頁巖氣藏地質特征及地質選區評價方法——以遼河坳陷東部凸起為例

楊一鳴，毛俊莉，李晶晶

(1.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010;2.中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

頁巖氣藏地質特征及地質選區評價方法
——以遼河坳陷東部凸起為例

楊一鳴1，毛俊莉1，李晶晶2

(1.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010;2.中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

以遼河坳陷東部凸起為例，分析了其構造特征及沉積環境，認為東部凸起上古生界山西組、太原組存在1套良好的高成熟度、高有機質豐度的烴源巖。通過對山西組、太原組泥頁巖的分析，認為有機碳含量、演化程度、單層厚度、硅質含量、含氣量、滲透率是頁巖氣地質選區的6個基本參數，初步確立了頁巖氣有利區地質評價方法，有助于推動頁巖氣勘探開發和產業化的發展。

有機質;含氣量;地質特征;地質選區;頁巖氣;東部凸起;遼河坳陷

引 言

據預測，世界范圍內頁巖氣儲量相當于煤層氣與致密砂巖氣儲量的總和，占3種非常規天然氣總資源量的50%［1－2］。進入21世紀，全球已有30多個國家開展頁巖氣勘探開發。其中，美國商業化開采程度最高，年產頁巖氣量為1 000×108m3，已經超過中國現今所有類型天然氣產量的總和(大約為830×108m3)。頁巖氣作為1種新型能源，越來越引起人們的關注，已經成為油氣勘探開發的重要領域。根據類比法預測，中國頁巖氣資源前景約30×1012m3。四川盆地寒武系頁巖氣資源量為7.14×1012～14.6×1012m3，志留系為2×1012～4×1012m3［3－4］。中國頁巖氣資源潛力巨大，勘探開發前景較好，具有加快勘探開發的巨大資源基礎。

遼河拗陷頁巖分布層位較廣。其中，古生界石炭、二疊系的暗色泥巖、炭質泥巖及煤系地層主要分布在東部凸起，面積為1 600 km2。為了推動頁巖氣資源勘探開發快速發展，以東部凸起為例，從頁巖氣藏地質特征入手，探討頁巖氣地質選區評價方法，提出了下一步勘探建議。

1 地質概況

1.1 勘探概況

遼河坳陷東部凸起為一中、古生界斜坡，中、新生代時期為東部洼陷的一部分，古生界時期為太子河洼陷的一部分，勘探面積為1 600 km2。目前，東部凸起完鉆探井10口，其中6口井鉆遇古生界，佟3、王參1、遼M1等多口井見到油氣顯示，佟3、王參1、遼M1，佟2905等井顯示氣測異常。

1.2 沉積特征

東部凸起上古生界暗色泥巖為海陸過渡的有障壁海岸相沉積，主要分布在石炭系太原組、二疊系山西組。石炭系為1套海陸過渡相地層，廣泛發育潮坪、潟湖泥炭坪，底部為薄層灰巖，向上演變為煤層、泥巖、粉砂巖互層沉積特征。二疊系下部為海陸過渡相泥頁巖，向上過渡為陸上沉積的石英砂巖，在煤層上下普遍有海相泥巖夾泥灰巖等夾層。

2 頁巖氣藏地質特征

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的天然氣，頁巖氣的形成和富集有著自身獨特的特點，往往分布在盆地內厚度較大、分布較廣的頁巖烴源巖地層中頁巖氣藏不同于常規氣藏，頁巖本身既是氣源巖又是儲集巖，頁巖氣藏的分布與有效氣源巖的面積相當，頁巖氣藏一般不需要常規圈閉的存在，烴類氣體主要以吸附狀態賦存在干酪根和黏土顆粒的表面。

根據頁巖氣定義，高有機質豐度頁巖既是成烴的物質基礎，也是頁巖氣吸附的重要載體［5－7］。在同一壓力下，有機碳含量越高，吸附氣含量越大(圖1)。頁巖經歷沉積埋藏，有機物逐步進入成巖作用、深成熱解作用及后成巖作用階段，成熟度加深，生成大量油氣。按照Tissot劃分方案：Ro小于0.5%為成巖作用階段，生油巖處于未成熟或低成熟作用階段;Ro介于0.5% ～1.3%為深成熱解階段，處于生油窗內;Ro介于1.3% ～2.0%為深成熱解作用階段的濕氣和凝析油帶;Ro大于2%為后成巖作用階段，處于干氣帶［8］。當然，對于不同干酪根類型進入濕氣階段的界限有一定差異，一般Ro為1.2% ～1.4%。

圖1 東部凹陷不同有機質泥巖等溫吸附試驗

與常規天然氣相比，頁巖氣開發開采壽命長，生產周期長，大部分產氣頁巖分布范圍廣、厚度大，且普遍含氣，這使得頁巖氣井能夠長期地以穩定的速率產氣。根據估算認為，頁巖氣井生產壽命可在30 ～50 a。

頁巖的孔隙度與滲透率極低，需要裂縫來提高孔、滲性能。一般情況下，頁巖氣藏需要人工壓裂才能進行工業生產。根據美國東部早期頁巖氣井數據統計，40%的頁巖氣井初期裸眼測試時無天然氣流;55%的頁巖氣井初始無阻流量，沒有工業價值;90%以上的頁巖氣井需要采取壓裂等增產措施溝通裂縫［9－10］。

3 頁巖氣地質選區評價方法

東部凸起上古生界山西組、太原組分布穩定，厚度大于100 m，發育高炭質泥頁巖，TOC平均為3.34%，Ro大于1.2%，為頁巖氣主要目標層系。針對東部凸起上古生界山西組、太原組各參數進行分析，在現有階段初步確定了頁巖氣藏地質選區評價標準。

