海相页岩气

第1章 概论 　　页岩气开发利用是化石能源领域的一次革命，已经成为全球非常规油气勘探开发的热点方向和现实领域。我国发育大量富有机质页岩地层，具有广阔的页岩气勘探开发前景。 　　1.1 海相页岩气地质基础 　　1.1.1 页岩气相关概念 　　1.页岩 　　页岩(shale)是由粒径小于0.0625mm的碎屑颗粒、黏土、有机质等组成，具页状或薄片状层理、容易碎裂的细粒沉积岩(中华人民共和国国家技术监督局和中国国家标准化管理委员会，2015)(表1.1)。页岩在自然界中分布广泛，约占沉积岩的55%。常见的页岩类型有黑色页岩、碳质页岩、硅质页岩、铁质页岩、钙质页岩等，其中钙质页岩和硅质页岩易于压裂，是主要的含气页岩类型。 　　表1.1 常用碎屑岩分类简表(据姜在兴，2003，有修改)(单位：mm) 　　当页岩中混入一定量砂质成分时，根据含砂颗粒大小，分为粉砂质页岩和砂质页岩两类。页岩矿物成分复杂，碎屑矿物包括石英、长石、方解石等，含量一般大于50%；黏土矿物有高岭石、蒙脱石、水云母等。碎屑矿物和黏土矿物含量不同导致页岩性质差异明显。富含二氧化硅的为硅质页岩，含大量碳化有机质的为碳质页岩。黑色页岩昀基本的矿物成分是沉积成因形成的石英，以它为主体形成的各类黑色页岩占黑色页岩建造总量的三分之二以上。 　　2.富有机质页岩 　　一般富有机质页岩中总有机碳(TOC)含量大于2%，是一种非常重要的细粒沉积岩，是形成页岩气的主要岩石类型。富有机质页岩层段通常是指由富有机质页岩或富有机页岩与粉砂岩、细砂岩、碳酸盐岩等薄夹层组成的地层单元(组合)，薄夹层单层厚度不大于1m，累计薄夹层厚度占该页岩层段总厚度比例小于20%。 　　富有机质黑色页岩含有大量的有机质与细粒、分散状黄铁矿、菱铁矿等，有机质含量通常为3%～15%或更高，常具极薄层理。碳质页岩含有大量细分散状的碳化有机质，有机碳含量一般为10%～20%，黑色、染手、含大量植物化石。 　　富有机质页岩的形成，需具备两个重要条件：一是表层水体中浮游生物丰富，生产力高；二是具备有利于有机质保存、聚积与转化的条件。因此，它主要形成于缺氧、富硫化氢的闭塞海湾、潟湖、湖泊深水区及深水陆棚等沉积环境中。 　　传统石油地质理论中，富有机质黑色页岩主要是提供油气来源的烃源岩，或阻止油气继续运移、逸散的封盖层，而非油气储集岩，未被纳入油气勘探对象。实际上，大量油气井钻遇富有机质黑色页岩层段中，曾发现了丰富的油气显示，甚至工业油气流，都因页岩致密、物性差而被放弃，只有在裂缝非常发育情况下，才能形成页岩裂缝型油气藏。 　　自20世纪80年代以来，特别是进入21世纪，北美地区页岩气成功规模开发后，人们逐渐认识到，富有机质黑色页岩可以形成源-储一体型油气聚集，尤其是页岩中有机质孔、粒间孔及颗粒内孔、纹层缝、微裂缝等发育(Loucks et al.，2012)，可以有效储集油气。 　　在页岩气储层中，富有机质页岩既是烃源岩，又是储层，也是盖层。这类页岩含有丰富的有机质，总有机碳(TOC)含量通常为1%～15%或更高。北美及四川盆地重要页岩TOC含量统计如图1.1所示。 　　图1.1 北美及四川盆地重要页岩TOC含量统计图 　　3.页岩气 　　页岩气是指从富有机质黑色页岩中开采出来的天然气。美国地质调查局(USGS)(2003)①认为，页岩含气系统属于典型的非常规天然气系统，为连续型天然气聚集。