构造生烃理论及其在页岩气上的应用

2010-09-24熊斌辉米立军王存武

海洋石油 2010年4期

关键词：生烃油气田烃源

熊斌辉,米立军,王存武

（1.中海油研究总院,北京100027;2.中海石油有限公司勘探部,北京 100027）

构造生烃理论及其在页岩气上的应用

熊斌辉1,米立军2,王存武1

（1.中海油研究总院,北京100027;2.中海石油有限公司勘探部,北京 100027）

生烃是地层有机质生成油气的化学平衡。由于油气的密度低于干酪根,它是典型的体积增大化学反应。与实验室开放系统不同,地层有机质生烃反应能等于活化能加排烃能。成熟阶段的地层比较致密,排烃能较大,与开放系统相比,形成了欠生烃。构造运动形成裂隙网,大大降低地层排烃能,使欠生烃的有机质短时间集中生烃,笔者称之为构造生烃。成熟地层通常较致密,排烃能较高,较多欠生烃有机质成为页岩气的物质基础。致密地层在过成熟条件下还有大量欠生烃有机质。经典生烃理论认为 Ro大于2.0就基本不生烃,而许多 Ro达到3.0,个别甚至4.0的页岩气发现,证明欠生烃的存在。分子越小,排烃能越低,相对致密地层生气的反应能通常最低,更多的有机质形成了页岩气,页岩气资源潜力巨大。页岩气的开采速度比地层自然排烃速度高出多个数量级,天然气排出最快的,最有利于生成天然气的化学平衡。勘探开发实践表明页岩含气量与其TOC成正比,笔者认为这正好预示着页岩中存在游离气、吸附气和有机质的化学平衡。游离气压降低,吸附气就会解吸附;吸附气解吸附,有机质就会生烃。有些过成熟岩石存在未—低成熟度 Tmax值。这样低的 Tmax值预示着,有机质能够在地层被压裂后随着排烃能的降低而满足反应条件,而成为潜在资源。页岩气的开采与普通气层相比更复杂、更漫长、更巨大。

构造生烃;页岩气;化学平衡;反应能;活化能;排烃能;欠生烃

Abstract:Hydrocarbon generation is chemical balance and organic matter in rock generates oil or gas.Since the density of oil and gas is lower than kerogen,the reaction is a kind of classic chemical reaction with volume increase.Different from open system in laboratory,hydrocarbon generation reaction under earth equals activation energy plus draining hydrocarbon energy.The density of mature rock is quite dense and its draining hydrocarbon energy is quite high comparing with open system,it makes under generation.Structure movement forms fracture net,and draining hydrocarbon energy is decreasing greatly,which makes under generation organic matter generate a lot of oil and gas in short time and it is named as Tectonic Generation by the author.Mature rock is more compact and its draining hydrocarbon energy is higher generally.More under generation organic matter become material base of shale gas.Over mature compact rock contains plenty of organic matter.Classic generation theory insists that generation ends basically whileRois over 2.0.But plenty of shale gas found in formation withRo3.0,even withRo4.0,it proves the existing of under generation.The smaller the molecule is,the lower the draining hydrocarbon energy is.Much organic matters in the rock generate shale gas,so potential of shale gas is huge.Since the developing rate of shale gas is several orders of magnitude higher than draining hydrocarbon rate in nature,gas draining is fast andit benefits the chemical balance to generating gas.Exploration proves that shale gas quantity in direct proportion to TOC,which shows that free gas,absorbed gas and organic matters forms chemical balance in shale.While free gas pressure increases,absorbed gas desorbs,and organic matter generates gas.Some over mature rock have under-low matureTmax.The low matureTmaxshows that organic matters become potential resources after fracturing and draining hydrocarbon energy decreases to meet the reaction condition.Shale gas development is much more complex than ordinary gas.

