大面積高豐度海相頁巖氣富集理論及地質評價技術進展與應用

王紅巖，劉德勛，蔚遠江，趙 群，邱 振，董大忠，施振生，孫莎莎，姜振學，劉洪林，周尚文，拜文華

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.國家能源頁巖氣研發(實驗)中心，北京 100083；3.中國石油大學(北京) 非常規油氣科學技術研究院，北京 102249)

四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組海相頁巖氣是我國天然氣增儲上產最重要的領域，分布面積大、豐度高、超壓、熱演化程度高、埋藏深、納米級孔喉發育，獨具中國特色。殼牌、BP 等國際知名油公司在川南3 個合作區鉆井35 口，但由于北美技術“水土不服”，水平井平均測試產量12×104m3/d，效果不佳，相繼退出了合作。

近年來，國外提出了非常規油氣連續型富集理論，寬泛且未考慮中國地質特點；研發了頁巖氣儲層精細表征和定量評價技術與實驗設備，呈部分領先和區域優勢，關鍵參數具地域性特征；頁巖氣地質評價參數體系與有利區優選技術主要為各大油公司獨有技術，少見報道。

國內勘探家和學者們持續開展了海相頁巖氣富集規律及主控因素研究，先后提出了二元富集[1]、三元富集[2]、五性一體富集[3]、源-蓋控藏富集[4]、雙控和三控富集[5-6]認識，認為保存條件是多期構造演化的疊合型四川盆地頁巖氣富集高產的關鍵因素[7-10]，“源-蓋”空間匹配關系的數量(靜態匹配)和質量(動態匹配)控制著頁巖氣富集位置和富集程度，提出了頁巖氣“建造-改造”的富集評價思路[7-12]，總結了涪陵頁巖氣地質評價技術[13]，包括優質含氣頁巖段的沉積特征、生烴潛力、儲集特征、含氣性、可壓性、資源量及地質綜合選區評價七方面，初步形成了適用于簡單地質工程條件的頁巖氣地質評價13 項關鍵指標體系與有利區優選技術[14]，但尚無高溫原位物理模擬裝置、頁巖氣成藏過程的定量模擬試驗裝置，頁巖氣儲層表征和評價技術難以實現精細和量化。

總體來看，海相頁巖氣勘探開發仍然面臨頁巖氣富集規律認識不到位、優質頁巖氣儲層特征研究不深入、頁巖氣地質評價風險大、核心勘探評價技術依賴國外等瓶頸問題。筆者基于勘探開發地質、地球物理多學科聯合研究、現場調研、重點露頭野外踏勘與取樣分析、關鍵探井巖心觀察與精細描述等方法和大量實物工作，探討大面積高豐度頁巖氣富集理論和地質評價專有技術新進展與應用成效，以期支撐我國頁巖氣增儲上產和國家頁巖氣示范區建設，為尋找有利區塊、甜點目標和穩產增產拓展勘探思路，提供理論依據。

1 大面積高豐度超壓頁巖氣的內涵

1.1 大面積、高豐度指標與內涵

本文所謂“大面積”，是指頁巖氣源巖、儲層兩類成藏富集要素在四川盆地大面積發育與橫向規模展布，烴類在其中連續型聚集、廣泛發育形成的規模分布頁巖氣資源。

大面積發育包含兩方面內涵：①源巖、儲層兩類成藏富集要素的大面積發育與平面上的規模變化。從成藏要素看，烴、儲一體的海相頁巖及源-儲疊置組合的分布面積至少在數千甚至上萬平方千米，如四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組海相頁巖，埋深4 500 m 以淺的分布面積達3.78×104km2。從成藏要素的規模變化看，四川盆地及周緣海相頁巖的平面分布存在一定非均勻性，致使頁巖氣富集在橫向上具有連續聚集、變化性展布。② 富集分布樣式上表現為連續聚集，表現出非常規油氣連續型聚集最典型的特征。

高豐度頁巖氣的內涵體現在3 個方面：①這類頁巖氣烴源巖具有高有機質豐度特征，總有機碳質量分數(TOC)普遍大于2%(大于4.0%為特高豐度，2.0%～4.0%為高豐度)[15-16]，是由特定的地質環境與演化歷史決定的；② 該類頁巖氣具有高資源豐度特征，資源評價厘定的面積資源豐度通常大于5×108m3/km2(資源豐度大于1.0×108m3/km2為高豐度)[15,17]，資源分布具有非均質性、連續分布性；③具有中高儲量豐度特征，儲量豐度平均8.27×108m3/km2(技術可采儲量豐度大于8.0×108m3/km2為高豐度)[16]，含氣面積大(數十至數千平方千米)、地質儲量規模大(數十億至數千億方)；④ 具有高壓力系數[16]特征，川南構造穩定區五峰-龍馬溪組海相頁巖分布區普遍存在超壓現象，壓力系數普遍大于1.2、主體大于1.5。超壓作用下地層能量相對充足，頁巖儲層具超低含水飽和度、離散納米孔隙群、較好可改造性，有利于壓裂后形成高產。

