页岩气研究进展及其地质特征分析

2015-05-12赵景勋中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队山西太原030031

中国非金属矿工业导刊 2015年3期

赵景勋（中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，山西太原 030031）

页岩气研究进展及其地质特征分析

赵景勋
（中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，山西太原 030031）

【摘要】页岩气是一种潜在资源量巨大的非常规天然气资源。本文总结了国内外页岩气研究进展，详细梳理了国内页岩气研究脉络及取得的成果。从页岩气的成因类型、赋存方式、泥页岩储层岩石矿物学、有机地化及物性等方面总结了页岩气地质特征，并与煤层气及常规天然气进行了对比。认为我国页岩气资源潜力巨大，发展前景良好。同时，我国页岩气地质特征具有明显的特殊性，随着页岩气地质评价与开发理论创新及相关关键技术的突破，未来我国页岩气资源发展前景广阔，有望改变我国天然气发展乃至整个能源发展格局。

【关键词】页岩气；地质特征；研究进展

1　研究进展

页岩气是一种潜在资源量非常巨大的非常规天然气资源，具有含气面积广、资源量大、开采技术要求高、生产寿命长、稳产周期长等特点。近些年来，严峻的能源紧张形势及世界能源消费的不断攀升，使页岩气资源在全世界范围内受到了广泛的关注。页岩气本质上就是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，具有普遍的地层饱含气性、含气面积大、隐蔽聚集机理、多种岩性封闭以及相对较短的运移距离等特点，其赋存状态可以是在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在，或者在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在[1]。

1.1 国外研究进展

页岩气的勘探开发已经有200多年的历史，美国是世界上最早发现，也是世界上最早进行页岩气研究和开采的国家。早在1821年，美国就在纽约州的Fredonia小镇打出了世界上第一口页岩气钻井，但直到20世纪70年代，美国才开始重视并大量研究开发，在90年代后期实现了商业开采。页岩气的概念首次由科罗拉多矿业学院的Curtis教授[1]提出，随着勘探开发理论、工程工艺技术突破等方面的技术革新，美国的页岩气勘探和开发取得了飞速的发展，产量逐年大幅增加，近10年来平均增速超过25%。2013年，美国页岩气产量达3 025×108m3。页岩气产量的快速上涨，扭转了美国天然气下降的局面，并推动美国在2009年重新超过俄罗斯，成为世界第一大产气国。据美国能源信息署(EIA)预测，到2035年，美国将有49%的天然气供给来自页岩气。北美页岩气资源的勘探开发，从很大程度上改变了北美甚至世界的天然气供应格局。页岩气藏近年来已经成为北美地区广泛勘探开发的天然气新领域，在全球非常规油气勘探开发中的地位也越来越重要。迄今为止，除北美以外地区，加拿大也已经实现了页岩气的商业性开发，已经有多个国家及地区在进行页岩气勘探开发工作及相关先导试验[2]。国外在技术方面，已经形成一套行之有效的地质评价及勘探开发技术，尤其是水平井分段压裂工艺与工具的发展，为页岩气的开采提供了有力的技术保障，且朝着井眼轨迹设计与地质导向的标准化、一体化、配套化以及压裂工具的可控与智能化发展。

1.2 国内研究进展

相比而言我国的页岩气研究工作则起步较晚，1994～1998年间曾有部分学者针对泥页岩裂缝性油气藏做过一些研究工作，但并没有意识到“页岩气”的概念及其广阔前景[3]。2000年有部分学者开始跟踪北美页岩气的勘探开发及相关技术，而对于页岩气的正式研究工作则始于2005年。随着北美地区页岩气研究的升温，我国的主要石油企业、石油与地质类高校、国土资源部以及国家能源局等相关政府机构，借鉴北美地区页岩气研究成果，逐步开展了“中国页岩气形成与富集地质条件研究及页岩气资源潜力评价”等工作，据掌握的研究资料选取了页岩气远景区带，随后完成了多口地质浅井及地质评价参数井等的钻探工作。研究表明，我国页岩气地质条件复杂，含气页岩分布广、层系多、类型多样。在扬子及滇黔桂、西北地区下古生界，主体发育了高过成熟海相含气页岩；在华北及西南等地区主要发育了上古生界海陆过渡相煤系含气页岩；中新生界陆相盆地内主要发育中低成熟度湖相含气页岩[4]。随着研究的深入，进一步优选了一批有利页岩气区带，开始进行页岩气开发先导性试验井。就时间阶段而言，2007年10月，中国石油天然气集团公司与美国新田石油公司签署了威远地区页岩气联合研究协议；2008年11月，中国石油勘探开发研究院实施的我国第一口页岩气取芯井(长芯1井)在四川宜宾市顺利完钻；2009年8月，在重庆綦江进行了首个页岩气开发项目；2009年11月与壳牌公司签订了四川盆地富顺—永川区块页岩气联合评价协议；2011年4月，国土资源部油气资源战略研究中心依托“全国页岩气资源潜力评价与有利区优选”国家页岩气专项项目，在贵州省黔东南州岑巩县组织实施了第一口井深超千米战略调查井—岑页1井；在此期间，各省市自治区也根据本区地质特征，加紧开展了页岩气相关调查工作。2012年3月，《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》项目完成，评价结果显示，全国页岩气地质资源量134×1012m3，可采资源潜力为25×1012m3(不含青藏区)。