Key words:tectonic generation;shale gas;chemical balance;reaction energy;activation energy;draining hydrocarbon energy;under generation

页岩气即赋存在可生烃的富含有机质岩石（烃源岩）中的天然气。目前美国页岩气的勘探开发一枝独秀,2010年产量已近1 000×108m3。由于美国含油气盆地属于北美地台,北美地台的烃源岩主要是页岩,美国人将产自页岩的天然气起了个简单、直观的名字:页岩气。页岩气的开采历史具有发现早、发展慢、突然爆发的特点。

发现早:美国的第一口商业页岩气井位于纽约州阿帕拉契亚盆地的泥盆系,发现于1821年[1],比北美的第一口油井要早38年。与呈区域性、大面积、连续分布的富含有机质的页岩相比,油气田不过是其中（包括外缘）的一系列大大小小的星散点。钻遇富含有机质的页岩比发现油气田容易的多。所以在勘探开发油气田的过程中始终伴随有页岩及页岩气的发现,并且页岩气通常要早于油气田的发现。

发展慢:虽然发现早,且钻遇富含有机质的页岩非常容易。但页岩致密、低渗,页岩气通常产量很低,只有钻遇裂隙带时才能够高产。而要钻遇高产的页岩气比发现油气田难得多。21世纪以前基本靠运气,所以进展缓慢,直到1976年美国能源部才在美国东部启动了页岩气项目[1]。在20世纪80年代,水平井技术运用于页岩气开发。1982年在 Fort Worth盆地发现Barnett页岩（易形成裂隙的特殊页岩）气田。21世纪页岩气开发技术逐渐成熟,2003年第一口页岩气钻完井技术在Barnett页岩气田诞生。

突然爆发:2006年该技术在全美推广,很快形成燎原之势,页岩气的年产量几乎连年翻番。2010年年产量已近1 000×108m3。

常规油气藏中油气的生成、运移、聚集、保存是在不同时间不同地质体内进行的,生、储、盖、圈、运、保等石油地质条件经常是时空分离的。与常规油气藏不同,页岩气就是存在于烃源岩中的天然气[1-3],集生、储、盖、圈、运、保于一身。常规油气藏储层孔隙相对较大,主要为孔隙中游离油气,而页岩孔隙更小,除了游离气外还有吸附气[1-3]。

所有有关页岩气的文献都认可这样一个事实:页岩含气量与其 TOC成正比[1-7]（图 1）,TOC是生烃指标,说明生烃控制了页岩含气量。经典的生烃理论认为烃源岩成熟度 Ro在1.0～2.0为经济生气窗,Ro<1.0则成熟度不够（碳酸岩烃源岩除外）,烃源岩生气量不足,Ro>2.0时有机质已经生气,再生烃的潜力非常小。但是随着勘探深入,发现商业性开采的页岩气的烃源岩成熟度 Ro值一般为0.6～3.5,即使成熟度 Ro达到4.9的页岩还有页岩气（美国新田公司）,页岩气商业开采窗远大于经典理论生气窗。勘探实践证明经典的生烃理论存在某种缺陷,不能照搬经典生烃理论来指导页岩气勘探和评价页岩气潜力。

图1 页岩气含量与页岩TOC直方图（据Bowker K A,2007）Fig.1 Shale gas content and shale TOC histogram

与北美地台类似,中国的地台如扬子地台也沉积大面积大套海相页岩。但是扬子地台不如北美地台稳定,烃源岩成熟过高,页岩的 Ro>2.0是普遍现象。其中下扬子目前还没有油气田发现,如何评价这样的盆地?提出新的页岩气地质理论,并指导页岩气勘探显得刻不容缓。

1 构造生烃理论

生烃是烃源岩的有机化学反应。这类化学反应生成了流体有机质[式（1）],即生油气地质研究所称的烃类。它不同于普通有机化学所称的烃类,它是能够在地层中运移的有效烃,而不是封闭在烃源岩中的固态烃。只有流体有机质才能运移成藏,由此笔者将烃源岩生成流体有机质的化学反应定义为生烃。

由于油气的密度大大低于烃源岩的干酪根,它是典型的体积增大化学反应。开放系统下平衡向右倾,化学反应成立。

化学反应式（1）显示生烃和排烃不是两个过程,是一个化学反应的一个过程。普通化学是流体化学,是开发系统,反应能等于活化能。生烃反应在致密的岩石中进行,化学反应属于封闭系统,反应能等于活化能加排烃能。活化能就是使化学键断裂所需的有机物分子动能,温度升高有机物分子动能也升高,所以活化能实际是温度指标。排烃能是指烃类从烃源岩中排出所需要的能量,所以排烃能是烃源岩致密程度的指标。只有温度等综合条件升到高于反应能时,生烃反应成立,低于反应能反应不成立。

