認(rèn)為，研究區(qū)孔隙度分布范圍為0.40% ～3.22%，平均為1.37%;滲透率范圍為0.005×10－3～ 7.960 × 10－3μm2，其均值為 2.07 × 10－3μm2，與美國頁巖主要產(chǎn)氣盆地的孔隙度、滲透率值相當(dāng)，具有儲層頁巖氣的基本條件。

3.6 含氣性

東部凸起地區(qū)上古生界某B井進(jìn)入山西組65 m后，全烴開始上升為3%，甲烷上升為0.710% ～1.018%;某C井進(jìn)入山西組104 m后，全烴開始上升為5%，甲烷上升為2.32%～7.51%。對某A井進(jìn)行解吸試驗(yàn)，測得山西組含氣量為1.27 m3/t(圖4)。上古生界泥頁巖含氣量達(dá)到了頁巖氣工業(yè)下

限標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 某A井泥頁巖含氣量分析

3.7 頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價參數(shù)指標(biāo)

目前，遼河油田頁巖氣處于初期研究階段，通過對東部凸起上古生界頁巖氣藏地質(zhì)參數(shù)的研究初步確定頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價的6個主要參數(shù)，確定了各參數(shù)的指標(biāo)(表1)，認(rèn)為東部凸起達(dá)到了頁 巖氣有利區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價參數(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

(1)頁巖氣具有源、儲一體化特征，頁巖本身既是氣源巖又是儲集巖。頁巖氣藏的分布與有效氣源巖的面積相當(dāng)，一般不需要常規(guī)圈閉的存在，烴類氣體主要以吸附狀態(tài)賦存在干酪根和黏土顆粒的表面。

(2)頁巖含氣量主要與有機(jī)質(zhì)豐度及演化程度有關(guān)。在同一壓力下，有機(jī)碳含量越高，吸附氣含量越大。對于熱成因含氣頁巖，演化程度處于深成熱解階段的含氣量最大。

(3)遼河坳陷頁巖氣研究正處于初始階段，確定了頁巖氣地質(zhì)選區(qū)6個評價參數(shù)及指標(biāo)，認(rèn)為東部凸起山西組、太原組有機(jī)碳含量、演化程度、單層厚度、硅質(zhì)含量、含氣量、滲透率等參數(shù)具備頁巖氣有利區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，可以優(yōu)選有利目標(biāo)展開部署，并進(jìn)一步系統(tǒng)地求取參數(shù)。

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Shale gas reservoir characteristics and geological evaluation of prospective areas：A case study with the Eastern Uplift of Liaohe depression

YANG Yi－ming1，MAO Jun－li1，LI Jing－jing2
(1.Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China;(2.Liaohe Petroleum Engineering Co．，Ltd．，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China)

The Eastern Uplift of Liaohe depression has been studied for tectonics and sedimentary environment．It is believed that there is a set of hydrocarbon source rocks of high maturity and high organic abundance in the Neopaleozoic Shanxi and Taiyuan formations of the Eastern Uplift．It is concluded through analysis of the shale in the Shanxi and Taiyuan formation that organic carbon content，evolution degree，single layer thickness，siliceous content，gas content and permeability constitute 6 basic parameters for screening prospective areas of shale gas，thus established a preliminary method of geological evaluation of favorable shale gas areas，which would help promote shale gas exploration，development and industrialization．

organic matter;gas content;geological characteristics;geologically prospective area;shale gas;Eastern Uplift;Liaohe depression

TE122.2

A

1006－6535(2012)02－0046－04

20110507;改回日期：20110527

中石油重大攻關(guān)課題“遼河探區(qū)有利預(yù)探目標(biāo)綜合評價及目標(biāo)優(yōu)選”(2008D－0702－02)

楊一鳴(1983－)，男，工程師，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)從事頁巖氣藏地質(zhì)評價研究工作。

編輯黃華彪