馬永生，蔡勛育，趙培榮

（中國(guó)石油化工集團(tuán)公司，北京 100728）

0 引言

以頁巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源成功勘探開發(fā)，是全球油氣工業(yè)理論技術(shù)的又一次創(chuàng)新與跨越。它的意義在于突破了早期石油工業(yè)常規(guī)儲(chǔ)集層下限和傳統(tǒng)的圈閉成藏觀念，并將給石油天然氣地質(zhì)理論賦予新的學(xué)科內(nèi)涵[1-2]；拓展了油氣資源勘探開發(fā)類型與資源量，突破了油氣資源“峰值論”、“枯竭論”；以水平井分段壓裂技術(shù)為代表的新技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用，實(shí)現(xiàn)了油氣工業(yè)技術(shù)的升級(jí)換代[1]。通過頁巖油氣革命，美國(guó)油氣對(duì)外依存度不斷下降，全球能源格局正發(fā)生深刻變化。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)邁向高質(zhì)量發(fā)展，環(huán)保要求不斷提高，對(duì)石油、特別是天然氣的需求快速增長(zhǎng)，頁巖氣勘探開發(fā)對(duì)保障中國(guó)能源安全并改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)中國(guó)油氣工業(yè)科技進(jìn)步具有重要意義。國(guó)家高度重視頁巖氣等非常規(guī)天然氣的開發(fā)利用，并制定了頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)和配套政策。從2009年開始實(shí)質(zhì)性勘探以來，中國(guó)已在上奧陶統(tǒng)五峰組（O3w）—下志留統(tǒng)龍馬溪組（S1l）海相頁巖成功實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)，成為世界上少數(shù)幾個(gè)實(shí)現(xiàn)頁巖氣工業(yè)化開采的國(guó)家之一。本文重點(diǎn)對(duì)近10年來五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)過程中獲得諸多重要地質(zhì)認(rèn)識(shí)、成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)中國(guó)頁巖氣未來發(fā)展提出建議。

1 中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以來，中國(guó)在四川、鄂爾多斯等盆地進(jìn)行常規(guī)油氣勘探開發(fā)過程中，在泥頁巖層系中已發(fā)現(xiàn)天然氣流。1966年，四川盆地威5井下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖測(cè)試獲日產(chǎn)氣2.46×104m3，陽63井在上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖酸化后測(cè)試獲日產(chǎn)氣 3 500 m3[3]。中國(guó)學(xué)者[4-6]在20世紀(jì)80、90年代開始關(guān)注頁巖氣資源。2000年以來，原國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略咨詢中心、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石化）、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石油）等單位在跟蹤美國(guó)頁巖氣地質(zhì)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，從老資料復(fù)查、露頭地質(zhì)調(diào)查等著手，開展中國(guó)頁巖氣地質(zhì)條件和資源潛力評(píng)價(jià)研究。2009年，原國(guó)土資源部啟動(dòng)“中國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁巖氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)選”項(xiàng)目，并在重慶市彭水縣實(shí)施第1口頁巖氣資源調(diào)查井——渝頁1井[3]。2011年原國(guó)土資源部組織開展全國(guó)頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選，并于2012年3月1日對(duì)外公布中國(guó)頁巖氣地質(zhì)資源量為134.42×1012m3，可采資源量為25.08×1012m3。2011年3月中國(guó)工程院開展中國(guó)非常規(guī)天然氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研究，認(rèn)為中國(guó)頁巖氣可采資源量為10.50×1012m3，并提出中國(guó)頁巖氣開發(fā)利用趨勢(shì)與路線圖[7]。

在頁巖氣勘探開發(fā)方面，2009年中國(guó)石油、中國(guó)石化等石油公司開始啟動(dòng)頁巖氣實(shí)質(zhì)性勘探工作。2010年中國(guó)石油在川南威遠(yuǎn)地區(qū)威201井下志留統(tǒng)龍馬溪組直井壓裂獲頁巖氣流[2-3,8]，2012年4月長(zhǎng)寧地區(qū)寧 201-H1井五峰組—龍馬溪組測(cè)試獲日產(chǎn)頁巖氣15×104m3[8-9]，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)頁巖氣勘探與商業(yè)開發(fā)的突破。同年 11月中國(guó)石化在川東南涪陵焦石壩地區(qū)焦頁1HF井五峰組—龍馬溪組測(cè)試獲日產(chǎn)頁巖氣20.3×104m3[10]，2014年提交中國(guó)首個(gè)頁巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量1 067.5×108m3。截至2017年底，涪陵頁巖氣田已累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過6 000×108m3，累計(jì)建成頁巖氣產(chǎn)能100×108m3，頁巖氣年產(chǎn)量達(dá) 60.4×108m3。此外中國(guó)石化在四川盆地威遠(yuǎn)—榮縣、榮昌—永川、丁山等地區(qū)五峰組—龍馬溪組以及井研—犍為地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組相繼取得勘探突破，并在四川盆地涪陵、元壩、建南等地區(qū)侏羅系自流井組、川西須家河組陸相頁巖獲得新發(fā)現(xiàn)[11]。中國(guó)石油在川南的威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通等地區(qū)形成頁巖氣商業(yè)開發(fā)區(qū)[12]，累計(jì)探明頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量超3 000×108m3，2017年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)30×108m3。延長(zhǎng)石油在鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 7段陸相頁巖數(shù)十口頁巖氣井獲頁巖氣流[13]。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局對(duì)中國(guó)南方、華北等地的非油氣勘查區(qū)開展頁巖氣地質(zhì)調(diào)查，在宜昌等地區(qū)的下寒武統(tǒng)、志留系取得新發(fā)現(xiàn)[14]。中國(guó)華能集團(tuán)有限公司、中國(guó)華電集團(tuán)有限公司、神華集團(tuán)有限責(zé)任公司等能源企業(yè)積極參與頁巖氣勘探，取得一定進(jìn)展。截至2016年底，中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)已完成二維地震24 760 km，三維地震4 013 km2，鉆井 1 161口[15]。在四川盆地形成了涪陵、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通 4個(gè)頁巖氣商業(yè)開發(fā)區(qū)，頁巖氣儲(chǔ)量、產(chǎn)量快速增長(zhǎng)。截至2017年底，中國(guó)累計(jì)探明頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量接近1×1012m3。頁巖氣產(chǎn)量從2012年的2 500×104m3，到2017年底超過90×108m3，頁巖氣勘探開發(fā)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