在致密岩石中的化学反应属于封闭系统,这个封闭系统是绝对的,又是相对的。其绝对性是针对每一种生烃反应而言,排烃需要能量,分子动能低于生烃反应能,生烃反应不成立。等温度升高,或者排烃能降低以后,分子动能高于生烃反应能,生烃反应才能进行。岩石中的相同有机质的生烃反应相对开放系统需要更高的温度。其相对性是针对烃源岩而言。岩石中的有机质分子组成和结构极其复杂,不是单一分子,导致烃源岩在整个热成熟过程中,都有烃类生成,是相对连续的生烃过程。如图2所示封闭系统不是终止生烃反应,而是不同程度地推延了各种有机质的生烃过程,降低了生烃强度,但它还是相对连续的生烃过程。

这里特别需要强调的是生烃与排烃是平衡的辩证的关系,特别需要注意避免简单理解而出现的正反两方面的偏差。一方面不能因为烃源岩连续生烃就否认烃源岩生烃反应的封闭性。烃源岩是在连续生烃,而且伴随生烃烃源岩中的封闭的岩性油气藏常常存在异常高压。异常高压是一个平衡,是流体供给与逸散的平衡。沉积岩的压实通常为一个抛物线,浅层压实量大,沉积岩流体排出的更多、更快。但沉积岩成岩程度低,排替压力小;同时地层载荷小,断层断面正压力小,大量的流体供给很快逸散,并不能形成异常高压。中、深层沉积岩成岩程度高,排替压力大;同时地层载荷大,断层断面正压力大,流体供给虽然减少了,但难以逸散,从而聚集形成异常高压。烃源岩层中存在异常高压恰恰证明,烃源岩存在较大的排烃能。根据化学平衡原理超压预示生烃反应已经推延了,生烃强度降低了,只是没有与开放系统做参照系,我们不知道罢了。据此笔者认为压力系数从1.2至1.5地层段是半封闭系统变为封闭系统的地层段,而该段大致对应烃源岩由低成熟变为成熟的演化阶段。

不同烃源岩、烃源岩的不同演化阶段排烃能有差异。相同条件下,烃源岩排烃能高,能够生烃的化合物少;烃源岩排烃能低,能够生烃的化合物多。二者生烃量在同样的成熟点存在一个剪刀差。烃源岩是致密岩石,通常有较高的排替压力,存在较高的排烃能,所以其相对开放系统生烃总量有明显的下降（图2）,笔者将这种生烃总量降低现象称之为欠生烃。

经典的生烃理论将生烃与排烃分离成两个互不相干的过程。没有排烃能概念,生烃不随排烃条件的变化而变化。与地下生烃条件不同,目前所有地化分析都不存在排烃能。例如热解就是典型的开放系统,样品是岩石粉末样,热解生成的烃类又迅速排出反应系统。因为存在排烃能,所以地下同样的生烃反应要比实验室温度更高。排烃能的高低影响反应温度的高低,使得二者生烃量在同样的温度下形成一个剪刀差。高排烃能相对低排烃能形成欠生烃（图2）。构造运动导致地层断裂和破裂,裂隙的发育降低了排烃能,使得欠生烃有机质短时间满足生烃条件,形成集中生烃——构造生烃[8]。

图2 蓬莱19-3油田构造生烃模式Fig.2 Hydrocarbon generation model of PL19-3 Oilfield

南黄海盆地CZ35-2-1井二叠系龙潭组Ro约3.0,Tmax只有380℃且不随深度变化。TOC范围0.75%～5.43%,平均1.704%;S1+S2范围 0.89～7.79 mg/g,平均 3.093 mg/g;沥青“A”平均 0.3%;热解氢指数范围 70.53～411.18,平均148.25（2009,熊斌辉）。数据证明过成熟烃源岩不仅可以残余相当多欠生烃有机质,而且 Tmax证明欠生烃有机质不同于普通有机质,如果排烃能为零,是可以在比较低的温度下构造生烃的。