在政策方面，国民经济和社会发展“十二五”规划明确要求“推进页岩气等非常规油气资源开发利用”，并正式批准页岩气成为我国第172个独立矿种。2012年国家发改委、国土资源部等相关部门发布了《页岩气发展规划(2011-2015)》，同年9月页岩气探矿权国内首次公开招标；2013年10月，国家能源局发布中国第一个《页岩气产业政策》；2014年国土资源部发布了《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》。

在页岩气的工业化生产中，2014年11月，四川珙县境内的18个页岩气勘探平台89口井的建设已全面铺开，页岩气外输干线工程基本建成，页岩气勘探开发工作推进顺利。珙县地处“四川长宁—威远国家级页岩气示范区”和“滇黔北昭通国家级页岩气示范区”的核心交汇地带，页岩气资源丰富。自2011年以来，珙县配合蜀南气矿、长宁天然气公司、浙江油田公司的勘探开发工作，页岩气开发已形成先发优势，创造了“第一口高产稳产井、自主成功勘探开发第一井、第一个规模化产区、页岩气民用第一单、首个央地合作页岩气开发公司”等多个纪录。据不完全统计，截至2014年7月，我国已在涪陵、长宁、威远、昭通和鄂尔多斯等地取得页岩气开发突破，形成年产15×108m3总产能，累计生产页岩气6.8×108m3。另外，延长石油集团在陕西延安地区3口井获得陆相页岩气发现；中联煤在山西沁水盆地提出了寿阳、沁源和晋城三个页岩气有利区。在技术方面，初步掌握了页岩气水平井的完钻技术以及直井的压裂技术，另外，在页岩气的解析、扩散和渗流机理以及产能的数值模拟方面，取得了一定的进展。

总体而言，我国页岩气的勘探开发研究主要经历了北美跟踪分析、地质条件评价、目标优选、技术研发与准备及开发试验先导等五个阶段，经过十余年发展，我国页岩气从跟踪北美研究进展、地质评价一直到现在正在进行的先导试验钻探，长宁、威远等地区已钻获丰富的页岩气资源。据国土资源部预计，我国页岩气产量在2015年有望达到或超过65×108m3的规划目标，2020年将力争超过300×108m3。据《BP2035世界能源展望》，除北美外，我国是页岩气供应增长方面最有潜力的国家，占全球页岩气增长的13%，到2035年，我国和北美将合力贡献81%的页岩气。

2　地质特征

与常规砂岩储层相比，泥页岩具有一定的特殊性：粒度细(<0.003 9mm)、富含有机质、具有页理构造、极低的基质孔隙度和渗透率、复杂的成岩改造等。泥页岩的这种特殊性，决定了其特殊的地质特征。主要表现在成因类型、赋存方式、岩石矿物学特征、有机地化特征及储层物性特征等五个方面。

2.1 成因类型

张金川等[5]认为页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。从某种意义来说，页岩气藏的形成是天然气在源岩中大规模滞留的结果，表现为典型的“原地”成藏模式。页岩气是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合。生物成因气是有机物在低温下经厌氧微生物分解作用形成的天然气；热成因气是有机质在较高温度及持续加热期间经热降解和裂解作用形成的天然气[6]。相对于热成因气，生物成因的页岩气分布较少，主要分布在盆地边缘的泥页岩中，在美国研究比较深入的五个盆地的五套页岩中，密执安盆地和伊利诺斯盆地发现了生物成因的页岩气藏，并且是勘探目标中的主要构成[1]。页岩气的形成是热成因和生物成因共同作用的结果。

