中国东部中小型断陷盆地陆相页岩气成藏潜力分析——以阜新盆地为例
赵群1,2, 王红岩1,2, 杨慎1, 臧焕荣1,2, 刘德勋1,2, 孙钦平1, 姜馨淳1
1.中国石油勘探开发研究院
2.国家能源页岩气研发(实验)中心

作者简介:赵群,1979年生,高级工程师,博士;主要从事页岩气选区评价及规划战略研究等工作。地址:(065007)河北省廊坊市广阳区万庄44号信箱。ORCID: 0000-0003-2326-217X。E-mail: zhaoqun69@petrochina.com.cn

摘要

中国东部地区发育大量的中生代中小型断陷盆地,盆地内陆相富有机质泥页岩沉积厚度大,白垩纪的火山活动加快了区内页岩中所含有机质的成熟,为页岩气成藏提供了有利的先决条件。为了分析上述断陷盆地陆相页岩气的成藏潜力,以阜新盆地为例,根据最新的钻井资料、岩心和岩屑测试数据,重点分析并评价了该区富有机质页岩厚度、展布、总有机碳含量( TOC)、烃源岩有机质热演化成熟度( Ro)、储集能力和可压性等6项成藏要素,进一步结合页岩储层的特征,研究了该区陆相页岩气的成藏潜力并提出了下一步勘探开发的建议。研究结果表明:①我国东部中小型断陷盆地陆相页岩具有储层总厚度大、 TOC高和热成熟度适中等3项页岩气成藏的有利条件,以及页岩储层厚度横向变化大、储集能力偏低和可改造性偏差等3项不利条件;②陆相页岩 TOC高(平均值为5.4%),在中生代火山活动的作用下有机质热演化程度较高( Ro>1.2%),位于生气窗内,页岩气成藏具备优越的物质基础;③海相页岩气开发所采用的水平井多段压裂技术在陆相页岩气开发中的效果值得商榷,应积极探索陆相页岩气直井纵向多层立体开发技术;④较之于海相页岩气,陆相页岩气单井产量更低,故需要加强断陷盆地陆相页岩气单井经济产能评价工作。结论认为,我国东部断陷盆地多与阜新盆地类似,具备页岩气成藏的物质基础,是陆相页岩气勘探突破的新方向;下一步勘探的重点是找到高储集能力区、落实易改造层段。

关键词: 中国东部; 断陷盆地; 阜新盆地; 陆相页岩气; 成藏潜力; 页岩厚度; 总有机碳含量; 有机质热演化成熟度; 直井; 多层立体开发
Potential of continental shale gas accumulation in medium-and small-sized fault basins in eastern China: A case study from the Fuxin Basin
Zhao Qun1,2, Wang Hongyan1,2, Yang Shen1, Zang Huanrong1,2, Liu Dexun1,2, Sun Qinping1, Jiang Xinchun1
1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China
2. National Energy Shale Gas R&D <Experimental> Centre, Langfang, Hebei 065007, China
Abstract

A great number of Mesozoic medium- and small-sized fault basins are developed in eastern China. In these fault basins, the sedimentary thickness of continental organic-rich shale is great, and the Cretaceous volcanic activities accelerate the maturity of organic matters in the shale, which provide favorable prerequisites for shale gas accumulation. In this paper, the potential of continental shale gas accumulation in the mentioned Mesozoic medium- and small-sized fault basins was analyzed with the Fuxin Basin as an example. Based on the latest drilling, core and cutting test data, six elements of shale gas accumulation in organic-rich shale in the Fuxin Basin were discussed, including thickness, distribution, total organic carbon ( TOC) content, thermal evolution maturity of organic matter ( Ro), reservoir capacity and compressibility. Then, depending on the characteristics of shale reservoirs, the potential of continental shale gas accumulation in the study area was investigated, and the suggestions on further exploration and development were proposed. The following results were obtained. First, continental shale in the medium- and small-sized fault basins in eastern China is characterized by great total reservoir thickness, high TOC content and moderate thermal maturity, which are advantageous for shale gas accumulation, while larger lateral thickness variation, lower reservoir capacity and weaker stimulation feasibility, which are disadvantageous for shale gas accumulation. Second, continental shale has high TOC content (averagely 5.4%), and high Ro (>1.2%) under the effect of Mesozoic volcanic activities, suggesting a gas generating window, so there is a superior material basis for shale gas accumulation. Third, it is uncertain whether the multi-stage fracturing technique of horizontal wells for the development of marine shale gas is applicable to the development of continental shale gas, so it is necessary to develop the 3D vertical multi-layer development technique of vertical wells suitable for continental shale gas. Fourth, the single-well production rate of continental shale gas is lower than that of marine shale gas, so it is necessary to strengthen the single-well economic productivity evaluation of continental shale gas in fault basins. In conclusion, the fault basins in eastern China are mostly similar to the Fuxin Basin and they have the material basis for shale gas accumulation, so these basins are the new targets for achieving breakthroughs in continental shale gas exploration. Further exploration shall focus on the identification of zones with a high reservoir capacity and of intervals with strong simulation feasibility.

