陆相页岩气成藏机理研究

◇长江大学地球科学学院 唐 通

国内页岩气行业在近十年取得了迅猛发展，但限于高丰度海相页岩气的率先突破，陆相页岩气的勘探开发起步较晚。在此背景下，本文对我国陆相页岩气成藏机理进行评价总结，确定有效沉积环境应在湖泊环境、辫状河三角洲环境、泥炭沼泽范围内，有效埋深应在2000～5000m，有效烃源岩厚度应大于6m，有效脆性指数应大于25%的，有效孔隙度应大于4%，有效有机质的丰度应大于2%，Ⅲ型干酪根成熟度应大于0.5%,Ⅰ-Ⅱ2型应不小于1.1%。

1 前言

天然气作为最清洁的化石能源，具有煤炭能源1/2、1/10、1/682、1/1479，石油能源2/3、1/5、1/389、1/140的CO2、NOX、SO2、粉尘排放量[1]，在全球能源革命中起着举足轻重的作用。页岩气作为一种非常规天然气，在我国常规天然气资源开发压力日益增大的背景下被重视起来，自2011年被批准为独立矿种，至今经过国内外多家机构多次调研，已验证我国陆相页岩气技术可采资源量在0.50～7.92万亿方，占页岩气技术可采总资源量4.34%～31.58%，资源潜力较大。但限于我国海相页岩气的率先突破，我国陆相页岩气近年才被列入深入勘探开发的目标，因此需要对其成藏机理进行详细阐述，以区别于其他相类，便于后续勘探开发理论的深入研究。

2 我国陆相页岩气研究现状

页岩气藏指主要以吸附态、游离态保存于厚度大、分布广的富有机质泥页岩内部纳米-微米孔隙以及微裂缝中，富集成为具有一定规模的天然气藏，具有分布广、厚度大、生产周期稳定、开采寿命长久等优点[2]，陆相页岩气藏则是指在河流、冲积扇、三角洲、湖泊、沼泽等陆表发育的沉积体系内富集的页岩气藏，成藏特点与海相页岩气藏相近，储集空间丰富，但其复杂的内部空间与常常发育在超压环境下的储层，常常比海陆过渡相页岩气藏具有更好的储集保存条件。

自2011年12月31日，页岩气正式被列为我国第172个独立矿种，到2013年建成延长陆相页岩气示范区，我国陆相页岩气的勘探开发有了初步进展。之后柴达木盆地侏罗系陆相页岩气成为我国学者研究热点，以2010年为界分为两个阶段，2010年之前为柴达木盆地油气资源评价阶段，主要成果是发现了侏罗系陆相页岩气的资源潜力；2010年之后，围绕柴北缘侏罗系陆相页岩气的研究工作开始展开，“十三五”期间，西安市地质调查中心开始总结柴北缘侏罗系中侏罗统陆相页岩气的赋存方式与富集规律，目前，在沉积特征、地质条件特征、储层特征等方面已经有了较为深入地研究。

3 陆相页岩气成藏地质条件

陆相页岩气成藏的地质条件可分为生气条件与储集保存条件，包括烃源岩的沉积体系、有效厚度、埋藏深度、有机质丰度、类型、成熟度、矿物特征、孔渗特征、孔径分布以及分形特征等，以国外典型页岩气藏（表1）与国内页岩气开发示范区成藏特征为对比，将上述陆相页岩气成藏的地质条件进行一一总结，划分有效标准。

表1 北美地区典型页岩气藏地质条件特征[3]

3.1 生气条件

生气条件的评价可以分为两部分，第一根据陆相泥页岩的有效厚度、埋藏深度评价页岩气成藏规模，第二根据陆相泥页岩的沉积体系、有机质丰度、类型、成熟度评价烃源岩生气能力。

不同于泥页岩的累计厚度，泥页岩有效厚度指的是富有机质泥页岩储层（即页岩气储层）的厚度。对比北美典型页岩气藏的开发经验，通常以6～15m，15～30m，>30m为标准划分有效、常规、优质页岩气储层，以此为依据，我国陆相有效页岩气储层的厚度最小不应低于6m，常规厚度应不低于15m，优质页岩气储层的厚度则应在30m以上。

