劉洪林 王紅巖

1．中國石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院廊坊分院 2．國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心 3．中國石油非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

頁巖氣是一種自生自儲的非常規(guī)天然氣資源，美國頁巖氣藏的深度介于76～5 500m，主要深度范圍介于1 500～3 500m，目前開采的頁巖氣藏一般不超過5 000m［1－4］。中國南方古生界頁巖分布范圍廣泛，成熟度高，大部分地區(qū)經(jīng)歷了深埋過程，成熟度較高，同時經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造熱演化歷史，具有“高成熟、強(qiáng)改造”的地質(zhì)背景。根據(jù)其現(xiàn)今賦存的區(qū)域地質(zhì)背景，可以劃分為盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)、盆緣過渡區(qū)和盆外改造區(qū)。盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)的頁巖具有分布連續(xù)、埋藏深度大的特征，該區(qū)地層傾角小、斷裂不發(fā)育、地形簡單；盆緣過渡區(qū)具有分布連續(xù)、埋深變化大、地層傾角局部變化大、斷裂發(fā)育、地形相對復(fù)雜的特征；盆外改造區(qū)具有分布不連續(xù)、地層傾角大、斷裂發(fā)育和地形復(fù)雜的特征。以上3類地區(qū)的頁巖地層都經(jīng)歷了不同幅度的構(gòu)造抬升，抬升作用對處于不同構(gòu)造位置的頁巖的含氣性產(chǎn)生了直接影響，尤其對頁巖的儲集能力和含氣飽和度有著重要的影響。

筆者對中國南方海相下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的成熟—生烴演化進(jìn)行了深入的剖析，同時利用核磁共振、流體包裹體分析，對該區(qū)頁巖的含氣性進(jìn)行了理論研究預(yù)測。分析認(rèn)為：中國南方海相頁巖普遍經(jīng)歷高成熟度的演化歷程，而且在喜馬拉雅期普遍經(jīng)歷了一次劇烈的抬升過程，一方面儲層的孔隙度大幅度下降，另一方面造成頁巖氣大量散失，含氣飽和度大幅度降低，只有位于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)和部分過渡區(qū)才得以保存良好。構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)和部分過渡區(qū)富含天然氣的頁巖由于其含氣飽和度高，地層孔隙壓力大，游離氣量大，頁巖氣形成超壓狀態(tài)，即形成超壓頁巖氣富集區(qū)。筆者認(rèn)為，這種地區(qū)才是頁巖氣勘探的主要方向，并據(jù)此提出了適合中國南方海相頁巖高成熟、復(fù)雜地質(zhì)條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價指標(biāo)。

1 中國南方海相頁巖的含水飽和度特征

1．1 中國南方海相頁巖與美國頁巖含水飽和度特征

美國是頁巖氣開發(fā)利用最成功的國家，全美頁巖氣技術(shù)可采資源量為24．4×1012m3，投入商業(yè)開發(fā)的主要為海相頁巖，有Barnett、Marcellus、Antrim、Fayetteville、Woodford和 Haynesville頁巖等［5］。2005年以來，隨著以水平井分段壓裂為代表的關(guān)鍵技術(shù)的突破，促進(jìn)了美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)美國能源信息署預(yù)測，2015年美國頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到2 600×108～2 800×108m3，約占天然氣總產(chǎn)量的1／3［6－7］。北美地區(qū)凡是商業(yè)化的頁巖，其含水飽和度都很低，平均為15%～35%［8－9］，反之則含氣飽和度較高（圖1）。

圖1 北美頁巖含氣飽和度分布圖

在巖心分析中發(fā)現(xiàn)，中國南方海相頁巖的含水飽和度可以劃分為2類：①一類為含水飽和度超高的，如昭101、YQ1井等，其頁巖的含水飽和度介于60%～95%，這些井一般位于斷裂或構(gòu)造活動較為強(qiáng)烈的部位；②另一類為含水飽和度超較低的，如威201、寧201井等，其頁巖的含水飽和度介于30%～45%，位于構(gòu)造穩(wěn)定的部位。蜀南地區(qū)含水飽和度高的井含氣量低（含氣飽和度低），產(chǎn)量低；含水飽和度低的井含氣量高，產(chǎn)量高（含氣飽和度高），相關(guān)性非常好（圖2）。