通過勘探開發(fā)實(shí)踐，中國(guó)學(xué)者[10,16-22]先后提出復(fù)雜構(gòu)造區(qū)海相頁巖氣“二元富集”規(guī)律、“構(gòu)造型甜點(diǎn)”和“連續(xù)型甜點(diǎn)區(qū)”頁巖氣富集模式等認(rèn)識(shí)，海相頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)、目標(biāo)優(yōu)選等勘探評(píng)價(jià)技術(shù)體系日趨成熟，初步形成了頁巖氣氣藏描述、產(chǎn)能評(píng)價(jià)、開發(fā)參數(shù)優(yōu)化等相關(guān)開發(fā)技術(shù)；水平井優(yōu)快鉆井、泵送橋塞分簇射孔分段壓裂、同步壓裂、拉鏈?zhǔn)綁毫训燃夹g(shù)工藝日趨成熟，具備了3 500 m以淺海相頁巖氣規(guī)模開發(fā)的技術(shù)能力；形成了山地井工廠作業(yè)模式，大大提高施工效率，與單個(gè)平臺(tái)單口鉆井相比，鉆井、建井周期同比均縮短 30%以上；配套形成了廢渣、廢液和廢氣循環(huán)利用、無害化處理的清潔生產(chǎn)技術(shù)體系。在關(guān)鍵壓裂設(shè)備的研制方面，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3000型壓裂車等，建立了國(guó)產(chǎn)大功率壓裂機(jī)組的研發(fā)、試驗(yàn)、制造體系和應(yīng)用規(guī)范；自主研發(fā)的裸眼封隔器、橋塞等井下壓裂工具，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化批量生產(chǎn)。僅以涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)為例，已經(jīng)形成近百余項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，國(guó)家專利已授權(quán)39項(xiàng)，其中發(fā)明專利12項(xiàng)。中國(guó)在頁巖氣領(lǐng)域取得的科技進(jìn)步得到了全球業(yè)界的高度關(guān)注和認(rèn)可，2014年第五屆世界頁巖油氣峰會(huì)授予中國(guó)企業(yè)“頁巖油氣國(guó)際先鋒獎(jiǎng)”，2018年《涪陵大型海相頁巖氣田高效勘探開發(fā)》項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

2 重要地質(zhì)認(rèn)識(shí)

頁巖氣勘探開發(fā)不同于常規(guī)油氣，需通過水平井分段壓裂，對(duì)富含納米級(jí)孔隙的致密頁巖儲(chǔ)集層進(jìn)行人工改造，以獲得規(guī)模性天然氣。頁巖氣儲(chǔ)集層具有連續(xù)性強(qiáng)、自生自儲(chǔ)等特點(diǎn)。在北美地區(qū)形成了以頁巖品質(zhì)為核心的地質(zhì)評(píng)價(jià)體系，并包含兩個(gè)方面評(píng)價(jià)內(nèi)容：①頁巖的含氣性評(píng)價(jià)參數(shù)，包括頁巖的TOC（總有機(jī)碳含量）、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度、孔隙度、富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度、含氣量等；②由于頁巖氣產(chǎn)量與壓裂改造有著密切關(guān)聯(lián)，可壓裂性評(píng)價(jià)成為頁巖氣地質(zhì)研究中另一個(gè)十分重要的評(píng)價(jià)內(nèi)容。中國(guó)地質(zhì)家們對(duì)頁巖氣的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)不斷發(fā)展的過程。前期學(xué)習(xí)北美經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注頁巖的品質(zhì)評(píng)價(jià)。通過勘探實(shí)踐總結(jié)，認(rèn)為保存條件是中國(guó)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)海相頁巖氣富集的關(guān)鍵因素，并逐步認(rèn)識(shí)到“沉積是基礎(chǔ)，保存是關(guān)鍵，壓裂是核心”。經(jīng)過近 10年的持續(xù)攻關(guān)，以五峰組—龍馬溪組頁巖為代表的海相頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素認(rèn)識(shí)取得了顯著進(jìn)展。

2.1 沉積環(huán)境和沉積過程控制了富有機(jī)質(zhì)頁巖分布

北美和中國(guó)的勘探開發(fā)實(shí)踐表明，海相頁巖氣要獲得單井高產(chǎn)，首先要具備一定連續(xù)厚度的富有機(jī)質(zhì)（TOC值大于2%）頁巖。富有機(jī)質(zhì)頁巖分布規(guī)律是頁巖氣評(píng)價(jià)研究的重要內(nèi)容之一。早期中國(guó)學(xué)者十分重視烴源巖研究，對(duì)烴源巖的分布、發(fā)育規(guī)律等進(jìn)行了大量探索。2008、2009年梁狄剛等[23-24]對(duì)中國(guó)南方古生界海相烴源巖的分布規(guī)律、地球化學(xué)特征，以及海相烴源巖的形成環(huán)境和控制因素進(jìn)行了研究，明確了下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)4套海相烴源巖發(fā)育的7種有利沉積相，將7種有利沉積相綜合歸納為3種模式，并對(duì)烴源巖的TOC、Ro（有機(jī)質(zhì)成熟度）等重要參數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為后期五峰組—龍馬溪組等海相頁巖氣有利區(qū)的確定及涪陵頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)提供了重要參考依據(jù)。

隨著頁巖氣勘探開發(fā)的持續(xù)深入，在樊雋軒、陳旭等[25-27]詳細(xì)劃分筆石帶的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者[28-35]對(duì)五峰組—龍馬溪組開展了詳細(xì)的層序劃分與地層對(duì)比工作。中國(guó)石化生產(chǎn)與研究單位將五峰組—龍馬溪組下段劃分為 9個(gè)小層（見圖 1），TOC值大于2%的富有機(jī)質(zhì)頁巖集中分布在①—⑤號(hào)小層，該套富有機(jī)質(zhì)頁巖層位穩(wěn)定，分布范圍廣。①—③號(hào)小層是勘探開發(fā)實(shí)踐過程中優(yōu)選出的“甜點(diǎn)段”，是一套TOC平均值大于3%的優(yōu)質(zhì)頁巖，屬于晚奧陶世末期、早志留世初期全球海平面快速上升的兩期海侵體系域沉積，形成于局限環(huán)境下的深水陸棚滯留還原環(huán)境。五峰組頂部在局部地區(qū)沉積了觀音橋段薄層介殼灰?guī)r，代表了由于南極區(qū)冰蓋的積聚和擴(kuò)增，全球海平面下降的低水位沉積。五峰組—龍馬溪組底部的兩期海侵體系域沉積，受川中、黔中、宜昌水下隆起等古高地影響，形成了不同的沉積中心（見圖2、圖3）。

2.2 “甜點(diǎn)段”優(yōu)質(zhì)頁巖特征

五峰組—龍馬溪組頁巖氣“甜點(diǎn)段”①—③號(hào)小層與其他小層相比，有以下特征（見圖1）。

2.2.1 高有機(jī)碳含量

①—③號(hào)小層有機(jī)碳含量普遍大于4%，個(gè)別層位有機(jī)碳含量小于2%，平均有機(jī)碳含量值大于3%。對(duì)焦石壩、永川、威遠(yuǎn)等地區(qū)①—③號(hào)小層有機(jī)質(zhì)成分統(tǒng)計(jì)表明，頁巖的有機(jī)質(zhì)顯微組分以浮游藻類、疑源類、細(xì)菌和固體瀝青等非動(dòng)物碎屑有機(jī)質(zhì)為主，占總顯微組分的70%～80%；動(dòng)物碎屑占20%～30%，其中筆石占動(dòng)物碎屑的 90%以上，其余為幾丁蟲等。TOC平均值小于2%的頁巖層，有機(jī)質(zhì)顯微組分以動(dòng)物碎屑類（筆石、幾丁蟲等）為主，占總顯微組分的 47%～76%，非動(dòng)物碎屑有機(jī)質(zhì)占24%～53%[36-37]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究證實(shí)浮游藻類、疑源類和細(xì)菌等含有較多的脂肪族結(jié)構(gòu)，具有較高的生烴潛力[38-40]。

2.2.2 高硅質(zhì)含量

①—③號(hào)小層的硅質(zhì)平均含量高達(dá) 60%左右，頁巖中可見大量順層分布的硅質(zhì)放射蟲及硅質(zhì)海綿骨針，放射蟲含量最高達(dá) 30%。硅質(zhì)放射蟲骨架、硅質(zhì)海綿骨針構(gòu)成的生物成因石英含量占硅質(zhì)含量的67%～90%。其他小層頁巖平均硅質(zhì)含量為 42%～53%，硅質(zhì)成分以碎屑石英為主[17-19]。

