南方公益性页岩气调查研究进展

包书景, 陈 科, 周 志*, 余 谦, 陈孝红, 李世臻,刘 伟, 苑 坤, 淡 永, 冯兴强, 周道容

(1.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083; 2.中国地质调查局非常规油气地质实验室,北京 100083; 3.中国地质调查局成都地质调查中心,四川 成都 611230; 4. 中国地质调查局武汉地质调查中心,湖北 武汉 430223; 5.中国地质调查局岩溶地质研究所,广西 桂林 541004; 6.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081; 7.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016)

0 引言

我国页岩气资源丰富,技术可采资源量与美国相当[1-2]。自21世纪初引入页岩气概念以来,通过对外合作、自主探索,利用不到20 a时间实现了突破建产、快速追赶,目前仍在快速发展时期[3-8]。截至2022年底,我国已经在四川盆地奥陶系—志留系实现商业开发,探明储量2.76×1012m3,形成重庆涪陵、南川,四川长宁、威远、威荣,云南昭通和贵州正安7个页岩气田,页岩气累计产量近930×108m3,其中2022年产量240×108m3,占国内天然气总产量的10.90%,成为了全球页岩气第二大生产国[3,6,9-13]。据相关部门预测,未来页岩气将是我国天然气产量增长的主体[14-15]。预测到“十四五”末,页岩气产量有望达到400×108m3,占国产气总量的17%,增量占比超过45%,主要来自四川盆地及周缘[5,15]。但页岩气增储上产面临挑战: 产层单一,几乎全部产自四川盆地志留系; 核心区单井产量递减快; 盆地未来接替区深层、超深层开发难度大、成本高; 资源探明率低(2.62%)[6]。因此,亟需向新区、新层系进军,开辟新的页岩气产能基地。

中国地质调查局坚决贯彻落实习近平总书记关于保障国家能源资源安全的重要指示批示精神,按照地质调查基础性、公益性、战略性工作定位,践行科技创新驱动、基础地质先行、战略调查突破、商业勘探跟进新机制,精心组织实施“南方页岩气地质调查工程”,聚焦四川盆地外围复杂构造区新区、新层系、新类型,优选页岩气远景区、有利区,取得了页岩气地质调查重要发现和突破,形成复杂构造区页岩气形成富集地质理论和评价技术方法,支撑了新的能源基地建设,为国家油气资源战略、规划、管理以及勘查开发提供了基础支撑,为经济社会发展提供了油气地质基础信息资料和公益服务。本文围绕“南方页岩气基础调查工程”目标任务,总结2019—2021年页岩气调查评价主要进展与成果,阐述地质理论与调查技术创新,归纳引领带动作用与有效服务,并提出下一步工作建议。

1 调查进展与成果

1.1 在优选页岩气有利区部署实施钻探,实现新区新层系页岩气/油气调查突破

聚焦四川盆地外围复杂地质构造区,以实现“新区、新层系、新类型、新认识”四新领域页岩气重要发现和突破、加快形成长江经济带页岩气勘查开发新格局核心,组织实施南方页岩气地质调查,在四川盆地周缘、湘鄂西地区、滇黔桂地区和下扬子等地区多套层系取得了重要发现和突破,开辟了页岩气勘查的新区、新层系、新类型(图1)。

(1)滇东北云南大关地区志留系获页岩气调查重大发现。在滇东北构造带云南大关—永善地区的木杆向斜实施云大页1井,上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(以下简称“五峰组—龙马溪组)富有机质页岩厚71 m[16-17],有机地球化学指标好,总有机碳(total organic carbon, TOC)含量平均3.58%,镜质体反射率(Ro)平均2.74%,页岩总含气量平均4.90 m3/t。2020年1—3月,对五峰组—龙马溪组优质页岩实施了两段压裂(2 072～2 088 m、2 040～2 072 m)(图2),射流泵泵抽求产12 h,稳定产气2 640 m3、折算日产5 280 m3,达到了页岩气直井工业气流标准,实现了新区页岩气调查新突破,证实了四川盆地外大关—永善复杂构造区五峰组—龙马溪组页岩气资源潜力较好,具有良好的勘探前景。