油气田的形成是生、储、盖、圈、运、保等因素综合作用的结果,是油气充注与散失的平衡。常规情况下烃源岩欠生烃,油气充注强度相对低,其它地质条件要求高。形成大油气田需要比较长时间的充注和好的保存条件。但构造生烃则不然,不一定要长时间的充注和好的保存条件,例如蓬莱19-3构造。

郯庐断裂贯穿渤海湾,它分南、中、北三段,南段位于莱州湾、中段位于渤中,北段位于辽东湾,三段断裂的活动强度由南向北依次减弱。蓬莱19-3构造位于郯庐断裂南段的最北端、分隔渤中凹陷与黄河口凹陷的渤中低凸起上。郯庐断裂的走滑派生的挤压形成了蓬莱19-3背斜构造。伴随背斜的形成,背斜两翼沉积厚于顶部,地震剖面显示这种现象始于第四纪初,并且逐渐增强（图3）,所以它是第四纪形成的圈闭。蓬莱19-3构造明显晚于周边凹陷主生烃期,而且其上油气散失非常严重,散失的油气在构造顶部形成模糊反射（图3）,俗称“气云”。但郯庐断裂强烈活动形成了构造生烃,从而造成短时间集中生烃（图2）、并沿郯庐断裂带快速运聚,动平衡成藏[8],不仅弥补了其它条件的不足,而且形成了渤海湾盆地最大的油田——蓬莱19-3油田。构造生烃是短期生烃高峰,过早形成的构造随着构造生烃的结束,散失会大于充注,油气田反而会减小,所以郯庐断裂南段其它油气田不如蓬莱19-3油田大,而郯庐断裂中、北段,断裂活动弱,构造生烃强度不足,即使其它条件更好也不如蓬莱19-3油田大。

图3 蓬莱19-3油田顶部地震主测线Fig.3 Seismic interpretation profile in PL19-3 Oilfield

绝大多数情况都是封闭系统下生烃,开放系统的寻找不易,确认更难。现在有了蓬莱19-3油田这个开放系统生烃的样本,以蓬莱19-3油田为参照系,就能够很清楚地显示出常规生烃与构造生烃的差别。蓬莱19-3油田不是唯一的构造生烃大油气田,莺歌海盆地东方1-1构造也是第四纪形成的构造,也晚于凹陷的主生烃期,也是莺歌海盆地最大的气田[8]。海域是新构造运动中心,晚期沉降大于陆地,所以也理所当然是构造生烃油气田分布中心。

2 构造生烃理论在页岩气上的运用

构造生烃的精髓是生烃与排烃的平衡。生烃增加了页岩中天然气数量,增加了天然气的压力,增加了排烃速率。生烃、滞留的页岩气和排烃呈现协调的动态平衡。第一个平衡是生烃与页岩气含量的平衡,第二个平衡是页岩气含量与排烃的平衡。两个平衡同时存在,生烃强度越大,平衡点越高,滞留的天然气越多,从而导致页岩含气量与TOC成正比。

烃源岩生烃伴随超压,超压是烃源岩正在生烃的标志。按照构造生烃的化学平衡原理,超压的富有机质页岩平衡点较高,有较高含量的页岩气。页岩气生产核心区均伴随不同程度的超压。由于极低渗压力恢复慢,压裂和长时间关井后测量才能得到比较准确的地层压力值。除非直接钻在裂隙带上,富有机质页岩压裂前测得压力值普遍偏小,部分井还低于静水压力。

为了大家更深刻理解,笔者编制了经济理论与生烃理论对照表（表1）。经典生烃理论就相当于计划经济理论,而构造生烃理论就相当于市场经济理论。成本相当于反应能,生产成本相当于活化能,销售成本相当于排烃能,库存相当于页岩气。一般讲产能越高,库存越大,现今生气强度越高,页岩气含量越大。美国德克萨斯州 Fort Worth盆地页岩气就具有这个特点。