Keyword: Eastern China; Fault basin; Fuxin Basin; Continental shale gas; Potential of gas accumulation; Shale thickness; TOC; Thermal evolution maturity; Vertical well; 3D vertical multi-layer development

我国中西部多个盆地发育陆相富有机质页岩, 如准噶尔盆地中二叠统芦草沟组、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组等, 东部断陷盆地群中也发育多套富有机质页岩[1, 2, 3]。近年来, 陕西延长石油(集团)有限责任公司和中国石油长庆油田公司开展了鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩气勘探评价, 但由于该区页岩储层成熟度总体偏低且以生油为主[1, 2, 3], 页岩气资源勘探潜力有限。而我国东部地区则发育大量的中生代中小型断陷盆地, 得益于白垩纪活跃的火山活动[4, 5], 加速了该区页岩有机质的成熟生气, 具备了页岩气成藏富集的先决条件, 是我国陆相页岩气勘探的新方向。

笔者以我国东部地区阜新盆地最新钻井资料、岩心和岩屑测试数据为基础, 重点分析评价了富有机质页岩厚度、展布、总有机碳含量(TOC)、烃源岩有机质热演化成熟度(Ro)、储集能力和可压性等6项成藏要素, 提出对我国东部断陷盆地陆相页岩气成藏的几点思考。

1 阜新盆地概况

阜新盆地位于辽宁省西部, 主体在阜新市境内。在构造位置上, 该盆地位于郯庐断裂和赤峰— 开原断裂夹持的三角地区(图1), 属华北地块燕山褶皱带[4, 5]。盆地南北长约120 km, 东西宽10~20 km, 面积约为2000 km2, 基底最大埋藏深度约为6 000 m, 呈北北东— 北东向展布[5, 6]

图1 阜新盆地区域构造图(据王秀茹[6]修改)

与中国东部大多数中新生代断陷盆地类似, 阜新盆地构造演化大致经历了初始张裂(下白垩统义县组沉积期)→ 断陷发育(下白垩统九佛堂、沙海、阜新组沉积期)→ 挤压反转(上白垩统孙家湾组沉积期)3 个发展阶段[4, 5]

阜新盆地自下而上, 分别发育下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组及上白垩统孙家湾组(表1[7]。自晚侏罗世燕山一期阜新盆地形成早期, 火山岩浆活动强烈, 在初始张裂期形成了义县组沉积[4, 5, 6, 7]; 断陷发育期首先沉积了九佛堂组, 燕山构造活动中该组地层褶皱变形, 沉降中心向东转移, 沉积了沙海组和阜新组[4, 5, 6, 7]; 在挤压反转期, 沉积了孙家湾组[4, 5, 6, 7]。阜新盆地发育沙海组和九佛堂组富有机质页岩储层, 多口钻井发现油气显示, 具备页岩气勘探开发良好前景。