2.2.3 高孔隙度

①—③號(hào)小層頁巖的平均孔隙度大于5%，基質(zhì)孔隙直徑平均大于7 nm，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，占總孔隙度的50%以上。對(duì)①小層TOC值為5.89%的黑色硅質(zhì)頁巖CT掃描發(fā)現(xiàn)[41]（見圖4a），儲(chǔ)集空間主要是有機(jī)質(zhì)孔隙，以30 nm的中型納米孔為主，孔隙之間具有較好的連通性，孔隙度為5.06%。

圖1 焦石壩典型井剖面特征圖（測(cè)試分析數(shù)據(jù)均為平均值；GR—自然伽馬；Th/U—自然伽馬能譜釷鈾比；HST—高位體系域；EHST—早期高位體系域；LHST—晚期高位體系域；TST—海侵體系域）

圖2 四川盆地及周緣地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組SQ1海侵體系域優(yōu)質(zhì)頁巖厚度圖

圖3 四川盆地及周緣地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組底部SQ2海侵體系域優(yōu)質(zhì)頁巖厚度圖

TOC平均值小于2%的⑥—⑨小層頁巖，孔隙度小于 4%，平均基質(zhì)孔隙直徑 1.34～2.29 nm。對(duì)⑥小號(hào)層TOC值為1.27%的粉砂質(zhì)頁巖納米CT掃描發(fā)現(xiàn)[41]（見圖4b），儲(chǔ)集空間以無機(jī)質(zhì)孔隙為主，有機(jī)質(zhì)孔隙含量較低，孔隙之間的連通性差，孔隙度值為2.44%。

2.2.4 高含氣量

五峰組—龍馬溪組①—③號(hào)小層平均含氣量大于6 m3/t，含氣飽和度為67%～77%，明顯高于TOC平均值小于2%的頁巖。

“甜點(diǎn)段”①—③號(hào)小層優(yōu)質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量高，有機(jī)質(zhì)組分以具高生烴潛力的富脂肪族結(jié)構(gòu)藻類、疑源類為主，含氣性好，高孔隙度為頁巖氣富集提供了儲(chǔ)集空間，高脆性為壓裂改造奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖4 TOC值為5.89%的黑色硅質(zhì)頁巖（a）及TOC值為1.27%的粉砂質(zhì)頁巖（b）CT掃描照片

2.3 有機(jī)質(zhì)孔隙是頁巖氣富集的重要儲(chǔ)集空間

隨著納米測(cè)試技術(shù)不斷發(fā)展，油氣儲(chǔ)集層研究更加深入細(xì)致，在頁巖有機(jī)質(zhì)中發(fā)現(xiàn)大量納米級(jí)孔隙即有機(jī)質(zhì)孔隙，為認(rèn)識(shí)富有機(jī)質(zhì)頁巖的“源儲(chǔ)一體”特征提供了依據(jù)。

近期五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐表明[42]，頁巖孔隙度的發(fā)育程度與頁巖含氣性以及單井產(chǎn)量密切相關(guān)，是判斷頁巖氣富集高產(chǎn)的重要參數(shù)之一。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者[43-46]根據(jù)孔隙賦存的基質(zhì)類型將頁巖孔隙分為有機(jī)質(zhì)孔、脆性礦物孔、黏土礦物孔。通過對(duì)上述孔隙構(gòu)成、孔隙結(jié)構(gòu)表征的統(tǒng)計(jì)與研究，取得以下認(rèn)識(shí)。

2.3.1 有機(jī)質(zhì)孔隙具有原生、次生兩種類型，次生有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育具有非均質(zhì)性

對(duì)不同類型、不同成熟度頁巖的有機(jī)質(zhì)孔隙研究表明[36-37,47]，有機(jī)質(zhì)孔隙可分為兩種類型：①原始有機(jī)質(zhì)孔隙，屬于生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙，如高等植物纖維結(jié)構(gòu)造成的孔隙、藻類細(xì)胞間的孔隙、動(dòng)物骨骼中蜂巢狀立體結(jié)構(gòu)孔隙等；②有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中形成的次生有機(jī)質(zhì)孔隙，既有發(fā)育在干酪根中的有機(jī)質(zhì)孔，也有大量發(fā)育在固體瀝青中的有機(jī)質(zhì)孔。次生有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育具有非均質(zhì)性，在五峰組—龍馬溪組頁巖中，次生有機(jī)質(zhì)孔隙集中發(fā)育在固體瀝青、富氫脂質(zhì)有機(jī)質(zhì)中。處于干氣演化階段（Ro值為 2.2%～3.06%，均值為2.5%左右）的五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖，在熱演化過程中先后經(jīng)歷了有機(jī)質(zhì)生油、油裂解成氣、干酪根直接生氣、瀝青裂解成氣的復(fù)雜過程，也從微觀角度展現(xiàn)出高演化烴源巖“多元供烴”的特點(diǎn)。

2.3.2 熱演化控制有機(jī)質(zhì)孔隙的形成，有機(jī)質(zhì)物理屬性決定了有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育程度

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[48-54]從實(shí)驗(yàn)?zāi)M的角度對(duì)熱演化過程中有機(jī)質(zhì)孔隙的變化進(jìn)行了大量研究，提出隨著有機(jī)質(zhì)成熟度升高，有機(jī)質(zhì)孔隙開始形成并且先增多再減少的觀點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)對(duì)東部第三系、鄂爾多斯盆地三疊系及四川盆地侏羅系、志留系、寒武系富有機(jī)質(zhì)頁巖的有機(jī)質(zhì)孔隙研究與統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本證實(shí)了上述規(guī)律。多數(shù)學(xué)者[51-56]認(rèn)為Ro值小于 0.7%時(shí)有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育；Ro值達(dá)1.2%左右時(shí)，有機(jī)質(zhì)孔隙開始形成，并隨有機(jī)質(zhì)成熟度增高而增加；當(dāng)Ro值大于2.0%以后，有機(jī)質(zhì)孔隙度值總體呈減小趨勢(shì)。也有學(xué)者[57]研究提出Ro值在2.2%～2.7%時(shí)，存在過成熟二次裂解，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙再度增加，Ro值大于2.7%后孔隙度呈下降趨勢(shì)。針對(duì)中國(guó)南方下寒武統(tǒng)牛蹄塘組高演化下的富有機(jī)質(zhì)頁巖，研究認(rèn)為隨著成熟度增加，有機(jī)質(zhì)發(fā)生炭化，有機(jī)質(zhì)孔隙坍塌或被充填，是導(dǎo)致其孔隙度降低、導(dǎo)電性增強(qiáng)的重要原因之一[55]。