1.2 區域地質概況與頁巖氣勘探現狀

四川盆地及周緣廣泛發育6 套海相、海陸過渡相及陸相頁巖地層，最為有利的是海相頁巖地層，其中的奧陶系-志留系的五峰組-龍馬溪組底部黑色頁巖是主要產氣層位。四川盆地五峰組-龍馬溪組分布面積大，頁巖氣資源豐富。據中國石油第四次油氣資源評價結果，五峰組-龍馬溪組分布面積14.4×104km2，地層厚度100～600 m，TOC 質量分數大于2%的優質頁巖厚度20～70 m，埋深4 500 m 以淺面積4.9×104km2，頁巖氣地質資源量21.94×1012m3，主要分布在川南地區。巨大的頁巖分布面積和遠景資源量，為選區評價提供了資源基礎。我國的海相頁巖氣勘探開發從2005 年開始至今，經歷了資源評價與勘探突破、先導試驗示范區建設、工業化生產等階段[18]，在四川盆地及其周緣上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組一段獲得商業開發，相繼建成長寧、威遠、昭通、涪陵等海相頁巖大氣田。截至2020 年底，累計探明儲量2.01×1012m3，2020 年產量達到200.6×108m3。據統計，長寧(寧201、寧216-寧209 井區)、威遠(威202、威204、威202H9、威208井區)、昭通(YS108、陽102、YS118 井區)、瀘州(瀘203、陽101、黃202 井區)、東勝-平橋、永川等區塊的頁巖氣儲量豐度分布在(5.7～11.45)×108m3/km2，平均8.28×108m3/km2(圖1)，具有典型的大面積高豐度富集特征，成為中國近期探明頁巖氣儲量的重點。

圖1 四川盆地及周緣海相頁巖氣不同井區儲量豐度統計Fig.1 Reserve abundance statistics of marine shale gas in different well areas in Sichuan Basin and its periphery

2 超壓頁巖氣大面積高豐度連續型富集理論

“十三五”以來，主要采用野外剖面觀測、巖心觀察、樣品測試化驗、地質綜合分析等手段，創建了生物勃發+硫化缺氧底部水體+優質儲層控制“三高”豐度分布、超壓聚集與差異富集為核心的超壓頁巖氣大面積高豐度連續型富集地質理論。

2.1 多地質事件耦合富有機質頁巖成因及其高豐度發育機理

2.1.1 硫化缺氧陸棚環境發育對富有機質沉積與富有機質頁巖展布的控制作用

四川盆地海相優質頁巖總體為缺氧環境沉積，龍馬溪期陸棚相可分為深水和淺水陸棚亞相，深水陸棚亞相為靜水強還原沉積，水動力條件弱[19-21]，底部靜水環境適合有機質保存，有利于富有機質頁巖形成。

奧陶紀末-志留紀初的凱迪-魯丹期是富有機質頁巖發育的最有利時期。在全球持續性海平面上升背景下，揚子板塊所處區域普遍海侵，在四川盆地及周緣形成了川南-黔北、川東-鄂西、川北大面積低能、欠補償、缺氧的海相半深水-深水陸棚相環境，沉積了五峰組-龍馬溪組大套巖性單一、細粒、厚度大、富有機質、富硅質/鈣質黑色頁巖，總有機碳質量分數(TOC)一般大于3.0%。

頁巖氣甜點段形成與有機質沉積富集過程密切相關。基于四川盆地五峰組-龍馬溪組高精度元素地球化學特征，探討該頁巖層系中異常高有機質沉積富集過程，認為五峰組-龍馬溪組頁巖沉積期的海洋表層水體總體為高生產力背景，這種高的初級生產力水平是異常高有機質大量沉積富集的重要前提條件和決定性因素；而在斷裂帶發育較弱的構造穩定區域，硫化缺氧的緩慢沉積水體環境更易形成大規模異常高有機質沉積[21]，是控制頁巖氣甜點段及區域上甜點區形成的關鍵因素。異常高有機質沉積富集的形成是水體表層高的初級生產力及其與水體循環共同控制著的氧化還原條件這兩大因素動態演化的結果[21-22]。

2.1.2 富硅富鈣海洋生物勃發對川南頁巖氣高有機質豐度分布的控制作用

在五峰組沉積早中期(即凱迪間冰期)，氣候溫暖濕潤，海平面上升至高位，海底出現大面積缺氧環境，水體營養豐富，藻類、放射蟲、筆石等浮游生物出現高生產，生物碎屑顆粒、有機質和黏土礦物等復合體主體以“海洋雪”方式緩慢沉降，沉積速率一般2.3～3.2 m/Ma。在川南-川東-川東北及其周緣深水-半深水區，沉積一套富含有機質和生物硅的硅質頁巖，鏡下紋層不發育(較少或欠發育)，TOC 質量分數一般2.0%～4.6%。

在奧陶紀末五峰組沉積晚期(即赫南特冰期)，隨著海平面急劇下降(降幅50～100 m)、海水溫度降低和以浮游生物為食物的筆石大量滅絕，δ13C 值開始發生正漂移，在觀音橋段中部(即奧陶紀末全球最大冰期)達-29.0‰(長寧)到-27.6‰(宜昌王家灣)，P2O5/TiO2比值達到0.84 高峰值[23]。缺氧的深水域縮小至川南-川東-川東北-中揚子北部坳陷區，并形成了表層浮游生物勃發(達到高生產力頂峰)、底層有機質高埋藏率的滯留海盆，沉積一套富含有機質和生物硅的硅質頁巖和鈣質硅質混合頁巖，沉積速率為0.3～3.6 m/Ma，TOC質量分數一般2.1%～11%。