表1 阜新盆地主要地层表
2 页岩气成藏的有利条件

东部断陷盆地陆相页岩具有储层总厚度大、总有机碳含量高和热成熟度适中3项页岩气成藏的有利条件。

2.1 储层总厚度大

东部断陷盆地陆相页岩储层纵向总厚度大。阜新盆地主要发育沙海组和九佛堂组两套页岩储层(表1), 其中沙海组富有机质页岩厚度介于200~700 m, 九佛堂组富有机质页岩厚度介于100~600 m。沙海组下部沙一段— 沙三段以砂岩、泥岩夹煤层和砂砾岩为主, 厚度300~800 m。沙海组上部沙四段以泥岩为主、夹砂砾岩透镜体(厚度介于0.5~1.5 m), 页岩总厚度介于200~700 m。九佛堂组厚度介于200~2 000 m, 上部为灰色— 黑色泥页岩和砂质泥岩, 中部为细砂岩、粉砂岩, 下部为白云质含泥砂岩、含泥粉砂岩。其中, 上部黑色富有机质页岩是页岩气成藏的有利储层, 厚度介于100~600 m。

2.2 总有机碳含量高

东部断陷盆地陆相页岩总有机碳含量(TOC)高, 页岩气成藏具有充足的物质基础。中上扬子地区五峰组— 龙马溪组页岩内有机质主要为腐泥— 混合型干酪根, TOC介于1.0%~8.5%, 其中已开发层段厚度10~30 m, 平均TOC为4.0%(表2[3, 8, 9, 10, 11, 12]。与五峰组— 龙马溪组海相页岩相比, 阜新盆地陆相页岩具有更高的TOC值(图2、3)。阜新盆地沙海组和九佛堂组页岩内有机质主要为混合型干酪根, TOC介于0.5%~13.6%(表2)。沙海组顶部沙四段页岩TOC介于0.8%~9.1%, 平均为4.0%, 其中沙四段底部40 m页岩层段TOC介于2.6%~9.5%, 平均为5.3%。九佛堂组顶部页岩TOC介于0.9%~13.6%, 平均为4.3%, 其下部80 m页岩层段TOC介于1.7%~13.0%, 平均值为5.6%。

表2 不同页岩储层特征对比表

图2 沙海组四段页岩储层特征综合评价柱状图

图3 阜新盆地陆相页岩样品CT扫描图
注:红色为有机质

2.3 热成熟度适中

受火山活动影响, 东部断陷盆地陆相页岩热成熟度适中, 位于生气窗内。中上扬子地区五峰组— 龙马溪组海相页岩Ro值介于2.0%~3.8%, 成熟度较高, 页岩气为干气[8, 9, 10]。鄂尔多斯盆地延长组、准噶尔盆地中二叠统芦草沟组和松辽盆地的上白垩统嫩江组富有机质页岩成熟度普遍偏低(Ro介于0.5%~1.5%), 以生油为主[1]。东部断陷盆地经历多期岩浆活动[4, 5], 火山热事件加速了页岩储层的成熟, 为页岩气成藏提供有利的先决条件。阜新盆地的岩浆活动主要有3期[4], 页岩Ro总体随埋深增加呈现增加趋势[13]。根据Ro和埋深关系曲线推算, Ro> 1.2%对应埋深为1 350 m。除埋深变化外, 页岩Ro与距火山侵入岩体的远近也呈现相关关系, 导致局部地区埋深更浅部位也具有较高的Ro[13], 如YY1井埋深1 170 m对应的实测Ro值达1.2%。总体上, 阜新盆地埋深超过1350 m的沙海组和九佛堂组富有机质页岩均达到了成熟生气阶段, 具备了有利于页岩气成藏的基本条件。

3 页岩气成藏的不利条件

东部断陷盆地陆相页岩储层具有厚度横向变化大、储集能力偏低和可改造性偏差3项页岩气成藏的不利条件。

3.1 储层厚度横向变化大

东部陆相断陷盆地总体上规模较小, 沉积相横向变化较快, 页岩储层横向分布不稳定、厚度变化大。海相页岩储层大面积连续分布, 如美国Barnett页岩储层分布面积达1.55× 104 km2, 其中核心区面积5000 km2, 页岩厚度30~180 m[14, 15]; 四川盆地及邻区五峰组— 龙马溪组页岩储层分布面积达5.00× 104 km2, 页岩厚度介于40~60 m[3, 8, 9]表2)。而阜新盆地总体规模较小(表2), 在10~20 km宽的范围内发育多个沉积相, 因此页岩储层厚度变化较大, 富有机质页岩分布面积介于500~1 000 km2