(2)四川盆地西南缘三叠系雷口坡组油气调查取得重大突破。在四川盆地西南缘部署实施的川沐地2井在三叠系分别钻遇须家河组和雷口坡组,油气强烈显示[18]。其中,须家河组致密砂岩储层3层,分布在须五段—须六段、须二段,累计厚度112.60 m,有效厚度62.40 m; 页岩储层2层,分布在须二段、须一段,累计厚度16.30 m,有效厚度14.00 m; 碳酸盐岩储层2层,分布在雷三段,累计厚度49.10 m,有效厚度10.10 m,储层岩性为鲕粒白云质灰岩、砂屑白云质灰岩。综合评价优选了雷三上(2 044.3～2 054.0 m)、雷三下(2 144.0～2 183.4 m)两段进行酸压试气(图3),日产气1.68×104m3/d,实现川西南雷口坡组油气重大突破。

图3 川沐地2井三叠系雷口坡组钻井综合柱状图Fig.3 Comprehensive column diagram of Triassic Leikoupo Formation drilling in Well Chuanmudi 21 in=0.025 4 m。

(3)黔西南坳陷下石炭统页岩气调查取得重要突破。通过非震电法技术对垭紫罗裂陷槽的刻画,落实槽内构造特征和富有机质页岩空间展布,在贵州六盘水地区针对下石炭统打屋坝组部署实施的黔水地1井,1 600～1 928 m井段分4段实施直井压裂试气,测试获得1.1×104m3/d的页岩气工业气流[19-20],累产量25×104m3。在贵州省威宁县金钟镇部署实施了地质调查井——黔宁地1井。在下石炭统打屋坝组共钻遇气测异常段5段,累计厚度48.40 m,现场解析含气量为0.14～3.31 m3/t,平均为1.05 m3/t,气体组分以甲烷为主。黔水地1井、黔宁地1井系统揭示了滇黔桂地区下石炭统打屋坝组页岩气藏“千层饼”型泥灰岩、泥页岩互层的岩性组合新类型[21](图4),是南方复杂构造区新区新层系新类型页岩气调查的一项重要突破,对滇黔桂地区页岩气勘探具有引领示范作用。

(4)雪峰西南缘震旦系—寒武系多个层系获得页岩气重要发现。在雪峰隆起西南缘黔南坳陷部署实施的贵丹地1井,在寒武系乌训组、变马冲组、九门冲组、牛蹄塘组、震旦系陡山沱组5个层系钻获良好的页岩气显示[22-23],气测全烃值大于2%共计207 m/12层。其中,寒武系乌训组首次发现6段气测异常,全烃气测值大于2%含气段累计厚度81 m,气测全烃峰值达4.99%、甲烷气测值达4.86%,岩心浸水实验起泡连续,后效气点火成功,开辟了南方页岩气调查的新层系。钻遇震旦系陡山沱组页岩23 m,含气段厚度9 m,气测全烃峰值6.37%,甲烷达到6.15%,浸水实验起泡,后效气点火成功,扩大了南方陡山沱组页岩气含气范围。寒武系变马冲组、九门冲组和牛蹄塘组具有良好页岩气显示,开辟了滇黔桂地区多层系页岩气调查新局面。

(5)湖北咸丰地区志留系钻遇页岩气重要发现。湖北咸丰地区鄂丰地1井在1 460～1 535.74 m深度钻遇上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组,含气页岩厚75.74 m,岩性以黑色碳质页岩和硅质页岩为主,水平层理发育,富含黄铁矿和笔石,为深水陆棚相沉积[24]。含气页岩层段气测全烃峰值为9.62%,甲烷峰值为7.59%。页岩含气性良好,现场岩心浸水实验,可见大量浓密串珠状气泡冒出。现场解吸含气量(不含残余气)为0.20～2.53 m3/t,平均值为1.67 m3/t。此次重要发现,揭示了鄂西恩施地区良好的页岩气资源勘探开发前景。

