中国页岩气资源勘探潜力.doc
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1、新 能 源 天 然 气 工 业 2008 年 6 月 中国页岩气资源勘探潜力 张金川 徐 波 聂海宽 汪宗余 林 拓 ( 中国地质大学海相储层 演化与油气富集机理教育部重点实验室 北京 ) 张金川等 . 中国页岩气资源勘探潜力 . 天然气工业 , 2008, 28( 6) : 136 140. 摘 要 页岩气是以吸附和游离状态同时存在于泥 页岩地 层中的 天然气 , 它分 别在天 然气的 成因机 理 、 赋 存 相态 、 成藏聚集机理 、 分布 变化特点及其与其他类型气 藏关系 之间存在 广泛的 变化性 。 由于页岩 气成藏 边界条 件 可有适度地放宽且变化较大 , 各成藏地质要素之 间具有
2、明显的互 补性 。 基 于地质 、 测井 、 地 震等方 法和手段 , 可 对 页岩 气进行快速识别 。 研究表明 , 中国存在页岩气大量发育的区域 地质条件 , 初步计 算中国页 岩气资源量 约为 ( 15 30) 10 m 。 平面上以中国南方和西北 地区最为有利 ( 也 包括鄂尔 多斯盆地 及其周 缘 ) , 剖面 上以古 生界资 源 量为最大 , 中生界位居其次 。 主题词 中国 页岩气 地质特征 有利区 分布 资源量 潜力 一 、 页岩气地质特征 nett Shale) 至 85% ( L ew is Shale) 6 。吸附机理增强 页岩气是以吸附和游离状态同时存在于泥页岩 地层中
3、的天然气 。据近年来的国外页 岩气研究 统计 , 页岩中 的吸附 气量和 游离 气量大 约各占 50% 。 ( 1) 页岩中的天然气成因具有多样性机理 , 包括 了生物气、未熟 ! 低熟气、成熟气、高 ! 过成熟气等 , 也包括了如二次生气、生物再作用气以及沥青生气 等复杂成因机理 , 覆盖了几乎所有可能的有机生气 作用机理 ( 在阿巴拉契亚、福特沃斯、密执安、伊利诺 斯、圣胡安等盆 地中均可找到对应实例 ) 。成因 多样性特点延伸了页岩气的成藏边界 , 扩大了页岩 气的成藏与分布范围 , 使通常意义上的非油气勘探 有利区带成为了需要重新审 视并有可能获得工业性 油气勘探突破的重要对象。 (
4、2) 页岩中的天然气赋存相态具有多样性变化 特点 , 主体上包括了游离态 ( 大量存在于页岩孔隙和 裂缝中 ) 、吸附态 ( 大量存在于黏土矿物颗粒、有机质 颗粒、干酪根颗粒及孔隙表面上 ) 及溶解态 ( 少量存 在于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中 ) , 包含 了天然气存在的几乎所有可能相态。其中 , 吸附相 态存在的天然气可占天然气赋存总量的 20% ( Bar 了天然气存在的稳定性 , 提高了页岩气的保存能力 及抗破坏能力 , 但同时也导致了页岩气具有产量低、 周期长 ( 可稳产 30 a, 递减率小于 5% ) 的开发生产特 点 。 ( 3) 与其他聚集类型天然气藏相比 ( 表
5、1) , 页岩 中的天然气具有成藏机理多样性特点 , 天然气就近 聚集 , 成藏机理复杂 , 吸附、溶解、活 塞式推进、置换 式运移均有不同程度发生 , 但页岩内聚集的天然气 仅发生了初次运移 ( 页岩内 ) 及非常有限的二次运移 ( 砂质岩类夹层内 ) 。因此 , 页岩既是烃源岩又是储 层 , 具有典型的过渡性成藏机理及 自生、自储、自封 闭 #成藏 模式 , 这一原地性成藏特点弱化了天然 气二次运移的影响 , 简化了页岩气勘探的研究方法 和过程。 ( 4) 页岩气分布具有地质影响因素多样性特点 , 其分布的变化特点受生气作用、吸附特点及赋存条 件等多因素影响 , 如构造背景与沉积条件、泥页