圖2 中國南方海相頁巖含氣飽和度分布圖

1．2 富氣頁巖在儲層條件下的含水飽和度現(xiàn)象

頁巖巖心充分抽真空、浸泡后，利用離心實(shí)驗(yàn)、相對滲透率實(shí)驗(yàn)證明頁巖具有較高的束縛水飽和度值，介于80%～95%，評價達(dá)到92%（圖3）。一般富氣頁巖孔隙內(nèi)主要為天然氣，其含水飽和度較低（10%～40%），把富氣頁巖儲層中初始含水飽和度值低于束縛水飽和度值的現(xiàn)象，稱為超低含水飽和度現(xiàn)象（圖4）。

研究發(fā)現(xiàn)，富氣頁巖在儲層條件下含氣飽和度低，貧氣頁巖儲層條件下含水飽和度高。這種現(xiàn)象將對頁巖氣的成藏與開發(fā)產(chǎn)生重要影響，如果含水飽和度高，水將以束縛水形式大量存在，水分子膜降低了吸附能力，影響吸附量；如果含水飽和度較高，孔隙中大量充填水，將大大降低頁巖氣原地儲量；超低含水飽和度現(xiàn)象的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致頁巖納米孔隙中的氣體流動呈現(xiàn)滑脫流的流動方式，將有效增加頁巖氣滲流能力。

圖3 中國南方海相頁巖束縛水飽和度分布特征圖

圖4 非穩(wěn)態(tài)法測定的頁巖氣水相對滲透率曲線圖

1．3 超低含水飽和度的成因

對于頁巖儲層中含水飽和度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于束縛水飽和度值的原因，經(jīng)過分析認(rèn)為主要由于生烴排水作用和汽化攜液作用所造成。烴原巖在大量生烴期間，干酪根的體積不斷減小，之前由干酪根支撐的那部分有效壓應(yīng)力向孔隙流體轉(zhuǎn)移，倘若不能及時排除流體就必然將產(chǎn)生異常高壓，壓力突破巖石破裂極限強(qiáng)度產(chǎn)生裂縫，排水過程即開始。熱裂解氣在運(yùn)移過程中存在較強(qiáng)的攜液能力。隨著埋深的增加地層溫度逐漸增加，熱裂解氣氣化攜液作用愈發(fā)強(qiáng)烈。據(jù)Bennion等研究，在10MPa下，天然氣在40℃條件下攜液能力（85kg／103m3）僅僅是在100℃條件下攜液能力（789 kg／103m3）的1／10［10］。熱裂解氣汽化作用增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性，從而形成了超低含水飽和度現(xiàn)象。

2 頁巖含水飽和度與頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標(biāo)準(zhǔn)

頁巖氣的勘探需要尋找含氣量高的地區(qū)，其資源豐度高，在同樣的增產(chǎn)改造規(guī)模下，單井最終開采量（EUR）也較高，經(jīng)濟(jì)性也好。頁巖含氣量＝吸附氣＋游離氣＋溶解氣，與壓力系數(shù)關(guān)系密切［11－12］。由于北美地質(zhì)條件穩(wěn)定，美國頁巖氣研究者認(rèn)為超壓對于頁巖氣藏不太重要，正常壓力、甚至欠壓都可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，因此未將超壓作為一個關(guān)鍵指標(biāo)，但是在中國南方是一個必需的關(guān)鍵指標(biāo)。中國與北美的差異主要體現(xiàn)在地質(zhì)成藏背景的不同，北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)主要位于環(huán)加拿大克拉通盆地，較為穩(wěn)定，中國由多個地塊拼接構(gòu)成，總體構(gòu)造復(fù)雜，頁巖時代較老。成熟度高低和構(gòu)造運(yùn)動的強(qiáng)弱差別是最大差別，北美頁巖成熟適中，而中國南方海相成熟度高，造成孔隙度低；中國構(gòu)造運(yùn)動相對活躍，斷裂發(fā)育，保存條件相對要差。對于中國高成熟、低孔隙度的頁巖，同樣的含水飽和度需要較大的地層壓力系數(shù)，才能使得地下頁巖達(dá)到較高的含氣量，從而形成超壓頁巖氣藏，單井EUR達(dá)到經(jīng)濟(jì)。因此，中國的頁巖氣有利勘探區(qū)需要超壓地質(zhì)條件。

