中国页岩气地质特殊性及其勘探对策

发布时间：2016-10-27 09:24

  本文关键词：中国页岩气地质特殊性及其勘探对策，由笔耕文化传播整理发布。

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中国页岩气地质特殊性及其勘探对策

聂海宽１　何发岐２　包书景１

中国石化石油勘探开发研究院　２．中国石化油田勘探开发事业部１．

（）：中国页岩气地质特殊性及其勘探对策．天然气工业，２０１１，３１１１１１１１１６．　　聂海宽等．－

——美国相比，中国页岩气勘探开发除了起步较晚，更有地质条件特殊性决定的页岩气　　摘　要　与页岩气生产大国—

地质特殊性。根据页岩发育环境、页岩类型、演化历史和演化特点等的研究，系统总结了中国海相、陆相页岩油气的地质特殊性。海相页岩具有“一老二杂三高”的特点，时代老、层系多，多期复杂构造运动、破坏强度大，热演化史复杂、成熟度高；陆相页岩具有“一新一深二低”的特点，时代新，埋藏深、成熟低、脆性矿物含量低等，油气兼产。要实现页岩气勘探的突破和储产量的快速增长，应立足中国盆地特殊的地质特征来分析研究页岩气成藏机理、条件和有利分布区域，建立适合中国页岩气地质特殊性的综合评价方法和技术体系，同时加强地震技术、钻井技术、压裂技术、测井技术等攻关。　　关键词　页岩气　地质特殊性　海相页岩　陆相页岩　聚集机理　储层预测　含气量　中国：／．ｉｓｓｎ．１０００ＯＩ１０．３７８７０９７６．２０１１．１１．０２８　　Ｄ－ｊ

表１　中美页岩特征对比表

对比系列构造运动页岩沉积类型海相页岩时代热演化史成熟度页岩成熟时间油气类型埋藏深度保存条件技术工艺地表条件

美国简单，定型早，

后期改造弱

海相较新，晚古生代为主

简单一般小于２％

较晚

油气兼有，以气为主

较浅好比较成熟简单

中国复杂，定型晚，

多期次构造叠加海相＋陆相较老，早古生代为主

复杂

海相一般大于２％，陆相一般小于２％较早，且后期多期叠加

海相以气为主，

陆相以油为主变化较大，普遍较深差，保存和破坏的分区性比较明显

刚刚起步复杂

１　中国页岩气地质特殊性

　　美国产页岩气盆地主要位于阿巴拉契亚早古生代逆冲褶皱带、马拉松—沃希托晚古生代逆冲褶皱带和科迪勒拉中生代逆冲褶皱带前缘的前陆盆地及其相邻

１］

。中国发育与其相似的盆地地台之上的克拉通盆地［

类型，但受特殊的大地构造位置控制，受深大断裂及板块规模较小等因素的影响，破坏较为严重，属多旋回的

］２５－

，叠合盆地［这就造成了页岩气地质条件的复杂性和

特殊性。与美国产页岩气盆地相比，中国的页岩气盆地具有独特的地质条件，根据页岩类型，海相页岩的特性可概括为“一老二杂三高”的特点，主要表现在时代老、经历的构造运动复杂、热史复杂、有机碳含量高、成熟度高、演化程度高等特征，以产天然气为主；陆相页岩的特，殊性可概括为“一新一深二低”主要表现在时代新、埋）。藏深、成熟度低、脆性矿物含量低等，油气兼产（表１１．１　海相领域页岩气地质特殊性

层系多１．１．１　时代老、

晚元古代至新生代的不同时期，中国三大克　　从中、

拉通台地及其周缘发育了裂谷型、大陆边缘型和前陆

型等沉积盆地，海相页岩层系主要分布在华北、塔里木、鄂尔多斯和四川等盆地的中上元古界—古生界，

（、国家油气专项“全国油气资源战略选区调查与评价”编号：中国博士后科学基金（编号：２００９ＧＹＸＱ１５）　　基金项目：）。２０１１０４９０５４１

聂海宽，博士；现在中国石化石油勘探开发研究院博士后工作站从事油气成藏机理和非常规天然气地质１９８２年生，　　作者简介：

（）：研究工作。地址：北京市海淀区学院路３１０００８３１号。电话：１３４６６５８５３８２。Ｅ－ｍａｉｌｎｉｅｈｋ．ｓｋｉｎｏｅｃ．ｃｏｍ．＠ｓｙｙｐ

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中—新生界海相页岩仅在南方地区局部层系发育。可作为页岩气勘探目标的海相黑色页岩主要发育于南方（、包括四川盆地）塔里木、鄂尔多斯等大型沉积盆地的震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系及二叠系。这些黑色页岩与美国主要产气页岩具有相似的沉积环境，即主要为裂谷沉积、被动大陆边缘沉积、前陆挠曲形成的滞留环境沉积和克拉通内坳陷沉积等。牛蹄塘组及其　　如中国南方地区发育有下寒武统（