6、岩厚 度与体积、有机质类型与丰度、热历史与有机质成熟 度、孔隙度与渗透率、断裂与裂缝以及构造运动与现 今埋藏深度等因素 , 它们均是影响页岩气分布并决 定其是否具有工业勘探开发价值的重要因素。这一 影响因素多样性导致页岩气勘探具有隐蔽性特点。 * 本文为国家自然科学基金 ( 编号 : 40672087、 40472073) 和 公益项目 ( 编号 : 200811041) 的部 分研究 成果。本文 作者还 有 中国地质大学 ( 北京 ) 的姜生玲、宋晓微、张琴、王广源、张培先。 作者简介 : 张金川 , 1964 年生 , 教授 , 博士生导师 ; 现从事 非常规油气、成藏机 理、资源评 价及
7、盆地 流体等 方面的 教学与 研 究工作。地址 : ( 100083) 北京市学院路中国地质大学能源学院。电话 : ( 010) 82320848。 E mail: zhangjc cugb. edu. cn 136 * 12 3 1 5 6 8 6 9 6, 8, 10 第 28 卷第 6 期 天 然 气 工 业 新 能 源 特 点 煤层气 表 1 页岩气 典型聚集类型天然 气藏基本特点表 根缘气 / 深盆 气 常规储层气 水溶气 天然气水合物 / 地压气 界 定 主要 以 吸 附 状 态 聚集 于 煤 系 地 层 中的天然气 主 要 以 吸 附 和 游 离状态 聚集于 泥 / 页 岩 系
8、中 的 天 然气 不受 或 部 分 不 受 浮力作用 控制、游 离相 聚 集 于 致 密 储层中的天然气 浮力作用影响 下 , 聚集 于 储 层 顶 部 的天然气 地 层 水中 具 有 工 业 勘 探开 发 规 模 的天然气 以笼 状 结 构 存 在 且具 有 似 冰 状 特 点的固态天然气 天然气来源 生物气或热成熟气 生物气或热成熟气 热成熟气为主 多样化 生物气或热成熟气 多样化 储集介质 天然气赋存 成藏主要 动力 成藏机理特点 成藏条件 运聚特点 成藏条件和 特点 主控地质 因素 成藏时间 分布特点 成藏及 勘探有利区 煤层 及 其 中 的 碎 屑岩夹层 85% 以上 为吸附 , 其
9、余 为 游 离 和 水 溶 分子 间 吸 附 作 用 力等 吸附平衡 生气煤岩、形 成工 业聚 集 的 其 他 条 件 初次运移成藏 自生自储 煤阶、成 分、埋 深 等 煤成 气 开 始 生 成 之后 具有 生 气 能 力 的 煤岩内部 3 000 m 以浅的煤 岩成熟区、高渗带 页 / 泥 岩及其间 的 砂质岩夹层 20% 85% 为 吸 附 , 其余 为游 离 和 水溶 分子间 作用力、生 气膨胀 力、毛细 管 力等 吸附平 衡、游离 平 衡 生 气 页 / 泥 岩、裂 缝 等 工 业 规 模 聚 气条件 初 次 运 移 为 主 成 藏 自生自储 成 分、成 熟 度、裂 缝等 天 然 气
10、开 始 生 成 之后 盆 地 古 沉 降 ! 沉 积中心及斜坡 4 000 m 以浅的页 岩裂缝带 致密 储 层 及 其 间 的泥、煤质夹层 吸 附 气 量 小 于 20% 、砂岩 底部含 气、气水倒置 生气膨胀 力、毛细 管 力、静 水 压 力、 水动力等 生气 膨 胀 力 与 阻 力平衡 直接 上 覆 于 生 气 源岩 之 上 的 致 密 储层 初 次 ! 二 次 运 移 成藏 致密储层与烃源岩 大面积直接接触 气 源、储 层、源 储 关系等 致密 储 层 形 成 和 天然 气 大 量 生 成 之后 盆地斜坡、构造深 部位及向斜中心 紧邻 烃 源 岩 储 层 中的 甜点 # 孔隙性砂岩、裂
11、 缝 性碳酸盐岩等 各种 圈 闭 的 顶 部 高点 , 不考虑吸 附 影响因素 浮力、毛 细 管 力、 水动力等 浮力 与 毛 细 管 力 平衡 输导体系、圈闭等 二次运移成藏 运移 路 径 上 的 圈 闭 气源、输 导、圈 闭 等 圈闭 形 成 和 天 然 气开始运移之后 构造 较 高 部 位 的 多种圈闭 正向 构 造 ( 圈 闭 ) 的高部位 常 规 储层 中 的 地 层水 充 填 或水 合 于 地 层水中 分 子 间充 填 及 水 合作用力等 溶解平衡 区域封闭 性、滞留 的地层水、温压条 件 以 二 次运 移 成 藏 为主 邻 近 烃源 岩 的 压 力封闭区域 温 度、压 力、气 源
