郭彤樓（中國石化勘探分公司）

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中國式頁巖氣關鍵地質(zhì)問題與成藏富集主控因素

郭彤樓
（中國石化勘探分公司）

摘要：基于對中國南方和美國頁巖氣地質(zhì)特點的分析，探討了中國式頁巖氣成藏富集主控因素及勘探開發(fā)的關鍵問題。中國式頁巖氣地質(zhì)特點包括：構造演化階段多，構造類型復雜，斷裂發(fā)育，頁巖層系連續(xù)分布面積小，寒武系、志留系兩套主要頁巖層系現(xiàn)今的熱演化程度和埋深沒有對應關系。通過對影響頁巖氣富集的主要因素（裂縫、構造類型、頁巖氣運移、含氣量等）的分析和探討，提出了中國式頁巖氣的富集機理：“沉積相帶、保存條件”是控制頁巖氣成藏的主要因素，控制頁巖氣選區(qū)；“構造類型、構造作用”是控制頁巖氣富集的主要因素，控制甜點區(qū)的選擇。中國頁巖氣勘探開發(fā)下一步攻關方向為：①與美國頁巖氣發(fā)展剛好相反，中國頁巖氣勘探開發(fā)要從超壓區(qū)向常壓區(qū)甚至低壓區(qū)發(fā)展；②四川盆地內(nèi)應從中深層向深層發(fā)展，開展埋深大于4 000 m頁巖層系成藏富集機理，特別是水平井壓裂工藝技術的攻關；③借鑒海相頁巖氣的勘探開發(fā)經(jīng)驗，推動海陸過渡相、陸相頁巖氣的發(fā)展。圖4表3參33關鍵詞：頁巖氣；構造作用；保存條件；頁巖氣成藏；頁巖氣運移；頁巖氣富集；頁巖氣選區(qū)

0 引言

2009年以來，中國南方頁巖氣勘探開發(fā)與研究工作取得了很大進展。先后在四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、下寒武統(tǒng)筇竹寺組（牛蹄塘組）取得勘探突破，發(fā)現(xiàn)了涪陵、長寧、昭通、威遠等頁巖氣田。同時在四川、重慶、貴州、湖南、湖北等省市實施了一批頁巖氣探索井，獲得了大量的寶貴資料。對四川盆地侏羅系、中上揚子地區(qū)二疊系、鄂爾多斯盆地三疊系泥頁巖進行了頁巖氣評價，取得了侏羅系、三疊系延長組頁巖氣的突破。但除四川盆地上述幾個頁巖氣田外，沒有取得商業(yè)性的頁巖氣發(fā)現(xiàn)［1-2］。越來越多的勘探實踐證實，中國頁巖氣的勘探開發(fā)還存在諸多特殊地質(zhì)問題需要解決，因此，中國頁巖氣的發(fā)展不能簡單復制美國頁巖氣的成功經(jīng)驗，而應結(jié)合中國頁巖氣發(fā)育的地質(zhì)背景，創(chuàng)新中國的頁巖氣勘探開發(fā)理論與技術［3-10］。

1 中國式頁巖氣的地質(zhì)特點

沒有一樣的盆地，也沒有一樣的頁巖氣田，即使在同一盆地，不同核心區(qū)控制頁巖氣富集的地質(zhì)因素也是不同的。關于中國南方與北美地區(qū)頁巖氣地質(zhì)條件，有很多學者作過對比［4-11］，但對其共性強調(diào)過多，筆者認為中美兩國頁巖氣地質(zhì)條件的差異更應成為關注的重點。頁巖發(fā)育的地質(zhì)背景、頁巖基礎地質(zhì)條件（有機碳含量、礦物含量、熱演化程度、物性等）不是影響中美兩國頁巖氣富集差異的主因，而現(xiàn)今頁巖的分布、保存與其經(jīng)歷的構造演化過程，才是決定因素，因此以“中國式頁巖氣”來論述與美國頁巖氣的主要差別。

1.1 美國頁巖氣田地質(zhì)特點與啟示

1.1.1 地質(zhì)特點

關于北美地區(qū)頁巖氣發(fā)育的地質(zhì)背景，前人進行了較多論述［8，12-13］。美國頁巖氣發(fā)育于兩類盆地，即前陸盆地和克拉通盆地，且以前者為主，如2004年以后進入大規(guī)?？碧介_發(fā)階段的Marcellus、Haynesville、Fayetteville、Woodford、Barnett 5大頁巖氣田都位于前陸盆地；20世紀80—90年代投入勘探開發(fā)的5大頁巖氣田中3個位于前陸盆地，分別是泥盆系Ohio氣田、密西西比系Barnett氣田和白堊系Lewis氣田，位于克拉通盆地的頁巖氣田只有泥盆系Antrim氣田和New Albany氣田。