筆者以昭101井、103等井為例開展了歷史模擬和流體包裹體分析，證實(shí)了斷裂對氣藏起強(qiáng)烈破壞這一判斷。昭通除靠近四川盆地的小部分區(qū)域外，多數(shù)鉆井都不成功，含氣量低（0．05～0．50m3／t）。昭通與蜀南相鄰，應(yīng)該大致經(jīng)歷了相似的演化歷程（圖5），含氣性差別大。昭101井位于芒部背斜，地表斷裂發(fā)育。目的層筇竹寺組因斷裂出現(xiàn)地層重復(fù)，頁巖裂隙發(fā)育、方解石充填嚴(yán)重，含氣量的現(xiàn)場分析結(jié)果不足0．1 m3／t，評價為極低含氣量，基本全部逸散。開展的昭101井熱演化歷史和含氣量歷史模擬研究表明：昭通地區(qū)J—K末期含氣量最大，如果穩(wěn)定抬升頁巖將出現(xiàn)超壓，含氣量應(yīng)該至少介于3～5m3／t，但是目前小于0．1m3／t（圖6）。

同時，采集分析了頁巖巖石裂隙中發(fā)育的方解石脈130多塊，60%～70%的樣品中發(fā)現(xiàn)了群體包裹體，多為氣—液包裹體；另外30%～40%樣品未發(fā)現(xiàn)包裹體。綜合熱演化歷史和包裹體均一溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示溫度以90～110℃為主（圖7），分析認(rèn)為，包裹體為低溫包裹體，推斷其形成時期為喜馬拉雅期，頁巖在喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動形成了大量的方解石脈捕集到逸散的天然氣并形成包裹體。據(jù)此推斷，頁巖氣藏破壞是因?yàn)橄柴R拉雅期產(chǎn)生大量斷裂導(dǎo)致包裹體的產(chǎn)生，并且推測整個南方頁巖氣情況基本相似。

圖5 昭101井頁巖沉積埋藏—熱演化歷史圖

圖6 昭101井頁巖不同地質(zhì)時期含氣量歷史模擬結(jié)果圖

圖7 昭101井頁巖中方解石脈中包裹體均一溫度分析結(jié)果圖

由此看來，構(gòu)造運(yùn)動形成的斷裂對頁巖氣成藏起破壞作用；而超壓現(xiàn)象說明天然氣沒有逸散，保存條件好，斷裂少，是頁巖氣富集的有利區(qū)帶。因此有必要把超壓條件用于頁巖氣的選區(qū)指標(biāo)中。據(jù)此可以認(rèn)為：在盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)，頁巖分布連續(xù)，斷裂稀少，頁巖氣保存條件較好，頁巖儲層普遍具有大面積超壓現(xiàn)象，局部壓力系數(shù)超過2．0；盆緣過渡區(qū)，頁巖分布較為連續(xù)，部分地區(qū)抬升幅度過大、斷裂發(fā)育，頁巖氣散失，只有在構(gòu)造運(yùn)動適中的位置頁巖氣得以保存且地層超壓現(xiàn)象明顯，壓力系數(shù)介于1．3～2．0；在盆外改造區(qū)，頁巖分布不連續(xù)，頁巖氣保存條件較差，只在局部頁巖斷裂不發(fā)育的、地層傾角較小的區(qū)域得以保存，超壓范圍非常有限。

3 考慮超壓條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標(biāo)準(zhǔn)