Curtis等(2011)认为，页岩气在本质上是富有机质黑色页岩系统中连续生成的生物化学成因气、热成因气或混合成因气的富集，具有普遍的地层饱含气性、大面积分布、多种岩性封闭及相对短的运移距离等特点，可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在，也可以在干酪根和黏土颗粒表面以吸附状态存在，也可能在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。 　　结合国家标准《页岩气地质评价规范》(GB/T 31483—2015)(中华人民共和国国家技术监督局和中国国家标准化管理委员会，2015)，笔者将其定义为：页岩气是以游离态、吸附态为主，赋存于富有机质页岩层段中的天然气，主体上为自生自储、原地滞留、大面积连续分布的天然气聚集。在地层覆压条件下，页岩储层基质渗透率一般不大于0.001×10-3μm2，单井一般无自然产能，需要通过一定技术措施才能获得工业气流。页岩层段以富有机质页岩为主，可含极少量粉砂岩、碳酸盐岩等薄夹层。 　　页岩气在“富有机质”页岩区带中被发现，页岩气区带是富含大量天然气的一套连续分布的、具有相似地质和地理特征的页岩地层。重点是基于富含有机质与主要成分的粒径而确定。页岩气中的页岩是粒径小于0.0625mm的细粒黏土沉积岩，页岩必须为黑色页岩，富含有机质、黏土矿物成分，纹层与页理发育，与纯粹的粉砂岩、灰质泥岩等有显著区别。同时是已证实的有效烃源岩岩系，进入生气窗后的生气源岩。 　　由此可见，把握页岩气内涵对正确理解页岩气形成分布非常重要。页岩气形成不是靠天然气运移充注圈闭成藏，而是要有足够量的富有机质页岩、TOC含量及适中的热演化程度(Ro适中)，保证有足够的天然气赋存。页岩气本质上是以甲烷为主要成分的天然气，形成过程服从石油地质基本原理。必须有封闭的顶板与底板，保存要好，构造变形对页岩气的逸散作用至关重要。 　　1.1.2 页岩气类型 　　从不同角度或主控因素与成因出发，可对页岩气进行不同类型的划分和描述。根据含气页岩的沉积环境、盆地类型及构造、气源成因、有机质成熟度、有机质类型、埋藏深度、压力特征等不同主控因素，当前国内外学者对页岩气有如下五种分类。 　　1.按沉积环境分类 　　根据富有机质黑色页岩或含气页岩形成的沉积环境，划分出海相页岩气、陆相页岩气和海陆过渡相页岩气三种类型。 　　海相页岩气是由海相富有机质黑色页岩生成并赋存在其中的天然气。海相页岩主要形成于沉积速率较快、地质条件较为封闭、有机质供给丰富的台地或陆棚环境中。目前美国勘探开发的页岩气以海相页岩气为主。我国海相富有机质黑色页岩主要发育在前古生代及早古生代，区域上分布于华北、南方、塔里木和青藏四个地区。南方古生界海相富有机质黑色页岩气是我国页岩气勘探首选层系和重要目标区。 　　陆相页岩气是由陆相湖泊环境的富有机质暗色页岩生成并赋存在其中的天然气，具有与海相富有机质黑色页岩相似的水进体系与沉积背景。中国湖相富有机质黑色页岩形成于二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪的陆相裂谷盆地、拗陷盆地，是中国陆上松辽、渤海湾、鄂尔多斯、准噶尔等大型产油区的主力烃源岩。虽然平面分布受限于分隔性较强的陆相环境，但页岩累计厚度大(50～2000m)、总有机碳含量高(局部平均值大于4%)，成熟度变化大，是我国有望发现页岩气的重要领域，以鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩为典型代表，主要形成页岩油，有一部分伴生气和热解气。由于热演化程度较低，以生油为主。 　　