(6)湘中涟源坳陷下石炭统取得页岩气调查重要发现。在涟源坳陷中部构造带杨家山向斜部署实施的湘新地4井,在下石炭统石磴子组、陡岭坳组和天鹅坪组连续钻获129 m/12层含气页岩、泥灰岩[25-26](图5)。天鹅坪组页岩气测异常50 m/2层,全烃气测值2.47%～11.205%,甲烷气测值2.11%～10%,现场解析含气量0.01～4.30 m3/t,平均1.75 m3/t。测井评价出II类页岩气储层19.5 m/1 层,是该层系首次发现; 陡岭坳组获得多层气测异常显示,气测全烃峰值为8.06%,甲烷峰值为7.203%。湘新地4井下石炭统页岩气重要发现开辟了湘中坳陷地区页岩气勘查新区新层系,圈定页岩气有利区面积672 km2。

图5 湘新地4井石炭系钻井综合柱状图Fig.5 Comprehensive column diagram of Carboniferous drilling in Well Xiangxindi 4

(7)下扬子宣泾凹陷三叠系和二叠系钻获良好油气显示。在安徽宣泾凹陷南部斜坡部署实施的皖泾地2井,在三叠系和二叠系6个层系获得油气、页岩气显示[27]。其中,在三叠系和龙山组见到4 m厚的气测异常和两层荧光显示,殷坑组荧光显示两层,局部见裂缝含油; 相邻的皖泾地1井揭示殷坑组暗色泥岩和泥灰岩厚达约79. 8 m,TOC含量为0.466%～1.13%(均值0.75%),总生烃潜量(S1+S2)为0.47 ～1.82 mg/g,Ro为1.2%～1.25%,处在生油窗内。在二叠系大隆组和孤峰组见多层页岩气异常显示,大隆组气测异常15 m,全烃气测异常值最高1.70%,孤峰组气测异常较好,在2 064～2 075 m层段,气测全烃峰值1.30%。

1.2 优选了一批页岩气远景区和有利区,评价了重点地区页岩气资源潜力

基于南方复杂构造区页岩气地质条件和调查进展,按照1∶25万页岩气基础地质调查工作指南等相关规范,针对南方重点地区开展了页岩气富集保存地质条件分析和选区评价,圈定了贵州水城—威宁石炭系、贵州紫云—长顺石炭系、贵州凯里—都匀震旦系—寒武系、广西荔浦石炭系、四川川西北志留系、湖南邵阳石炭系天鹅坪组、湖南桃源志留系、安徽宣城凹陷三叠系、安徽无为二叠系、安徽阜阳石炭系—二叠系、安徽安庆—池州志留系、贵州威宁—六盘水石炭系、云南大关—永善志留系13个页岩气远景区和四川雅安—乐山三叠系油气页岩气远景区,累计面积52 550 km2; 优选安徽望江凹陷许岭次凹杨岭二叠系、贵州凯里—都匀震旦系—寒武系、贵州六盘水石炭系、贵州紫云石炭系、湖北建始二叠系、湖北咸丰志留系、雪峰南缘涟源凹陷石炭系、雪峰山沅麻盆地草堂凹陷寒武系、贵州威宁—六盘水石炭系、四川沐川—屏山—马边三叠系、云南大关—永善志留系等11个页岩气有利区和鄂西花果坪复向斜天宝山、四川梓潼—剑阁灯影组台缘带2个油气有利区,累计面积19 908.65 km2。