2.2 赋存方式

①与常规天然气不同，对于页岩气来说，页岩既是烃源岩又是储集层，因此，无运移或极短距离运移，就近赋存是页岩气成藏的特点；②泥页岩储层的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同，天然气在其中的赋存方式也有所不同，体现在页岩气可以在天然裂缝和粒间孔隙中以游离方式存在，或者在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在；③富含有机质的泥页岩在生气过程中，生成的天然气一般情况下先满足吸附，然后溶解和游离析出。在一定的成藏条件下，页岩气以上述三种机理赋存并不是相互独立一成不变的，当页岩生烃量发生变化或外界条件改变时，三种赋存机理的表现形式可以相互转化。研究表明，这三种状态的页岩气处于一定的动态平衡体系中。

2.3 岩石矿物学特征

有机质含量高是页岩气储层的基本特征，泥页岩储层岩性多为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩和高碳泥页岩类。美国福特沃斯盆地Barnett页岩的残余有机碳(TOC)含量一般为3%～13%，平均为3.9%[1]。富含粘土矿物是富有机质页岩的另一特点。如美国Bossier页岩粘土矿物含量可高达70%[1]；通常页岩地层中会发育粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、粗砂岩甚至薄层细砾岩夹层。岩石组成一般为30%～50%的粘土矿物、15%～25%的粉砂质(石英颗粒)和4%～30%的有机质，岩石脆性高。泥页岩储层的岩石矿物学特征决定了泥页岩储层极低的孔隙度和渗透率及复杂的成岩改造。

2.4 有机地化特征

有机质的丰度和类型对于页岩气的形成至关重要，温度、压力和还原环境是页岩气形成的必要条件。有机地球化学特征主要体现在有机质含量和干酪根类型等两个方面。

页岩中有机质含量对页岩气成藏的控制作用主要体现在页岩气的生成过程和赋存过程中。岩石中总有机碳含量不仅在烃源岩中是重要的，在以吸附和溶解作用为储集天然气方式的页岩气储层中也是很重要的。有机质的含量是生烃强度的主要影响因素，它决定着生烃的多少，因此，有机质含量对页岩气的成藏具有重要的控制作用。

页岩中干酪根的类型，可以提供有关烃源岩沉积环境的信息。干酪根的类型不但对岩石的生烃能力有一定的影响作用，还可以影响天然气吸附率和扩散率。研究表明，不同干酪根类型的页岩中均可以生成大量的天然气，因此，干酪根类型并不是决定产气量的关键因素，只影响天然气吸附率和扩散率[7]。一般来说，在湖沼沉积环境形成的煤系地层的泥页岩中，富含有机质，并以腐殖质的Ⅲ型干酪根为主，有利于天然气的形成和吸附富集，煤层气的生成和富集成藏也正好说明了这一点。在半深湖—深湖相、海相沉积的泥页岩中，Ⅰ型干酪根的生烃能力和吸附能力一般高于Ⅱ型或Ⅲ型干酪根。Curtis[1]认为，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为页岩气生成的主要有机质类型。

2.5 储层物性特征

细粒泥页岩的一个显著特点是孔隙结构细小，主体以微孔隙和中孔隙为主。泥页岩主要矿物成分为粘土矿物，粒度＜0.003 9mm，经过复杂的成岩改造导致泥页岩储层非常致密，其孔隙度和渗透率极低，孔喉直径范围1～100nm，孔隙度一般＜10%，渗透率比致密砂岩低很多(远小于1md)。页岩中通常发育天然裂缝，天然裂缝的存在一方面可以增加游离气的储集空间，另一方面可以提高页岩极低的孔隙度和渗透率，有利于页岩气的开采。Curtis[1]通过对北美五套页岩储层的研究也表明天然裂缝网络必然会增大页岩极低的基质渗透率。对于页岩气开发而言，天然裂缝的发育程度与方位及与现今地应力的匹配关系是控制页岩气开发的关键因素。

2.6 页岩气与常规油气藏之间的关系

页岩气生烃过程与常规油气并无区别，但储集方式、富集条件以及气藏宏观分布差异较大。在成藏特征上介于煤层气和常规天然气之间(见下表)。煤层气与页岩气均为自生自储式非常规天然气资源，在成藏地质条件、赋存环境条件和工程力学条件等方面都有诸多共性，但也存在一定的差异性[8]。从天然气赋存状态来看，页岩气包含了吸附气部分，并且不同地质条件下游离气、吸附气二者相对含量变化大，开采方案、生产曲线也呈现不同特征。