美國頁巖氣的地質(zhì)特點可以概括為：①含頁巖（氣）盆地多、埋藏淺、分布面積廣，美國的頁巖主要發(fā)育在20個州的50多個盆地，頁巖氣技術可采資源量約為28×1012m3［8］；②頁巖層系多、厚度大、品質(zhì)高、均為海相地層；③同一盆地內(nèi)，熱演化程度變化范圍大，以阿巴拉契亞盆地Marcellus頁巖為例，Ro值從凹陷區(qū)的大于2%過渡到斜坡區(qū)的小于0.5%，并且和現(xiàn)今埋藏深度呈正相關［14］；④地層壓力系數(shù)范圍大，有低壓、常壓、超壓地層，2004年以前投入勘探開發(fā)的5個氣田基本上以低壓、常壓為主，其后的5大頁巖氣田主要以超壓為主；⑤構造穩(wěn)定，頁巖分布連續(xù)、面積大；⑥有效孔隙度高，多在5%以上。

1.1.2 啟示

①美國的頁巖氣勘探開發(fā)始于異常低壓氣田，實踐證明異常低壓氣田也能獲得長時間的穩(wěn)定產(chǎn)量，如1981—1999年Ohio頁巖氣產(chǎn)量一直保持在（28.3～ 36.8）×108m3/a；Big Sandy氣田位于阿巴拉契亞盆地，產(chǎn)層為上泥盆統(tǒng)Ohio頁巖，發(fā)現(xiàn)于1914年，該氣田也是低壓氣田，已產(chǎn)出超過707.9×108m3的頁巖氣［15］。

②國家對基礎研究的主導作用促進了頁巖氣的發(fā)展。20世紀70年代，美國能源署啟動了東部頁巖氣計劃，東部頁巖氣計劃的時間跨度超過16年，研究內(nèi)容從地質(zhì)、地球化學、地球物理特征到水力壓裂、化學爆破壓裂和定向鉆探等油氣作業(yè)模擬實驗，這些研究形成了大量的報告、文章、評論和數(shù)據(jù)庫，大大推動了Big Sandy氣田向West Virginia中部、西南部和Ohio東南部的拓展［14］。

③技術的不斷創(chuàng)新是頁巖氣快速發(fā)展的保障。美國頁巖氣的快速發(fā)展得益于幾次重要的技術進步。美國政府實施的東部頁巖氣計劃，使得20世紀80年代中后期頁巖氣地質(zhì)理論和開發(fā)技術的研究取得了重要突破，頁巖氣產(chǎn)量實現(xiàn)了快速增長［16］。1997—1999年，頁巖氣儲集層改造技術逐漸成熟；2002—2003年，水平井技術開始大量應用于頁巖氣開發(fā)，頁巖氣產(chǎn)量得到飛速提高［11］。隨后，頁巖氣的勘探開發(fā)實現(xiàn)了從淺到深的跨越（從異常低壓、常壓再到超壓氣田），發(fā)現(xiàn)了Marcellus、Haynesville、Fayetteville等一批超壓、高產(chǎn)、儲量規(guī)模大的頁巖氣田。美國頁巖氣產(chǎn)量從2007年開始出現(xiàn)快速增長，2004年僅為196×108m3，2006年為311×108m3，2007年為366×108m3，2010年為1 378×108m3，2011年超過1 970×108m3，2012年達2 300×108m3，2014年達3 637×108m3［8，17］。

④不拘泥于定義的爭論——產(chǎn)自頁巖的天然氣即是頁巖氣。美國商業(yè)天然氣工業(yè)始于1821年，通過8.2 m深的鉆井在紐約Chautauqua縣泥盆系Dunkirk頁巖發(fā)現(xiàn)天然氣，該井沒有采取其他措施，推測儲集層裂縫應該很發(fā)育，但關于產(chǎn)出氣具體是泥頁巖裂縫氣還是頁巖氣的爭論很少，對于頁巖中是否含有粉砂巖、碳酸鹽巖夾層，以及夾層產(chǎn)氣是常規(guī)氣還是頁巖氣也沒有嚴格的區(qū)分。

1.2 中國頁巖發(fā)育區(qū)地質(zhì)特點

中國頁巖氣勘探的重點是南方地區(qū)，四川盆地及其周緣是實現(xiàn)頁巖氣勘探突破和商業(yè)性開發(fā)的有利地區(qū)。因此，以四川盆地及鄰區(qū)為代表，以筇竹寺組、五峰組—龍馬溪組頁巖為重點，分析中國頁巖發(fā)育和保存的地質(zhì)特點。