有機(jī)質(zhì)孔隙含量發(fā)生上述變化與有機(jī)質(zhì)本身物理屬性相關(guān)，有機(jī)質(zhì)與石英等脆性礦物相比，密度小、質(zhì)量輕，屬于抗壓性差的塑性物質(zhì)。有機(jī)質(zhì)隨著成熟度的增加，形成有機(jī)質(zhì)孔隙，為油氣提供儲(chǔ)集空間。同時(shí)隨著有機(jī)質(zhì)孔隙不斷增加，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)本身結(jié)構(gòu)更加脆弱，抗壓實(shí)性變差。當(dāng)孔隙內(nèi)充滿氣體時(shí)，地層孔隙流體壓力高，平衡部分上覆巖層壓力，有機(jī)質(zhì)孔隙得以持續(xù)有效保存；當(dāng)有機(jī)質(zhì)孔隙內(nèi)氣體開始散失，孔隙流體壓力降低，有機(jī)質(zhì)孔隙被壓實(shí)坍塌，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔隙減少。由此不難解釋隨著成熟度增加，有機(jī)質(zhì)孔隙先增加后減少、過高有機(jī)質(zhì)含量的頁巖（TOC值大于10%）有機(jī)質(zhì)孔隙反而減少[56]、在保存條件相對(duì)較差地區(qū)有機(jī)質(zhì)孔隙比例相對(duì)較低等現(xiàn)象。上述解釋是否符合實(shí)際規(guī)律，還需長(zhǎng)期觀察與研究。

2.3.3 有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度與頁巖含氣性、單井產(chǎn)量呈正比

圖5 四川盆地涪陵頁巖氣田焦石壩背斜構(gòu)造變形帶劃分圖（據(jù)文獻(xiàn)[58]修改）

研究表明，頁巖孔隙度、孔隙比表面積和孔隙體積對(duì)頁巖含氣性有明顯影響[11-18]。對(duì)涪陵頁巖氣田焦石壩背斜不同構(gòu)造變形區(qū)頁巖的孔隙度、含氣性、單井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)（見圖 5），焦石壩背斜核部Ⅰ類變形帶，頁巖測(cè)井孔隙度大于4.6%，含氣量均大于6 m3/t，單井平均無阻流量大于50×104m3/d。背斜西南部的烏江斷背斜帶（Ⅳ類變形帶），測(cè)井平均孔隙度為2.9%，含氣量5 m3/t，單井平均無阻流量小于10×104m3/d。證實(shí)頁巖孔隙度值高則含氣性好、單井產(chǎn)量高。

有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度與頁巖含氣性、單井產(chǎn)量、可采儲(chǔ)量呈正比關(guān)系。在焦石壩地區(qū)將五峰組—龍馬溪組下段的①—⑨小層分為①—⑤號(hào)和⑥—⑨號(hào)上、下 2個(gè)含氣層，孔隙類型的構(gòu)成由下往上有機(jī)質(zhì)孔隙比例逐步降低，黏土礦物孔隙不斷增加。龍馬溪組下部①—⑤小層含氣層系[57]，平均有機(jī)碳含量為3.39%，平均孔隙度為4.31%～7.80%，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，占總孔隙體積的 50%以上；上部氣層有機(jī)碳含量較低，平均為1.50%，孔隙度為3.38%～5.12%，孔隙類型以無機(jī)質(zhì)孔隙、微裂隙為主，有機(jī)質(zhì)孔隙體積占總孔隙體積的30.4%～35.4%[57]。與下部含氣層開發(fā)井相比，上部含氣層評(píng)價(jià)井測(cè)試初期產(chǎn)量相對(duì)較低，壓力遞減快，單井預(yù)測(cè)可采儲(chǔ)量較下部含氣層系開發(fā)井低。

相同TOC的頁巖儲(chǔ)集層，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度與單井產(chǎn)量呈正比關(guān)系。丁山地區(qū)丁頁 1井為低產(chǎn)井，地層壓力為常壓[59]，與焦石壩超壓區(qū)高產(chǎn)井相比，下部氣層TOC平均值為 3.4%，與焦石壩高產(chǎn)井基本相當(dāng)；平均孔隙度為3.03%，低于焦石壩地區(qū)，孔隙構(gòu)成以無機(jī)質(zhì)孔隙為主，有機(jī)質(zhì)孔隙占總孔隙比例 10%～40%，與焦石壩地區(qū)有機(jī)質(zhì)孔隙占 50%以上相比存在明顯差異。

2.4 保存條件是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素

氣藏壓力系數(shù)是頁巖氣有利區(qū)、有利目標(biāo)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一。北美及中國(guó)頁巖氣的勘探開發(fā)實(shí)踐證實(shí)，頁巖氣高產(chǎn)區(qū)的氣藏壓力系數(shù)通常大于1.2[16-22]。壓力系數(shù)也是保存條件的綜合判別指標(biāo)，壓力系數(shù)表現(xiàn)為超壓，往往意味著良好的保存條件。在沒有鉆井的情況下，依托地球物理技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頁巖氣藏壓力系數(shù)尚處于探索階段，從地質(zhì)角度分析頁巖氣保存條件成為頁巖氣評(píng)價(jià)的重要研究?jī)?nèi)容之一。影響頁巖氣保存條件的地質(zhì)因素較多，主要包括頁巖自身封閉性與頂?shù)装鍡l件、構(gòu)造作用下的改造時(shí)間與改造強(qiáng)度等[16-20,60]，并已取得以下主要認(rèn)識(shí)。

2.4.1 頁巖自身封閉性與頂?shù)装鍡l件

頁巖儲(chǔ)集層具有高孔隙、低滲透性的特征，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，頁巖的巖石物理特性與早期層理控制了裂縫的發(fā)育程度，并對(duì)頁巖儲(chǔ)集性以及頁巖氣的保存產(chǎn)生影響。例如涪陵頁巖氣田的平橋背斜，多口鉆井取心證實(shí)，在構(gòu)造擠壓作用下五峰組發(fā)育裂縫破碎帶，導(dǎo)致其含氣性變差，這與五峰組高脆性、易破碎的巖石物理特性密切相關(guān)。

頁巖頂?shù)装迨侵钢苯优c含氣頁巖接觸的上覆和下伏地層，其與含氣頁巖的接觸關(guān)系以及是否具有高突破壓力對(duì)頁巖氣的保存十分關(guān)鍵。中國(guó)學(xué)者[16-20,22]研究發(fā)現(xiàn)下寒武統(tǒng)底部炭質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量高，但氣測(cè)顯示、含氣量均明顯低于中上部頁巖，這與下寒武統(tǒng)底板為燈影組風(fēng)化殼白云巖，底板不具封蓋性明顯相關(guān)。五峰組—龍馬溪組頂?shù)装宸馍w性好是頁巖氣富集高產(chǎn)的重要原因之一。

2.4.2 構(gòu)造作用

①構(gòu)造深埋作用。隨地層埋深不斷增加，溫度、壓力持續(xù)上升，頁巖黏土礦物發(fā)生脫水作用，與此同時(shí)有機(jī)質(zhì)成熟度增高生成油氣，導(dǎo)致地層超壓[61-62]。超壓有利于有機(jī)質(zhì)孔隙的保存，為頁巖氣富集提供儲(chǔ)集空間，同時(shí)也對(duì)泥頁巖本身、頂?shù)装宓姆忾]性帶來挑戰(zhàn)，如果泥頁巖本身及頂?shù)装逋黄茐毫Φ?，就?huì)造成頁巖氣散失。

②構(gòu)造抬升作用。對(duì)焦頁 2井龍馬溪組泥頁巖三軸應(yīng)力物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M顯示[17,20,58,63]，當(dāng)頁巖埋深從3 000 m抬升至1 000～1 500 m時(shí)，圍壓從50 MPa降低至15 MPa左右，泥頁巖開始由塑性向脆性轉(zhuǎn)變[58,63]，微裂縫開始大規(guī)模開啟，頁巖孔隙度、滲透率得到大幅提高，頁巖儲(chǔ)集性變好，但保存條件變差。在構(gòu)造抬升作用下，頁巖儲(chǔ)集層抬升幅度的大小、抬升作用的期次、抬升作用發(fā)生時(shí)間的早晚以及持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短都會(huì)對(duì)頁巖氣保存條件產(chǎn)生影響。