在川南地區五峰組-龍馬溪組識別出8 個斑脫巖(火山灰)密集段，優質頁巖主要發育于第五層斑脫巖密集段以下。斑脫巖(火山灰)層是火山噴發事件的產物，古海洋表層環境下營養豐富的火山灰物質促進了筆石與藻類等富硅富鈣生物勃發，提高了烴類生產力，生物勃發導致短期內有機質高度富集。鐵化-硫化缺氧控制有機質保存，是川南地區頁巖高有機質豐度(TOC 普遍大于2%)的主因，龍馬溪組底部則形成了高TOC(＞3%)、高硅(＞60%)、高孔(＞4%)“甜點段”。

2.1.3 多地質事件沉積耦合對富有機質頁巖甜點段和高資源豐度分布的控制作用

頁巖氣甜點段沉積時期，全球及華南揚子地區主要發生了構造運動、海平面升/降、氣候變冷(岡瓦納冰期)、火山噴發、海水硫化缺氧、生物滅絕/勃發六大重要地質事件，其沉積耦合作用對頁巖氣甜點段形成與時空分布產生重要影響。最為直接的兩個影響因素，一是沉積時期海洋表層較高的初級生產力，是有機質大量生成的重要前提條件[21]；二是海洋底部發育硫化缺氧水體，是有機質有效保存的關鍵條件。在奧陶紀末凱迪階晚期及赫南特中期，全球發生了顯生宙第一次生物大滅絕事件，造成了海洋底棲動物如珊瑚、腕足、三葉蟲等、游泳動物如牙形石類和筆石類及浮游藻類不同程度的屬、種消亡。而得以存活的海洋生物如筆石類型相對單一，可能因競爭者減少出現“勃發”現象，沉積后形成富筆石頁巖。這些筆石生物不僅為頁巖氣形成提供一些有機質，它們本身富含有機質孔、且能夠形成筆石紋層，有利于頁巖氣儲存及開發過程中頁巖氣流動。在生物大量滅絕之后，全球氣候逐漸變暖，藻類等浮游生物因捕食者減少開始繁盛，海洋表層初級生產力大幅度提高，生成大量有機質；同時，海洋陸棚廣泛發育硫化缺氧底部水體，將有機質有效保存下來，沉積后形成富有機質頁巖，為甜點段頁巖氣大量生成及納米級孔喉系統發育提供了物質基礎。

富有機質頁巖甜點段形成是多地質事件沉積耦合作用的結果，志留紀早期大規模硫化缺氧和奧陶紀末期局部硫化缺氧水體有利于富有機質頁巖大面積沉積發育。兩個規模硫化缺氧之間存在冰期事件，加劇生物滅絕，冰期事件和硫化缺氧生物大滅絕，是“甜點段”形成的大背景。硫化缺氧沉積條件是甜點段/區形成的關鍵因素，控制了頁巖氣的高資源豐度(普遍大于5×108m3/km2)分布，這為大面積“甜點”發育提供了理論解釋。

2.2 海相頁巖氣優質儲層特征與時空展布規律

2.2.1 優質儲層紋層與有機質納米孔喉發育

四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組黑色頁巖可劃分出富有機質紋層、含有機質紋層、黏土質紋層和粉砂質紋層4 類，富有機質+含有機質紋層組和含有機質+粉砂質紋層組2 類紋層組，以及富有機質層、含有機質層、砂泥薄互層、生物碎屑層、黃鐵礦層5 類層[24-25]。研究紋層縱向演化發現，巫溪2 井龍馬溪組紋層類型縱向上呈規律性變化(圖2)。龍一1 亞段1-3 小層富有機質紋層約占90%，含有機質紋層和粉砂質紋層各占5%；龍一1 亞段4 小層含有機質紋層約占55%，富有機質紋層和粉砂質紋層分別占20%，黏土質紋層占5%；龍一2 亞段黏土質紋層占60%，粉砂質紋層占30%，富有機質紋層和含有機質紋層各占5%。紋層組類型中，龍一1 亞段1-3 小層富有機質+含有機質紋層組占90%，含有機質+粉砂質紋層組占10%；龍一1 亞段4 小層富有機質+含有機質紋層組約占15%，含有機質+粉砂質紋層組約占85%；龍一2 亞段富有機質+含有機質紋層組約占5%，含有機質+粉砂質紋層組占95%。層類型中，龍一1 亞段1-3 小層富有機質層占75%，含有機質層占5%，生物碎屑層和黃鐵礦層分別占10%；龍一1 亞段4 小層下部含有機質層占70%，富有機質層占20%，砂泥薄互層占10%；龍一1亞段4 小層上部砂泥薄互層占60%；龍一2 亞段砂泥薄互層占約80%，富有機質層和含有機質層分別占10%[24-25]。

圖2 四川盆地巫溪2 井龍馬溪組礦物組成與紋層分布(據文獻[25])Fig.2 Mineral composition and laminar distribution of the Longmaxi Formation in well Wuxi 2,Sichuan Basin (according to literature [25])

頁巖納米孔隙和微裂縫發育，相互連通構成網絡。龍馬溪組一段含氣頁巖以納米孔隙為主，孔徑為0～1 000 nm，以0～100 nm 區間孔隙含量最大[25]。其中泥紋層10～40 nm 孔徑區間孔隙含量最大，粉砂紋層100～1 000 nm 孔徑區間孔隙含量最大。有機孔孔徑集中分布于0～100 nm，其中10～40 nm 區間孔隙含量最大。無機孔中，粒間孔孔徑分布于200～1 000 nm，其中500～1 000 nm 區間孔隙含量最大；溶蝕孔隙孔徑分布于40～1 000 nm，100～1 000 nm 區間孔隙含量最大。微裂縫長度10～200 nm，其中40～200 nm 區間微裂縫含量較大。

