北美頁巖氣勘探與開發(fā)

北美頁巖氣勘探與開發(fā)

頁巖氣成藏模式巖氣作為吸收光有保存和分離的狀態(tài)存在于泥巖層中，天然氣作為一個典型的“還原”模型存在。頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣,在20世紀70年代中期之前曾被歸入非經(jīng)濟可采資源,隨著天然氣開發(fā)技術(shù)的進步以及對天然氣的依賴逐漸變?yōu)榻?jīng)濟可采資源。頁巖氣因其資源潛力巨大和經(jīng)濟效益顯著受到各國政府及能源公司的重視。1世界板巖氣的發(fā)展1.1美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)分布據(jù)不完全統(tǒng)計,全球頁巖氣資源量為456.24×1012m3,超過全球常規(guī)天然氣資源量(436.1×1012m3),主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)(表1)。美國是目前探明頁巖氣資源最多的國家,現(xiàn)已探明近30個頁巖氣盆地,其中7個高產(chǎn)盆地的頁巖氣資源量為80.84×1012m3,可采儲量為18.38×1012m3。中國頁巖氣資源比較豐富,經(jīng)初步估算,主要盆地和地區(qū)的頁巖氣資源量約為15×1012～30×1012m3,中值23.5×1012m3。1.2加拿大頁巖氣地質(zhì)及開發(fā)潛力北美是全球目前唯一實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的地區(qū)。美國頁巖氣開采最早可追溯到1821年,但當(dāng)時由于產(chǎn)量較小沒有得到重視,直到20世紀80年代中期,由于水平鉆完井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)的進步,使得頁巖氣的生產(chǎn)進入大規(guī)模發(fā)展階段。截至2008年底,美國已完鉆頁巖氣井約42000口,產(chǎn)量首次超過煤層氣,達到507×108m3,占美國天然氣總產(chǎn)量的10%,預(yù)計2015年頁巖氣產(chǎn)量可達2800×108m3。產(chǎn)能較高的有Barnett、Fayetteville、Haynesville、Marcellus、Woodford、Antrim和NewAlbany7套頁巖,分別位于FortWorth盆地、Arkoma盆地、NorthLouisiana盆地、美國東北部地區(qū)、俄克拉荷馬州中南部、Michigan盆地和Illinois盆地*。加拿大緊隨美國之后開展了頁巖氣方面的勘探和開發(fā)試驗。據(jù)加拿大非常規(guī)天然氣協(xié)會(GSUG)初步估計,加拿大頁巖氣地質(zhì)儲量超過40.7×1012m3,主要分布于西南部的BritishColumbia、Alberta和Saskatchewan地區(qū),東南部Quebec、Ontario等地區(qū)也有少量分布**。GSUG認為,西部(包括BritishColumbia北部Bowse盆地)Colorado頁巖段、侏羅系及古生界頁巖和東南部的泥盆系頁巖具有開發(fā)潛力。近年來在加拿大東部Quebec地區(qū)的頁巖氣勘探取得重大突破,研究表明,人們所熟知的Utica頁巖資源豐度高達10.17×108m3,可以和美國著名的Barnett頁巖相媲美,除此以外,還在Utica頁巖下面發(fā)現(xiàn)了一套厚達1500～2000m的Lorraine硅質(zhì)頁巖,這套頁巖的資源豐度可能為20.82×108m3,是Utica頁巖的2倍多,顯示了該區(qū)良好的頁巖氣勘探前景。據(jù)不完全統(tǒng)計,加拿大現(xiàn)有頁巖氣鉆井60余口,年產(chǎn)量約31×108m3/a。北美地區(qū)頁巖氣勘探的巨大成功,引起了世界各國的廣泛關(guān)注,德國、匈牙利、波蘭、瑞士、英國、澳大利亞以及印度等國也紛紛開展頁巖氣的勘探與開發(fā)試驗。