③斷裂與裂縫作用。在焦石壩地區(qū)，對(duì)距離斷裂不同位置的頂?shù)装鍘r心包裹體分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離斷裂的頂?shù)装鍘r心烴類包裹體很少，而靠近斷裂的頂?shù)装鍘r心裂縫發(fā)育，并發(fā)現(xiàn)大量烴類包裹體，說明斷裂、裂縫對(duì)頁巖封閉性具有破壞作用。與此同時(shí)勘探開發(fā)實(shí)踐表明，斷裂是否開啟對(duì)頁巖氣單井產(chǎn)量的影響十分明顯[60]。焦石壩區(qū)塊是一個(gè)北東走向的箱狀背斜，在背斜西南部發(fā)育的北西向?yàn)踅瓟嗔褞且粭l以志留系為滑脫層多重?cái)D壓推覆的逆沖斷裂，多級(jí)斷裂形成破碎帶溝通地表。水平井鉆至斷裂帶附近表現(xiàn)出井漏、壓力系數(shù)低、單井產(chǎn)量低的情況，斷裂帶對(duì)單井產(chǎn)量影響深度范圍可達(dá)5～6 km。而焦石壩背斜西翼斷層，由于斷裂未溝通地表，封閉性好，斷層兩側(cè)單井產(chǎn)量并未因斷裂而受到影響（見圖 5）。在涪陵二期的平橋背斜，由于背斜東翼斷裂未開啟，甚至出現(xiàn)水平井靠近斷裂獲得高產(chǎn)的情況。

構(gòu)造作用對(duì)頁巖氣富集高產(chǎn)具有兩面性，它既可以改善頁巖儲(chǔ)集性能形成單井高產(chǎn)，同時(shí)也會(huì)破壞頁巖封閉性造成頁巖氣散失。

2.5 頁巖氣屬“人工氣藏”，可壓裂性評(píng)價(jià)是獲得高產(chǎn)的核心

頁巖巖性致密，需要經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得商業(yè)氣流，可壓裂性評(píng)價(jià)是頁巖氣地質(zhì)研究十分重要的內(nèi)容之一。頁巖氣勘探開發(fā)中強(qiáng)調(diào)地質(zhì)工程一體化，核心就是地質(zhì)研究認(rèn)識(shí)與鉆井、壓裂工程設(shè)計(jì)相結(jié)合，以期獲得最佳的工程實(shí)施效果并獲得高產(chǎn)。當(dāng)前中國(guó)可壓裂性研究主要從巖石礦物組成和巖石力學(xué)特征兩方面予以考慮。近期涪陵頁巖氣田開發(fā)實(shí)踐表明，構(gòu)造形態(tài)、地層埋深、早期發(fā)育的裂縫等均對(duì)頁巖壓裂效果產(chǎn)生明顯影響[60,64]。筆者認(rèn)為可壓裂性評(píng)價(jià)研究可包含以下內(nèi)容。

2.5.1 泥頁巖層系可壓裂性評(píng)價(jià)與水平井穿行層位優(yōu)選

焦頁1井獲得發(fā)現(xiàn)后，在開發(fā)試驗(yàn)井組評(píng)價(jià)期間，研究人員通過精細(xì)地層劃分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平井軌跡穿行層位的識(shí)別與精確描述，在此基礎(chǔ)上對(duì)水平井穿行層位與壓裂效果、單井產(chǎn)量等關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同小層在壓裂實(shí)施過程中破裂壓力、壓裂施工砂比敏感性、停泵壓力等均有差異[41-42]。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)水平井穿行某一層位時(shí)，穿行的比例越高，水平井單井產(chǎn)量越高[64-68]。

優(yōu)選水平井穿行層位時(shí)首先要在泥頁巖層系中明確高TOC集中段的縱向分布位置，然后在高TOC頁巖段中，結(jié)合巖性、TOC、泥頁巖含氣性以及巖石力學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)分層，通過實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定壓裂效果最佳、產(chǎn)量最高的層位作為水平井穿行層位。相同頁巖氣開發(fā)層系在不同地區(qū)由于泥頁巖含氣性、巖性發(fā)生變化，水平井穿行層位也會(huì)發(fā)生改變。在涪陵二期的平橋背斜產(chǎn)建區(qū)，由于五峰組裂縫發(fā)育，含氣性發(fā)生變化，水平井穿行層位也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。

2.5.2 精細(xì)構(gòu)造分析與水平井軌跡和壓裂分段的優(yōu)選

勘探開發(fā)實(shí)踐表明[64]，地層埋深、構(gòu)造形態(tài)差異、早期裂縫分布特征以及現(xiàn)今地應(yīng)力方向均會(huì)對(duì)水平井分段壓裂效果帶來影響。構(gòu)造形態(tài)方面，背斜構(gòu)造以張應(yīng)力為主，向斜往往為擠壓應(yīng)力，在向斜區(qū)壓裂施工難度明顯要高于背斜構(gòu)造。在背斜構(gòu)造的核部、轉(zhuǎn)折端、翼部由于承受地應(yīng)力不同，壓裂實(shí)施效果以及單井測(cè)試產(chǎn)量也有差異。

精細(xì)構(gòu)造解釋是水平井軌跡以及壓裂分段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一是要明確現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)方向，確定水平井方位；二是要利用地震資料曲率、相干體、螞蟻體等方法，表征早期裂縫平面發(fā)育特征；三是準(zhǔn)確落實(shí)構(gòu)造埋深和構(gòu)造變化細(xì)節(jié)，結(jié)合裂縫平面發(fā)育情況，設(shè)計(jì)水平井軌跡；四是完成水平井鉆探后，明確水平井軌跡穿行的地層層位，通過測(cè)錄井和地震資料判斷水平井穿過裂縫帶、斷裂位置以及水平井鄰近區(qū)域的斷裂、裂縫分布，與工程人員相結(jié)合形成針對(duì)性分段壓裂設(shè)計(jì)方案。

2.6 納米級(jí)儲(chǔ)集空間與賦存狀態(tài)決定了頁巖氣具有特殊的滲流特征

對(duì)焦頁1井頁巖樣品進(jìn)行壓汞-液氮吸附聯(lián)合測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)頁巖儲(chǔ)集層的納米級(jí)孔隙以微納米孔和中納米孔為主，大納米孔相對(duì)不發(fā)育，孔徑多小于20 nm。頁巖氣的賦存狀態(tài)具有多種形式，包括游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)，游離氣和吸附氣的比例為6∶4。與常規(guī)天然氣井生產(chǎn)特征符合達(dá)西滲流規(guī)律、壓力與累計(jì)產(chǎn)量呈線性關(guān)系不同，頁巖氣井的生產(chǎn)特征具有壓力與累計(jì)產(chǎn)量在高壓時(shí)呈線性關(guān)系、低壓時(shí)呈非線性關(guān)系的特點(diǎn)?？傮w而言存在以下流動(dòng)過程：吸附氣從有機(jī)質(zhì)表面解吸附（符合 Langmuir等溫吸附模型）；解吸氣進(jìn)入孔隙，基質(zhì)孔隙中氣體擴(kuò)散流、滑脫流進(jìn)入裂縫體系（符合擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、Knudsen方程）；裂縫內(nèi)氣體進(jìn)入井筒（符合達(dá)西滲流方程）。在涪陵頁巖氣田溫度壓力條件下（82 ℃、37.7 MPa），大于100 nm的孔縫中以達(dá)西流為主，20～100 nm的孔中以滑脫流為主，1～20 nm孔中為滑脫流及過渡流，低壓下小于1 nm的孔中以擴(kuò)散為主。