阜新盆地陆相页岩储层主要形成于冲击扇前缘湖相沉积[6, 7], 页岩储层靠近物源区TOC降低, 富有机质页岩厚度减薄, 远离物源区富有机质页岩厚度增加。九佛堂组沉积期主要为水下扇前缘相、滨浅湖相和半深湖— 深湖相, 九佛堂上部发育高水位体系域沉积, 但受盆地规模限制沉积相横向变化较大。靠近物源区以水下扇前缘相沉积为主, 富有机质页岩厚度较薄(TOC> 2.0%的页岩储层厚度介于30~50 m); 远离物源区以半深湖— 深湖相沉积为主, 富有机质页岩厚度较大(TOC> 2.0%的页岩储层厚度介于300~500 m)。沙海组沉积期主要为扇三角洲、湖沼相和半深湖— 深湖相沉积, 其中沙四段发育高水位体系域沉积, 但受盆地规模限制沉积相横向变化较大(TOC> 2.0%的页岩储层厚度介于30~300 m)。陆相页岩储层横向变化大, 水平井多段压裂技术在页岩气开采应用中具有一定挑战。

3.2 储集能力偏低

与海相页岩储层相比, 阜新盆地陆相页岩纳米级孔隙相对较少, 天然气储集能力偏低, 页岩含气量偏低。页岩储层致密, 纳米级孔隙是油气最重要的储集空间, 因此纳米孔隙的发育程度决定了页岩储层的含气性。中上扬子地区五峰组— 龙马溪组海相页岩储层发育大量有机纳米孔隙, 采用脉冲法实测孔隙度2%~12%[8, 9], 岩心解吸法实测含气量2~6 m3/t; 阜新盆地陆相页岩有机质内纳米孔隙相对较少(图4), 采用脉冲法实测孔隙度0.5%~2.5%, 岩心解吸法实测含气量0.50~2.50 m3/t。

图4 阜新盆地陆相页岩双束电镜(FIB/FEM)图像

有机纳米孔隙偏少是陆相页岩储集能力差的主要原因。通过双束扫描电镜(FIB/FEM)分析, 阜新盆地陆相页岩有机质内纳米孔隙不发育, 纳米级孔隙主要由矿物颗粒之间的粒间孔、有机质边缘的裂缝孔和少量有机质孔构成(图4)。与五峰组— 龙马溪组页岩相比, 阜新陆相页岩中有机质的发育程度与页岩储集能力的相关性相对较弱(图5)。五峰组— 龙马溪组海相页岩内有机质纳米孔隙发育, 因此TOC与比表面积呈现典型正相关关系。按照海相页岩TOC> 2%的评价标准[8, 9], 对应的比表面积为13.3 m2/g(图5-b)。阜新陆相页岩中有机质边缘的裂缝孔、有机质孔与TOC相关, 矿物粒间孔与TOC无明显关系, 因此TOC与比表面积呈现相对较弱的正相关关系。陆相页岩TOC为10%, 对应的比表面积仅为2.9 m2/g(图5-a)。

图5 阜新盆地、四川盆地页岩TOC与比表面积关系图

3.3 可改造性偏差

阜新盆地陆相页岩脆性矿物含量偏低、层理不发育, 压裂改造形成体积缝网难度高于海相页岩。五峰组— 龙马溪组页岩脆性矿物含量介于60%~85%, 其中石英矿物含量介于35%~60%, 具有较强的脆性[8, 9]。阜新陆相页岩脆性矿物总含量介于57%~69%, 其中石英含量介于15.8%~34.9%、长石含量介于12.6%~22.8%、方解石含量介于3.6%~19.8%、白云石含量介于6.5%~35.6%(图6)。该页岩段底部40 m脆性矿物总含量平均值达到66%, 其中石英含量为26%、长石含量为16%、方解石含量为8%、白云石含量为14%、黄铁矿含量为2%(图6)。