川南地區頁巖紋層和層理發育，由下至上依次發育6 種層理類型，包括生物擾動型塊狀層理、遞變型水平層理、均質型塊狀層理、條帶狀粉砂型水平層理、砂泥遞變型水平層理和砂泥互層型水平層理。

統計表明，優質頁巖發育砂泥遞變型和條帶狀粉砂型水平層理，其中含條帶狀粉砂紋層頁巖脆性礦物含量最高、有機孔含量最高、物性最好、頁巖水平/垂直滲透率比值最大，總體巖性、電性、物性、地化特性、含氣性、可壓性“六性”最佳，是“甜點段”主要層理類型。

2.2.2 優質儲層時空展布規律

沉積研究發現，四川盆地及周緣存在蜀南和川東兩大富有機質頁巖厚度中心與暗色頁巖厚度中心，兩者位置相同(圖3)，只是富有機質頁巖厚度是暗色頁巖厚度的50% 左右。蜀南厚度中心分布在威遠南-富順-永川-瀘州-長寧一帶，五峰-龍馬溪組下部富有機質頁巖厚度45～65 m，面積1.8×104km2；川東厚度中心分布在巫溪-萬州-石柱-豐都-涪陵-武隆-南川一帶，五峰-龍馬溪組下部富有機質頁巖厚度35～50 m，面積擴大到4.5×104km2。高TOC、高硅質、高有效孔隙度和高游離氣飽和度層段位于LM1-LM3。

圖3 四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組富有機質頁巖厚度分布Fig.3 Thickness distribution of organic rich shale of the Wufeng Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its periphery

從凱迪晚期到埃隆早期，川南地區處于局限靜水環境的深水陸棚相沉積環境，控制了優質頁巖儲層(甜點層)分布。瀘州-長寧地區龍一1 亞段底部的優質頁巖發育，沉積厚度30～50 m；靠近川中剝蝕區，局部發育有古地貌高部位(或水下高地)，導致優質頁巖厚度相對較薄，LM1-LM4 筆石帶極薄，鈾釷比一般小于1.2，與川南地區其他深水陸棚區強還原環境存在一定區別；川南北部地區局部的古地貌高地甜點層較薄，分布范圍非常局限。總體上，川南地區頁巖氣開發主層系沉積相帶有利，沉積厚度大，分布穩定。富有機質頁巖主要發育于深水陸棚相，明確LM1-LM3 層段頁巖沉積時還原性最強，儲層品質最優，為選區評價奠定了基礎。

2.3 海相頁巖氣超壓聚集、差異富集特征與機理

2.3.1 超壓聚集、差異富集特征

實踐表明，儲層壓力系數表征地下流體能量和流體封閉程度，很好地反映了頁巖含氣性及保存條件，川南地區五峰組-龍馬溪組頁巖儲層壓力系數普遍較高(為1.2～2.0)，壓力系數大于1.2 的異常高壓地層區頁巖氣保存條件均較好，超壓儲層主要分布在川南的長寧-昭通中淺層、威遠、瀘州、渝西、焦石壩區塊。壓力系數為1.8～2.0 的地區保存條件較為優越，超壓富集區主要分布在川南的富順-瀘州-長寧，以及川東-重慶地區的涪陵-忠縣-萬州-達州地區。但壓力系數大于2.0 的地區多數埋藏深度較大，頁巖氣開發難度加大。

超壓頁巖氣藏具有3 個基本特征：一是超低的含水飽和度，富氣頁巖在儲層條件下含水飽和度遠遠低于束縛水飽和度；二是離散性的納米孔隙群，納米孔隙主要分布在有機質內，有機質的分散性發育決定了孔隙連續性差、呈離散性分布；三是較好的可改造性，優質頁巖儲層均有高脆性，是能夠被體積改造的巖石學基礎。

五峰組-龍馬溪組頁巖氣在縱向上和區域上均呈現出明顯的差異富集特征，有利(富集)段與甜點段在厚度、含氣量、TOC 含量等方面具有明顯差異。縱向上集中發育甜點段，主要富集于該頁巖層系的底部富有機質頁巖段，含氣量一般為1.5～4.5 m3/t，TOC 質量分數一般為1.5%～5.0%；區域上甜點段厚度、含氣量、TOC 含量等關鍵參數存在較大變化，其中長寧與涪陵地區較優。

同一種測定方法下600 余個頁巖含氣量數據統計顯示，頁巖縱向上含氣量變化較大，低者幾乎不含氣，高者可達9.0 m3/t。有利(富集)段含氣量一般為2.0～4.5 m3/t，其中，甜點段含氣量一般為3.0～7.5 m3/t；非富集段含氣量一般低于1.5 m3/t 或2.0 m3/t。不同區塊有利(富集)段和甜點段的含氣量均存在較大差異。如涪陵、長寧、威遠及巫溪地區有利(富集)段的含氣量分別為3.8～7.0、2.1～5.5、1.8～4.9、1.9～4.9 m3/t，甜點段的含氣量分別為4.7～7.7、3.2～5.5、4.7～7.2、3.4～5.0 m3/t。

