中国北方页岩气成因类型、成气模式与勘探方向

2019-01-21吴安彬王井伶罗家国

岩性油气藏 2019年1期

罗群，吴安彬，王井伶，罗家国，蒋恕

（1.中国石油大学（北京）非常规天然气研究院，北京102249；2.美国犹他大学能源与地学研究院，盐湖城84108，美国）

0 引言

页岩气是一种主要以吸附态和游离态赋存于富有机质泥页岩及其夹层微—纳米孔缝系统中的天然气［1-6］，具有形成地质条件多变（海相、海陆过渡相、陆相）、成因类型多（生物成因、热解成因、混合成因）、主控地质因素变化大（源岩品质、有机质类型、热演化程度、孔缝结构、裂缝发育程度、后期构造运动强度等）、形成机理复杂（生物分解、热化学降解、吸附、溶解、扩散等）、含气丰度低、存在富集“甜点”、“甜点”预测风险高、勘探开发难度大、产量递减快、生产周期长（一般30年以上）等特点［7-12］。近10年来，美国页岩气成功的商业性开发，引起了全球对页岩气资源的广泛关注，也推进了我国页岩气勘探开发的进程［13］。

Shurr等［14］早在2002年就对页岩气成因类型及其分布进行了系统的研究；Martini等［15］通过研究美国密执根盆地泥盆系页岩气形成条件，提出页岩气可以通过微生物分解、干酪根或煤的热解、石油的二次热解等途径产生；Jarvie等［16］认为页岩气系统包括生物与热解 2种成因类型；此外，Curtis［17］提出了页岩气的生物成因机制、热解成因（干酪根降解、原油与沥青的二次裂解）机制，并认为这2种机制可控制页岩气成藏的成熟度、吸附气比例等多个地质因素。另有一些学者［18-23］通过实验手段与数值模拟定性和半定量地再现了不同类型有机质页岩在不同热成熟演化阶段的生排气过程及其产物，根据不同的成因类型对页岩气进行了划分，并总结了页岩气成气规律和空间分布特征。

受北美页岩气勘探开发突破的影响，中国学者在21世纪初开始重视页岩气的地质研究，主要聚焦在页岩气成因分类［24-28］、形成条件［29-36］、成藏机制［37-41］、富集模式［42-45］与分布特征［46-49］等领域，并取得了一系列重要成果，主要表现在以下方面：①普遍认为页岩气可分为生物成因、热解（热降解和热裂解）成因和混合成因三大类。②富有机质页岩演化生气过程经历了未成熟阶段原生生物气形成、成熟阶段热降解气的形成和高成熟—过成熟阶段热裂解气的形成共三大成气阶段，不同类型干酪根页岩产气不同。③富有机质页岩成气机制覆盖了生物、化学、降解、裂解及吸附、扩散、溶解、运移等几乎所有可能的有机成气作用机理，也几乎覆盖了从沉积、成岩到变质的整个地质演化过程。④不同成因类型页岩气具有不同的分布特征，生物成因页岩气主要分布在盆地浅层或盆地边缘，热解成因页岩气主要分布在盆地中心及其周边，混合成因页岩气主要分布在前两者的过渡带。⑤中国广泛分布页岩气，剖面上赋存于太古界—古生界海相与海陆过渡相高成熟—过成熟和中生界—新生界陆相低成熟—成熟两大套地质特征差异巨大的富有机质页岩层系中；平面上分布于南方、西北、华北—东北及青藏等4个不同地质特征的页岩气大区。

纵观国内外学者对页岩气成因类型、页岩演化过程及其成气机制、页岩气分布特征的认识，可知页岩气形成原因与方式多、类型多、分类方案也多；成气机理复杂，成气过程变化大；分布广泛，几乎可以涵盖油气盆地的整个空间（从盆地中心到盆地边缘，从浅层到深层），其分布受成因类型、演化阶段、构造运动等地质因素的控制呈现多样性和规律性。尽管国内外学者在以上方面取得了许多重要的认识与成果，但仍然存在以下问题：①对页岩气的成因分类比较粗糙，也比较混乱，将“混合气”作为成因类型不科学；②页岩气的成气模式不统一，不完整，没有一个相对统一、完整的定量模式；③北方页岩气的分布规律不清，缺乏有效的勘探思路与方向。

通过梳理页岩气成因类型，总结一套相对合理实用的页岩气成因类型的分类方案，同时综合有代表性的页岩演化成气成果，建立一个相对合理完整的页岩演化成气的通用模式，以期为北方页岩气的勘探开发指明方向。