针对垭紫罗裂陷槽石炭系开展地质资源潜力、技术经济、环境影响“三位一体”的页岩气资源潜力评价,贵州六盘水、紫云、晴隆和罗甸4个远景区总面积15 263 km2,评价资源量为6.37×1012m3; 六盘水和紫云2个有利区总面积3 275 km2,评价资源量为2.02×1012m3。其中,生态红线区外页岩气远景区面积为14 712.55 km2,资源量为61 119.64×108m3; 有利区全部位于生态红线以外,总面积为3 275.63 km2,资源量为20 234.81×108m3。评价了四川沐川—屏山有利区龙马溪组页岩气藏、雷口坡组构造—岩性复合气藏资源量,计算有利区面积246.9 km2,评价龙马溪组页岩气资源量24 690×108m3,雷口坡组天然气资源量21 233×108m3。采用概率体积法,评价了安徽望江杨岭有利区二叠系页岩气资源量2 491.84×108m3,湖南涟源石炭系页岩气有利区5 435×108m3,雪峰山沅麻盆地草堂凹陷寒武系页岩气有利区20 392.37×108m3。采用成因法计算了安徽宣城凹陷西部三叠系殷坑组烃源岩的生烃资源量,在皖泾地1井最大生油强度可达到68×104t/km2,皖泾地1井周边区域约130 km2范围内,累积总生油量可达近5 000×104t,表明安徽宣城凹陷西部三叠系殷坑组具有良好的油气资源潜力。

2 理论与技术创新

2.1 成藏理论创新

对我国南方中上扬子上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组、寒武系牛蹄塘组、滇黔桂湘泥盆系—石炭系等不同层系开展了页岩沉积气候环境、生物类型及古生产力的差异对比分析,明确了矿物组成、沉积相带、有机质富集与保存的主控因素,初步建立了5套页岩层系页岩气富集模式,并分析了主控因素。

(1)建立了滇东北复杂构造区五峰组—龙马溪组页岩气富集模式(图6)。燕山晚期以来,在构造变形与持续抬升过程中,高陡背斜及深大断裂的形成,伴随着潜水面的迅速下降、地表水的垂直渗流作用和大气进入断裂,储层将遭受水洗、氧化作用,地层压力频繁变化,先后表现为释压-甲烷脱附-静水压力恢复-氮气吸附过程,页岩含气性变差。由于地层压力的释放与地层流体的逸散,页岩层系受到强烈的压实作用,页岩储层迅速致密化,在宽缓复向斜翼部的高陡背斜构造带或断裂带形成“封闭带”,而在复向斜内部则构成了对页岩气相对的“富集带”的垂向和侧向的封闭体系,确保向斜核部页岩气富集成藏。

(2)建立了垭紫罗裂陷槽石炭系台盆沉积模式。系统认识了泥页岩空间展布规律与地质特征。建立了石炭系被动陆缘背景下的北东陡、南西缓非对称式的台盆沉积模式,提出台盆相与下斜坡相是富有机质页岩沉积的有利相带(图7)。根据页岩沉积有利相带、构造形态和含气特征,建立了台盆相紧闭背斜型与下斜坡相向斜构造型2个页岩气成藏模式,对滇黔桂地区上古生界同类型页岩气勘查具有重要指导意义。

(3)建立了寒武纪不同相区富有机质页岩气精细地层划分对比方案和有机质富集模式,丰富和完善了黑色页岩成因机制。采用生物地层、事件地层和同位素地质年代学研究相结合的方法,修订了中扬子地区寒武系多重地层划分对比方案,修编了早寒武世滇东统岩相古地理,发现雪峰隆起周缘寒武系早期富有机质页岩是扬子地块寒武纪滇东统大陆架-斜坡盆地的沉积产物,结合页岩地球化学特征及其古气候、古环境和成因意义,研究证实雪峰隆起周缘寒武系滇东统富有机质页岩是震旦纪—寒武纪转变时期气候波动,上升洋流将盆地有机质运移到大陆架与斜坡过渡地带沉积的结果。

(4)查明了雪峰隆起页岩气成藏主控因素,建立了对冲断裂控藏型页岩气成藏模式。明确雪峰古陆寒武系牛蹄塘组页岩是深水陆棚沉积产物,富有机质页岩在加里东中—晚期进入生油、生湿气阶段,生烃早,后经历了加里东晚期、海西和印支期的长期调整改造,在燕山早期达到最大埋深之后,快速抬升改造,页岩气藏再次遭受强烈破坏。目前残存的高含气量页岩与燕山期逆冲推覆过程中形成的反向调节断裂对页岩气的封堵直接相关,优质储层主要分布在反向调节断裂封堵的寒武系底部页岩-硅质岩滑脱带面上,页岩含气量受控于滑脱带厚度和滑脱带内裂缝发育程度、页岩的TOC含量,据此建立了对冲断裂控藏型页岩气成藏模式, 进一步丰富和完善了复杂构造带高演化页岩气的成藏理论。