1 000 余個頁巖總有機碳(TOC)含量統計顯示，頁巖層系縱向上TOC 含量變化較大，低者可在0.5%以下，高者可達10%以上。有利(富集)段TOC 質量分數變化范圍較大，主體分布為2.0%～5.0%；甜點段作為頁巖氣有利段中最優質含氣量富集段，其TOC 質量分數主體為3.0%～6.5%；非富集段TOC 質量分數一般低于2.0%。

2.3.2 超壓聚集、差異富集機理與模式

根據研究，我國南方海相頁巖納米孔隙中包含豐富的原油裂解形成的氣泡孔，進入成熟生氣階段后“氣泡成孔”機理下原油裂解生氣、源巖成熟生氣，良好的保存條件(圍巖層的不滲透性、構造破壞小)下，有機質持續生氣、大量氣體無法排出，從而形成高壓和異常高壓。

高壓力系數區氣體能量更大、封閉程度更強，具有孔隙度更大、孔隙結構更優且含氣性更好的特征。高儲層壓力形成孔內支撐、高強度石英礦物形成剛性骨架支撐、封閉成巖環境有機酸長期溶蝕鈣質礦物等因素共同作用，造成深層頁巖孔隙度4%～6%，與淺層差異不大。

通過川南地區30 余口井的埋深與儲層孔隙度相關性分析，隨埋深逐漸增大，龍馬溪組Ⅰ類儲集層有效孔隙度存在先減小再增大的趨勢，高孔隙度區間位于2 200～4 500 m 范圍內。Ⅰ類儲層孔隙以有機質孔、黏土礦物無機孔等塑性孔為主，缺少剛性礦物顆粒支撐，易被上覆地層有效應力壓實，超壓的存在對于孔隙具有保護作用，超壓流體可以抵抗壓實作用對孔隙的破壞，從而使成巖作用過程中形成的頁巖孔隙得以保存，形成儲氣空間。通過氬離子拋光掃描電鏡分析，高壓力系數的探井中龍馬溪組Ⅰ類儲集層的有機質孔徑更大[18]。

不同深度、壓力系數下頁巖氣井吸附氣、游離氣模擬計算結果及含氣性分析表明，隨著地層溫度和壓力不斷增加，頁巖的吸附氣含量增大，在特定溫度下(埋深為1 500 m)，隨著埋深增加，游離氣比例不斷增大，由30% 增加到65% 以上，更有利于高效開發。生產實踐表明，川南地區高壓力系數是頁巖氣井高產的必要條件之一，已發現工業頁巖氣井均位于壓力系數大于1.2 的超壓區，壓力系數未達到1.2 的頁巖氣井很難獲得高產。

頁巖氣藏源儲一體，分布不受構造圈閉的限制，川南典型的甜點富集區可存在于多種構造樣式中。結合勘探開發實踐，建立頁巖氣6 種類型甜點[18]、4 個階段過程的差異富集演化模式，不同富集模式均可實現工業開發。由此鎖定超壓“甜點區”，明確深水強還原環境控制“富碳低黏高硅”優質儲層“甜點段”分布，拓展了開發領域。

研究認為，不同宏觀構造樣式下，頁巖氣富集演化主要經歷4 個階段：①構造抬升初期，埋深遠大于2 000 m，頁巖氣以垂向擴散運移為主，正向部位與負向部位均可富氣；② 抬升中期，埋深大于2 000 m，抬升幅度適中，頁巖氣以垂向與側向擴散、側向滲流運移為主，正向部位相對富氣；③抬升中晚期，埋深小于2 000 m，抬升幅度略大，頁巖氣以垂向與側向擴散、垂向與側向滲流運移為主，負向部位相對富氣；④ 抬升晚期，抬升幅度大，埋深淺，頁巖氣以垂向與側向擴散、垂向與側向滲流運移為主，發生向地表的垂向滲流和散失，正向和負向部位均貧氣。總體上，抬升時間晚、抬升幅度適中的正向部位更有利于頁巖氣的富集；焦石壩、長寧地區主要處于第②階段；威遠、昭通地區處于第②-③階段；渝東南地區處于第③-④階段。

3 復雜構造演化、高-過成熟下大面積高豐度超壓頁巖氣地質評價技術

“十三五”以來，主要基于筆石、腕足、三葉蟲化石生物地層基礎研究對比、測井響應分析、多尺度實驗測試分析相結合等方法，創新了黑色筆石頁巖地層測井響應分析與工業分層劃帶、儲層定量表征與評價、“雙厚度多參數”選區評價為核心的大面積高豐度超壓頁巖氣地質評價技術，有效指導和支撐了中國石油頁巖氣地質選區、資源評價和儲量發現。

3.1 基于“層序地層、化學地層、生物地層”的小層對比與評價技術

3.1.1 黑色筆石頁巖地層測井響應分析與工業分層劃帶

過去頁巖地層僅劃分為4 段，部分井區五峰組和龍馬溪組都難以區分。研究發現，奧陶紀-志留紀之交生物滅絕、劫后得以存活的筆石生物類型相對單一，可能因競爭者減少出現“勃發”現象，沉積后形成富筆石黑色頁巖甜點段，具有高伽馬、高有機質含量特征。古生物地層中的筆石是全球公認的第一門類，古生物化石和電性特征是沉積環境和地質事件兩種不同記錄方式，利用筆石、腕足、三葉蟲化石開展86 口氣井生物地層研究、測井響應分析(圖4)，創建黑色頁巖地層筆石-巖性-電性三結合精細劃分方案、筆石頁巖儲層工業分層劃帶標準，實現了基礎研究與工業化應用的有機結合。