3 中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐的啟示

3.1 要重視中國(guó)頁巖氣地質(zhì)條件的特殊性

與北美地區(qū)廣泛分布的海相頁巖氣相比，中國(guó)發(fā)育海相、海陸過渡相、陸相多類型泥頁巖，其地質(zhì)條件有以下的特殊性。

3.1.1 海相頁巖氣

以五峰組—龍馬溪組和筇竹寺組為例，兩套層系的富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積環(huán)境、厚度、巖性、礦物組合特征、有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)類型等靜態(tài)指標(biāo)，均與北美地區(qū)海相頁巖類似。

北美地區(qū)的海相頁巖形成于具有大型穩(wěn)定基底的克拉通盆地或前陸盆地，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單。中國(guó)是由中朝、揚(yáng)子、塔里木等多個(gè)小陸塊和造山帶構(gòu)成的復(fù)合型大陸，具有基底穩(wěn)定性差、構(gòu)造活動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。以四川盆地為例，下部屬于古生代克拉通盆地，上部疊合了中新生代前陸盆地。寒武系、志留系兩套頁巖層系經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山、喜馬拉雅多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造。在燕山運(yùn)動(dòng)晚期，兩套頁巖層系經(jīng)歷了6 000～10 000 m深埋，此后又經(jīng)歷燕山、喜馬拉雅期的擠壓抬升作用，導(dǎo)致海相頁巖氣在地質(zhì)條件上有以下兩個(gè)方面與北美地區(qū)存在明顯差異。

①高熱演化程度。北美地區(qū)海相頁巖熱演化程度與現(xiàn)今盆地的埋深趨勢(shì)基本一致，由淺到深，熱演化程度由未成熟到高、過成熟，頁巖層系由淺至深相繼分布油、凝析油、濕氣、干氣，這是北美頁巖氣盆地的普遍現(xiàn)象。在北美地區(qū)，頁巖熱演化研究以及不同熱演化程度的分布區(qū)識(shí)別是北美頁巖油氣研究的重要方向之一。在四川盆地，寒武系、志留系頁巖層系均處干氣演化階段，現(xiàn)今熱演化程度與當(dāng)前埋深沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。五峰組—龍馬溪組頁巖的Ro值為1.5%～3.5%，平均為2.5%。筇竹寺組在四川、南方等地區(qū)Ro平均值為3.5%，在川中隆起等古隆起及周緣地區(qū)，熱演化程度相對(duì)較低，Ro值為2.0%～2.5%。

②頁巖氣富集的強(qiáng)非均質(zhì)性。北美頁巖氣盆地構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，頁巖氣有利區(qū)連續(xù)分布。中國(guó)以四川盆地五峰組—龍馬溪組為例，在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，富有機(jī)質(zhì)頁巖被不同方向、不同期次斷裂、褶皺疊加改造，被分割成多個(gè)構(gòu)造塊體。構(gòu)造塊體之間，由于裂縫發(fā)育程度、斷裂性質(zhì)、構(gòu)造埋藏史以及現(xiàn)今埋深等差異性，導(dǎo)致五峰組—龍馬溪組頁巖的含氣性、壓力系數(shù)以及壓裂后單井產(chǎn)量表現(xiàn)出明顯不同。在四川盆地外的黔北地區(qū)，背斜區(qū)五峰組—龍馬溪組已暴露地表，頁巖氣主要賦存于孤立分布的向斜區(qū)內(nèi)，地層壓力為常壓，單井產(chǎn)量低；在盆地內(nèi)以涪陵頁巖氣田的焦石壩背斜為例，優(yōu)質(zhì)頁巖品質(zhì)穩(wěn)定，但是受斷裂等構(gòu)造作用影響，頁巖含氣性和單井產(chǎn)量表現(xiàn)出明顯的分區(qū)性[60]（見圖5）。

3.1.2 海陸過渡相、陸相頁巖氣

中國(guó)的石油工業(yè)是從陸相起步的，廣泛發(fā)育的陸相、海陸過渡相烴源巖在中國(guó)前期開展的頁巖氣研究評(píng)價(jià)中一度成為關(guān)注的重點(diǎn)方向之一。通過在鄂爾多斯盆地東部和四川盆地元壩、涪陵、建南等地區(qū)實(shí)施直井、水平井鉆探和試氣，存在低產(chǎn)井多、穩(wěn)產(chǎn)難的情況。陸相、海陸過渡相頁巖與北美海相頁巖相比，主要是頁巖品質(zhì)存在差異。

海陸過渡相頁巖常與煤層以及砂巖互層，富有機(jī)質(zhì)頁巖單層厚度薄、橫向變化快。海陸過渡相與煤系頁巖有機(jī)質(zhì)類型以混合型—腐殖型為主。脆性礦物含量較高，但黏土礦物中水敏性礦物占比較大。以川西三疊系須家河組須五段為例，石英占33.2%～52.9%，長(zhǎng)石占 3.0%～20.0%，水敏礦物伊蒙混層占黏土礦物含量的12.7%～22.0%，高嶺石占11.0%～38.0%。

陸相頁巖主要分布在中國(guó)東部中新生界盆地的湖相沉積中，熱演化程度低，主體處于生油階段，盆地中心或埋深較大地區(qū)進(jìn)入生氣階段。例如渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷處于生氣階段的古近系富有機(jī)質(zhì)頁巖埋深多超過 4 000 m。陸相泥頁巖韻律性強(qiáng)，巖性變化快，TOC值往往與黏土礦物含量呈正比，與海陸過渡相頁巖類似，黏土礦物中伊蒙混層含量高，具有很強(qiáng)的水敏性。

由于陸相、海陸過渡相頁巖水敏性礦物含量較高，采用大規(guī)模水力壓裂實(shí)施效果往往不理想，需要攻關(guān)探索形成適應(yīng)性好的工程工藝新技術(shù)和配套裝備體系。

3.2 要重視地質(zhì)、工程、經(jīng)濟(jì)一體化評(píng)價(jià)

經(jīng)過近10年以來的勘探開發(fā)實(shí)踐，中國(guó)學(xué)者對(duì)頁巖氣尤其是海相頁巖氣的認(rèn)識(shí)不斷深化。有機(jī)質(zhì)在熱演化作用下達(dá)到一定成熟度開始生烴并形成納米—微米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔隙，為生成的甲烷分子提供儲(chǔ)集空間，得益于頁巖高孔隙度、低滲透率特性，頁巖氣具有生儲(chǔ)蓋一體的特點(diǎn)。在后期構(gòu)造改造特別是抬升作用下，頁巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，巖石微裂縫增加滲透性得到改善，此時(shí)頁巖氣遵循基本石油天然氣地質(zhì)規(guī)律，納米孔隙中的甲烷分子開始運(yùn)移、調(diào)整、最終散失，在構(gòu)造的擠壓、拉張、抬升、深埋、斷裂等作用下，導(dǎo)致頁巖氣后期富集存在明顯非均質(zhì)性。頁巖氣藏是“人工氣藏”，是通過大型壓裂獲得商業(yè)產(chǎn)量，壓裂改造效果決定了單井產(chǎn)量。同時(shí)頁巖氣屬于邊際效益氣藏，施工成本與單井產(chǎn)量之間如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，是頁巖氣實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵。在中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)過程中，逐步形成了“地質(zhì)甜點(diǎn)”、“工程甜點(diǎn)”、“經(jīng)濟(jì)甜點(diǎn)”一體化評(píng)價(jià)方法與思路。