12、 等 天 然 气开 始 运 移 和 封 闭环 境 形 成 后 烃 源 岩与 区 域 盖 层间的封闭 区 运 移 方向 上 的 高 异常压力区 相对高压、低 温环 境中的地层水 笼状 封 存 于 水 分 子之间 分子 间 充 填 及 水 合作用力等 温压关系 及其平衡 相对 的 高 压 低 温 环境、天然气来源 二次运移成藏 逸散 通 道 上 的 相 对低温高压区 气源、温度与压力 低温 高 压 环 境 及 气源条件满足后 极地及海底等 成藏条件满足区内 的天然气来源区 ( 5) 页岩气与其他类型气藏分布关系具有多样 性 , 页岩所生 成的天然 气不仅 能够形 成页岩 气 , 而且还是其他类型天
13、然气聚集的气源岩。根据 油气资源评价及烃源岩排烃理论 , 烃源岩所生成的 天然气只有极少一部分被有效地排出并形成常规聚 集 , 即使按排烃效率 20% 计算 , 烃源岩中也仍有高达 80% 的天然气未排出。因此 , 一旦其中的天然气能 够形成页岩气聚集 , 则通常具有较大规模。就页岩 气本身来说 , 页岩气的最大分 布范围与烃源岩面积 大致相当 , 有利于形成巨大资源量。但通常由于地 质条件发生不规则变化 , 天然气成藏条件及聚集类 型发生相应改变 , 从而形成能够表明页岩气存在并 指示其分布方向的其他类型天然气藏。根据不同类 型气藏之间的分布关系变化 , 能够加快页岩气认识 的步伐 , 提高
14、页岩气预测的可靠性。 二 、 页岩气的识别 1. 含气页岩岩性特点 在我国大陆学者的习惯用法中 , 泥岩与页岩具 有相对严格的区分。但在英文习惯用法中 , 页岩气 表示为 G as Shale#或 Shale G as#, 其中的 Shale#不 仅对应于我国学者所通常 使用的 页岩 ( Shale) #术 语 , 也包括了泥岩 ( M udst one) 在内。也就是说 , 页岩 气不仅仅是指赋存于页岩地层中的天然气 , 泥岩也 属于页岩气赋存的载体和研究范围 ( 图 1) 。结合前 人认识 , 可将天然气在其中进行生、储、聚、保等 成藏作用的岩石合称为泥页岩。 在天然气产出的 页岩 #地层
15、中 , 通常也并不完 137 3, 11 12 新 能 源 天 然 气 工 业 2008 年 6 月 图 1 美国不同盆地页 岩气成藏条件的互补性图 ( 数据选自 Curtis, 2002) 页岩的主要构成。而当地层主含气及产气段以致密 砂岩为主 , 具有生、供气能力和特点的泥、页岩段作 为夹 层时 , 则 形成具有活塞式 成藏特点的根 缘气。 因此 , 泥页岩地层中砂质夹层的发育有力地促进 了 纯泥、页岩地层中的天然气排出 , 极大地复杂了页岩 地层中的天然气成藏过程。 1980 年代中期以前 , 美国研究者对泥页岩气的 概念和认识发生重大变化。与通常所理解的传统泥 页岩裂缝油气不同 , 现
16、代概念的页岩气在概念、成因 来源、赋存介质以及聚集方式等方面均具有较强的 特殊性 ( 表 2) , 尤其是吸附机理和成藏特点的认识 , 全是由纯 页岩 # 或 泥岩 #所组成 , 通常会在其中发 育数量较多的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细 砂 岩、粗砂岩甚至薄层细砾岩夹层 , 它们同样是产气 丰富了天然气成藏的多样性 , 扩大了天然气勘探的 领域和范围。 表 2 传统 泥页岩 # 裂缝油气与现代概念典型页岩气之特点比较表 特点比较 基本概念 生烃能力 烃产物 天然气成因 赋存相态 赋存介质 成藏特点 保存特点 生产特点 传统 泥页岩 #裂缝油气 赋存于泥页岩裂缝中的油气 有 或无 通常以油
17、的发现为主 热成熟 游离 泥岩或页岩裂缝 原地 、就近或异地聚集 良好的封闭和保存条件 采收 率高 , 产量递减快 典型页岩气 同时以吸附和游离状态赋存于以泥页岩为主地 层中的天然气 生气能力强 以气为主 从生物气到高过成熟气 游离 + 吸附 泥页岩及其砂岩 ( 砂质岩 ) 夹层中的裂缝、孔隙、有机质 等 原地聚集 抗破坏性 ( 构造运动 ) 较强 产气总量大于体积法计算结果 , 采收率低 , 生产周期长 2. 页岩气成藏边界条件 广义上的页岩气普遍发育且分布广泛 , 但要形 成具有工业勘探开发价值的页岩气尚需具备相应的 地质条件。结合对美国具有工业勘探开发价值页岩 气的统计研究 , 可对页岩