中國自2004年起,由國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)合作開展了頁巖氣資源的研究工作。通過對比湖南、四川等8省市成藏條件后,認為重慶市渝南和東南地區(qū)廣泛分布下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)、中二疊統(tǒng)3套地層,許多地區(qū)有形成大規(guī)模頁巖氣的可能。自2005年起,中國石油(CNPC)開展了頁巖氣方面的研究工作,一是通過對以往資料的分析,證實了頁巖氣確實在國內(nèi)廣泛存在,二是加強與國外的合作。如2007年10月中國石油天然氣集團公司與美國新田石油公司簽署了“威遠地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究”協(xié)議,2009年11月與殼牌公司簽訂“四川盆地富順—永川區(qū)塊頁巖氣聯(lián)合評價協(xié)議”。值得一提的是,2008年11月由中國石油勘探開發(fā)研究院設(shè)計實施的中國首口頁巖氣取心淺井在四川宜賓順利完鉆,設(shè)計200m的井深取心154m,并進行了大量的分析測試。中國石化近年來也已設(shè)立頁巖氣專題研究組,并在全國范圍內(nèi)開展了頁巖氣藏潛力評價及有利地區(qū)優(yōu)選工作。中國海油(CNOOC)也于2010年成立了專門的頁巖氣專題研究組,主要從事南方地區(qū)頁巖氣藏潛力評價和區(qū)帶優(yōu)選工作。2009年8月17日,中國首個頁巖氣開發(fā)項目在重慶綦江啟動,標志著中國正式開始了新型能源頁巖氣的勘探與開發(fā)。2009年8月27日,中國研究人員在重慶市境內(nèi)的北部縣區(qū)(秦嶺褶皺帶南端)肉眼觀察并發(fā)現(xiàn)了頁巖氣的直接存在。2巖石區(qū)劃分依據(jù)地質(zhì)歷史,可將中國的頁巖氣發(fā)育區(qū)劃分為大致與板塊對應(yīng)的4大區(qū)域:南方、華北-東北、西北及青藏等4大區(qū)域138,每個區(qū)域中都發(fā)育有多套頁巖(表2)。2.1晚元古生界構(gòu)造格局中國南方是指位于秦嶺—大別山—蘇魯造山帶以南、三江—甘孜—阿壩造山帶以東的廣大地區(qū),總面積約220×104km2,其中中、古生界海相地層分布面積約為150×104km2,大地構(gòu)造格局以華南板塊的揚子陸塊與華夏陸塊為主體。中國南方揚子地臺區(qū)古生界發(fā)育震旦系—三疊系海相沉積,沉積巖厚度為4000～7000m。中國南方經(jīng)歷了多期原型盆地的并列疊加,發(fā)育了4套區(qū)域性烴源巖(下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、下二疊統(tǒng)棲霞組和上二疊統(tǒng)龍?zhí)?大隆組)和4套局部性烴源巖(上震旦統(tǒng)陡山沱組、中泥盆統(tǒng)羅富組—上泥盆統(tǒng)榴江組、下石炭統(tǒng)、下三疊青龍組),其中下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組等多套海相黑色硅質(zhì)頁巖建造分布穩(wěn)定,埋藏深度淺,有機質(zhì)豐度高,有利于頁巖氣藏的形成與富集。(1)煤系規(guī)模分布及有機碳質(zhì)類型巖性為深灰—黑色炭質(zhì)頁巖夾炭硅質(zhì)頁巖,廣泛分布于川北的筇竹寺組、貴州—湘西的牛蹄塘組、鄂西的水井沱組、浙西—皖南的荷塘組和蘇南—蘇北的幕府山組,現(xiàn)今殘留面積約90×104km2;厚度平均為120m,皖南—浙西局部可達465m。有機碳含量(TOC)多在2.0%以上,在黔東南麻江地區(qū)最高可達22%,平均為2.88%。母質(zhì)類型以腐泥型干酪根為主,少量為腐殖型。上揚子與下?lián)P子地區(qū)頁巖演化程度較高,鏡質(zhì)體反射率(Ro)一般大于3%,最高可達5%及以上;中揚子地區(qū)頁巖的演化程度略低,為2.0%～3.0%,部分小于2.0%。