1 研究背景

以张金川等［5，9］划分的南方与北方页岩气为标准，北方包括西北地区、中部地区（华北地区）、东北地区和东部地区4个页岩气成气地质条件与成藏富集特征明显不同的地区，南方即上扬子、滇黔贵区、中下扬子及东南区。

相对于南方，北方在地层层序、沉积发育、构造演化等方面都有明显不同的特点（表1）。前者地层古老、发育不全，主要发育下太古界—古生界—中生界［28-29］，后者地层较新、发育较全，主要发育上古生界—中生界—新生界［29-36］；前者主要是海相碳酸盐岩的岩相古地理背景，后者主要包括海相碳酸盐岩沉积—海陆过渡相煤系沉积—陆相碎屑岩沉积的岩相古地理背景，尤其是陆相湖盆富有机质细粒沉积特征明显［37-41］；前者构造运动旋回相对少、地层相对厚，后者构造运动旋回多［42-49］，地层相对薄、泥页岩互层、夹层发育［50-57］。地质背景的巨大差异，导致了南方与北方页岩气在成因类型、成气条件、成藏规律、富集特征、分布模式、资源潜力等方面都有明显的不同。总体而言，北方页岩气的成气地质条件、成气机制、成气模式与分布特征都比南方复杂且丰富得多。

表1 北方与南方页岩气形成条件与分布特征对比Table1 Comparison of formation conditionsand distribution characteristicsof shalegasin northern China and southern China

2 北方页岩气成因类型

分类是研究的基础，页岩气的成因分类是进行页岩气形成地质条件、形成原因、成气机制、成气模式和分布规律研究的前提。能否选择少数有代表性的重要指标，建立一套相对完整统一、实用简单的页岩气的分类方案，是一项紧迫而重要的任务。在前人分类基础上，优选页岩气成因机制作为一级分类指标，成气页岩母质类型作为二级分类指标，成气演化历史作为三级分类指标，考虑构造运动因素，将页岩气分为2个大类4类10种类型。本方案称为页岩气的成因（机制）—母质（类型）—演化（阶段）三级分类方案。具体分类如下：

（1）第一级分类

首先依据形成原因及形成机制的不同，将页岩气分为生物成因（细菌分解与代谢机制）页岩气（A）和热解成因（热化学降解和裂解机制）页岩气（B）2个大类。一般情况下，生物成因页岩气的识别指标是δ13C1小于 -55‰，甲烷氢同位素为 -158‰～368‰；热解成因气的识别指标是δ13C1为-55‰～-20‰［44，51］。

（2）第二级分类

在一级分类基础上，依据成气页岩的母质类型（Ⅰ，Ⅱ型干酪根或偏腐泥型母质和Ⅲ型干酪根或偏腐殖型母质），分别将生物成因页岩气和热解成因页岩气进一步分为油型生物页岩气（A1）、煤型生物页岩气（A2）和油型热解页岩气（B1）、煤型热解页岩气（B2）共4类。

（3）第三级分类

以前两级分类为基础，依据成气页岩的成气演化阶段，将生物成因气分为早期原生阶段（Ro＜0.7%）和晚期次生阶段（Ro＞0.5%）；针对热解成因气，分为低成熟阶段（0.5%＜Ro＜0.7%）、成熟阶段（0.7%＜Ro＜1.3%）、高成熟—过成熟阶段（Ro＞1.3%），将油型生物页岩气进一步分为原生油型生物页岩气（A11）和次生油型生物页岩气（A12），将煤型生物页岩气进一步分为原生煤型生物页岩气（A21）和次生煤型生物页岩气（A22）；将油型热解页岩气进一步分为低成熟油型（热解）页岩气（B11）、成熟油型（热解）页岩气（B12）和高成熟—过成熟型（热解）页岩气（B13）；将煤型热解页岩气进一步分为低成熟煤型（热解）页岩气（B21）、成熟煤型（热解）页岩气（B22）和高成熟—过成熟煤型（热解）页岩气（B23）等10种页岩气类型。

本分类方案页岩气类型的命名，按“演化阶段（原生与次生，或低成熟、成熟、高成熟—过成熟）—母质类型（Ⅰ，Ⅱ型干酪根的油型和Ⅲ型干酪根的煤型）—成因机制（生物成因和热解成因）”顺序进行（为简单起见，通常将“热解成因”省略）。

将页岩气的分类方案用图版表示，以页岩成气演化阶段为横坐标（判别指标），页岩母质类型为纵坐标（判别指标），得到页岩气成因类型判别标准图版（图1），利用标准图版，依据纵横坐标的判别指标（母质类型和Ro值），可对不同情况下的页岩气成因类型进行判别。