1.2.1 沉積特征

與美國主要頁巖層系形成于前陸盆地不同，四川盆地及周緣地區(qū)筇竹寺組、五峰組—龍馬溪組頁巖均發(fā)育于揚子克拉通盆地內(nèi)。

四川盆地綿陽—長寧地區(qū)發(fā)育晚震旦世裂陷槽［18］，或早寒武世拉張槽［9］，環(huán)重慶—南江淺水陸棚區(qū)發(fā)育深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖。筇竹寺組巖性組合主要為深灰—黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖和粉砂巖，TOC值一般為1%～4%。底段發(fā)育炭質(zhì)頁巖與硅質(zhì)巖互層，TOC值為2%～11%；中上段過渡為頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾薄層灰?guī)r、粉砂巖；中段底部夾有多層1～20 cm厚的薄層斑脫巖。頁巖單層厚0.5～40.0 m，累計厚度為50～100 m，最厚可超過200 m［19］。

五峰組—龍馬溪組頁巖以炭質(zhì)筆石頁巖最為發(fā)育，分布范圍廣，自滇黔北部昭通、四川盆地南部、渝東南至四川盆地北部南江—巫溪、湘鄂西、黔北地區(qū)均有發(fā)育，分布穩(wěn)定［4-5，17］。四川盆地南部長寧地區(qū)頁巖碳酸鹽礦物含量明顯高于其他地區(qū)，一般可達20%，TOC值大于2.0%的富有機質(zhì)頁巖厚度為20～40 m。四川盆地東北部頁巖厚度較大，大巴山前緣五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖為一套持續(xù)深水陸棚環(huán)境沉積，田壩背斜鉆探的巫溪2井鉆遇炭質(zhì)筆石頁巖厚度遠遠超過四川盆地其他地區(qū)，TOC值大于2.0%的富有機質(zhì)頁巖厚度可達89.8 m，巖性為一套深灰—黑色筆石頁巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖組合，TOC值大于2%［20］。下段富有機質(zhì)頁巖發(fā)育，炭質(zhì)含量高，TOC值達2%～11%；中、上段頁巖夾有薄層灰?guī)r或粉砂巖，單層厚1～10 m，累計厚度為20～40 m，最厚可達100 m；下段（五峰組—龍馬溪組底部）夾有多層斑脫巖（焦頁1井可識別出26層），單層厚約0.5～10.0 cm，受上下巖層的擠壓，通常發(fā)生變形。

1.2.2 構造特征

關于研究區(qū)構造演化、構造類型和中新生代以來的構造形變，歸納如下。

①構造演化階段多，寒武系、志留系兩套主要頁巖層系先后經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期、喜馬拉雅期構造運動的疊加改造，表現(xiàn)為多期次抬升、剝蝕和變形；尤其在燕山晚期，兩套主要頁巖層系達到最大埋深，大量生氣，此后的褶皺、斷裂作用導致原本連續(xù)分布的頁巖層系被分割、抬升，不利于頁巖氣的保存，如四川盆地東南部龍馬溪組頁巖早期在盆地內(nèi)外連續(xù)分布，被改造后形成盆地內(nèi)高陡構造區(qū)和盆地外的大量剝蝕區(qū)（見圖1）。

②自雪峰山經(jīng)湘鄂西地區(qū)、四川盆地東部至中部，由基底卷入到蓋層滑脫，變形強度由強到弱，時間由早到晚。寒武系、志留系兩套主要頁巖層系作為兩套滑脫層，在不同地區(qū)構造變形強度不一。盆地內(nèi)及四川東部高陡構造的向斜區(qū)以埋藏更深的基底或寒武系頁巖、膏鹽巖為滑脫層，四川東部高陡構造區(qū)及盆地外兩套頁巖均卷入變形，盆地外有大量缺失區(qū)。

圖1　四川盆地東南部及鄰區(qū)地質(zhì)圖

③斷裂發(fā)育，不同方向、不同期次的斷裂疊加，造成四川盆地東部和盆外寒武系、志留系兩套主要頁巖層系被切割得支離破碎，導致頁巖連續(xù)分布面積小、斷層影響范圍大，可供勘探面積有限。

④區(qū)別于美國主要頁巖氣田位于前陸盆地、現(xiàn)今的埋深趨勢和熱演化趨勢一致，研究區(qū)寒武系、志留系兩套主要頁巖層系現(xiàn)今的熱演化程度與目前的埋深沒有對應關系。

⑤構造類型多樣且復雜，簡單的構造單斜和大范圍分布的隆起、背斜基本不發(fā)育。

上述特點，與美國頁巖氣形成的構造環(huán)境存在很大差異，可稱為“中國式頁巖氣”構造環(huán)境。因而，中國頁巖氣勘探區(qū)帶、靶區(qū)的選擇，以及在確定有利頁巖分布區(qū)后，查明構造類型、演化過程及其改造對保存條件的影響，是頁巖氣勘探能否成功的關鍵［3-7］。

表1　焦頁1井五峰組—龍馬溪組一段取心井段裂縫統(tǒng)計表

圖2　五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育特征

2 關鍵問題與探討

在頁巖氣研究與勘探過程中，關于裂縫、構造類型、含氣量影響因素、頁巖氣運移等對頁巖氣高產(chǎn)富集的影響還有諸多不確定性，作者曾做過一些探討［3-7，21］。本文根據(jù)新補充的資料進一步論述上述因素對頁巖氣，尤其是中國式頁巖氣高產(chǎn)富集或選區(qū)評價的影響。