(2)優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度、厚度及干u巖性以灰黑—黑色硅質(zhì)頁巖和黑色炭泥質(zhì)頁巖為主,主要發(fā)育在上揚子區(qū),厚40～130m,以川東北鎮(zhèn)巴、川東石柱最厚;中、下?lián)P子區(qū)不很發(fā)育,實測標定最厚分別只有28m和75m,分布范圍也小。TOC在中、下?lián)P下區(qū)最大為3%～5%,上揚子區(qū)在川東北城口、巫溪、黔西北習(xí)水、觀音橋等處最大可達8%。TOC大于2%的優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度一般小于40m。母質(zhì)類型以腐泥型為主,熱演化程度較高,上揚子與下?lián)P子地區(qū)Ro一般為2.0%～3.0%,下?lián)P子蘇皖一帶Ro>4.0%,中揚子地區(qū)演化程度稍低,一般小于2.0%。除了上述2套區(qū)域性分布的主力頁巖外,還有一些局部分布的頁巖可能具有較大的勘探潛力,如滇黔桂地區(qū)、南盤江地區(qū)、桂中坳陷、十萬大山盆地的中、上泥盆統(tǒng)頁巖,中揚子地臺的上震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖,楚雄盆地的上三疊統(tǒng)頁巖等,特別是隨著南華弧后盆地的逐漸打開在滇黔桂地區(qū)形成的中、上泥盆統(tǒng)頁巖1-3。如桂中坳陷中泥盆統(tǒng)羅富組黑色泥頁巖分布面積廣泛,累計厚度為170～639m;TOC平均為3.14%,干酪根類型為混合型和腐殖型;Ro為1.53%～2.03%。1959年在桂中坳陷宜山南側(cè)的巖口背斜上鉆探的巖2井,于井深612.85m的中泥盆統(tǒng)東崗嶺組頁巖中發(fā)生井涌41min,氣體含甲烷10.45%,證實了該區(qū)確實存在頁巖氣。2.2優(yōu)質(zhì)烴源巖地層的形成在華北—東北地區(qū),發(fā)育了眾多的含油氣盆地,其中泥頁巖地層廣泛發(fā)育,并已被勘探實踐證實絕大部分為優(yōu)質(zhì)烴源巖,如渤海灣盆地古近系沙河街組泥頁巖、鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組頁巖和松遼盆地上白堊統(tǒng)黑色泥頁巖等。(1)烴源巖、toc、ro渤海灣盆地是中國東部主要的含油氣盆地之一,在盆地南部已發(fā)現(xiàn)了勝利油氣富集區(qū)(濟陽坳陷),西部發(fā)現(xiàn)了大港油氣富集區(qū)(黃驊坳陷),東北部發(fā)現(xiàn)了遼河油氣富集區(qū)(下遼河坳陷),各油氣富集區(qū)的烴源巖主要以古近系沙河街組暗色泥巖為主,頁巖層主要賦存于古近系沙河街組沙四上亞段、沙三下亞段和沙一段。濟陽坳陷沙四上亞段烴源巖主要分布在東營凹陷,頁巖厚度為40～120m;沙三下亞段烴源巖分布于整個濟陽坳陷,頁巖厚度為150～200m;沙一段烴源巖縱向上主要分布在沙一段下部,平面上該套烴源巖主要發(fā)育于沾化凹陷的孤南洼陷、渤南洼陷和埕北凹陷,頁巖厚度為50～120m。沙四上亞段TOC主要分布在1.5%～10.0%之間,最高可達18.6%;沙三下亞段TOC為1.0%～9.0%,最高為10.5%;沙一段TOC頻率主峰為2.0%～5.0%,最高可達11.6%;3套頁巖有機質(zhì)類型較好,主要為腐泥型-偏腐泥混合型,干酪根顯微組分中以腐泥組為主;沙三下亞段和沙四上亞段頁巖Ro在0.5%～1.9%之間,主體處于成熟演化階段,部分進入高成熟演化階段,沙一段Ro在0.3%～0.7%之間,主要處于未熟—低成熟階段。目前在濟陽坳陷不同地區(qū)許多探井的沙一段、沙三下亞段、沙四上亞段3套頁巖發(fā)育段的氣測顯示均表現(xiàn)為高異常,預(yù)示著頁巖氣的存在。這在整個渤海灣盆地具有可比性,是值得關(guān)注的天然氣勘探新領(lǐng)域。(2)中生界重要烴源巖建造鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長組的暗色泥頁巖,主要分布于盆地南部,有效烴源巖面積為8×104km2以上,厚度為300～600m。