圖4 川南地區五峰組-龍馬溪組頁巖測井響應及地層劃分新方案Fig.4 Logging response for shale strata and new scheme for stratigraphic division of the Wufeng-Longmaxi Formations in southern Sichuan

按筆石帶序列可將五峰組和龍馬溪組黑色頁巖劃分為13 個筆石帶，甜點段6.85 Ma 形成20～40 m 富筆石頁巖段。這13 個筆石帶化石特征明顯，其中，龍馬溪組魯丹、埃隆和特列奇3 階9 個筆石帶；五峰組凱迪、赫南特2 階4 個筆石帶(圖4)，以赫南特貝動物群準確標定龍馬溪/五峰組界線，高精度時間標尺對比精度達分米級，平均時限小于1 Ma，并可全球范圍廣泛應用，對比標準意義重大。

建立筆石帶-伽馬等時測井響應的對應關系，厘定典型區域五峰-龍馬溪組筆石地層4 種筆石帶測井響應模式。武隆-巫溪區塊，處于深水環境，沉積期構造穩定，測井曲線呈現4 個明顯尖峰，形成易于識別的澗草溝組與五峰組界線、LM1、LM4 與LM5 界線、LM5 與LM6 界線。威遠-永川區塊，凱迪期水體相對較淺，頁巖與灰巖互層，測井曲線中缺失GR1，呈現3個明顯尖峰，形成易于識別的LM1、LM4 與LM5 界線、LM5 與LM6 界線。長寧-昭通區塊，受廣西運動影響，測井曲線中缺失GR4，呈現3 個明顯尖峰，包括寶塔-五峰組、LM1、LM4 下部特征曲線。宜昌-來鳳區塊，受宜昌上升影響，測井曲線中缺失GR3，測井曲線呈現3 個明顯尖峰，形成易于識別的寶塔-五峰組、LM1、LM5-LM6 特征曲線。

3.1.2 黑色筆石頁巖地層小層對比與精細評價技術

基于筆石帶高等時性地質年代框架和剖面/鉆井大數據地層信息，圈定生物地層連續沉積區和間斷缺失區；結合層序地層與化學地層分析，創建了頁巖地層小層對比與精細評價技術。

一是結合自然伽馬、電阻率等測井資料，將龍馬溪組劃分為SQ1、SQ2 兩個三級層序，開展層序對比。SQ1 為龍馬溪組沉積早期深水相筆石頁巖沉積建造，富含有機質和生物硅質；SQ2 為龍馬溪組沉積中晚期的半深水-淺水相沉積建造[23]，有機質豐度明顯低于SQ1，黏土含量明顯高于SQ1。二是建立上奧陶統-下志留統五峰組和龍馬溪組高精度生物地層格架，確定生產井和地質淺井頁巖氣主力層段地質時代識別和區域對比。三是建立黑色頁巖分層測井特征突出識別技術，基于GR、AC 和CNL 測井響應特征，建立生物地層測井識別特征，準確識別魯丹階頁巖生物地層。

結合沉積、層序、測井、生物帶，形成了五峰組-龍馬溪組頁巖儲層的地層綜合劃分對比方案和與國際接軌的黑色頁巖儲層工業化分層標準(圖4)。該工業分層劃帶方案中明確，五峰組劃分為五一和五二段；龍馬溪組劃分為龍一和龍二段，龍一段分龍一1和龍一2；龍一1亞段進一步細分為龍一11、龍一12、龍一13和龍一14；五一段對應于WF1-3，五二段對應WF4；龍一1 1-4 分別對應于LM1、LM2-3、LM4 和LM5[26]。在中國石油勘探與生產分公司大力支持下，在區域內工業化推廣應用。

利用分層劃帶新方案，對示范區頁巖氣儲層展布研究取得了新認識。一是威遠存在次一級水下古隆起，水下古隆起發育區龍馬溪組下部筆石帶缺失，優質頁巖減薄；二是建立了蜀南-威遠、黔-渝和宜昌地區優質頁巖儲層沉積模式，在GBDB 數據庫(Geobiodiversity Database)和GIS(Geographic Information System)軟件基礎上初建了中上揚子地區晚奧陶世-早志留世頁巖定量古地理特征，落實了優質頁巖分布特征；三是長寧至昭通黑色頁巖生物地層特征變化大，由長寧至昭通筆石帶最高層位變低，明確長寧和昭通地區WF1-LM5 有機質最為富集，威遠地區LM1-LM5 有機質最為富集。

3.2 頁巖氣儲層關鍵參數實驗分析、定量表征與評價技術

3.2.1 頁巖儲層表征關鍵參數測試裝置與分析技術

一是研發了高溫原位物理模擬裝置，實現頁巖孔隙演化的原位觀測和表征，為深入研究頁巖孔隙演化提供技術支撐※。模擬結果表明，有機質孔發育程度受熱演化程度控制，干酪根有機質孔主要在生油氣階段產生，瀝青孔(氣泡孔)為高-過演化階段瀝青裂解生氣產生。