2.1 裂縫

以五峰組—龍馬溪組為例，可見不同尺度的（微）裂縫，部分充填、部分未充填。在五峰組—龍馬溪組一段底部可見垂直縫、斜交縫和水平縫（頁理縫、滑動縫），從而形成相對發(fā)育的裂縫網(wǎng)絡（見表1、圖2）。垂直縫縫長為20～150 mm，主要發(fā)育于五峰組，焦石壩南部局部地區(qū)龍馬溪組中上部也有發(fā)育（縫長為60～250 mm）；水平縫多貫穿巖心，其中除頁理縫發(fā)育外，滑動縫也較發(fā)育，在裂縫面可見明顯的鏡面和擦痕現(xiàn)象，裂縫寬度以0.5～1.0 mm居多，最寬可達6 mm。多數(shù)層段裂縫密度主要介于0.1～4.0 條/m，僅五峰組—龍馬溪組一段底部裂縫密度較大，可達20～40條/m；裂縫多被方解石充填，另外還可見少量被瀝青、泥質(zhì)、黃鐵礦等充填物半充填或完全充填。裂縫發(fā)育具有兩個明顯特征：①五峰組較龍馬溪組發(fā)育（表1取心段為2 411～2 415 m）；②巖性變化段高角度裂縫和水平裂縫最為發(fā)育［21］（見表1、圖3）。

關于頁巖中裂縫的發(fā)育和作用，還存在爭議。Curtis［16］對20世紀90年代美國5大頁巖氣田（Lewis、Barnett、New Albany、Antrim、Ohio）進行研究，指出在基質(zhì)滲透率極低的頁巖氣藏，除要求頁巖優(yōu)質(zhì)之外，天然裂縫和基質(zhì)滲透率也是影響頁巖氣實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)的關鍵因素；Hammes等［22］也認為裂縫在頁巖氣富集高產(chǎn)中具有重要作用。Barnett頁巖至少有兩組密集發(fā)育的裂縫，盡管多數(shù)被充填，但有利于在水力壓裂過程中被激活，增加了壓裂的有效性，連通了更大的含氣面積［23］。當然，也有學者認為，一般在頁巖中存在3種孔隙類型：基質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙和裂縫孔隙，但裂縫孔隙在熱成因頁巖氣藏中還未被證明是一種重要的儲存機制［24］。因此，裂縫在頁巖氣富集及對產(chǎn)能貢獻方面的作用，還未達成共識。

圖3　焦石壩構造主體部位焦頁X井五峰組—龍馬溪組頁巖綜合柱狀圖（GR—自然伽馬；

應用流體包裹體均一溫度結(jié)合地層埋藏史和熱史恢復可以確定油氣成藏期次和時間，基于五科1井和焦石壩構造焦頁1井等3口井的流體包裹體均一溫度，研究表明有機質(zhì)成熟后至少經(jīng)歷了3～4期裂縫發(fā)育時期［21］。因此，五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段裂縫發(fā)育，是焦石壩構造主體幾乎所有鉆井均能獲得高產(chǎn)的關鍵。如在Marcellus頁巖氣田，有前景的區(qū)帶中裂縫對直井、水平井初始產(chǎn)量的作用已經(jīng)得到證實。當然，天然裂縫的發(fā)育程度并不是越高越好，如果裂縫的發(fā)育影響有效壓裂或者破壞了蓋層，就會起負面作用［14］。因此裂縫的發(fā)育既能提高頁巖氣產(chǎn)量，也會引起破壞，裂縫發(fā)育的規(guī)模是影響勘探開發(fā)過程的關鍵因素。

2.2 構造類型

阿巴拉契亞盆地的基底構造不僅影響了Marcellus氣田中頁巖的成熟度變化趨勢，還與已識別出的超壓區(qū)密切相關［14］。Hughes［25］指出，自2010年以來，美國5大頁巖氣田中其他4個氣田的平均產(chǎn)量一直在下降，但Marcellus頁巖氣田產(chǎn)量卻依然保持增長，其特殊的構造背景是造成這一現(xiàn)象的重要因素。筆者［3-7］曾對焦石壩、長寧、威遠、彭水等已發(fā)現(xiàn)頁巖氣地區(qū)的構造類型、構造演化進行了深入對比分析和總結(jié)，提出在多期次疊加改造、高演化程度地區(qū)，正向構造是最有利頁巖氣富集的構造類型，區(qū)域大斷裂晚期的走滑作用對頁巖氣超壓的保持至關重要。隨著頁巖氣勘探開發(fā)的推進，越來越多的鉆井資料證實，焦石壩構造主體頁巖氣富集程度、產(chǎn)量和壓力明顯高于構造低部位、斷向斜，如單斜（JY6井）、斷鼻（JY5井）明顯不如斷背斜（JY8井）。