、—下志留统（相当层位）上奥陶统（五峰组）龙马溪

、组）下二叠统、上二叠统等区域性海相页岩，还有地区性海相页岩，如上扬子地区的震旦系陡山沱组，滇黔桂地区、十万大山盆地的中上泥盆统、中下扬子地区的下奥陶统、楚雄盆地的上三叠统等。这些页岩原始生烃条件优越，有过大量生烃的历史，并在早期钻井中见到良好的页岩气显示，其中下寒武统和上奥陶统—下志）。留统是目前页岩气勘探的重点层系（表２

　　美国目前的产气页岩主要集中在泥盆系和密西西

）。比系（下石炭统）等层系，以晚古生代页岩为主（表３

表２　中国南方海相页岩气目前主要勘探层系表

地区或构造单元

页岩名称地层

陡山沱组震旦系

四川盆地及其周缘

牛蹄塘组下寒武统

龙马溪组下志留统

中扬子地区水井沱组下寒武统

龙马溪组下志留统

下扬子地区荷塘组下寒武统

龙潭组二叠系

黔南凹陷牛蹄塘组下寒武统

表３　美国主要产气页岩层系表

盆地名称页岩名称地层

阿巴拉契亚ＭａｒｃｅｌｌｕｓＯｈｉｏ　中泥盆统

上泥

盆统

福特沃斯Ｂａｒｎｅｔｔ下石炭统

帕罗多Ｂｅｎｄ上石炭统

黑勇士／ＦｌｏｄＮｅａｌｙ下石炭统

阿科马

Ｆａｅｔｔｅｖｉｌｌｅｏｏｄｆｏｒｄ　Ｗｙ上石炭统

晚泥盆统—

下石炭统

密执安Ａｎｔｒｉｍ

圣胡安Ｌｅｗｉｓ

伊利诺伊Ｎｅｗ　Ａｌｂａｎｙ泥盆系

泥盆系下白垩统

一是黑色页岩的沉积环境、　　这一差别带来的问题，

厚度和展布情况等尚不十分清楚；二是时代老，经历的构造运动复杂、热演化史复杂，页岩经历了多期次的生排烃，页岩气成藏条件复杂；三是页岩埋深变化较大，从出露地表到埋深超过万米均有分布。破坏强度大１．１．２　多期复杂构造运动、

　　中国以至亚洲大陆并不是以一个巨型前寒武纪克拉通为主体的单一大陆，而是由一些小克拉通或小陆块和众多微陆块及其间的造山带组合而成的复合大

６］

。而北美地台的面积较大，陆［地台刚性强，克拉通盆

在这种条件下寻找具有一定范围的稳定海相沉积体都

４］

。有较大的困难［

没有经历后期的多次　　美国产气页岩在沉积之后，

构造运动对盆地的叠加和改造，盆地多保留为原型盆地。例如美国页岩气勘探开发最早的阿巴拉契亚盆地，是早古生代发育起来的前陆盆地，主要有３次大的、构造事件：ＴａｃｏｎｉｃＡｃａｄｉａｎ和Ａｌｌｅｈａｎｉａｎ构造运ｇ８］

，动［中石炭世的Ａｌｌｅｈａｎｉａｎ构造运动形成盆地现ｇ今的形态。与美国相比，中国南方早古生代形成的海相页岩在中石炭世以后经历了印支期、燕山期和喜山期等复杂的、多期次的构造演化（包括埋藏、抬升、断裂，和褶皱等）和热演化（多期次、多种方式的生排烃）这些地区的页岩气藏比美国主要页岩气藏对保存条件要求严格。因此，构造演化的差异性决定了盆地内页岩气藏保存条件的差异性，决定了页岩气的聚集程度和勘探潜力。在这样的构造背景中，不仅常规油气难以保存，而且页岩气保存条件也面临挑战，只在相对稳定“，的块体上有一定的发育条件，因此，动中找静”可能是页岩气进行勘探的关键。但庆幸的是，尽管在四川盆地边缘及其附近这些页岩在后期的构造运动中被卷进各种逆冲推覆构造中，破坏较为严重，但在盆地深部特别是志留系区域性滑脱层之下的古生界泥页岩遭受的破坏较小，页岩气保存条件较好。