陆相泥页岩的埋藏深度在影响页岩气富集之外，还存在一个不属于成藏规模却必须要纳入考量因素之内的影响，那就是开发经济性，埋藏深度是页岩气储层开发经济性的主要控制因素之一。按照哈里伯顿公司2011年对Haynesville页岩气藏的开发经验，当页岩气藏埋深在4000m以下时，常规钻完井设备受到储层高温的影响会频发故障，影响进度，需要对钻完井设备的不耐高温元件进行升级，使开发成本相对上升，压缩乃至无经济效益[4]。对比北美页岩气的勘探开发经验，随着我国近年来钻探技术的提升，该标准有所扩大，但当页岩气储层埋深在5000m以下时，开发成本仍会呈几何倍数上升，因此将我国陆相页岩有效埋深的下限定为5000m；在成藏规模的影响程度上，根据表1中北美典型页岩气藏的埋深范围可以发现，一般无上限，下限则在4000m以内。综合上述分析，结合我国陆相页岩的地质特征，将我国陆相页岩的有效埋深划分为2000～5000m范围内。

陆相沉积包括湖泊、河流、冲积扇、三角洲、沼泽等5类沉积体系，有利沉积环境需要满足稳定缺氧还原环境的要求，对比国内陆相页岩气开发成果，湖泊环境、辫状河三角洲环境、泥炭沼泽环境下沉积的富有机质泥页岩通常有效厚度较大、横向连续性较好，是为有利陆相沉积沉积环境。

有机质特征是页岩气成藏的核心因素，包括有机质丰度、类型、成熟度等，其中泥页岩中有机质丰度常与页岩气储层中的含气量呈正相关关系，成熟度的标准则与有机质类型有关，成熟度大于1.1%的热成因气藏进入烃裂解阶段才有开发价值，而生物成因气藏0.4%以上进入生气阶段即可，通常陆相沉积环境中有机质来源多为高等植物，多为Ⅲ型干酪根。对比国内外陆相页岩气开发经验，通常有效页岩气储层的TOC在2%以上，优质储层则在3%以上，成熟度则是因干酪根类型而异，因此判断我国陆相有效页岩气藏中有机质丰度应大于2%，Ⅲ型干酪根成熟度应大于0.5%,Ⅰ-Ⅱ2型应不小于1.1%。

3.2 储集保存条件

陆相页岩气的储集保存条件的评价分为三部分，根据物性、孔隙孔径分布特征评价页岩气储集条件，根据分形特征评价页岩气保存条件，根据矿物组成特征评价页岩气压裂开发效果。

孔隙度、渗透率表征泥页岩中页岩气的储集与流通能力，孔隙孔径分布则可以对储层中的吸附空间与游离空间进行定量描述，对比表1中北美页岩气开发经验，孔隙度的下限应为4%，优质页岩气储层的孔隙度应大于6%。

目前针对泥页岩孔隙分形的主流方法包括基于FE-SEM图像的盒维数分形模型，基于低温N2、低压CO2等温吸附曲线的BET模型、FHH模型、Jaroniec模型等，分形维数越高，表明孔隙结构越复杂，对页岩气的保存越为有利，我国页岩气开发示范区-四川焦石坝涪陵页岩气田的图像分形维数平均在1.32～1.49，N2、CO2等温吸附曲线分形维数平均2.77[5]，对比该标准，我国陆相页岩气藏的图像平均分形维数应不小于1.32，等温吸附曲线平均分形维数应靠近或大于2.77。

矿物组成特征直接影响页岩气储层的脆性，对压裂开发有着直接影响，根据北美北美典型页岩气藏的勘探开发经验，脆性矿物含量应在40%以上，而随着近年来国内压裂技术的提升，该标准有所降低，大于25%即可达到压裂开发标准，因此将有效陆相页岩气储层的脆性指数下限定义为25%。

4 结论

通过对前人研究成果归纳，对比北美与国内典型页岩气藏，选定湖泊、辫状河三角洲、泥炭沼泽等陆相稳定缺氧还原的沉积体系、2000～5000m的有效埋深、大于6m的有效厚度、大于2%的有效总有机碳含量、大于25%的有效脆性指数、大于4%的有效孔隙度以及成熟度大于0.5%的Ⅲ型干酪根、大于1.1%的Ⅰ-Ⅱ2型干酪根为陆相页岩气成藏地质条件标准。