图1 页岩气成因类型判别标准图版Fig.1 Identification standard chart for of genetic typesof shalegas

依据北方地质背景和页岩气形成条件［4-8，31］，将各地区页岩层系的干酪根类型和热成熟度（Ro）值投射到“页岩气成因类型判别图版”（图1）中，得到4个地区页岩气成因类型及其纵向分布（表2），由表2可知，北方页岩气成因类型共有9种，而南方页岩气的成因类型主要是高成熟—过成熟型气这一种［2-3，5-7，27］，所以在北方寻找页岩气，直接套用南方页岩气的找气思路，是行不通的。

表2 北方页岩气的成因类型及其分布Table 2 Genetic types and distribution of shale gas in northern China

3 不同成因类型页岩气的成气模式

页岩气是泥页岩烃源岩生成并滞留于泥页岩烃源岩内，或泥页岩烃源岩生、排出并运移到其薄夹层中的天然气，页岩气生成和排出的特征与规律，称为页岩气的成气模式。

不同成因类型的页岩气，由于其生气母质类型、生排气条件和生排气机制不同，必然有不同的成气模式与分布规律，研究与总结不同成因类型页岩气成气模式，对于页岩气的预测至关重要。

3.1 样品与方法

在研究总结前人相关成果的基础上，选择了5个具有典型代表意义的不同母质类型泥页岩烃源岩的生排烃模拟实验的模拟结果（相当于选取典型样品），通过归纳、对比、拟合、对接、组装（相当于研究方法），最终建立反映不同成因类型页岩气的形成演化共同规律的通用模式。

3.1.1 典型泥页岩烃源岩成气模拟实验与结果

（1）地质条件下湖相烃源岩生排烃效率与模式

陈建平等［31］以渤海湾、松辽等4个大型湖相含油气盆地以及酒泉青西凹陷、泌阳凹陷等9个中小型湖相富油盆地/断陷为对象，通过15 000余个湖相烃源岩样品（TOC质量分数达到2.0%）在热演化过程中热解生烃潜力指数的变化研究，揭示了湖相烃源岩在地质条件下的生排烃特征，构建了湖相烃源岩在地质条件下的生排烃模型。其优点是代表性强、阶段性明显、实现定量化、规律性强。存在问题主要表现在没有考虑泥页岩烃源岩埋藏早期的生物成气过程，也没有模拟泥页岩烃源岩在过成熟（Ro＞2.0%）阶段的成气特征。

（2）页岩气形成机制的生烃热模拟研究

汤庆艳等［30］选择美国 Green River，Woodford及我国珠江口盆地等3种不同有机质类型的低成熟页岩，采用密封金管—高压釜体系，在24.1 MPa围压下，以20℃/h和2℃/h的升温速率进行生烃热模拟实验，获得模拟实验结果。优点是阶段性明显，实现产烃定量化，规律性强。存在问题主要表现在没有考虑泥页岩烃源岩埋藏早期的生物成气过程，也没有模拟泥页岩烃源岩在过成熟以后阶段（Ro＞3.0%）的成气特征。

（3）煤化阶段与天然气生成演化对应关系

苏现波等［53］通过模拟实验和综合研究，将煤系地层中的烃源岩埋藏热演化成气过程与煤变质演化阶段进行对比，依据埋藏过程中生物气和热成因气的生成及含气饱和度的变化，定性—半定量地给出了煤系烃源岩（相当于Ⅲ型干酪根）成气演化过程与模式。其优点是阶段性明显，反映了一个完整的烃源岩成气演化过程。存在问题主要表现在，一是气体生成没有定量化，气体生成高峰时期（0.9%＜Ro＜1.5%）提前，与甲烷大量生成阶段（1.5%＜Ro＜1.8%）对应相关性差，二是生物气的形成演化没有定量或半定量化，只是提出有这个阶段或过程，三是只考虑了Ⅲ型干酪根。

（4）不同类型优质烃源岩生排油气模式

秦建中等［32］在常规地球化学研究的基础上，综合利用扫描电镜、能谱分析、X射线衍射和有机岩石学分析等新技术，将优质烃源岩按成岩颗粒或生屑成分分为3种类型：硅质型、钙质型和黏土型。通过对3种类型优质烃源岩样品的地层孔隙热压生排油气模拟实验，建立了其生排油气动态模式。其优点是定量模拟了一个完整的烃源岩热解成气演化过程。存在问题主要表现在，一是没有反映生物成因气的模拟过程，二是只给出了Ⅱ型干酪根烃源岩成气演化的模拟结果，没有给出Ⅰ，Ⅲ型干酪根烃源岩成气演化的模拟结果。