主要生油層為長4+5段-長9段,其中長7、長9段是中生界重要的烴源巖建造。長7段發(fā)育于晚三疊世最大湖泛期,為盆地中生界主要的烴源巖,分布范圍可達5×104km2,厚度一般為10～50m,最大可達80m以上;TOC為2.45%～5.28%,氯仿瀝青“A”含量為0.25%～0.67%,總烴含量為1847～5218mg/kg,屬優(yōu)質(zhì)烴源巖;干酪根類型為偏腐泥混合型,在盆地內(nèi)大部分地區(qū)處于成熟階段,局部地區(qū)向高成熟階段過渡,吳旗—慶陽—富縣一帶已進入成熟階段晚期,Ro>1.0%。在鉆井過程中,延長組泥頁巖段常出現(xiàn)氣測異常,電阻率曲線表現(xiàn)為高值,顯示出該泥頁巖段巨大的頁巖氣資源潛力。(3)油頁巖有機質(zhì)分布、分布特點松遼盆地白堊紀在2期海侵事件的影響下發(fā)育了青山口組一段和嫩江組一、二段2套分布廣泛、富含有機質(zhì)、巨厚的烴源巖。青一段烴源巖主要分布于齊家-古龍凹陷、長嶺凹陷和三肇凹陷等地區(qū),分布面積大于80000km2,油頁巖厚度為4～14m,有機質(zhì)含量極為豐富,TOC平均值為4.75%,有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主,Ro為0.5%～1.2%,處于未熟—成熟階段。嫩一段烴源巖主要分布齊家-古龍凹陷、大慶長垣、三肇凹陷和黑魚泡凹陷,面積大于200000km2,油頁巖厚度一般為2～11m,TOC介于0.5%～5.0%之間,均值為2.4%,有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,Ro為0.5%～1.05%,主要處于成熟生油階段。2.3中小型油氣盆地西北地區(qū)分布著塔里木、準噶爾、柴達木3個大型含油氣盆地和吐哈、酒泉2個中小型含油氣盆地。區(qū)內(nèi)多個盆地發(fā)育巨厚頁巖,如準噶爾盆地二疊系頁巖、塔里木盆地寒武系頁巖、柴達木盆地中侏羅統(tǒng)大煤溝組7段頁巖等。(1)巖石學(xué)和礦物學(xué)特征據(jù)研究,準噶爾盆地發(fā)育下石炭統(tǒng)、上二疊統(tǒng)、中下侏羅統(tǒng)和古近系等多套有效烴源巖。其中二疊系為盆地最重要烴源巖層系,也是具備形成頁巖氣的主要層系,主要發(fā)育在南緣東部博格達山前和東北緣克拉美麗山前。南緣博格達山前發(fā)育二疊系蘆草溝組、紅雁池組頁巖地層。其中蘆草溝組分布在烏魯木齊—阜康地區(qū),面積為3525km2,厚度為700～1100m。巖性分為3段:下段為砂質(zhì)泥巖、砂巖夾頁巖;中段為黑色、灰黑色泥巖、砂泥巖夾頁巖油,多處含瀝青和稠油;上段以灰黑色頁巖、頁巖油為主夾瀝青質(zhì)頁巖。有機質(zhì)極為豐富,TOC為4.85%～10.02%,氯仿瀝青“A”含量為0.3949%～0.4845%,總烴為649～1433mg/kg,生烴潛量(S1+S2)為28～46.26mg/g,有機質(zhì)類型為偏腐泥混合型,有機質(zhì)演化程度差異大,三臺凸起及其以東地區(qū)Ro為0.6%～2.0%,處于成熟—高成熟演化階段,阜康凹陷處于過成熟演化階段。紅雁池組為湖相沉積,以烏魯木齊妖魔山地區(qū)最發(fā)育,面積與蘆草溝組相當(dāng),厚度147～735m。底部巖性為灰綠、灰黑色砂巖、泥頁巖為主;中部為黑色泥巖、頁巖;上部以灰綠色泥巖、砂礫巖為主。TOC為1.96%,氯仿瀝青“A”含量為0.1369%,總烴為537mg/kg,生烴潛量(S1+S2)為2.6mg/g,有機質(zhì)類型為偏腐泥混合型,處于低成熟—成熟階段。東北部克拉美麗山前二疊系平地泉組面積為3243km2,烴源巖厚度約為300m。下部巖性為灰綠色泥巖和砂巖互層;中部為灰黑色泥巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖和薄層泥灰?guī)r。TOC為1.42%～4.1%,氯仿瀝青“A”含量為0.0484%～0.0599%,總烴為233～501mg/kg,生烴潛量(S1+S2)為0.58～16.28mg/g,有機質(zhì)類型為混合型,Ro為0.8%～1.0%,處于低成熟-成熟階段。