3.2.1 “地質(zhì)甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)

“地質(zhì)甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)的目的是要明確頁巖氣最富集的空間分布范圍。通過沉積相、有機(jī)地球化學(xué)研究，明確頁巖地層TOC、礦物組成、孔隙度等縱向變化規(guī)律，優(yōu)選出具一定連續(xù)厚度、高TOC、高孔隙度、高含氣量的富有機(jī)質(zhì)頁巖集中段作為“地質(zhì)甜點(diǎn)段”。同時(shí)，根據(jù)“地質(zhì)甜點(diǎn)段”在平面的品質(zhì)、厚度的變化，結(jié)合保存條件評(píng)價(jià)，優(yōu)選厚度大、品質(zhì)好、保存條件優(yōu)的地區(qū)作為頁巖氣的“地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)”。

3.2.2 “工程甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)

“工程甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)目的是在“地質(zhì)甜點(diǎn)段”、“地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)”中，優(yōu)選出最利于水平井分段壓裂施工的層位和平面位置，以期獲得最佳壓裂效果，實(shí)現(xiàn)頁巖氣單井產(chǎn)量最大。一是在頁巖氣“地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)”中，結(jié)合工程實(shí)施能力，優(yōu)選出適宜壓裂施工的有利區(qū)域；二是在“地質(zhì)甜點(diǎn)段”中開展可壓裂性評(píng)價(jià)，優(yōu)選出壓裂效果最佳的水平井穿行層位；三是根據(jù)現(xiàn)今應(yīng)力方向、構(gòu)造精細(xì)解釋與裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果，優(yōu)選水平井方向、水平段長(zhǎng)度以及水平井軌跡控制點(diǎn)；四是在水平井完鉆后，在明確水平井穿行層位的基礎(chǔ)上，結(jié)合水平段的可壓裂性認(rèn)識(shí)，確定最佳的壓裂分段位置、各段壓裂的具體施工參數(shù)。

3.2.3 “經(jīng)濟(jì)甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)

“經(jīng)濟(jì)甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)目的是在頁巖氣獲得勘探發(fā)現(xiàn)后，通過對(duì)工程施工參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，明確開發(fā)技術(shù)政策，實(shí)現(xiàn)頁巖氣開發(fā)效益最大化。理論上，相同地質(zhì)條件下水平段長(zhǎng)度、壓裂規(guī)模與單井產(chǎn)量呈正比關(guān)系。實(shí)際上，受制于工程施工能力，加長(zhǎng)水平段、加大壓裂規(guī)模等，存在施工難度加大、工程成本上升等問題。需要通過不同水平段長(zhǎng)度、不同壓裂規(guī)模的工程成本與單井產(chǎn)能之間的比較分析，獲取最佳開發(fā)技術(shù)政策（見圖6）。在焦石壩地區(qū)，對(duì)1 000，1 500，2 000 m水平段的單井試驗(yàn)表明，1 500 m水平段單井產(chǎn)能明顯高于1 000 m水平段；2 000 m水平段受制于當(dāng)時(shí)的工程施工能力，工程成本大幅上升，同時(shí)由于完井質(zhì)量下降，單井產(chǎn)能甚至低于1 500 m水平段，因此該地區(qū)最終確定開發(fā)井水平段長(zhǎng)度為 1 500 m。同樣，通過對(duì)單段壓裂液量、加砂量與單井產(chǎn)能關(guān)系統(tǒng)計(jì)，可找到液量、加砂量與單井產(chǎn)能的最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 工程施工規(guī)模與單井產(chǎn)能、施工成本關(guān)系示意圖

頁巖氣勘探開發(fā)過程中多學(xué)科、多專業(yè)配合研究，地質(zhì)工程經(jīng)濟(jì)一體化評(píng)價(jià)，勘探開發(fā)一體化實(shí)施是頁巖氣成功實(shí)踐的關(guān)鍵。

3.3 中國(guó)頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與思考

3.3.1 資源前景大，面臨挑戰(zhàn)多

原國(guó)土資源部等部門對(duì)中國(guó)頁巖氣資源開展多輪評(píng)價(jià)，認(rèn)為中國(guó)頁巖氣可采資源量為（10～32）×1012m3，海相頁巖氣資源認(rèn)識(shí)相對(duì)統(tǒng)一，可采資源量為（8.2～13.0）×1012m3，海陸過渡相、陸相頁巖氣可采資源認(rèn)識(shí)存在較大差異。雖然學(xué)者們對(duì)中國(guó)頁巖氣資源規(guī)模有不同認(rèn)識(shí)，但頁巖氣可采資源量豐富是基本共識(shí)。

經(jīng)過近10年努力，中國(guó)頁巖氣產(chǎn)業(yè)取得了良好開局，在四川盆地五峰組—龍馬溪組3 500 m以淺的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)模商業(yè)開發(fā)。頁巖氣要實(shí)現(xiàn)規(guī)?？焖侔l(fā)展，仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。中國(guó)海相頁巖普遍時(shí)代較老，在四川、塔里木等含油氣盆地內(nèi)海相頁巖氣有利區(qū)主要分布在3 500 m以深區(qū)域。中國(guó)南方海相富有機(jī)質(zhì)頁巖分布廣泛，但受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，頁巖氣有利區(qū)的地層壓力為常壓，保存條件差。以五峰組—龍馬溪組頁巖為例，在四川盆地內(nèi)，3 500 m以淺有利區(qū)面積超過3 500 km2，資源量2.6×1012m3左右；3 500～4 500 m埋深有利區(qū)面積超過 2×104km2，資源量超過 10×1012m3[68-69]。此外四川盆地外的黔北等殘留向斜有利區(qū)還有（2～8）×1012m3的頁巖氣資源。深層、常壓區(qū)海相頁巖氣資源在現(xiàn)有工程技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。寒武系、二疊系等其他海相層系以及陸相、海陸過渡相頁巖氣，單井雖獲頁巖氣流發(fā)現(xiàn)，但并未實(shí)現(xiàn)真正意義的商業(yè)突破。頁巖氣開發(fā)時(shí)間短，頁巖氣井生產(chǎn)規(guī)律、開發(fā)技術(shù)和政策有待探索。在中國(guó)，67%的頁巖氣資源有利區(qū)位于丘陵與山地，生態(tài)脆弱，環(huán)保要求高，天然氣管網(wǎng)缺乏，對(duì)頁巖氣效益開發(fā)提出了更高要求。