（5）煤层生气模式

刘洪林等［49］通过对比美国粉河盆地与我国鄂尔多斯盆地煤层气成因类型、煤层气演化与煤阶的关系，提出煤层气有2种基本成因类型，生物成因类型和热成因类型，并总结出煤层（相当于Ⅲ型有机质烃源岩）演化形成这2种成因类型煤层气的生气模式。其优点是定量模拟了一套煤层（Ⅲ型干酪根）烃源岩从生成生物成因气（原生生物成因气）到生成热解成因气的相对完整的演化过程。存在问题主要表现在，一是没有揭示煤层演化后期（Ro达到3.0%以后）的生气过程及其衰竭特征，二是本模式只能反映Ⅲ型干酪根有机质烃源岩的成气演化规律，不能代表Ⅰ，Ⅱ型干酪根泥页岩烃源岩的成气规律。

3.1.2 建立完整通用页岩成气演化模式的方法

（1）基本思路

以前述5个典型页岩气成气模式为基础，结合前人其他相关成果，优势互补，消除不足，首选确定成气演化的关键演化时间点（Ro在未成熟、低成熟、成熟、高成熟、过成熟等不同阶段联结点），其次对各种模式泥页岩烃源岩的产气参数进行统一化和归一化处理，计算关键节点不同类型干酪根的生排烃（气）量，三是整合与对接不同阶段泥页岩烃源岩不同阶段成气参数（不同类型干酪根的成气量），最终形成一个统一完整的不同类型泥页岩烃源岩的成气演化模式。

（2）页岩成气演化关键节点

页岩成气演化关键节点指富有机质泥页岩在埋藏演化过程中发生重大地质事件对应的节点，用Ro值来表示。

依据前述典型烃源岩演化生排气模拟实验，综合前人相关研究成果，拟定了富有机质泥页岩烃源岩（TOC质量分数大于2%）成气演化关键节点、重要事件标志及其主要依据来源（表3）。

表3 泥页岩烃源岩成气演化关键节点的确定与依据Table3 Determination and referencesof key nodesfor gasformation evolution of shalesourcerocks

（3）页岩成气演化关键节点生排烃量的确定

要获得不同类型富有机质泥页岩烃源岩成气演化定量模式，须要得到不同类型烃源岩在演化过程中的各个关键节点的生排烃量，实验模拟与研究表明：Ⅰ，Ⅱ型干酪根排气特征很接近，与Ⅲ型干酪根差异较大［31］，为简化模型，用Ⅱ型（或Ⅱ1型）烃源岩的成气特征代表Ⅰ，Ⅱ型烃源岩的成气特征，建立Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ型干酪根烃源岩的成气演化模式。页岩成气演化关键节点生排烃量的确定方法及其依据如表4所示。

3.2 结果

以表3和表4为依据，总结出不同类型（Ⅰ，Ⅱ型干酪根代表的油型母质烃源岩和Ⅲ型干酪根代表的煤型生烃母质烃源岩）富有机质（TOC平均质量分数为2%）页岩成气演化通用模式，定量反映了不同成因类型页岩气的形成演化规律（图2）。

与目前其他页岩气成气演化模式相比，图2具有以下更优越的特点：①囊括了所有成因类型（9种类型）的页岩气，各成因类型页岩气成气演化规律清楚明了；②定量表征了一个完整清晰的页岩成气演化序列；③便于记忆，实用简单，预测性强，可用于任何地区富有机质页岩层系页岩气的初步定量预测；④更有利于页岩气勘探的分类指导与预测：只要知道了页岩干酪根类型和演化程度，就立即能联想和评估要寻找的页岩气的类型、领域（深度范围和地区）和页岩气的大致潜力；⑤具有普遍意义和代表性，尽管本模式的定量数据还存在一定的误差，但仍具有可比性和预测性，具有普适性和示范性。

表4 泥页岩烃源岩成气演化关键节点成气量的确定与依据Table 4 Determination and references of gas formation at key nodes of gas shale source rocks

图2 页岩气成因类型及其成气演化通用模式Fig.2 Genetic type of shale gas and its general model of gas formation evolution

4 北方页岩气分布特征与勘探方向

4.1 页岩气在盆地内的分布特点与分布模式

依据形成条件、成气模式和成因机理，页岩气可分布于盆地内任何有富有机质页岩赋存的地方，且不同成因类型的页岩气的分布和产状具有明显的规律性。

原生油型生物气和原生煤型生物气主要分布于盆地（前者为湖或海相，后者为过渡沼泽相）浅层的沉积、沉降中心，呈毯状分布。次生油型生物气和次生煤型生物气主要分布于盆地边缘或盆地内部浅层（生物作用强烈的地方），呈环带分布。成熟油型气和高成熟—过成熟油型气主要分布在湖（海）相盆地深部的沉积沉降中心及其周边低斜坡，平面上呈环带状分布。低成熟煤型气、成熟煤型气和高成熟—过成熟煤型气主要分布在过渡相沼泽相盆地（煤系地层）的斜坡（中部）到沉积沉降中心（深部），受热演化程度的制约，平面上呈环带状分布。