海陆过渡相页岩气是由海陆过渡相煤系富有机质黑色页岩生成并赋存在其中的天然气，主要包括形成于石炭纪—二叠纪海陆交互富有机质页岩段中的页岩气。这类页岩的特征是有机质以陆源植物为主，多为砂质页岩和碳质页岩，与煤系、砂岩共存，互层分布。中国南方地区二叠系富有机质暗色页岩，以及北方地区石炭系—二叠系页岩，多为海陆过渡沉积环境下形成，这些地区具有海陆过渡相页岩气勘探前景。 　　2.按气源成因分类 　　按气源成因，划分出生物成因、热成因、生物+热成因的混合成因三种类型页岩气。 　　生物成因页岩气是页岩有机质在生物化学成岩阶段由细菌降解而形成的气体，也有富有机质盆地抬升后经后期生物作用改造而形成的气体。生物成因页岩气可分为两种：①早成型，气藏的平面形态为毯状，从页岩沉积形成初期就开始生气，页岩气与伴生地层水的绝对年龄较大，如美国Williston盆地上白垩统Carlile页岩气；②晚成型，气藏的平面形态为环状，页岩沉积形成与开始生气间隔时间很长，主要表现为后期构造抬升埋藏变浅后开始生气，页岩气与伴生地层水的绝对年龄接近现今，如美国Michigan盆地的Antrim页岩气。 　　热成因页岩气是指干酪根和已生成的原油在高温下热解、裂解形成的气体，原油二次裂解气对页岩气的贡献大。热成因页岩气又可分为二个亚类：①高热成熟度型，如美国Fort Worth盆地的Barnett页岩气；②低热成熟度型，如Illinois盆地的New Albany页岩气。 　　一般情况下，有机质经历充分热降解或热裂解的盆地斜坡/中心，热成因页岩气较发育；有机质成熟度较低、水动力条件优越的盆地边缘，生物成因气发育。目前北美已开发的页岩气田超过15个，其中13个为热成因气、1个生物成因气。 　　3.按有机质成熟度的分类 　　根据有机质成熟度高低，划分为未熟—低成熟页岩气、低成熟—高成熟页岩气、高成熟—过成熟页岩气三种类型。 　　4.按压力特征分类 　　按照储层压力特征，分为异常高压页岩气、异常低压页岩气两类。由于页岩气作为一个完全封闭的体系而存在，导致页岩气大多具有异常压力。异常压力和气体的成因类型相关，具有热成因气的页岩气通常都是经历过足够的埋藏作用、压实作用，流体热增压及有机质向烃类转化过程中因体积的膨大等引起的高异常地层压力。生物成因气埋藏深度比较浅，易形成异常低压。 　　5.按埋藏深度分类 　　按照美国的情况，以某一深度为界(1000m或2000m不等)划分为浅层页岩气(藏)、深层页岩气两种类型。 　　浅层页岩气：埋深小于2000m，以吸附气为主，TOC含量是关键因素，如 Antrim页岩，埋藏浅，页岩气为生物成因，埋深609.6～914.4m，游离气和溶解气量很少，原始地质储量(GIP)主要由有机质吸附气贡献。 　　中深层页岩气：埋深大于2000m，以游离气为主(原油裂解成气为主)，更高的压力和孔隙度是关键因素。目前在美国开发的页岩气盆地主要是中深层页岩气。 　　以上几种分类虽然划分角度不同，但均以气源成因划分为核心，存在着紧密的因果关系，相辅相成。本书沿用按页岩气沉积环境分类的方法，根据我国目前页岩气开发现状，以开发昀现实、成功的海相页岩气为研究对象，重点对海相页岩气的地质特征、地质评价、资源评价等方面进行阐述。 　　1.1.3 海相页岩气与其他天然气的差别 　　页岩气具有独特的地质特征和开发特点(董大忠等，2009；邹才能等，2011a)，主要表现在储集特征、聚集机理、气藏特征和开发特点等方面，与常规天然气、煤层气和致密气均有着明显的差别(图1.2、表1.2)。 　　图1.2 页岩气形成机理与聚集模式(据邹才能等，2014)