(5)提出了湘中坳陷“有利相带控烃,岩浆作用控热,推覆构造控藏”的页岩气成藏理论新认识,建立了湘中坳陷双冲断裂夹块型页岩气控藏新模式: 一是湘中坳陷天鹅坪组页岩TOC含量与页岩沉积的海洋氧化还原环境关系密切,有利于有机质富集保存的台盆相和台坡相控制页岩气的储层分布; 二是岩浆活动分布制约湘中下石炭统页岩气储层热演化程度; 三是伴随中、新生代多次推覆构造活动,湘中坳陷泥盆系佘田桥组和石炭系测水组页岩滑脱带形成了双冲断裂,并成为页岩气保存富集的圈闭构造。

2.2 技术方法创新

(1)初步探索形成岩溶发育区页岩气调查技术方法体系。该技术体系包括岩溶地质调查、页岩气保存评价技术、页岩气勘探岩溶预测方法和页岩气勘探钻井施工中预防和治理技术4个方面。一是在岩溶地质理论的指导下,综合各工作手段,查明工区页岩气-岩溶区域地质条件,地表—近地表岩溶发育特征; 二是查明页岩-碳酸盐岩层组结构特征,页岩气目的层和顶底板碳酸盐岩岩溶地质条件,建立了页岩气保存评价技术方法,评估页岩顶底板碳酸盐岩层封盖性和对页岩气保存的控制作用; 三是提出岩溶地球物理勘探“三定”技术体系,优化组合不同的勘探方法组合和采集、处理技术方案,识别浅层岩溶空间发育特征,规避岩溶高风险区、层段,按照“钻前预测,制定应急预案; 钻中技术支撑,应急处置”原则,有效降低勘探风险。

(2)形成垭紫罗裂陷槽地球物理刻画和页岩气甜点区综合评价技术。优选出了以纵向分辨率高的广域电磁法为主的地球物理勘查技术,通过在垭紫罗裂陷槽西南缘的黔西南坳陷、南盘江坳陷、黔南坳陷、黔中隆起、六盘水断陷、滇东隆起、滇东北坳陷等构造单元的大量工作,落实了工作区结构、构造、目的地层展布与埋深,精细刻画出了垭紫罗裂陷槽边界、形态结构及次级裂陷构造边界,查明了区内断裂构造特征、低阻地层展布特征及地球物理场分布规律,厘清了打屋坝组相变边界,圈定了页岩气甜点区带,提出了井位建议,创新实践了以广域电磁法为主导的裂陷槽地球物理刻画技术。

(3)创建垭紫罗裂陷槽石炭系新类型页岩气评价参数体系。针对垭紫罗裂陷槽石炭系“低硅高钙”灰泥互层新类型页岩气藏,以页岩含气性为核心评价参数,确定了页岩厚度、有机碳含量、含气面积等主要参数和起算条件,建立了滇黔桂地区石炭系页岩气资源评价参数体系(表1),开展垭紫罗裂陷槽贵州段石炭系地质资源潜力、技术经济、环境影响“三位一体”的页岩气资源潜力评价。

表1 滇黔桂石炭系页岩气有利区评价参数起算条件Tab.1 Starting calculation conditions for evaluation factors of potential and favorable areas of Carboniferous shale gas in Yunnan, Guizhou and Guangxi Province

3 成果有效服务

南方页岩气基础地质调查在“四新”领域取得了重要发现和重大突破,不但提振了复杂地质构造区油气勘查的信心,发挥了引领带动作用,而且形成的调查成果的移交和优选的勘查区块的出让,有力支撑了油气体制改革,对当地扶贫攻坚工作发挥了积极作用,具有明显的经济效益和社会效果。