二是研制了基于壓力衰減的頁巖顆粒基質滲透率測量系統，解決了高壓密封、精確控溫、高壓高精度測量三方面難題。該系統采用精密恒溫腔控溫(0.005℃)，第三方氦氣泄漏測試(＜10-9Pa·m3/s)，自動控制、數據處理、數據傳云及挖掘的web 儀器端口。測量數據在低壓條件下(2 MPa 以下)滲透率相差2×10-9μm 之內，高壓條件下(3 MPa 及以上)多次測量滲透率相差0.1×10-9μm 之內。指標對比表明，關鍵參數優于美國同類設備※。

三是研制了頁巖顆粒孔隙度測量系統(低溫凍融核磁共振)，該設備克服了CT、氣體吸附、壓汞等方法的局限性，測試孔徑范圍寬、用時短、精度高、可重復測試，實現了頁巖孔隙度高效、精確測試。

四是自主研發新型保壓取心含氣量測試系統，該系統通過巖心保壓內筒排水降壓+多次集氣+自然解吸+加熱解吸計量，實現地下原位頁巖含氣量測試[27]，精確測量含氣量，為頁巖氣資源、儲量評價提供更科學依據。

五是研制了頁巖氣高溫高壓成藏模擬系統，實現了頁巖氣成藏過程精確模擬，其模擬不同溫壓條件下頁巖氣在地層中橫向/垂向成藏過程，定量評價頁巖氣藏含氣量變化特征，目前國內尚沒有用定量模擬頁巖氣成藏過程的試驗裝置，這填補了國內相關模擬裝置空白※。

3.2.2 頁巖氣儲層定量表征與評價技術

一是采用微米CT、納米CT、(離子束)掃描電鏡等高分辨率掃描技術進行頁巖樣品的掃描成像和表征分析，其中微米CT 分辨率可達1 μm 左右、納米CT分辨率可達50 nm 左右、掃描電鏡分辨率最高可達1 nm 左右，結合離子束的掃描電鏡(FIB-SEM)可以同時實現樣品的切割和成像，將掃描電鏡成像的范圍從二維拓展到了三維[28]，可以較全面地定性認識頁巖儲層微觀孔隙結構。圖像處理技術與分析軟件的發展將孔隙表征從定性識別拓展到定量分析，可以定量化研究孔隙結構、類型(有機孔、無機孔)、大小、孔徑分布、孔隙度(面孔率)、微裂縫、有機質及礦物成分[29]。對龍馬溪組龍一1亞段內4 個小層頁巖孔隙分析表明，龍一11小層的面孔率最高，氣體保存條件較好，對于頁巖氣開發層位優選有一定指示意義。

二是采用高壓壓汞實驗+低溫N2吸附實驗+低溫CO2吸附實驗3 種流體注入分析技術、頁巖樣品孔隙熱演化物理模擬技術、基于壓力衰減的頁巖顆粒基質滲透率測試系統等頁巖儲層基質滲透率測試技術、核磁共振凍融法測量孔隙度等頁巖顆粒樣品孔隙度測試技術、頁巖含氣性核磁共振測量實驗系統等多種頁巖儲層測試技術手段開展研究，建立多尺度孔隙結構精細評價方法。利用CO2吸附表征微孔，N2吸附表征中孔，高壓壓汞表征宏孔，利用加權平均表征兩種方法的疊合區間，創新了基于流體注入的頁巖孔隙全孔徑表征技術。通過高分辨率FE-SEM 孔隙圖像的濾波、閾值分割，實現孔隙、有機質和無機礦物的圖像識別和定量評價，創新了基于掃描電鏡的頁巖孔隙自動識別技術。

三是基于掃描電鏡孔隙自動識別技術和頁巖多尺度孔隙結構精細評價方法，實現了有機、無機孔隙的定量評價，明確主力產層段優勢孔徑的分布特征。深化了五峰-龍馬溪組頁巖類型劃分研究，明確孔隙類型以有機質孔為主，礦物粒間孔和粒內溶蝕孔次之。有機質孔的孔隙類型包括原生有機質孔(Ⅰ)、干酪根有機質孔(Ⅱ)、瀝青孔(Ⅲ)、有機質-黏土復合體有機質孔(Ⅳ)、有機質-黃鐵礦復合體孔隙(Ⅴ)。明確主力產層優勢孔徑分布，頁巖氣甜點段以有機質孔為主，發育中孔和宏孔。主力產層(1-3 小層)有機質孔面孔率可達34.1%，無機質孔面孔率約為2.4%；100 nm 以下的有機質孔的面孔率貢獻占95%左右。主力產層(1-3小層)的孔體積主要由中孔和宏孔提供，有利于游離氣富集，微孔提供了主要的比表面積，對吸附氣富集有利。

3.3 頁巖氣“雙厚度、多參數”甜點區優選評價技術

由前述可知，我國海相頁巖氣富集成藏具有復雜性與特殊性，優選勘探開發甜點區需要考慮多種地質因素。在對比研究的基礎上，提出以成藏條件為主、突出“源-保”耦合機制，兼顧經濟-開采條件與工程條件的甜點區評價參數體系(表1)，選區參數在沉積-成巖-保存三方面獨具地質內涵。

表1 四川盆地及周緣頁巖氣甜點區評價優選參數體系Table 1 Evaluation and optimization parameter system of shale gas sweet spot area in Sichuan Basin and its periphery

根據川南地區頁巖氣勘探開發實踐、前人研究和分類界限綜合分析，總結出適合川南地區頁巖氣三類有利目標區或“甜點”區選區評價的關鍵參數及指標體系(表2)。

表2 川南地區頁巖氣甜點選區評價關鍵參數與分類指標體系Table 2 Key parameters and classification index system of shale gas evaluation in southern Sichuan