图6 阜新盆地沙海组四段页岩矿物组成图

阜新陆相页岩层理不发育, 水力压裂过程中不易使人工裂缝转向, 因此压裂形成复杂裂缝网络的难度偏大[17, 18]。通过大量模拟试验发现, 五峰组— 龙马溪组大量发育的层理可以不同程度地使垂直层理方向裂缝终止发育, 并延层理开启。因此, 层理发育的页岩改造中更容易形成复杂裂缝网络, 以建立“ 人工油气藏” 实现页岩气有效开发[17, 18, 19, 20]。而页岩层理不发育的陆相页岩储层, 在高主应力差的条件下水力压裂过程易于形成人工主裂缝, 提升了实现体积改造建立“ 人工油气藏” 的难度。

4 东部断陷盆地陆相页岩气成藏的几点思考

我国东部断陷盆地陆相页岩具有储层总厚度大、TOC高、热成熟度适中3项页岩气成藏的有利条件和厚度横向变化大、储集能力偏低、可改造性偏差3项不利条件。结合断陷盆地陆相页岩储层特点, 提出如下几点思考。

1)从鄂尔多斯盆地延长组、准噶尔盆地芦草沟组页岩油气勘探情况来看, 陆相页岩储层TOC较高, 但热成熟度普遍偏低(Ro介于0.5%~1.5%)(表1), 富有机质页岩多未进入成熟生气阶段, 页岩气成藏缺乏物质基础。阜新盆地陆相页岩TOC高(平均值为5.4%), 在中生代岩浆热事件的作用下大部分页岩位于生气窗内(Ro> 1.2%), 烃源岩生气量充足。我国东部断陷盆地多与阜新盆地类似, 发育多套富有机质页岩, 且在岩浆热事件的作用下烃源岩成熟生气, 具备页岩气成藏的物质基础。

2)页岩储层超致密低渗, 有效开发需要进行体积压裂, 建立“ 人工油气藏” 。我国已实现有效开发的四川盆地五峰组— 龙马溪组海相页岩大面积连续分布, 水平井多段压裂技术在页岩储层内建立“ 人造气藏” , 以实现页岩气资源有效开发。鉴于陆相页岩纵向厚度大、横向展布不稳定, 较难实现长水平段水平井的“ 工厂化” 作业。因此海相页岩气开发所采用的水平井多段压裂技术在陆相页岩气开发中效果有待商榷。结合陆相页岩储层特点, 需要探索直井纵向多层立体开发技术, 以实现页岩气、煤层气和致密气等多类型非常规天然气资源的合采、共采, 提升单井开发的经济效益。

3)从阜新盆地页岩储层分析结果来看, 储集能力差(孔隙度介于0.5%~3.0%), 进而含气量偏低(0.50~2.50 m3/t), 是陆相页岩气富集成藏的致命不足。此外, 陆相页岩层理不发育、脆性矿物含量偏低, 与海相页岩相比储层改造难度较大。因此, 断陷盆地陆相页岩气下一步勘探重点是找到高储集能力区、落实易改造层段, 开展页岩气井产能评价, 确定页岩气开发的经济性。

5 结论

1)与四川盆地五峰组— 龙马溪组页岩储层相比, 我国东部中小型断陷盆地陆相页岩具有储层总厚度大、TOC高和热成熟度适中3项页岩气成藏的有利条件, 具有厚度横向变化大、储集能力偏低和可改造性偏差3项不利条件。

2)与鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地陆相页岩储层相比, 我国东部断陷盆地陆相页岩在中生代火山活动的作用下, 有机质热演化程度较高(Ro> 1.2%), 位于生气窗内, 具备页岩气富集成藏的先决条件, 是陆相页岩气勘探突破的新方向。

3)针对东部断陷盆地陆相页岩储层特点, 提出直井纵向多层立体开发理念, 并加强页岩气单井经济产能评价研究的建议。

The authors have declared that no competing interests exist.

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