地在后期的构造运动中遭受的破坏较小。中国３个古

２］

，生代海相沉积区都不是典型的克拉通盆地［克拉通

台地个体小、稳定性差，故称准地台。中朝克拉通是其／中最大的一个，也只有东欧克拉通的约１北美克拉４，／／／通的约１扬子克拉通只有东欧的１北美的１１２；７，

［］

同时上叠了中新生代２０７。这些块体边缘多次反转，

沉积盆地，在区域性深大断裂控制下形成了复杂的构

造复合。在美国密执安盆地和伊利诺伊盆地边缘生产页岩气的区域，在中国相同位置的各种构造带，页岩地层破坏严重。国内的海相页岩形成于多旋回叠合盆地，基本上经历了拉张—挤压—扭动走滑的应力多次交替，造成了裂谷盆地→克拉通盆地→被动大陆边缘

２］

。盆地→前陆盆地的叠加复合，具有复杂的地质结构［

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成熟度高１．１．３　热演化史复杂、

成熟度　　美国主要产气页岩经历的生烃史较简单，

处在成熟阶段。与美国主要产气页岩相比，相对较低，

中国海相页岩热演化程度偏高，部分已达过成熟阶段，这与中国海相页岩沉积时代早、经历的地质历史长和经历的构造运动复杂等因素密切相关，导致页岩经历早期生气、二次生气、沥青生气和了多期次的生排烃（

残余油生气等）和页岩气的聚集、散失，页岩气藏遭受了多期次的改造—破坏，具有复杂的页岩气聚集机理和过程，使页岩气藏的形成和分布复杂。中国南方地区海相页岩经历了长期的构造和热演化，具有演化历史复杂、热成熟度较高、生烃时间早等特征，为勘探增加了难度。因此，在南方构造相对活动的地区要寻找构造活动相对薄弱且生气高峰晚（至少是生气时间距今比较近的页岩）的地区进行页岩气研究。

，图１）以中国　　中国海相页岩具有成熟高的特点（

南方地区下寒武统黑色页岩为例，大部分地区的成熟

成熟度（介岩的成熟度和含气量的关系可以看出，Ｒｏ）于１．吸附气含量达到最大值区域，平１％～３．０％时，

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／，／，最大超过２ｍ总含气量也达到均超过０．５ｍｔｔ３

／。在小于１．最大值区域，平均超过１ｍｔ１％和大于

吸附气含量和总含气量均有不同程度的降３．０％时，

，低，前者因为处在生油窗（湿气）生气量有限且溶解于后者成熟度过高，生气能力有限，均导致吸附石油中，

）。无论成熟度高低，气含量不高（图２在页岩层中，均有天然气赋存，甚至形成页岩气藏。

图２　成熟度和吸附气含量、总含气量关系图

笔者认为成熟相对较低　　为了尽量避免勘探风险，

在中国南方地区大的页岩可能具有较好的勘探前景，

范围高成熟度的条件下，要寻找成熟度相对较低的区并加强含气量和保存条件的研究。域，

厚度大、有机碳含量高１．１．４　页岩分布面积广、分布面　　中国海相黑色页岩总体上具有层位稳定、

厚度大和有机碳含量高等特点。以上扬子下寒积广、

武统黑色页岩为例，主要发育在梅树村期和筇竹寺期，与最大海泛面相对应的低能环境对应，在整个上扬子广泛分布，包括川南九老洞组、川北筇竹寺组、贵州—

图１　中美主要页岩成熟度对比图

湘西牛蹄塘组、鄂西水井沱组、湘西天柱山组等，分布稳定，岩性主要为黑色页岩、碳质页岩、硅质页岩、结核状磷块岩、粉砂质页岩和石煤层等。主要发育在川南—黔北—黔中、湘鄂西—渝东和川北—川东北等地，厚度介于２大部分地区大于１在川中０～２００ｍ，００ｍ，古隆起一带不发育该套黑色页岩。总体来看，上扬子下寒武统黑色页岩具有厚度大、分布范围广的特点，现