2.3 頁巖氣運移

頁巖氣生成和儲藏于頁巖本身，頁巖內(nèi)部不存在常規(guī)氣藏所具有的斷層、不整合面、大范圍連通的孔隙性儲集層等油氣輸導體系，因而一般認為頁巖氣只經(jīng)歷了較短距離的運移［16］。對焦石壩頁巖氣田進行解剖，認為頁巖氣在頁巖中可以通過相鄰孔縫的接力傳遞，實現(xiàn)大范圍的頁巖氣運移，從而保證高部位的油氣富集［6］。個別直井、水平井經(jīng)射孔后，直接放噴，基本不產(chǎn)氣，但經(jīng)水力壓裂后，即有中、高產(chǎn)頁巖氣產(chǎn)出。表明在大型水力壓裂作用下，頁巖中的孔、縫連通，人工裂縫連通天然裂縫，從而擴大了井筒周圍的供氣面積，增加了氣產(chǎn)量［22］。地質(zhì)歷史中的地震、構造運動也必然會在頁巖中產(chǎn)生裂縫，目前在頁巖巖心中即可觀察到多期裂縫及其充填物，通過流體包裹體分析，也證實存在不同時期形成的天然氣。涪陵頁巖氣田焦石壩構造100余口鉆井試氣資料證明，構造主體單井產(chǎn)量高、地層壓力梯度高，構造低部位產(chǎn)量、地層壓力梯度明顯變低，說明存在頁巖氣由低部位向高部位運移富集的過程。

2.4 含氣量影響因素

Bowker［26］認為Barnett頁巖高產(chǎn)區(qū)存在5個影響含氣性的因素：①有機碳含量，頁巖氣勘探目標TOC值應達2.5%～3.0%；②頁巖厚度，應大于15 m，30 m厚的富有機質(zhì)頁巖足以產(chǎn)出商業(yè)氣流；③成熟度，熱演化程度應該處在生氣窗；④孔隙度和含水飽和度，Barnett頁巖高產(chǎn)區(qū)的孔隙度為5.5%，含水飽和度為25%；⑤黏土礦物含量應小于50%。

上述幾個因素一般比較容易確定，前述也探討了影響含氣量的因素，但在這幾個參數(shù)基本一致的情況下，含氣量變化范圍依然很大，且含氣量高的井不一定高產(chǎn)。以焦石壩及周緣地區(qū)為例（見圖1、表2），從產(chǎn)量看，可分為高產(chǎn)、低產(chǎn)和微產(chǎn)3種類型；從井位分布看，焦頁1井、JY5井位于焦石壩構造，與NY1井均位于四川盆地東部邊緣，而彭頁1井位于四川盆地之外；從地層壓力來看，焦頁1井五峰組—龍馬溪組頁巖地層壓力系數(shù)為1.55，JY5井、彭頁1井為常壓，NY1井推測地層壓力系數(shù)為1.4～1.5。威201井五峰組—龍馬溪組頁巖TOC值為3.14%，地層溫度（64.3 ℃）下吸附氣含量為1.35 m3/t；N201-H1井五峰組—龍馬溪組頁巖TOC值為3.13%，地層溫度（79.6 ℃）下吸附氣含量為3.5 m3/t［27］；焦頁1井五峰組—龍馬溪組頁巖TOC值為3.09%，地層溫度（85 ℃）下吸附氣含量為3.96 m3/t。JY5井除了構造類型外，各項指標與焦頁1井基本相似，而產(chǎn)量、壓力差距甚大；更有甚者，RY1井為單斜構造，頁巖參數(shù)與焦石壩相當，但頁巖不含氣。上述井資料，一方面反映了地層壓力對含氣性的重要影響，也間接表明保存條件是復雜構造區(qū)、高演化程度地區(qū)頁巖勘探的重要影響因素，必須予以高度重視；同時，含氣量的測試和計算方法是否需要改進，以及如何保證含氣量客觀反映地下含氣的真實情況，也還需進一步探索。

表2　焦石壩及周緣地區(qū)典型井五峰組—龍馬溪組頁巖參數(shù)對比

2.5 斑脫巖與極低電阻率

世界上斑脫巖主要發(fā)育于奧陶系和志留系［28］，中國南方鉀質(zhì)斑脫巖主要分布在五峰組和龍馬溪組底部。中上揚子地區(qū)斑脫巖分布具有很好的一致性，宜昌王家灣剖面與桐梓紅花園南壩子剖面相距500 km，但均發(fā)育了25層斑脫巖（其中，五峰組19層，龍馬溪組底部6層）［29］。焦頁1井在五峰組—龍馬溪組底部也發(fā)育了26層斑脫巖。