3.3.2 頁巖氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

①加大基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)頁巖氣地質(zhì)理論體系的新突破。沉積研究方面，龍馬溪組—五峰組富有機(jī)質(zhì)頁巖分布規(guī)律認(rèn)識(shí)有較大進(jìn)展，寒武系等其他海相層系以及海陸過渡相、陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖分布規(guī)律研究有待進(jìn)一步深化；頁巖儲(chǔ)集機(jī)理研究方面，已在熱演化條件下有機(jī)質(zhì)孔隙的變化、頁巖氣富集與有機(jī)質(zhì)孔隙關(guān)系等方面取得初步認(rèn)識(shí)，但目前認(rèn)識(shí)結(jié)論主要通過觀察、統(tǒng)計(jì)得出，內(nèi)在機(jī)理研究有待深化；頁巖氣富集規(guī)律研究方面，深層、常壓區(qū)海相頁巖氣富集規(guī)律與陸相、海陸過渡相頁巖氣富集規(guī)律有待進(jìn)一步探索；泥頁巖可壓裂性研究是當(dāng)前頁巖氣地質(zhì)、工程基礎(chǔ)研究的薄弱點(diǎn)，需要地質(zhì)與工程相關(guān)學(xué)科結(jié)合，建立系統(tǒng)學(xué)科研究方向；頁巖氣的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)研究需要建立系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系與標(biāo)準(zhǔn)。

②強(qiáng)化勘探實(shí)踐，形成多層系全方位新發(fā)現(xiàn)。在持續(xù)加強(qiáng)四川盆地志留系勘探的同時(shí)，要突破寒武系、二疊系等新層系。近期在長(zhǎng)寧—綿陽拉張槽西緣[70-71]的井研—犍為地區(qū)，金石1井、金頁1井鉆探證實(shí)[72]長(zhǎng)寧—綿陽拉張槽是下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的有利區(qū)。金頁 1井在下寒武統(tǒng)筇竹寺組測(cè)試獲日產(chǎn)氣6×104m3左右，展現(xiàn)了良好的勘探前景。二疊系近期已經(jīng)基本落實(shí)兩個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育區(qū)，東頁深 1井取心發(fā)現(xiàn)含氣性較好的暗色泥頁巖。通過系統(tǒng)研究明確“甜點(diǎn)段”與水平井穿行層位，有望實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層系的新突破。與此同時(shí)，加大宜昌、桂中等地區(qū)基礎(chǔ)研究，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)海相頁巖氣新區(qū)突破。海陸過渡相、陸相頁巖氣已在四川盆地侏羅系自流井組大安寨段和東岳廟段、鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組與石炭系山西組、東北地區(qū)梨樹凹陷下白堊統(tǒng)營(yíng)城組等發(fā)現(xiàn)頁巖氣流，可借鑒海相頁巖氣勘探思路，加強(qiáng)研究攻關(guān)，明確頁巖、泥灰?guī)r、煤層等多類型儲(chǔ)集層“甜點(diǎn)段”、“甜點(diǎn)區(qū)”。

③研究開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律，建立頁巖氣開發(fā)新模式。中國(guó)頁巖氣開發(fā)時(shí)間短，要加強(qiáng)生產(chǎn)井的動(dòng)態(tài)分析，研究生產(chǎn)基本規(guī)律，探索建立不同類型頁巖、不同壓力系數(shù)條件下的開發(fā)生產(chǎn)制度。根據(jù)頁巖氣通過壓裂人工改造才能形成工業(yè)氣流的特點(diǎn)，探索“人工氣藏”開發(fā)新模式。借鑒北美地區(qū)利用單一井場(chǎng)多層系立體開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，探索五峰組—龍馬溪組上、下氣層立體開發(fā)和四川盆地寒武系、志留系、二疊系、侏羅系多層系頁巖氣立體開發(fā)模式。

④創(chuàng)新思維，攻關(guān)新技術(shù)。地球物理技術(shù)方面，加強(qiáng)地層壓力預(yù)測(cè)、裂縫預(yù)測(cè)、斷裂封堵性分析、高TOC頁巖識(shí)別等“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)技術(shù)攻關(guān)。重點(diǎn)開展海相頁巖氣深層壓裂技術(shù)、常壓區(qū)低成本壓裂技術(shù)攻關(guān)。針對(duì)陸相、海陸過渡相頁巖黏土含量高、水敏性強(qiáng)等難點(diǎn)，要開展超臨界二氧化碳等新型壓裂技術(shù)及配套裝備的攻關(guān)。要加快發(fā)展信息、數(shù)字技術(shù)。國(guó)外學(xué)者研究認(rèn)為，有效利用信息、數(shù)字技術(shù)可以大幅提高生產(chǎn)效率，并幫助油氣工業(yè)降低 20%左右的資本支出，將上游經(jīng)營(yíng)成本降低3%～5%。同時(shí)要緊緊跟蹤納米、石墨烯、量子、人工智能等前沿技術(shù)，創(chuàng)新思維，發(fā)展顛覆性新技術(shù)。

⑤探索管理創(chuàng)新，形成頁巖氣發(fā)展新機(jī)制。石油公司在利用新技術(shù)提高效率、降低成本的同時(shí)，要加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)管理流程優(yōu)化；要充分利用市場(chǎng)機(jī)制，加強(qiáng)承包商、供應(yīng)鏈管理，通過加強(qiáng)管理，實(shí)現(xiàn)全要素降低成本。在國(guó)家層面探索形成多種投資主體合作開發(fā)機(jī)制、成果經(jīng)驗(yàn)共享的交流機(jī)制、鼓勵(lì)新技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用機(jī)制、安全環(huán)保管理與監(jiān)督機(jī)制等為頁巖氣產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展創(chuàng)造良好環(huán)境。

4 結(jié)論

從2009年開始實(shí)質(zhì)性勘探以來，中國(guó)已在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖成功實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)，成為世界上少數(shù)幾個(gè)實(shí)現(xiàn)頁巖氣工業(yè)化開采的國(guó)家之一。

經(jīng)過近10年的持續(xù)攻關(guān)，以五峰組—龍馬溪組頁巖為代表的海相頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素認(rèn)識(shí)取得顯著進(jìn)展，可總結(jié)為以下幾個(gè)方面：沉積環(huán)境和沉積過程控制了富有機(jī)質(zhì)頁巖分布，“甜點(diǎn)段”優(yōu)質(zhì)頁巖具備高有機(jī)碳含量、高脆性、高孔隙度、高含氣性的特征，有機(jī)質(zhì)孔隙是頁巖氣富集的重要儲(chǔ)集空間，保存條件是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素，頁巖氣屬“人工氣藏”，可壓裂性評(píng)價(jià)是獲得高產(chǎn)的核心，納米級(jí)儲(chǔ)集空間與賦存狀態(tài)決定了頁巖氣具有特殊的滲流特征。

頁巖氣勘探開發(fā)過程中多學(xué)科、多專業(yè)配合研究，地質(zhì)工程經(jīng)濟(jì)一體化評(píng)價(jià)，勘探開發(fā)一體化實(shí)施是頁巖氣成功實(shí)踐的關(guān)鍵。

中國(guó)頁巖氣資源前景大，但面臨挑戰(zhàn)多。為實(shí)現(xiàn)中國(guó)頁巖氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，提出以下建議：①加大基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)頁巖氣地質(zhì)理論體系的新突破；②強(qiáng)化勘探實(shí)踐，形成多層系全方位新發(fā)現(xiàn)；③研究開發(fā)生產(chǎn)規(guī)律，建立頁巖氣開發(fā)新模式；④創(chuàng)新思維，攻關(guān)新技術(shù)；⑤探索管理創(chuàng)新，形成頁巖氣發(fā)展新機(jī)制。

致謝：感謝胡宗全、馮動(dòng)軍、易積正、王烽、鄧尚等在研究過程中給予的幫助。