４２　

，今残留面积约为４其中厚度大于３４×１０ｋｍ０ｍ的４２　

。已发现的一系列古油藏分布面积约为３０×１０ｋｍ

度大于３％，处于过成熟晚期阶段，局部地区的成熟度

］９１１－

。虽然局均超过４％，达到变质期，失去生气能力［

部地区的成熟度偏高，但是高的有机碳含量预示着这些层位可能是页岩气发育的有利层位，如在黔中隆起的方深１井的下寒武统牛蹄塘组，成熟度（高达Ｒｏ）有机碳含量高达８．对牛蹄塘组黑色页岩５．５％，０２％，的压裂测试表明，仍有天然气产出。因此，不难看出即使是高成熟度的页岩，也可能有天然气赋存。总体来讲，高成熟度对页岩气藏来说是不利的，在高成熟度条件下，主要看页岩保存条件的好坏，如果保存条件好，即使成熟度高也能形成页岩气藏。笔者对四川盆地及其周缘下寒武统和上奥陶统—下志留统４１块黑色页

（如贵州瓮安、麻江、铜仁、湘西南山坪等）的烃源岩均表明该套页岩曾有过生排烃过程。为该套黑色页岩，

现今，这些古油藏被暴露地表，下寒武统黑色页岩也遭受剥蚀，页岩气的成藏条件破坏严重。

　　笔者对四川盆地及其周缘重庆市秀山县溶溪镇等

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有机碳含量分布在０．１６块样品分析，２８％～６．３７％，平均为２．普遍大于１％（其中大于１％的样品数４４％，占样品总数的８大于２％的样品数占样品总数的０％，，这些均表明下寒武统黑色页岩的有机碳含量５３．３％）

高。中扬子、下扬子等地的古生界烃源岩也均具有厚度大、有机碳含量高等优点，可与美国主要产气页岩盆）

。地进行对比（图３

有机碳含量介于１．厚度介于１００～３５０ｍ，０％～镜煤反射率为０．底界埋深在１９．０％，３５％～１．９％，

２００～４０００ｍ。在以前的钻井中有较好的页岩油气显　示，如东营凹陷的丰深１井、河１车镇凹陷车６０井，，

［２］

。沾化凹陷的义１惠民凹陷的临９５７１井，７０井，８井１

　　陆相生油理论的建立以及陆相盆地的成功勘探，２］

。陆使中国的石油工业走上了独立自主发展的道路［

相页岩油气的勘探同样需要积极创新，勇于突破，走中国特色的勘探道路。虽然陆相页岩油气的勘探比海相起步较晚，但是陆相页岩具有比海相页岩更有利的成藏条件，如厚度大、时代新、热成熟度低和生排烃历史简单等。四川盆地建南地区和元坝地区已获得突破，如川东北元坝９井在侏罗系珍珠冲段的压裂高产超过

４　３

建南气田利川复向斜建南构造的建１１×１０ｍ，１１

井，压裂后在下侏罗统自流井组东岳庙段日产天然气３

，并且在泌阳凹陷安深１井获得页岩油突破，３０００ｍ　

均表明中国的陆相地层具有页岩气（油）潜力。

中国陆相页岩具　　与美国主要产页岩气盆地类比，有分布局限、埋藏普遍较深、脆性矿物含量低、黏土含），量高（图４具有成藏机理和成藏条件特殊以及不利于后期改造等不利因素，需要在今后的工作中，加强陆相页岩油气地质理论和开采技术的研究

。

）图３　美国主要产气页岩与中国南方下古生界页岩厚度（ａ

）和有机碳含量（对比图ｂ

１．２　陆相页岩油气的特殊性

　　中国陆相页岩主要发育在东部陆相盆地白垩系和

古近系、西北侏罗系及其以上地层、中部鄂尔多斯盆地三叠系和南方四川盆地及其周缘的三叠系—侏罗系等，具有时代新、埋藏普遍较深、成熟度低和有机质丰度高等特点，油气兼产。以渤海湾盆地东营凹陷为例，古近系为断陷沉积阶段，存在多个湖侵和湖退旋回，暗色泥岩总厚度超过１０００ｍ。泥页岩层主要发育在沙　四上亚段和沙三下亚段，其中沙三下亚段暗色泥页岩

图４　中国东部断陷盆地和美国主要产气页岩石英含量图

２　中国页岩气勘探策略

决定了　　中国页岩气地质条件的复杂性和特殊性，

中国的页岩气勘探不能照搬美国成功的页岩气勘探开美国页岩气勘探开发经验无法直接指导中国发经验，

的页岩气勘探，只能在一定程度上给予借鉴。加强页岩气聚集机理和分布规律等理论研究和勘探开发技术攻关是解决页岩气勘探开发问题的关键。

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本文编号：155023