由此可知，富有机质页岩盆地页岩气的分布，具有全凹陷含气，纵向上依成熟演化分层，平面上据演化程度分带的有序连续分布特征。纵向上，由地表向深层依次为，地表—浅层原生油型或原生煤型生物成因页岩气、浅层次生油型或次生煤型生物页岩气、中层低成熟煤型页岩气（针对煤系地层）、深层成熟油型页岩气或成熟煤型页岩气、更深层高成熟—过成熟油型页岩气或煤型页岩气。平面上围绕盆地沉积沉降中心呈环带分布，即由盆地边缘到盆地中心依次为，盆地边缘分布次生油型生物页岩气或次生煤型生物页岩气、高斜坡（浅层）分布低成熟煤型页岩气、低斜坡（中—深层）分布成熟油型页岩气或成熟煤型页岩气、盆地中心（深层）分布高成熟—过成熟油型页岩气或高成熟—过成熟煤型页岩气（图3）。

图3 北方沉积盆地页岩气成因类型及其分布模式A11.原生油型生物气；A21.原生煤型生物气；A12.次生油型生物气；A22.次生煤型生物气；B21.低成熟煤型气；B12.成熟油型气；B22.成熟煤型气；B13.高成熟—过成熟油型气；B23.高成熟—过成熟煤型气Fig.3 Genetic typesand distribution patternsof shalegasin sedimentary basinsof northern China

4.2 北方页岩气勘探的正确方向

北方页岩气勘探应遵循北方沉积盆地页岩气成因类型及其分布模式，进行分区分类评价与预测，依区依类制定不同勘探政策，各个击破。

4.2.1 北方页岩气勘探的策略

西北、华北、东部地区盆地的下古生界，应该以寻找与南方已开采的高成熟—过成熟油型相似的页岩气为主要目标，但因埋藏深，勘探难度大，不宜优先考虑。整个北方地区的上古生界，应该以寻找成熟煤型气、高成熟—过成熟煤型气为主要目标，也可作为优先考虑的勘探领域。北方中生界富有机质泥页岩主要分布在西北、华北和东北地区，页岩气成因类型多，其中三叠系—侏罗系应该以寻找低成熟、成熟、高成熟—过成熟煤型页岩气和次生煤型页岩气为主要目标，也应该作为优先考虑的勘探领域；白垩系应该以寻找高成熟—过成熟油型页岩气和次生油型生物页岩气为主要目标。对于新生界，北方各地区的盆地内都有富有机质泥页岩分布，但热成熟度总体比较低，且各地区差异大，应该以寻找次生油型生物页岩气和次生煤型生物页岩气、原生油型生物页岩气和原生煤型生物页岩气、低成熟煤型页岩气为主，东部渤海湾盆地的一些次级深凹陷的古近系页岩层系可寻找高成熟—过成熟油型页岩气。热解类油型页岩气不是北方页岩气的主要勘探对象。

4.2.2 北方页岩气勘探的具体思路

针对具体盆地，页岩气勘探的思路是：在盆地中心的地表—浅层，应该以寻找柴达木盆地三湖地区新近系—第四系的原生油型与煤型生物页岩气（与美国粉河盆地白垩系Fort Union组原生煤型生物页岩气相似的页岩气为主要目标）；在盆地边缘浅层应该以寻找与美国密执根盆地的Antrim次生油型生物页岩气和阜新盆地白垩系阜新组次生煤型页岩气相似的页岩气为主要目标；在含煤盆地中浅层斜坡区应该以寻找与西西伯利亚盆地白垩系乌连戈伊低成熟煤型页岩气和吐哈盆地吐鲁番坳陷侏罗系水西沟群低成熟煤型页岩气相似的页岩气为主要目标；盆地中深层低斜坡区以寻找与美国福特沃斯盆地下石炭统Barrett成熟油型页岩气相似的页岩气为目标；盆地中心的深层以寻找与美国圣华金盆地白垩系lewis高成熟—过成熟油型页岩气相似的页岩气为主要目标，或以寻找与沁水盆地白垩系高成熟—过成熟煤型页岩气相似的页岩气为主要目标。