摘 要

　　　　　　——以延长探区上三叠统延长组长7段页岩为例摘　要：中国陆相页岩气的开发还处在探索阶段，究其根本原因在于地质理论尚未取得突破，由此导致其开发缺乏理

　　　　　　——以延长探区上三叠统延长组长7段页岩为例

摘　要：中国陆相页岩气的开发还处在探索阶段，究其根本原因在于地质理论尚未取得突破，由此导致其开发缺乏理论指导。为此，基于陆相页岩气的地球化学特征、地质条件及勘探工程生产实践，以延长探区上三叠统延长组长7段页岩为例，归纳总结了目前在该研究领域已取得的主要地质认识：成因类型多样；地球化学参数综合决定页岩含气量；砂质纹层对改善页岩储集物性具有重大贡献；页岩气的赋存需要“盖层条件”，其赋存形式多样并存在先后顺序。同时指出了当前陆相页岩气在地质特征及成藏机理方面亟待解决的问题：陆相页岩的生油气机理，对储层赋存空间的认识，对页岩气赋存相态进行精确定量，温压系统的演变对地层压力、气体赋存作用的影响等。地质评价方面有待解决的问题包括页岩气定义对资源结构的影响，资源评价中关键参数的取值，勘探靶区的优选等。上述问题的解决，将有助于突破制约陆相页岩气地质研究理论的瓶颂，推动陆相页岩气的勘探开发。

关键词：鄂尔多斯盆地  延长探区  陆相页岩气  晚三叠世  生油气机理  储集层赋存空间  砂质纹层  勘探靶区优选

Progress in and challenges to geologic research of terrestrial shale in China：A case study from the 7^th  member of the Upper Triassic Yanchang Fm in the Yanchang exploration block，Ordos Basin

Abstract：The terrestrial shale gas development is still in its infancy in China and no breakthrough has ever been made in the relevant geological theories．In view of this，in a case study from the 7^th member of the Upper Triassic Yanchang Fm in the Yanchang exploration block in the Ordos Basin，we first summarized the current main understandings of the geologic conditions concerning terrestrial shale gas plays，such as muhiple genetic types．geochemical parameters determining shale gas content，sandy laminar critical in improving reservoir property of shale，seals essential to the preservation of shale gas，and multiple shale gas storage patterns with a certain order of priority．The challenges facing the study of geologic features and reservoiring mechanisms of terrestrial shale gas are as follows：hydrocarbon generation mechanism，reservoir space，accurate quantification of phase behaviors of shale gas,as well as the influences of temperature-pressure system evolution on formation pressure and gas storage．And other challenges to geologic evaluation include the influences of shale gas definition on resource structure，value assignment of key parameters in resource evaluation．and the selection of target areas．The successful resolution of all above problems will help break the bottleneck in current geologic research and improve exploration and development of terrestrial shale gas in China．

Keywords：Ordos Basin，Yanchang exploration block，continental shale gas，Late Triassic，oil and gas origin，reservoir，occurrence of space，sandy laminar

延长探区(位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡构造带)上三叠统延长组长7段陆相页岩发育。2009年，陕西延长石油(集团)有限责任公司(以下简称延长集团)开始针对长7段页岩气进行勘探。2011年，柳评l77井页岩气(长7段纯页岩)点火成功(初始产气量为2350m³／d)，成为中国第一口陆相页岩气井。在长7段页岩的勘探开发过程中，针对陆相页岩气成因类型、赋存机制、保存过程等方面的地质认识取得了一系列的进展，但在页岩气地质特征、成藏机理及地质评价等方面仍存在许多亟待解决的问题。

1　已取得的主要地质认识

1．1　陆相页岩气成因类型多样

延长探区长7段页岩埋深变化大(500～1800m)、构造演化历史和热作用历史存在差异，其现今的热成熟度变化亦较大。长7段页岩的镜质体反射率变化范围为0.25％～l.50％，基本上涵盖了生物作用生甲烷气、热降解作用生油气和高温热裂解生气3个生烃阶段，但以热降解作用阶段为主(图1)。因此，从成因类型上看，长7段页岩气包括生物作用成因、热降解成因和高温热裂解成因3种类型。