(1)编制区块资料包、支撑油气体制改革。编制云南大关—永善页岩气、四川沐川—屏山、广西鹿寨—柳城北油气页岩气地质资料包10个,为国家和地方自然资源部门开展区域油气勘探开发决策提供了科学依据。其中,贵州正安中观、绥阳桴焉(一、二)、务川大坪、遵义新舟和德江石朝以及广西柳城北、鹿寨和云南大关木杆—寿山9区块挂牌成功出让,累计出让金额超过6亿元,有效支撑了部局的油气矿政管理和矿权体制改革,为长江经济带清洁能源体系建设提供基础支撑。

(2)油气战略调查的发现与突破,带动了邻近区块页岩气勘查工作。贵州六盘水地区黔水地1井石炭系页岩气重大发现及垭紫罗裂陷槽的系统解剖,引领带动中国南方石炭系页岩气勘探,得到了行业内的高度关注,中石化在黔西南地区部署大面积的电磁勘探,为地方吸引数千万资金投入,开辟了我国南方页岩气调查的新战场; 贵丹地1井地质调查成果加速了位于贵丹地1井北部的中石化矿权区页岩气勘探进程。

(3)页岩气资源评价成果有效支撑政府决策。南方页岩气基础地质调查工作受到云南、四川和贵州省自然资源厅及大关县、沐川县、威宁县和丹寨县地方政府以及油田公司等相关企事业单位关注,并为其提供服务和支撑。其中,在乌蒙山区和滇桂黔地区开展页岩气调查工作,支撑昭通—大关、麻江—丹寨地区页岩气产业发展,提交了《丹寨县页岩气资源潜力评价报告》,同时被当地政府编入“十四五”计划。黔西南坳陷寒武系页岩气调查成果被贵州省能源局应用于“十四五”油气行业规划,支撑丹寨县页岩气产业发展。

4 下一步工作建议

(1)南方复杂构造区海相页岩气资源潜力大,亟需深入研究构造改造对页岩气富集成藏的影响。南方复杂构造区页岩气地质资源量55.73万亿m3,占全国总量的46.96%。自震旦系沉积以来先后经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜山期等多期次构造运动强烈改造,页岩气的保存条件相对较差。复杂构造区深层页岩气勘查开发的难度增大,经济效益较差。区域构造演化过程和不同构造单元的改造强度及其对页岩气保存条件的影响程度亟需评价。

(2)系统开展南方复杂构造区页岩气资源评价,圈定远景区,优选有利区。南方地区发育多套不同类型的富有机质页岩层系,经历了多期强烈的构造运动,页岩气的富集与保存条件复杂,不同层系不同构造区差异性较大。随着调查工作程度提高和地质认识程度深化,需要系统开展资源潜力评价工作,将复杂构造带的新区新层系、深层领域作为资源评价的重点,进行“地质条件、技术经济、环境影响”三位一体的资源评价,圈定优选页岩气远景区和有利区,为页岩气地质调查评价和勘查区块优选奠定基础。

(3)加大页岩气基础地质调查与科技创新,持续攻关新区新层系。进一步发挥公益性油气调查引领作用,针对新区新层系页岩气,通过开展1∶5万、1∶25万基础地质调查,以野外地质调查、地球物理、钻探和分析测试等手段,获取页岩油气资源评价关键参数,实现页岩气调查的新发现新突破。以制约页岩气富集与保存基础地质瓶颈问题为核心,加大科技攻关,明确盆地形成机制及演化历史、富有机质页岩形成的沉积条件,建立不同构造类型页岩气成藏富集模式,形成我国地质特色的页岩气地质理论体系,有效指导页岩气的调查与勘查工作。

(4)开展区块优选,推出页岩气探矿权,支撑页岩气增储上产。充分挖掘现有工作基础,建立复杂构造区油气勘查区块优选评价方法、标准、流程与相关技术要求。收集、采集整理各类油气地质资料,以油气地质条件为依据,重点以构造保存、含油气性、区块面积、勘探风险、资源潜力等因素为主要评价标准,优选优质勘查区块,部署实物工作量获取含油气性参数,提交有利优质勘查区块及相应资料包。加快推动探矿权出让,鼓励和支持各类社会主体积极参与页岩气勘探开发,推动页岩气增储上产。