(中國石油北京煤層氣有限公司)
作者簡介:男向勇，男，博士，從事新能源研究與管理。
摘要:在調查國外頁巖氣開發現狀的基礎上，分析了鄂爾多斯盆地東南緣二疊系頁巖氣的勘探前景，並對頁巖氣開發提出了可行性建議。首先，分析了頁巖氣的基本地質特征。其次，分析了美國頁巖氣的開發利用情況，總結了對我國發展頁巖氣的主要啟示。再次分析了鄂爾多斯盆地東南緣二疊系頁巖氣的地質特征。指出頁巖氣具有厚度大、分布穩定、有機碳含量高、熱演化生氣階段多、頁巖裂縫發育、氣測錄井“多層多型”等特點，形成頁巖氣、砂巖氣、煤層氣連續非常規氣藏等有利地質條帶。對比美國主要頁巖氣盆地，認為該區頁巖氣勘探開發前景良好。最後，分析了目前頁巖氣開發中存在的主要問題，提出了該地區開發頁巖氣的總體思路和應采取的具體措施，以供參考。
關鍵詞:鄂爾多斯盆地；二疊紀；美國；頁巖氣；非常規石油和天然氣；勘探前景
鄂爾多斯盆地東南緣二疊系頁巖氣勘探前景評價
男子向勇
(中國北京中石油煤層氣有限公司)
摘要:本文在國外頁巖氣開發研究現狀的基礎上，分析了鄂爾多斯盆地東南緣二疊系頁巖氣勘探前景，並對頁巖氣開發提出了可行性建議。首先，分析了頁巖氣的基本地質特征；其次，是對美國頁巖氣開發利用的分析，總結了對國內頁巖氣開發的主要啟示；重點研究了鄂爾多斯盆地東南緣二疊系頁巖氣地質特征，即具有頁巖厚度大、分布穩定、有機碳含量高、熱演化中氣相數量多、裂縫發育等特點，頁巖氣測量顯示出“多產、多類型”的特征，形成頁巖氣、砂巖、煤層氣等連續非常規有利地質條件。，並與美國主要頁巖氣盆地初步對比，認為該區已進行了良好的頁巖氣勘探開發前景；最後，分析了當前頁巖氣開發存在的主要問題，提出了該地區頁巖氣開發的總體思路，並提出了具體應采取的決策措施。
關鍵詞:鄂爾多斯盆地；二疊紀；美國；頁巖氣；非常規石油和天然氣；勘探前景
當前，世界油氣資源供需矛盾日益加劇，發展“低碳經濟”的呼聲日益高漲。頁巖氣等非常規天然氣的勘探開發受到了世界各國政府的高度重視，並在壹些國家實現了產業化。
1頁巖氣的基本特征
頁巖氣是非常規天然氣的壹種，主要是指主要位於暗色頁巖或高碳頁巖中的天然氣的聚集。氣體要麽遊離在基質的孔隙和裂隙中，要麽吸附在有機質和粘土礦物表面，在壹定條件下聚集成藏，實現經濟和開采價值。據Rogner(1997)估算，全球頁巖氣資源量約為475×108m3，相當於全球煤層氣和致密砂巖氣資源量之和。其中，美國和中國是頁巖氣資源最豐富的國家。
頁巖氣成藏具有以下特點:有熱成因、生物成因和混合成因類型；自生自儲，是典型的“原地”成藏模式；儲層物性差，富集程度與產能和裂縫發育程度密切相關；大多數高產頁巖床相對平坦、厚且可預測。
頁巖氣開發有以下特點:壹是產氣量相對較低。美國頁巖氣井平均產氣量約為1000 m3/d，巖氣主產區單井產量壹般在2800-33000 m3/d之間；二是采收率變化大。壹般從5%到60%不等；三是生產周期長，頁巖氣田開采年限壹般可達30至50年甚至更長；第四，頁巖氣的成藏和開采機制與煤層氣相似。
2美國頁巖氣發展現狀及啟示
2.1美國頁巖氣的商業開發利用正處於快速發展階段。
1921年美國第壹口頁巖氣井投產，進度比較慢。到1990，小於50×108m3。但自20世紀90年代以來，頁巖氣開發進入快速發展期，產量穩步增長:頁巖氣產量為1999、107×108m3，占天然氣總產量的2%，近三年增速加快。2006年、2007年和2008年頁巖氣年產量分別為311×108 m3、433×108m3和507×108m3，分別約占1。
圖1美國頁巖氣年產量統計(1979 -2008)
目前，中國已鉆井4萬多口，已在18個盆地發現頁巖氣，主要分布在5大盆地。包括4個盆地的上古生界地層:沃思堡盆地的巴尼特頁巖、密歇根盆地的安特裏姆頁巖、阿巴拉契亞盆地的俄亥俄頁巖和伊利諾伊盆地的新奧爾巴尼頁巖；聖胡安盆地有1中、新生代地層:路易斯頁巖。