 

天然气碳同位素组成主要受烃源岩母质类型、热演化程度、气体运移及混源状态的影响^[1-2]。对自生白储的页岩气而言，在母质类型相同的情况下(延长探区以混合型为主)，热演化程度控制了天然气碳同位素的组成。因此，随着热演化程度的增大，页岩气中的甲烷碳同位素会逐渐富集。长7段页岩的甲烷碳同位素值介于-46‰～-53％‰o，整体偏轻。这一方面是由于生物作用成因和热降解成因气的比重较大；另一方面，页岩气的“自生自储”性质决定了其赋存的气体必然是各个热成因阶段气体的混合体，由此导致进入高成熟阶段页岩的气体同样具有较轻的碳同位素组成。

1．2　地球化学参数综合决定含气量

与常规天然气类似，要构成一定的储量规模，页岩气必须具备充足的气源条件，但这并不意味着其气源条件狭窄，对地质、地球化学等指标仍有定量上的要求。在页岩规模确定的前提下，含气量的大小是决定探区是否具有商业开采价值的关键。含气量的大小一方面受控于储集空间的发育程度，另一方面受控于烃源岩的生气能力，而最终决定页岩生气能力的是有机质的丰度、类型和成熟度。有机质的丰度、类型和成熟度在一定程度上具有生气互补性，例如腐泥型母质在热演化程度较低时也可以生气，而腐殖型母质在高演化程度下才可能生成同等的气量^[3]。同理，含气量的大小是各种地球化学参数指标综合作用的结果。延长探区内1井与2井具有相同的母质类型(以混合型为主)，但l井的有机碳含量为2.2％，镜质体反射率为0.88％，孔隙度为0.25％；而2井的有机碳含量为3.9％，镜质体反射率为1.0l％，孔隙度为0.11％，孔隙度极小。然而，2口井页岩的含气量却大致相当(均接近3.5m³／t)。由此可见，地球化学指标上的差异并不代表页岩整体含气性的差异，当某个地球化学指标条件差时，若其他指标较好仍可能具有可观的含气量。因此，在进行页岩气地质评价时，不能采用单一的地球化学指标来进行判别。

1．3　砂质纹层对改善储集物性具有重大贡献

当前，多数学者致力于纯页岩储层尤其是纳米孔隙的研究^[4-6]，而就纯页岩对页岩气赋存空间的贡献存在争议^[7-8]。通过对探区内几十口页岩气开发井的统计可以发现，砂质纹层对改善页岩的储集性能有重大贡献，探区内所有的页岩气高产井都发育砂质纹层。

砂质纹层广泛发育原生粒间孔和次生溶蚀孔。原生粒间孔主要是碎屑颗粒粒间孔与黏土矿物粒间孔。碎屑颗粒粒间孔在砂质纹层中极为常见，该类孔隙的孔隙形态多呈不规则的多边形，直径以微米级至几十微米为主(大孔级)(图2-a、2-b)。黏土矿物粒间孔是黏土矿物(主要是伊利石与绿泥石)圄成的孔隙空间，扫描电镜下常见长轴形和等轴形2种形态(图2-c、2-d)。长轴形由于压实的影响而呈“缝”状，其孔径大小可达数十纳米(中孔级)，一般沿黏土矿物层理呈定向分布；等轴形是黏土矿物颗粒在强水动力环境堆积而成的粒间孔，或者是黏土絮凝物在静水环境残留下来的残余孔(一般为大孔级)，分布较杂乱。次生溶蚀孔一般发育在长石及碎屑颗粒的粒间填隙物内(图2-c、2-f)，包括粒间孔、粒内孔和铸模孔，以粒间孔为主。粒间孔形态各异，常见港湾状溶蚀边缘，直径以数十至数百纳米为主(中孔级)；粒内孔多纳米级(小孔级)；铸模孔包括颗粒间易溶物铸模和颗粒铸模，孔径变化较大。砂质纹层还发育构造裂缝，裂缝面比较粗糙，以高角度缝为主，产状不稳定(图2-g、2-h)。