18、气的形成条件简单作 一讨论。按照常规的烃源岩评价指标 , 有机碳含量 ( T O C) 0. 5% 和成熟度 ( Ro ) 0. 5% 是有效烃源岩的底 限边界 , 但由于页岩气的成藏机理和过程特殊 , 其 中天然气的聚集不需要 考虑运移、圈闭等复杂条件。 因此有机碳含量和成熟度等条件不再苛刻。在有机 碳含量 0. 3% 、有机质成熟度 0. 4% 、岩石总孔隙度 3% 、净页岩厚度 6 m 等条件下亦可分 别形成页岩 气。在页岩气成藏条件中 , 尽管某一项地质要素要 求条件很低 , 但其他地质条件的补偿将会使页岩气 具有更好的产能。对比分析美国不同盆地的页岩气 成藏地质条件发现 , 各影响因
19、素之间具有不同程度 的相互弥 补性 ( 图 1) 。在圣胡 安盆地 上白垩 统的 Lew is 页岩 , 有机碳含量及其成熟度、吸附气含量等 138 各项主要因素均较好 , 页岩地层总含气量较高 ; 在密 执安盆地泥盆系的 A ntr im 页岩 , 有机质成熟度较低 但平均有机碳含量较高 , 弥补了成熟有机质生气量 不足的局限性 ; 在福特沃斯盆地泥盆系的 Bar net t 页 岩 , 虽然页岩地层厚度有限且孔隙度较小 , 但有机质 含量及成熟度较高 , 致使地层总含气量较高。进一 步 , 为了使聚集的页岩气具有更好的工业勘探开发 价值 , 还要求聚气的页岩最大埋藏深度小于 4 000 m
20、 ( 目前的经济有效深度 ) 。 3. 页岩气快速识别 分析美国目前最具经济价值的五 套页岩气 , 它 们获得工业产能的主要原因可归因于天然气的生成 ( 气源岩厚度较大、有机碳含量及成熟度较高等 ) 、天 然气的排出 ( 单层页岩厚度较大、裂缝发育但穿层断 裂较不发育等 ) 、天然气的储集 ( 微孔隙发育、有效孔 隙度较高、微裂缝发育程度较高等 ) 以及其他影响因 素 ( 如 与 背 斜 构造 重 叠、碳酸 盐 岩 等 其 他 盖层 发 育等 ) 。 6 8, 16 17 第 28 卷第 6 期 天 然 气 工 业 新 能 源 在上述条件具备情况下 , 通过地质分析 ( 成藏条 件 ) 、测井
21、分析 ( 泥页岩段气测异常等 ) 、地震追踪 ( 空 间分布 ) 等方法和手段 , 易于对页岩气进行快速识别 和预测研究。如在中国南方地区以及鄂尔多斯、四 川、吐哈、渤海湾、松辽等盆地 , 不同层位的气源岩单 层厚度大、有机质含量高、成熟度适中 , 对应的气 测 异常明显偏高 , 相对较浅埋深页岩的空间分布具有 较大规模 , 则基本上可以确定为页岩气发育有利区 , 进一步通过吸附能力和裂缝发育的实验及测试研究 即可直接确定页岩气藏的发育和存在。 三 、 中国页岩气分布 经与美国页岩气发育盆地 ( 及地区 ) 对比 , 中国 存在区域发育页岩气的地质背景和条件。依据地质 历史及其变化特点 , 可
22、将我国的页岩气发育区划分 为大致与板块 对应的 四大区 域 , 即 南方、华北 ! 东 北、西北及青藏等四大地区 ( 图 2) 。 图 2 中国主要盆地和地区有利层位有机碳 ( % ) 含量分布 图 从震旦纪到中三叠世 , 中国南方地区发育了广 泛的海相沉积 , 分布面积达 200 余万平方公 里 , 累计最大地层厚度超过 10 km, 形成了上震旦统 ( 陡山沱组 ) 、下寒武统、上奥陶统 ( 五峰组 ) ! 下志留 统 ( 龙马溪组 ) 、中泥盆统 ( 罗富组 ) 、下石炭统、下二 叠统 ( 栖霞组 ) 、上二叠统 ( 龙潭和大隆组 ) 、下三叠统 ( 青龙组 ) 等 8 套以黑色页岩为主
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