建立了復雜構造區頁巖氣“雙厚度、多參數”疊合法選區評價方法及流程，針對不同勘探開發程度的區塊(如勘探程度低的區塊、關鍵參數難獲取)，采用以變權有利區優選法為主導的分級分類優選有利區。所謂“雙厚度”，是指LM1-LM3 厚度和Ⅰ+Ⅱ類儲層厚度，選區評價中首先考慮最佳層段LM1-LM3 厚度及儲層關鍵參數平面展布，綜合考慮五峰組-龍馬溪組Ⅰ+Ⅱ類儲層厚度及關鍵參數平面展布。所謂“多參數”，是指經濟開采的重要參數“儲層埋深”、平臺實施作業的基礎參數“地表城鎮及地形”、儲層游離氣及孔隙保存關鍵參數“儲層壓力”、不同構造分區保存條件有利區參數“斷層發育”等。通過頁巖氣“雙厚度、多參數”疊合優選有利區。

根據上述流程與參數指標體系，指導有利勘探方向優選及富集區帶(區塊)、目標(甜點)區綜合評價。最終優選出四川盆地及周緣五峰-龍馬溪組頁巖氣有利區36 個，有效面積2.6×104km2，資源量10.35×1012m3。

4 大面積高豐度頁巖氣富集理論與地質評價技術應用及成效

超壓頁巖氣大面積高豐度連續型富集地質理論，將北美頁巖氣理論認識與我國南方海相頁巖氣地質深度結合并發展創新，解決了我國復雜構造背景下海相頁巖氣富集與甜點區評價難題，豐富了非常規油氣地質學，明確海相頁巖氣是中國未來天然氣增長的主體，夯實了海相頁巖氣高效勘探與甜點規模開發的理論基礎。

自主研發的大面積高豐度超壓頁巖氣地質評價技術，提出黑色頁巖地層筆石-巖性-電性三結合精細劃分與工業分層劃帶方案，促進了非常規氣領域生物地層學的發展，在油田現場廣泛推廣應用，服務于開發方案優化與工業化生產，解決了頁巖地層劃分不一致、部分井區五峰和龍馬溪組難以區分的問題，實現五峰組-龍馬溪組分層的全球可對比；提出威遠地區威205至202 井區一帶存在水下古隆起，優質頁巖段缺失，有效規避了建產風險。研發了頁巖儲層定量表征與精細評價技術，實現復雜頁巖儲層特征的精細刻畫，確定游離氣、吸附氣賦存空間與比例，厘定了頁巖氣高產富集段。研發的頁巖儲層關鍵地質參數測試裝置與新技術，多項參數指標優于國外同類裝置；實現厘米級取樣，多尺度、高精度、多維度定量表征孔隙裂縫結構等特征，有利于提高水平井優質儲層鉆遇率，為頁巖氣開發優化提供了快速決策支持和技術支撐。

基于大面積高豐度頁巖氣富集理論與地質評價技術的有效指導和技術支撐，評價優選出四川盆地及周緣36 個有利目標區、頁巖氣總地質資源量10.35×1012m3，其中4 500 m 以淺有利目標(甜點)區24 個、資源量7.18×1012m3，預計可探明儲量近3×1012m3；有效助力陽102、YS118、威204、威202H9、威208、寧216-寧209 等井區申報探明儲量8 975×108m3，支撐川南地區新增探明地質儲量5 000×108m3，發現并探明了國內首個頁巖氣萬億方儲量大氣田。上述理論與技術為四川盆地長寧-威遠、昭通國家級頁巖氣示范區綜合評價與建設，為海相頁巖氣規模開發與產建部署提供了地質依據，為推動中國頁巖氣產業發展提供重要支撐和決策依據，促進川南頁巖氣增儲上產快速發展和我國頁巖氣產業快速形成。研究認識將在未來頁巖氣產業發展中發揮重要作用，對其他非常規油氣勘探開發具有一定指導意義和推廣應用價值。

5 結論

a.大面積高豐度頁巖氣，是指頁巖氣源巖與儲層要素大面積發育和橫向規模展布、技術可采儲量豐度大于等于8×108m3/km2、普遍存在超壓現象(壓力系數大于1.2)的頁巖氣資源，具有其各自相應的地質內涵。

b.創建了超壓頁巖氣大面積高豐度連續型富集地質理論，認為硫化缺氧、富硅富鈣海洋生物勃發等多地質事件沉積耦合作用控制了富有機質頁巖甜點段和高資源豐度分布；闡述了優質儲層具有紋層和層理、有機質納米孔喉發育、條帶狀粉砂紋層“六性”最佳的特征；基于海相頁巖氣超壓聚集、差異富集特征與機理，建立了4 個階段過程的差異富集演化模式。

c.創新大面積高豐度超壓頁巖氣地質評價技術系列，提出了基于“層序地層、化學地層、生物地層”的小層對比與評價技術，研發了頁巖氣儲層定量表征與評價技術，形成了頁巖氣“雙厚度、多參數”甜點區優選評價技術。

d.闡述了大面積高豐度頁巖氣富集理論的地質意義、地質評價技術的應用成效，有效指導和支撐了四川盆地頁巖氣地質選區、資源評價、儲量發現、示范區綜合評價與建設，為海相頁巖氣規模開發與產建部署、推動頁巖氣產業發展提供了重要支撐和決策依據。