 

1．4　页岩气赋存形式多样

在泥页岩及砂质纹层的孔隙及裂缝中，页岩气存在3种赋存状态，即吸附态、溶解态(包括油溶态和水溶态)及游离态^[4-6]。吸附态页岩气主要吸附在黏土矿物颗粒、有机质颗粒、干酪根颗粒及其孔隙表面；溶解态页岩气主要溶解于液态石油、残留水、干酪根以及沥青质中；游离态则主要赋存在孔隙和裂隙之中。尽管Antrim页岩产出的部分页岩气中，研究者认为超过70％的页岩气是溶解气(由有机质及黏土析出) ^[9]，但绝大多数地区，以溶解态赋存的页岩气气量很少，尤其是陆相页岩极少有针对溶解态页岩气的研究。吸附态气体的存在已经通过吸附实验得到了广泛证实^[10-11]，部分学者甚至认为，吸附态页岩气的含量可占页岩气总量的40％～85％^[12]。通过吸附实验可知，l井在原始地层状态下的吸附气量为2.2m³／t(图3，页岩目的层温度大约为50℃，压力大约为8MPa)。受页岩储集空间的发育程度、吸附气体能力及生气能力等条件的影响，在不同的埋深，页岩的含气量存在差异。l井最小含气量小于1m³／t，最大含气量大于4m³／t。在1389.81～l498.65m深度段，有4段页岩的含气量都大于其在原始地层状态下的吸附气量(图4)。页岩的实际含气量大于其实验条件下的吸附气量，这充分说明页岩中存在游离气。

 

 

1．5　页岩气赋存也需要“盖层条件”

页岩不但是页岩气的烃源岩和储层，超低的孔渗性还使得页岩可成为页岩气的盖层^[13-14]。但这并非表明页岩气的赋存对盖层条件没有严格要求。在孔渗条件较优越地区，盖层条件可能是需要上覆盖层。例如美国的Barnett页岩其上覆“盖层”为石灰岩^[10]。对于孑L渗条件差但裂缝发育的地区，盖层条件则是裂缝需要被充填。以长7段页岩为例，部分页岩裂缝极其发育，但裂缝并没有破坏其含气性，原因在于一些裂缝被高度充填，阻止了气体的二次运移。长7段页岩的裂缝胶结物包括方解石胶结物(正交光下显示高级干涉色，图5-a、5-b)和硅质胶结物(正交光下显示一级灰干涉色，图5-c、5-d)。被嵌晶连晶方解石或硅质胶结物充填的裂缝较致密、结晶较大、晶形完整，胶结矿物主要为碳酸盐类，以方解石为主，局部见菱铁矿，可见自生黏土矿物充填晶间缝(图5-e、5-f)。被泥晶方解石和黏土矿物充填的裂缝较疏松，胶结物中发育晶间孔孔隙，泥晶方解石胶结物大小介于5～10mm，自生黏土矿物晶体大小介于l～2mm(图5-g、5-h)。

 

1．6　页岩气的赋存存在先后顺序

地质条件下，烃源岩生成的烃类先满足自身的吸附、溶解等残留需要后，才能以游离方式存在^[15-20]。结合地质演化过程可以判断，在热演化初期，埋藏较浅，此时只有少量油气生成，液态油会赋存于页岩孔缝中，而气体会“就近”吸附于有机质表面及微孔中。结合长7段页岩的勘探实际情况，很大一部分页岩仅处于低成熟  未成熟阶段(R。＜0.8％)，其页岩气含量仍能达到l业气流(1m³／t)标准，主要原因就是页岩的吸附作用使得生成的气体得以最大限度地保存。

随着热演化程度增大，油气大量生成，液态油会赋存于页岩孔缝中，而气体则继续进行吸附作用。在该过程中，页岩优先吸附重烃气体和含¹³C的甲烷分子。随着生气量的不断增加，当生成气体大于有机质干酪根表面和微孔的吸附能力时，部分含¹²C的甲烷分子会通过扩散作用吸附在有机质邻近的黏土矿物颗粒表面。这可以通过解吸实验来证明，在解吸过程中，甲烷碳同位素组成不断变重，乙烷、丙烷和丁烷碳同位素组成变化较小，这说明，页岩对含¹³C的甲烷分子具有更强的吸附能力(与煤层气类似)，页岩对重烃气的吸附能力与其是否含¹³C无关。