在四川盆地東南部及湘鄂西地區(qū)，五峰組—龍馬溪組底部發(fā)育極低電阻率地層（一般僅有幾歐姆米，甚至小于1 Ω·m），如昭通地區(qū)寶1井、仁懷地區(qū)RY1井、利川利頁1井、恩施河頁1井，而焦石壩構造主體高產(chǎn)頁巖氣井相同層段電阻率一般為幾十歐姆米。以RY1井為例（見圖4），中國石化華東分公司通過孔隙度、滲透率測定和巖心樣品加熱實驗，對RY1井低電阻的原因進行分析，認為“有機質(zhì)總體較為分散，塊狀有機質(zhì)少，孔隙度低、連通性較差，儲集層束縛水含量較高，容易形成導體”。

圖4　焦頁1井與RY1井五峰組—龍馬溪組電阻率對比圖（ρ—密度；Δt—聲波時差；φ—補償中子孔隙度）

但從斑脫巖本身特點來看，其具有強的吸濕性、膨脹性，可吸附8～15倍于自身體積的水量，體積膨脹可達數(shù)倍至30倍，還具有很強吸附性，能吸附有色物質(zhì)、有機物質(zhì)。根據(jù)斑脫巖的這種特性，和RY1井靠近盆地邊界斷層、處在單斜構造背景的情況，作者綜合分析認為，保存條件變差、大氣淡水的侵入，是導致五峰組—龍馬溪組底部含水量高、電阻率低、含氣性差的原因。換言之，出現(xiàn)極低電阻率，即可以判斷地層保存條件差、含氣性差。

2.6 含煤泥頁巖

南方地區(qū)二疊系龍?zhí)督M是一套重要的烴源巖，也是四川盆地普光氣田、元壩氣田、龍崗氣田、羅家寨氣田等三疊系飛仙關組、二疊系長興組氣層的主力烴源巖。周東升等［30］把南方龍?zhí)督M和美國圣胡安盆地Lewis頁巖進行了對比，認為龍?zhí)督M各項指標優(yōu)于Lewis頁巖（見表3）。西頁1井位于貴州省畢節(jié)地區(qū)黔西縣境內(nèi)，為頁巖氣參數(shù)調(diào)查井，龍?zhí)督M黑色炭質(zhì)頁巖各項指標更好，TOC值為0.40%～17.85%，平均值為4.25%；Ro值為2.68%～3.48%，平均值為3.06%；富有機質(zhì)頁巖層系厚度為148.85 m，總含氣量為1.40～19.60 m3/t［31］。此外，國土資源部、華電集團也在湘鄂西鶴峰地區(qū)針大隆組、龍?zhí)督M進行了鉆探評價，取得了頁巖氣評價的各項參數(shù)，見較好氣顯示［32］。四川盆地龍?zhí)督M脆性礦物含量高，但與龍馬溪組相比石英含量偏低，黏土礦物含量偏高。由于地層含煤，砂巖夾層多，地層非均質(zhì)性更強，應單獨作為一種勘探開發(fā)類型，從地質(zhì)評價、成藏機理、工程技術方面加以攻關研究。

2.7 陸相泥頁巖

以四川盆地侏羅系為代表的陸相泥頁巖層系具有分布面積廣、連續(xù)厚度大、主要位于盆地內(nèi)部、保存條件好的特點。但與海相泥頁巖層系相比，其有機碳含量低、黏土礦物含量高、產(chǎn)量低，沒有成功的經(jīng)驗可以借鑒。四川盆地北部元壩地區(qū)是侏羅系自流井組頁巖氣勘探程度較高的地區(qū)，自流井組形成于淺湖—半深湖環(huán)境，暗色泥頁巖厚度較大，有機碳含量較高，有機質(zhì)熱成熟度適中，處于生氣高峰期。泥頁巖礦物成分中石英含量普遍在40%以上，黏土含量在45%以下，泥頁巖含氣量高，具備頁巖氣形成和勘探的基本條件，是頁巖氣勘探的有利層系［1］。通過在四川盆地元壩、涪陵、建南等地區(qū)實施直井、水平井鉆探和試氣，發(fā)現(xiàn)其存在低產(chǎn)井多、穩(wěn)產(chǎn)難的現(xiàn)象，目前條件下不具備實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的條件。但正像陸相生油奠定了中國的石油工業(yè)基礎一樣，廣泛發(fā)育的陸相烴源巖應成為中國頁巖氣的戰(zhàn)略發(fā)展方向，針對黏土含量高、含氣量低、夾層多的特點，可以借鑒巴肯模式，先從泥頁巖層系孔滲條件好、脆性礦物含量高的砂巖、碳酸鹽巖夾層入手，循序漸進，開展前瞻性攻關研究。

表3　Lewis頁巖與龍?zhí)督M頁巖主要評價指標對比（據(jù)文獻［31］修改）

3 中國式頁巖氣的成藏富集主控因素

通過分析中國南方幾套泥頁巖層系發(fā)育和構造特點，較美國海相頁巖層系，中國頁巖層系海相、陸相及海陸過渡相并存。目前勘探程度高、已獲頁巖氣商業(yè)發(fā)現(xiàn)的地區(qū)主要集中在四川盆地及周緣，下面以該區(qū)為例，探討中國式頁巖氣成藏富集主控因素。