2.2美國頁巖氣開發利用的主要啟示
分析美國頁巖氣開發利用的發展，給我帶來了四點啟示:
(1)豐富優質的頁巖氣資源是頁巖氣規模化生產的基礎。美國大盆地地質資源總量為12.9×1012 m3 ~ 25.1×12 m3，可采資源量為(0.9 ~ 2.1) × 1003。頁巖氣埋藏深度600 ~ 2600 m，有利於開發。
(2)裂縫性頁巖發育區的存在有利於商業開發。北美泥盆系頁巖分布廣泛，僅在部分地區具有商業開發價值。大盆地頁巖氣實踐表明，應時含量高、有機質豐富的脆性頁巖是發育天然裂縫和高產頁巖氣藏的有利目標。
(3)勘探開發技術的提高和生產能力的提高是實現頁巖氣大規模開發的關鍵。位於沃思堡盆地的紐瓦克東部氣田是美國最大的頁巖氣田。該盆地的發展歷史表明，適當技術的應用在頁巖氣的開發和利用中起著至關重要的作用(圖2)。
圖2美國沃思堡盆地頁巖氣發展歷史及技術關系。
(4)頁巖氣的發展離不開國家政策的大力支持。20世紀70年代末，美國政府在《能源意外利潤法案》中規定了對非常規能源開發的稅收補貼政策。然而，自20世紀90年代初以來，德克薩斯州就沒有對頁巖氣開發征收過生產稅。美國還設立了非常規油氣資源專項研究基金。
3鄂爾多斯盆地東南緣頁巖氣勘探前景分析
鄂爾多斯盆地是陜甘寧盆地，是中國第二大沈積盆地，面積25×104km2，也是中國主要的含油區。盆地油氣勘探歷史悠久，資源類型豐富，是典型的“聚寶盆”。鄂爾多斯盆地東南緣位於鄂爾多斯東緣與渭北隆起的交匯處，主要包括韓城、大寧-吉縣和伊川地塊。該區長期處於相對擡升狀態，僅在中晚寒武世、早奧陶世、中晚石炭世和二疊紀有薄的沈積。早二疊世，沈積物由海相轉變為大型湖泊相。其中，二疊系太原組以濱海相為主，厚度在40-200米之間，而二疊系山西組以濱海湖相為主，厚度在80-300米之間..分析表明，該區二疊系具有頁巖氣勘探的有利地質條件。
3.1盆地東南緣山西組和太原組頁巖厚度大，分布穩定。
該區域周圍的野外地質露頭數據證實，頁巖在許多區域和地層中發育。如鄉寧臺頭地質剖面山西組頁巖約55m，興縣關家崖地質剖面太原組頁巖約45m，禮泉東莊誌留系頁巖約250m。
根據鄂爾多斯盆地東南緣煤層氣井鉆井結果統計，二疊系山西組和太原組頁巖厚且集中(圖3)。大寧-吉縣地區山西組和太原組頁巖厚度分別為40 ~ 102m和30 ~ 63m，韓城地區山西組和太原組頁巖厚度分別為30 ~ 70m和20 ~ 50m。總的來說，二疊系山西組和太原組暗色頁巖總厚度為80 ~ 150 m，沈積中心位於大寧-吉縣地塊西部和伊川地塊中北部地區。
圖3鄂爾多斯盆地東南緣二疊系頁巖厚度統計圖
3.2氣源巖富含有機質，處於高成熟和過成熟階段。
根據前人的研究，二疊系山西組和太原組頁巖的平均有機碳含量分別為2.04%和2.97%，高於俄羅斯典型的煤系盆地——西伯利亞盆地的有機碳含量。該盆地平均有機碳含量為1.31%，因此該區有機質含量較高，也符合美國頁巖氣產區有機碳含量高於2%的標準。熱演化程度是衡量烴源巖是否處於生氣階段，是否富含天然氣的重要指標。從煤層演化來看，韓城地區Ro壹般為1.8% ~ 2.1%，處於瘦煤-瘦煤階段，而大寧-吉縣地區Ro壹般為1.2% ~ 2.0%，煤階跨度大，處於焦煤-瘦煤階段。根據泥巖油氣演化模式，該階段為高度成熟和過成熟階段，非常有利於頁巖氣的大量生成。
3.3頁巖節理裂隙發育，上部覆蓋多套厚泥巖。
在中國，泥巖壹直被用作烴源巖或蓋層，但頁巖裂縫的發育和油氣顯示壹直沒有得到足夠的重視。本研究對煤層氣井泥頁巖取芯進行了觀察。泥巖層理發育，易形成橫向裂縫。太原組發育多條包括泥頁巖在內的巖性裂縫，部分裂縫含氣，其中泥頁巖10，炭質泥巖7條，泥質砂巖7條，矽質巖及煤層62條。
分析表明，二疊系頁巖氣在多套厚泥巖的覆蓋下具有良好的封蓋條件。山西組上部由下石盒子組和上石盒子組組成，其中大寧-吉縣地區上石盒子組泥巖厚度為200 ~ 350 m，韓城地區也達到100~250m ~ 250 m，是良好的區域性蓋層。而大寧-吉縣、韓城地區下石盒子組泥巖厚度大於75m，為壹套局部蓋層。可見，該區頁巖氣對多套厚泥巖具有良好的封蓋條件。