当气体满足页岩的吸附需要后，多余气体会溶解于水和液态油中。当水和液态油达到饱和后，多余气体以游离态赋存^[21]。在高温热解阶段，页岩新生成的气体与液态油的裂解气主要以游离态赋存。在热演化过程中，随温度、压力和矿化度的改变，页岩的吸附(气)能力、油水的溶解(气)能力都会发生变化。因此，在页岩的初次运移过程中，以游离态、吸附态和溶解态存在的气体量还会发生动态变化。

2　亟待解决的问题

2．1　地质特征、成藏机理方面

2．1．1对页岩生油气机理的认识

延长探区长7段是重要的烃源岩层段。早在20年前，长7段页岩就被发现是优质的页岩油层段，页岩油一直被开发，气体被认为是伴生气而或采或排空。长7段烃源岩的有机质类型以混合型为主，与美国Barnett、Woodford及Fayetteville页岩比较而言，其热演化程度相对较低^[10，21]。但是，现有研究表明，长7段页岩中的气体并非是伴生气。在研究区内，部分地区的页岩只生油，部分地区的页岩只生气，部分地区的页岩既生油又生气，页岩的生油气机理是什么目前尚不清楚，决定页岩生油、生气的主控因素是页岩中部分母质化学组分的差异还是页岩在成岩过程中的物理性质变化?或是页岩中化学组分的催化作用?对这一系列问题，目前尚不能得到有效解决。

2．1．2对储层赋存空间的认识

页岩储集空间包括各类原生及次生的孔隙或裂缝(包括有机质生烃孔)。近年来，研究者发现了大量纳米孔隙^[5，22-25]。目前对微观的纳米孔隙成因的认识比  较多样，但普遍认为是物理、化学综合作用的结果，其  对改善页岩的储集性能具有重大作用。根据延长探区的勘探开发实际情况来看，发现很大一部分纳米孔隙在三维上并非是连通的，而且分布局限。因此，页岩赋存空间以何种类型为主尚不能确定，是宏观孔缝还是微观孔缝控制了页岩的赋存空间能力尚不得而知。对赋存空间能力的认识是正确认识“甜点”的关键，这对优选勘探靶区至关重要，只有具备良好的赋存空间，页岩才可能获得较高的工业产能。

2．1．3对页岩气赋存状态的认识

美国学者对北美各页岩气盆地进行了深入研究，最终认为页岩气存在多种赋存相态，包括吸附态、游离态以及溶解态，以吸附态和游离态为主^[26]，如Ohio页岩和Lewis页岩以吸附气为主，吸附气含量可分别占50％～70％和60％～85％^[12,27-28]；Scott认为Barnett页岩中，以吸附状态存在的页岩气占页岩气总量的20％～85％^[29]。但上述研究中，对吸附气的判断都是基于岩心的等温吸附实验得到的，该类实验沿用煤层气的实验仪器、测试方法和理论模型^[29-31]，而在勘探实际中，要准确区分吸附态与游离态十分困难。首先，当钻井钻至页岩时，尽管有钻井液填满井筒，页岩的温压系统已经被破坏，温压条件的变化导致部分游离气的散失和吸附气的解吸；其次，在岩心上返至地面的过程中，温压条件的再次变化同样会导致游离气的散失和吸附气的解吸。无论是页岩中的封闭孔缝空间还是连通孔缝空间，其中都可能同时存在吸附气和游离气，而实验条件下，很难精确定量封闭孔缝空间和连通封闭孔缝空间，因此无法对其中的吸附气和游离气进行精确定量，最终无法判断某一特定地区吸附气和游离气各自的比例。