中國式頁巖氣的構造特點，前文已作總結(jié)。從勘探實踐來看，在四川盆地外五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)普遍見頁巖氣顯示，有的還試獲低產(chǎn)頁巖氣，并能長期穩(wěn)產(chǎn)，如彭水地區(qū)；有的直井通過取心入水實驗，可見強烈氣泡，如湘鄂西來鳳地區(qū)的來頁1井；有的直井經(jīng)壓裂可以成功點火，如黔東南岑鞏岑頁1井；有的不僅點火成功，還可獲得穩(wěn)定的低產(chǎn)氣流，如渝東南黔江地區(qū)的黔頁1井；在構造復雜的大巴山構造帶鉆探的城地1井也見較好的頁巖氣顯示；貴州六盤水鉆探的一口溫泉井鉆遇石炭系大塘組頁巖層段時，1 700 m處就開始出現(xiàn)井涌，2 100～2 200 m處出現(xiàn)井噴，短期日產(chǎn)可達2×104m3。上述地區(qū)中目前只有彭水地區(qū)實現(xiàn)頁巖氣開采和銷售，彭水區(qū)塊已完鉆頁巖氣水平井4口，通過壓裂改造現(xiàn)已投產(chǎn)3口。自投產(chǎn)以來，3口頁巖氣井已累計產(chǎn)出天然氣1 000×104m3，采用CNG（壓縮天然氣）日供氣能力為2×104m3［33］。因此，在盆地外優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)，均可見頁巖氣顯示。

研究盆地外未試獲高產(chǎn)頁巖氣的制約因素，以彭水地區(qū)為例，對比焦石壩頁巖氣田，其差異表現(xiàn)在：①構造類型，焦石壩為背斜，彭水為向斜。②頁巖分布面積，焦石壩五峰組—龍馬溪組頁巖為大面積分布，而彭水地區(qū)不僅分布面積小，埋深大于1 500 m的面積更小，僅有166 km2。③地層壓力系數(shù)，焦石壩頁巖氣田為超壓，彭水頁巖氣田為常壓。④產(chǎn)量，焦石壩為高產(chǎn)，彭水為低產(chǎn)，彭水試采時的壓力僅有3.7～3.9 MPa，基本與焦石壩JY6-2井產(chǎn)出1.8×108m3頁巖氣之后的壓力相當［7］。

沉積相帶是頁巖氣成藏的基礎，深水沉積發(fā)育是優(yōu)質(zhì)頁巖形成的前提。美國主要盆地頁巖分布廣、埋藏深度適中，有頁巖就有頁巖油氣。但區(qū)別于此，中國南方構造改造強烈，油氣保存條件是頁巖氣能否成藏的一個重要因素。如，河頁1井等多口頁巖氣井鉆遇了龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖，但因斷裂破壞，頁巖氣顯示極弱，地層產(chǎn)淡水；而彭水頁巖氣田所在的桑柘坪向斜雖然面積小，但鉆探證實具備油氣保存條件，地層水礦化度可達40～50 g/L，水型為氯化鈣型。因此，在中國南方并非有優(yōu)質(zhì)頁巖就能形成頁巖氣藏，頁巖氣控藏因素可以概括為“沉積相帶與保存條件”，這是頁巖氣選區(qū)的前提。

頁巖氣成藏且富集高產(chǎn)是實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的前提。關于頁巖氣的富集主控因素，筆者曾作過多次探討［3-7］，均強調(diào)了在現(xiàn)今中國南方頁巖氣保存、分布的構造條件下，構造類型和構造作用過程、方式對頁巖氣富集、保存的控制作用，即構造類型決定富集帶的分布，構造作用控制富集方式（超壓的保持和裂縫發(fā)育方式、部位、強度），頁巖氣的富集（控富）取決于構造類型、構造作用。

因此，中國式頁巖氣的成藏與富集要素包括兩個方面，控藏與控富，即：“沉積相帶與保存條件”控藏，即控制頁巖氣的選區(qū)；“構造類型與構造作用過程”控富，即控制甜點區(qū)（富集帶）的選擇。

4 結(jié)論

本文強調(diào)了中國南方和美國頁巖氣地質(zhì)條件的差異，探討了中國式頁巖氣的7個關鍵地質(zhì)問題，總結(jié)了中國式頁巖氣的成藏和富集主控因素。涪陵、長寧、昭通、威遠等頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)、勘探和開發(fā)，以及對自江蘇到貴州整個南方針對不同層系參數(shù)井、調(diào)查井、評價井的探索，取得了不同的勘探效果，但與美國還存在很大的差距，中國能否像美國那樣實現(xiàn)頁巖氣革命，值得進一步思考。