表1鄂爾多斯盆地東南緣上古生界頁巖有機質豐度表
韓城地區部分煤層氣探井氣測顯示統計。
3.4頁巖氣顯示豐富的異常，與砂巖氣、煤層氣形成連續的非常規氣藏。
本研究初步統計了韓城區塊和大寧-吉縣區塊煤層氣井的氣測顯示。結果表明，該區氣測錄井顯示豐富，呈現出“多層系、多類型”的特點。頁巖氣、砂巖氣和煤層氣形成了壹個連續的非常規氣藏，其中頁巖氣資源豐富。如韓城區塊5口探井氣測總厚度為340米，主要分布在太原組和山西組，少量分布在石盒子組和石千峰組，其中泥巖177.6米，砂巖100.6米，煤層44.2米(圖4)。此外，大寧-吉縣區塊的公4井等多口探井也見到了較厚的頁巖氣和砂巖氣，反映出區域分布的特點。
3.5頁巖埋深適中，有利勘探區分布廣泛。
頁巖埋深與頁巖氣開發利用的經濟性密切相關。根據目前的分析，烴源巖相對較厚的大寧-吉縣西部地區和伊川區塊中北部地區的厚度在1500 ~ 3000 m之間，接近美國主要頁巖氣盆地Fort Worth盆地的生產深度，應該是頁巖氣埋藏的理想深度。該區山西組和太原組頁巖總厚度為80 ~ 150 m，有利區面積約為15000km2，勘探潛力巨大。
3.6與美國主要頁巖氣盆地的對比分析
本研究將鄂爾多斯盆地東南緣二疊紀頁巖氣地質條件的主要指標與美國大盆地進行了對比。分析表明，這些盆地除了具有厚度大、分布廣、烴源巖有機質豐度高等特點外，根據其埋藏深度和成熟度大致可分為兩類進行對比(表2)。壹類是埋藏深、成熟度高的頁巖氣藏，如鄂爾多斯盆地二疊系山西組、太原組，美國沃思堡盆地、聖胡安盆地等。Ro壹般在1.2% ~ 2.0%之間，處於成熟和高成熟生氣階段，埋深壹般在1000 ~ 2600 m，另壹類是埋藏淺、成熟度低的頁巖氣藏，如美國的阿巴拉契亞盆地和密歇根盆地。
表2鄂爾多斯盆地與美國五大頁巖氣盆地對比分析
繼續的
Ro壹般為0.4% ~ 1.2%，處於低成熟和成熟油氣生成階段，處於生物氣和熱解階段，埋深壹般為180 ~ 1500m。從兩類頁巖氣盆地的對比來看，埋藏深、成熟度高的頁巖氣藏比埋藏淺、成熟度低的頁巖氣藏具有更高的單井儲量和產量。可以推斷，鄂爾多斯盆地東南緣的頁巖氣勘探前景也應該是有利的。
4存在的問題及發展建議
4.1中的主要問題
(1)缺乏針對性的地質評價資料。工區內沒有頁巖氣的取芯、測井和錄井工作，缺少分析和化學數據。這些都制約了該區頁巖氣地質條件和有利目標的進壹步研究。
(2)天然裂縫發育程度和頁巖氣富集規律尚不確定。美國大盆地海相頁巖應時含量高，壹般在20% ~ 70%，容易形成天然裂縫和後期壓裂。目前，鄂爾多斯盆地頁巖的組成尚不清楚，對頁巖裂縫發育和頁巖氣富集程度的影響認識尚未落實。
(3)目前國內缺乏適合地質條件的鉆井、壓裂技術和經驗。美國頁巖氣的發展離不開科技的進步，尤其是水平井分段壓裂技術的成功應用。這些成熟的技術和經驗能否在東南緣直接應用還不確定。
4.2對盆地東南緣頁巖氣勘探的建議
(1)聚焦國家級新區，開展礦業權評估。采取多種方式組織研究力量開展評估優化，加快南方海相、華北地臺等新區礦業權評估登記工作。
(2)系統補充資料，深化綜合研究。建議充分利用現有數據，增加必要的評價數據，緩解數據不足的情況。如果有大量煤層氣鉆井和地震資料；缺乏分析和實驗室數據。開展二疊系氣源巖評價、含氣層識別、構造特征及沈積相分析、鉆井壓裂技術試驗、井位部署等系統研究。
(3)開展中試，探索適用技術。通過與美國公司技術合作，開展先導試驗，部署2 ~ 4口頁巖氣井，有利目標開展水平井分段壓裂試驗；選擇煤層氣有利直井，開展“多層多類型”壓裂試驗，實施立體開發。
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