北美地區(qū)頁巖氣地質(zhì)選區(qū)需要考慮埋深、頁巖厚度、TOC含氣量、硅質(zhì)礦物含量，由于美國地質(zhì)條件簡單、成熟度適中，孔隙度相對較低，在地層低壓、欠壓條件下都可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)。因此，北美可以不把地層壓力系數(shù)作為指標(biāo)（正常壓力、欠壓都可以商業(yè)化），但是在中國南方海相頁巖高成熟、斷裂發(fā)育的背景下，必須把地層壓力系數(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵性的重要參數(shù)進(jìn)行考慮，只有超壓的地區(qū)才有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。

頁巖氣之所以能夠被經(jīng)濟(jì)開發(fā)，從儲層本身性質(zhì)來看，脆性對于頁巖能夠被大規(guī)模體積改造至關(guān)重要，但是頁巖的脆性特征在其地質(zhì)演化過程中對頁巖氣的保存是不利的，過脆的頁巖在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的強(qiáng)烈的應(yīng)力條件下會產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致頁巖氣散失。中國南方海相頁巖大多經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)改造過程，地層的傾角大小在很大程度上指示了其改造的強(qiáng)烈程度。如果頁巖儲層經(jīng)歷了漫長的演化歷史后地層傾角較小且斷裂稀少，基本上說明了其受改造的程度較弱，也就指示了其良好的保存條件。在中國南方海相頁巖成藏“高成熟和強(qiáng)改造”的總體地質(zhì)背景下，這一點(diǎn)尤為重要，尤其在盆外活動區(qū)，地層傾角越小越好，越有利于頁巖氣保存。

因此，提出了考慮地層壓力系數(shù)、頁巖儲層傾角的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)如下：①頁巖埋深；頁巖有利埋深范圍為1 500～4 500m，該埋深段頁巖氣最富集，利于控制鉆探成本；②頁巖厚度；單層連續(xù)厚度大于30m，利于水平井鉆探、體積改造，并增加單井控制儲量；③TOC，頁巖總有機(jī)碳含量大于2%，有機(jī)碳含量高，生烴潛力大，含氣量高、孔隙連通性好；④地層壓力系數(shù)，地層壓力系數(shù)大于1．3，地層壓力系數(shù)高表明保存條件好，并利于頁巖氣產(chǎn)出；⑤頁巖儲層傾角，盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)傾角小于25°，盆緣過渡區(qū)傾角小于15°，盆外改造區(qū)傾角小于10°；⑥硅質(zhì)礦物含量，硅質(zhì)含量大于30%，較高的硅質(zhì)含量提高脆性、增強(qiáng)可改造性，易于形成網(wǎng)狀縫。

上述主要指標(biāo)中，地層壓力系數(shù)、頁巖儲層傾角為考慮超壓條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新的指標(biāo)。

4 結(jié)論

1）中國頁巖的含水性存在2種現(xiàn)象，即低含水飽和度和高含水飽和度現(xiàn)象，富氣頁巖一般含水飽和度較低，貧氣頁巖含水飽和度一般較高。由于納米孔隙發(fā)育，頁巖的束縛水飽和度值一般較高，把地層儲層條件下，頁巖含水飽和度值低于束縛水飽和度值的現(xiàn)象，稱為超低含水飽和度現(xiàn)象。超低含水飽和度存在是超壓頁巖氣存在的基礎(chǔ)，只有超低含水飽和度才能形成超壓頁巖氣核心區(qū)和超壓頁巖氣藏。

2）中國與北美頁巖氣最大的差異在于成熟度的高低和構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)弱的差別，在中國南方海相頁巖這種特殊的地質(zhì)條件下，只有超壓地層條件頁巖氣才能富集，超壓核心區(qū)是中國頁巖氣主要的勘探方向，提出把頁巖超壓作為選區(qū)的地質(zhì)指標(biāo)，從而提出頁巖地質(zhì)評價選區(qū)新的標(biāo)準(zhǔn)。

3）在中國南方海相頁巖“高成熟和強(qiáng)改造”的地質(zhì)背景條件下，孔隙度普遍低于北美主要頁巖，只有超壓核心區(qū)的資源豐度才能形成超壓頁巖氣藏，只有超壓頁巖氣藏，其單井EUR（預(yù)計(jì)最終可采儲量）較高，才可能實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。

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