首先，提出了中國式頁巖氣的成藏和富集主控因素：“沉積相帶與保存條件”控藏——控制頁巖氣的選區(qū)；“構造類型與構造作用過程”控富——控制甜點區(qū)（富集帶）的選擇。美國主要沉積盆地頁巖大面積連續(xù)分布，甜點區(qū)分布面積大。而中國南方，以志留系、寒武系兩套分布最廣的頁巖為例，即使在四川盆地內(nèi)，其分布和保存也常為高陡構造所破壞；在盆地之外，更是為斷裂、褶皺所破壞，“開天窗”及長期暴露地表的現(xiàn)象普遍存在，此類地區(qū)所占比例甚大。因此，此方面可仿效美國，實行政府主導開展基礎研究，形成中國式的頁巖氣選區(qū)、選帶評價標準及理論體系。

其次，由于中國不具備北美地區(qū)大規(guī)?？碧介_發(fā)頁巖氣的地質(zhì)、地理條件，現(xiàn)階段中國頁巖氣只能定位于起步階段。必須通過在典型地區(qū)的摸索，在地質(zhì)理論、評價方法、工程技術方面積累經(jīng)驗取得突破，才能大規(guī)模展開。正如美國水平井鉆探和大規(guī)模多級水力壓裂技術取得突破，才促使了其頁巖氣勘探開發(fā)取得了突飛猛進的發(fā)展。

第三，攻關方向。大約在2004年之前，美國開發(fā)的頁巖氣田主要為常壓、低壓氣田，經(jīng)過10余年的勘探開發(fā)，實現(xiàn)了向更深層（相對）、超壓氣田的轉(zhuǎn)移，從而發(fā)現(xiàn)了更多儲量規(guī)模大、產(chǎn)量高的商業(yè)頁巖氣田。中國從地質(zhì)條件來看，頁巖氣勘探開發(fā)應著重于3個領域：①與美國剛好相反，應從盆內(nèi)超壓區(qū)向盆外常壓區(qū)甚至低壓區(qū)發(fā)展；②四川盆地內(nèi)應從中深層向深層發(fā)展，開展埋深大于4 000 m頁巖層系成藏富集機理，特別是水平井壓裂工藝技術的攻關；③從海相向海陸過渡相、陸相發(fā)展。只有在這3個領域?qū)崿F(xiàn)重大突破，中國的頁巖氣才能真正成為常規(guī)天然氣的重要補充。

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（編輯 魏瑋 王大銳）

Key geological issues and main controls on accumulation and enrichment of Chinese shale gas

GUO Tonglou
（Exploration Company， Sinopec， Chengdu 610041， China）

Abstract：By analyzing geological characteristics of shale gas in Southern China and the United States， main factors controlling the accumulation and key issues in the exploration and development of shale gas in China have been examined.The geological characteristics of shale gas in China include multi-stages of tectonic evolution， complex structure types， abundant faults， small continuous distribution area of shale formations， and no corresponding relationship between current thermal evolution degree and current burial depth of two main sets of shale formations （the Cambrian and Silurian）.According to the analysis of the factors affecting shale gas enrichment such as fracture， tectonic type， shale gas migration， and gas content etc， the enrichment mechanisms of shale gas in China are：“sedimentary facies and preservation condition” are the main reservoir-controlling factors affecting the accumulation of shale gas， and “structure types and tectonism” are the main factors controlling the enrichment of shale gas in China； the former factors define shale gas plays， and the latter ones determine the position of sweet spots.The future research directions of shale gas in China are： firstly， contrary to the shale gas development in the United States， shale gas exploration and development in China should extend from the overpressure to normal pressure， and even low pressure areas； secondly， shale gas exploration in the Sichuan basin should extend from middle-deep to deep formations， studies should be done on the shale gas enrichment mechanism and accumulation models in formations more than 4 000 m deep， and horizontal well fracturing technology for these formations； thirdly， the development of transitional facies and continental facies shale gas should be brought along by drawing on exploration and development experience of marine shale gas.

Key words：shale gas； tectonism； preservation condition； shale gas accumulation； shale gas migration； shale gas enrichment； shale gas play

中圖分類號：TE122

文獻標識碼：A

文章編號：1000-0747（2016）03-0317-10

DOI：10.11698/PED.2016.03.01

基金項目：國家油氣重大專項（2011ZX05005-003）；國土資源部油氣專項（2009GYXQ15-06）；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目（1212011220758）

作者簡介：郭彤樓（1965-），男，江蘇邳州人，博士，中國石化勘探分公司教授級高級工程師，主要從事構造與石油地質(zhì)綜合研究和勘探管理工作。地址：四川省成都市高新區(qū)吉泰路688號，中國石化西南科研辦公基地中國石化勘探分公司，郵政編碼：610041。E-mail： guotl.ktnf@sinopec.com

收稿日期：2015-12-24 修回日期：2016-03-14