表1 经济理论与生烃理论对照Tab.1 Contrast of economy theory and generation theory

Fort Worth盆地富有机质页岩为早石炭系Barnett页岩。Fort Worth盆地由西南向东北Barnett页岩逐渐增厚（图4）。受北东向逆断层控制,Barnett页岩由西北向东南,成熟度 Ro逐渐增大,由生油变为生气,由页岩油井变为页岩气井（图4）。页岩气生产区与生气强度相对应,分核心区、外围区和预测区3个等级（图4）。生气强度最大的核心区就是Newark East页岩气田。

由于烃源岩存在欠生烃,所以 Ro>2.0的烃源岩中还可以残留相当多的有机质,还可以形成足够量的天然气（图5）。是否具有商业性不取决于 Ro,而取决于残留欠生烃有机质的数量。只要生气的物质还在,不论 Ro多少都是潜在的页岩气勘探对象。北美许多 Ro>2.0的页岩已经进行商业性开采,证明商业生气窗不能简单用 Ro=2.0划限。

与北美地台类似,扬子地台也沉积了有机质丰富的海相页岩。扬子地台早寒武陆坡上升流发育,有机质生产率高,在陆坡发育了厚度大、TOC高的海相富有机质页岩[3,6]。早奥陶世水体封闭,有机质保存条件好,下奥陶统页岩次之。北美地台是稳定的地台,扬子地台是活动的地台。构造活动使烃源岩成熟度偏高,上扬子地台四川盆地的成熟度都普遍过高,Ro>2.0。按照经典生烃理论就没有价值,但按照构造生烃理论,上扬子地台四川盆地古生界页岩都还有一定量的可生烃有机质,证明它可以生烃;钻井有超压,证明它正在生烃;钻井有较高的气测异常,证明有页岩气的富集。基本满足了勘探页岩气的烃源条件,可以勘探页岩气。

图4 Fort Worth盆地Barnett页岩等厚图（据李登华,2009）Fig.4 Isopach map of Barnett shale in Fort Worth Basin

与上扬子地台不同,下扬子地台遭受的构造运动更多、更早。多期次的强烈构造运动,油气藏已经被破坏。从上世纪60年代开始,经过了50年的勘探尚未发现油气田（黄桥气田主要是CO2气田）。是不是下扬子地台就没有勘探潜力了呢?按照经典生烃理论肯定是,按照构造生烃理论恐怕还没有那么简单。

图5 过成熟烃源岩构造生烃模式Fig.5 Over mature hydrocarbon tectonic generation model

有机质的欠生烃过程非常复杂。高成熟而又欠生烃程度比较高的烃源岩,不仅残留有机质比较多,而且有机质形成聚合密度更大,但 Tmax很低的有机质。既然 Tmax很低就说明活化能低。按照经典生烃理论随着成熟度升高,残余的有机质活化能是越来越高的。按照构造生烃理论,反应能等于活化能+排烃能,由于排烃能高,活化能较低的有机质并不满足生烃条件,所以能够残余相当多的低活化能有机质。

页岩被压裂的情况下,虽然温度不高,地温梯度已经降下来了,按照经典生烃理论不能生烃了,但按照构造生烃理论还有一定的生烃能力。还可以形成生烃、页岩气和排烃的平衡。是否有商业价值还需要进一步探索,特别是下寒武的富有机质海相页岩,厚度比较大、分布比较广、TOC比较高。关键是要看是否有一定量的残余有机质,有没有超压和气测异常。如果钻井证实有超压和气测异常,勘探前景就比较乐观了。

在常规情况下,Ro<1.0烃源岩以生油为主,也生很小比例的天然气。但页岩气开采的排烃速率比正常生烃高很多。构造生烃是自然界最快速的生烃方式之一,蓬莱19-3油田的充注历史也要百万年。而页岩气开采最多也就百年。小分子,排烃能更小,排出更快,反应平衡首先打破,生气的比例随之增加,从而导致 Ro<1.0情况下也有一定的页岩气量。特定条件下也具有商业价值（比如,井浅作业成本低,管网等基础设施齐全）。

综上所述,有机质生烃过程不是唯一的,途径不同,结果也不同。页岩气不能简单用经典生烃理论的生气窗来限定,按照构造生烃理论,页岩气的勘探领域要广阔的多。