3.1 泥頁巖厚度

太原組泥巖厚度為60～80 m，山西組泥巖厚度為70～80 m。暗色泥巖分布趨勢呈現2個中心分布，北部沿北東方向，分布于佟二堡洼陷內;南部沿近東西向，位于劉二堡洼陷內。單層厚度為3～40 m。

3.2 礦物成分

在頁巖氣開發中，壓裂造縫較關鍵，牽涉到頁巖氣井的產能，而暗色泥巖中的脆性成分是保證泥巖能被順利壓裂的關鍵因素。脆性成分，尤其是SiO2含量高，地層脆性大，在合適的地應力作用下容易產生裂縫，為天然氣聚集提供有效空間。

通過對某A、B井的取樣進行全巖分析后認為，A井山西組脆性成分(SiO2)的評價含量超過35%，大部分超過45%，A、B井太原組全巖分析脆性成分含量整體超過45%(圖2)，具備頁巖氣藏后期改造的物質基礎。

圖2 某A井和某B井太原組暗色泥巖礦物成分統計

3.3 有機碳含量(TOC)

頁巖有機碳含量(TOC)是頁巖氣藏形成的重要地質條件之一。頁巖富含有機質，有機碳含量一般大于2%，甚至高達25%。研究區石炭、二疊系泥頁巖有機碳含量基本大于2%，山西組底部和太原組相對高某B井有機碳含量最大為13%，某C井有機碳含量最大為11%，是頁巖氣主要目的層系。根據實測數據顯示，B、C井太原組有機碳值較高，均值超過2%，部分值超過10%，C井均值接近2%;山西組底部數據較高，整體超過2%［11］。

3.4 鏡質體反射率(Ro)

東部凸起上古生界有機質以Ⅲ型干酪根為主。根據有機質熱演化剖面，上古生界頁巖演化成熟度(Ro)在高成熟濕氣—過成熟干氣階段，有機碳含量較高的石炭、二疊系源巖仍處于大量生氣階段(圖3)。

圖3 東部凸起C－P泥頁巖熱演化成熟度Ro剖面

3.5 儲層物性

通過對某A井泥巖進行巖石孔隙度、滲透率分析認為，研究區孔隙度分布范圍為0.40% ～3.22%，平均為1.37%;滲透率范圍為0.005×10－3～ 7.960 × 10－3μm2，其均值為 2.07 × 10－3μm2，與美國頁巖主要產氣盆地的孔隙度、滲透率值相當，具有儲層頁巖氣的基本條件。

3.6 含氣性

東部凸起地區上古生界某B井進入山西組65 m后，全烴開始上升為3%，甲烷上升為0.710% ～1.018%;某C井進入山西組104 m后，全烴開始上升為5%，甲烷上升為2.32%～7.51%。對某A井進行解吸試驗，測得山西組含氣量為1.27 m3/t(圖4)。上古生界泥頁巖含氣量達到了頁巖氣工業下

限標準。

圖4 某A井泥頁巖含氣量分析

3.7 頁巖氣地質選區評價參數指標

目前，遼河油田頁巖氣處于初期研究階段，通過對東部凸起上古生界頁巖氣藏地質參數的研究初步確定頁巖氣地質選區評價的6個主要參數，確定了各參數的指標(表1)，認為東部凸起達到了頁 巖氣有利區標準。

表1 頁巖氣地質選區評價參數指標

4 結論

(1)頁巖氣具有源、儲一體化特征，頁巖本身既是氣源巖又是儲集巖。頁巖氣藏的分布與有效氣源巖的面積相當，一般不需要常規圈閉的存在，烴類氣體主要以吸附狀態賦存在干酪根和黏土顆粒的表面。

(2)頁巖含氣量主要與有機質豐度及演化程度有關。在同一壓力下，有機碳含量越高，吸附氣含量越大。對于熱成因含氣頁巖，演化程度處于深成熱解階段的含氣量最大。

(3)遼河坳陷頁巖氣研究正處于初始階段，確定了頁巖氣地質選區6個評價參數及指標，認為東部凸起山西組、太原組有機碳含量、演化程度、單層厚度、硅質含量、含氣量、滲透率等參數具備頁巖氣有利區的標準，可以優選有利目標展開部署，并進一步系統地求取參數。

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Shale gas reservoir characteristics and geological evaluation of prospective areas：A case study with the Eastern Uplift of Liaohe depression

YANG Yi－ming1，MAO Jun－li1，LI Jing－jing2
(1.Liaohe Oilfield Company，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China;(2.Liaohe Petroleum Engineering Co．，Ltd．，PetroChina，Panjin，Liaoning 124010，China)

The Eastern Uplift of Liaohe depression has been studied for tectonics and sedimentary environment．It is believed that there is a set of hydrocarbon source rocks of high maturity and high organic abundance in the Neopaleozoic Shanxi and Taiyuan formations of the Eastern Uplift．It is concluded through analysis of the shale in the Shanxi and Taiyuan formation that organic carbon content，evolution degree，single layer thickness，siliceous content，gas content and permeability constitute 6 basic parameters for screening prospective areas of shale gas，thus established a preliminary method of geological evaluation of favorable shale gas areas，which would help promote shale gas exploration，development and industrialization．

organic matter;gas content;geological characteristics;geologically prospective area;shale gas;Eastern Uplift;Liaohe depression

TE122.2

A

1006－6535(2012)02－0046－04

20110507;改回日期：20110527

中石油重大攻關課題“遼河探區有利預探目標綜合評價及目標優選”(2008D－0702－02)

楊一鳴(1983－)，男，工程師，2008年畢業于東北石油大學礦產普查與勘探專業，現從事頁巖氣藏地質評價研究工作。

編輯黃華彪