2．1．4对温度、压力系统的认识

页岩气藏为一个近封闭的独立系统，除少量气体以渗滤、扩散等形式散失外，大部分气体赋存在页岩内部，因此页岩气藏大多具有异常压力，压力越大则页岩吸附气体的能力越强”]。从烃源岩的热演化过程上看，在较浅埋深(热演化程度低)时，页岩以生物气为主，生气量往往小于其上下泥岩的生气量，此时可形成异常低压；在较大埋深时(热演化程度较高)，页岩以生成热解气为主，生气量较大，气体膨胀可形成异常高压。尽管页岩气藏的高压与低压并非绝对，如埋深较大时，页岩的上覆或下伏地层其液态烃热解成气会导致压力升高，页岩气藏则表现为异常低压；页岩气藏发生构造沉降或抬升时，气藏压力滞留，也可能形成异常高(低)压力。但是，无论哪种作用机制都很难解释页岩层压力小于静水压力。而延长探区长7段页岩地层压力普遍小于静水压力(地层压力系数小于l)。

页岩对气体的吸附能7力随温度的升高而增大，当温度升高到一定程度时，其吸附／能力就会降低，Daniel等学者认为该温度界限是130℃^[33]。而延长探区经历了多期构造活动，长7段页岩受多期热作用，整体上呈温度冷热交替的过程，该过程对气体赋存作用的影响尚不明确。

2．2　地质评价方面

2．2．1页岩气定义对资源结构的影响

目前，国内将页岩气定义为：主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气^[34]。国内提出的页岩气的开发标准中，泥页岩厚度占层段厚度的比例不小于80％，各类夹层(如砂岩、碳酸盐岩、硅质岩等)的单层厚度不超过2m^[34]。而在实际勘探过程中发现，页岩大量发育单层厚度超过2m的砂岩夹层，较厚的砂质夹层发育也是陆相页岩沉积的典型特点。从地质条件上分析，该类砂岩夹层位于泥岩内部，生成气体优先赋存其中，周围的页岩又为其提供了良好的封闭条件。因此砂岩夹层是理想的页岩气聚集场所。但按照页岩气开发标准，这部分夹层却不能加以开发。同时，由于该类夹层的厚度及横向延伸规模普遍不大，资源前景有限，也不足以按照常规天然气进行商业开发。由此导致该部分资源被排除在勘探开发序列之外，既不属于常规天然气，也不能定义为页岩气资源，难以得到有效利用。

2．2．2资源评价中关键参数的取值

与常规天然气相比，准确选取页岩气资源评价中的关键参数更加困难。正如前文所述，在钻井过程和取心过程中，随温度、压力条件的改变，游离气会散失、部分吸附气会解吸，由此导致无法准确获得页岩的含气量。此外，页岩普遍比较致密、物性较差，其测井解释结果的可信度较差，而大量取心又会增加成本。因此，准确获得页岩气层的有效厚度存在困难。而在资源评价过程中，关键参数的选取对资源量的计算结果甚至具有数量级的影响。

2．2．3勘探靶区的优选

当前，陆相页岩气储层预测、储层裂缝的识别与预测、有效气层的判断基本上还处于探索阶段，技术尚不成熟完善，缺乏定量标准和行之有效的手段。目前，国外多采用井震技术来预测“甜点”，确定勘探靶区，但鄂尔多斯盆地地表普遍被黄土覆盖，采集到高品质地震资料的难度较大，目前尚不能有效依赖地震资料，导致“甜点”无法准确预测，靶区优选存在困难。

3　结论

1)陆相页岩气地质研究进展为：成因类型多样，地球化学参数综合决定含气量，砂质纹层对改善储集物性具有重大贡献，页岩气的赋存形式多样，页岩气的赋存需要“盖层条件”，页岩气的赋存存在先后顺序。

2)陆相页岩气面临的地质问题为：对生油气机理的认识，对储层赋存空间的认识，对页岩气赋存状态的定量认识，温压系统的演变对地层压力、气体赋存作用的影响，页岩气定义对资源结构的影响，资源评价中关键参数的取值，勘探靶区优选等。

 

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本文作者：姜呈馥　程玉群　范柏江　高胜利

作者单位：陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院

  陕西省页岩气勘探开发工程技术研究中心