(2)泥頁巖厚度最大的烴源巖塔里木盆地現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了寒武系—下奧陶統(tǒng)、中—上奧陶統(tǒng)烴源巖、石炭—二疊系烴源巖和三疊—侏羅系烴源巖4套烴源巖263-266,其中寒武系烴源巖是最主要的烴源巖之一,也是發(fā)育泥頁巖厚度最大的烴源巖。塔里木盆地泥頁巖主要分布在塔里木盆地的東部,厚度在120～415m,平均為260m,巖性為灰黑—黑色頁巖及薄層狀具水平紋理的富生物泥巖,有機質(zhì)豐度較高,TOC平均值為1.87%,最高值為5.89%,氯仿瀝青“A”最大值為0.0552%,平均值為0.0317%,總烴含量平均值為25.7mg/kg,生烴潛量(S1+S2)最大值為0.93mg/g,平均值為0.15mg/g,干酪根類型為I型,Ro值為1.8%～3.6%,處于高成熟-過成熟階段。(3)陷內(nèi)部糾紛大煤溝組7段頁巖形成于柴北緣侏羅系最大湖侵期,是侏羅系最好的烴源巖,分布較穩(wěn)定,從凹陷中心向四周減薄,厚度為50～200m,在魚卡凹陷內(nèi)部最厚可達200m;有機質(zhì)豐度高,TOC平均為11%,氯仿瀝青“A”為0.197%,生烴潛量(S1+S2)為2.60～40.11mg/g,總烴含量最高可達881.87mg/kg;母質(zhì)類型為混合型,大煤溝組7段頁巖在柴北緣地區(qū)不同構(gòu)造單元表現(xiàn)出差異熱演化的特征,在賽什騰、尕丘和紅山凹陷內(nèi)部均已經(jīng)歷過生烴高峰期,基本處于高熟階段,而在魚卡地區(qū),目前還處于生油階段,且尚未達到生油高峰710-711。2.4中羌塘盆地油氣資源青藏高原處于“特提斯”油氣聚集帶中段,具有良好的油氣生成條件,是中國陸上面積最大的一個含油氣區(qū)1-42。該區(qū)域共發(fā)育有18個中新生代含油氣盆地,其中羌塘盆地是油氣資源量最為豐富,也是勘察和研究程度最高的盆地。通過對盆緣大量露頭的烴源巖分析表明,羌塘盆地至少發(fā)育4套主力烴源巖(上三疊統(tǒng)肖查卡組、中侏羅統(tǒng)布曲組、夏里組和上侏羅統(tǒng)索瓦組)和3套非主力烴源巖(下侏羅統(tǒng)曲色組、中侏羅統(tǒng)雀莫錯組和上侏羅統(tǒng)雪山組),富有機質(zhì)泥頁巖主要分布于肖查卡組和夏里組,其次在曲色組、雀莫錯組、布曲組和雪山組也有局部分布214-357,而且肖查卡組和夏里組泥頁巖熱成熟度普遍較高,具有較大的頁巖氣勘探潛力。(1)沃若山剖面厚度主要分布于北羌塘坳陷中東部,厚度一般為100～200m,在沃若山剖面厚度最大可達380m,TOC平均大于1.5%,干酪根為偏腐泥型,Ro主要介于1.3%～3.2%之間,處于高成熟—過成熟干氣階段(部分過成熟階段)。(2)泥頁巖厚度主要分布于北羌塘坳陷中西部和南羌塘坳陷中部,厚度一般為50～200m,在北羌塘坳陷山縊湖剖面和南羌塘坳陷比洛剖面泥頁巖厚度最大分別可達713m和192m,在北羌塘坳陷TOC平均為1%,在南羌塘坳陷平均達4.15%,氯仿瀝青“A”大于0.25%,生烴潛量(S1+S2)平均在10mg/g以上,干酪根為偏腐泥型,Ro主要介于0.9%～2.0%之間,處于成熟—高成熟階段。3巖相古地理因素通過對美國頁巖氣藏特征的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn),控制頁巖氣成藏的因素可以分為內(nèi)部因素和外部因素:內(nèi)部因素是指頁巖本身的因素,主要包括有機質(zhì)類型及含量、成熟度、裂縫、孔隙度和滲透率、礦物組成、厚度、濕度等;對于具體的頁巖氣藏來說,外部影響因素主要包括深度、溫度與壓力等。其中內(nèi)部因素中的有機質(zhì)類型和含量、成熟度、裂縫以及孔隙度和滲透率是控制頁巖氣成藏的主要因素。具體而言是頁巖的有機碳含量大于2%,成熟度Ro為1.1%～3%(熱成因氣)或0.4%～0.8%(生物成因氣),頁巖厚度一般大于30m且分布廣泛,埋深一般小于3000m,SiO2含量一般大于30%。根據(jù)以上標準,中國華北-東北地區(qū)的松遼盆地青一段和嫩一段頁