中国非常规天然气勘探雏议.pdf

倡 本文系国家自然科学基金（编号 ４０４７２０７３ 、 ４０６７２０８７）部分研究成果 。 作者简介 张金川 ， １９６４ 年生 ， 博士 ， 教授 ， 本刊第六届编委会委员 ； 主要从事非常规天然气 、 油气成藏机理 、 盆地流体以及 资源评价方面的教学与研究工作 。 地址 （１０００８３）北京市学院路中国地质大学能源学院 。 电话 （０１０）８２３２０８４８ 。 E‐mail zhangjc＠ cugb ． edu ． cn 中国非常规天然气勘探雏议 倡 张金川 薛 会 卞昌蓉 王艳芳 唐 玄 （中国地质大学 北京） 张金川等 ． 中国非常规天然气勘探雏议 ． 天然气工业 ， ２００６ ， ２６（１２） ５３‐５６ ． 摘 要 非构造控藏是包括煤层气 、 页岩气 、 根缘气 、水溶气 、 水合物等类型在内的几乎所有非常规机理天然 气聚集的共同特征 ， 特殊的赋存状态和富集特点使它们在盆地空间内构成了依次渐变的分布序列 。 其中 ， 根缘气 、 煤层气和页岩气的勘探开发价值较高 ， 也是目前非常规天然气勘探中的主要类型 。 致密储层中的根缘气是中国非 常规天然气勘探的主要类型 ， 主要在中西部地区具有良好的发育地质条件 ， 砂岩底部含气是其识别和勘探的主要 特点 。 煤层气是吸附状态天然气富集的代表类型 ， 对于大中小型盆地的油气勘探均具有重要意义 。 页岩气具有煤 层气和根缘气在成藏意义上的双重特征 ， 吸附机理的存在提高了页岩气资源量并延伸了勘探领域 ， 页岩气可能是 中国南方地区油气进一步勘探的重要突破口 。 中国非常规天然气具有广阔的勘探前景 ， 加强理论 、 技术研究及交 流 ， 将能够更好地促进非常规天然气的勘探与发展 。 主题词 非常规天然气 成藏机理 序列 勘探评价 勘探区 中国 理论进步扩大了视野 ， 技术发展提高了产能 。 随着社会需求的增加 ， 非常规油气日趋成为首要的 资源接替者 。 非常规天然气类型多 、 分布广 ， 巨大的 资源规模始终是吸引勘探注意力并影响决策分析的 主要因素 。 美国的天然气工业技术相对发达 ， 非常 规天然气年产量已经占据了美国天然气总量的 ４０％ （Kuuskraa ，２００６） ， 成为美国天然气重要的产业支 柱 。 其中 ， 美国根缘气（盆地中心气 、深盆气）、煤层 气 、 页岩气可采储量分别占天然气总量的 ２７％ 、 ９％ 和 ４％ 。 我国的非常规天然气勘探开发相对薄弱 ， 相 关地质问题亟待解决 。 一 、 天然气成藏机理类型及相互关系 地质上所指的非常规天然气包括所有不符合常 规油气成藏地质原理 ， 或在成因 、成分 、产状 、性质 、 储集介质 、封聚机理等方面具有特殊性的天然气聚 集 ， 因此非常规天然气的分类非常复杂 。 从天然气 赋存方式 、 运聚成藏机理等方面考虑 ， 天然气藏可分 为受浮力作用原理控制成藏的常规圈闭气（置换式 运移）和以非浮力为主导控藏因素的非常规气 。 非 常规天然气主体包括了煤层气（吸附）、 页岩气（吸附 及活塞式运移）、根缘气（以活塞式为主的复杂运 聚）、 溶解气（含水溶气 分子充填及部分水合）、固 态水合物（范德华力）等机理类型 ， 各主要天然气聚 集类型之间彼此关联 ， 相互过渡 ， 在成藏机理上形成 了连续递变 ， 在水溶气与水合物 、煤层气和页岩气 、 页岩气与根缘气 、 根缘气与常规圈闭气等之间 ， 均存 在着机理上的连续变化关系 。 与常规圈闭气藏相比 ， 非常规天然气在成藏条 件 、 主控因素 、 分布规律以及勘探方式等方面均有着 特殊之处 。 就非常规气藏中具有较大工业勘探开发 价值和重要现实意义的煤层气 、页岩气和根缘气来 说 ， 它们的吸附气含量分别对应于 １００％ ～ ８５％ 、 ８５％ ～ ２５％ 和 ２５％ ～ ０ 的范围 ， 这就限定了其中的 天然气表现为以吸附态为主 、吸附与游离共态和以 游离态为主 ， 在机理上分别对应于吸附与脱吸附平 衡 、 吸附与复杂渗流共存 、 活塞式气水推进等成藏方 式 ， 导致其分布规律各有特色 ， 煤 、页岩和致密砂岩 等分别构成了天然气赋存的主体 。 这些天然气没有 发生运移或二次运移距离极短 ， 源内（根状气）及源 缘（根缘气）聚集特点进一步控制天然气的分布 ， 与 常规构造圈闭可以没有直接关系 ， 构造深部位及浅 １ 第 ２６ 卷第 １２ 期 天 然 气 工 业 第六届编委会专辑 部位均可成为有效的勘探领域 。 如果进一步考虑其 他类型气藏 ， 则机理上的序列关系就决定了天然气 的分布 ， 特点（图 １） ， 故机理分类有利于对天然气勘 探实践的促进 。 图 １ 多类型天然气成藏及分布序列图 在美国 ， 天然气成藏机理及分布序列已经得到 了很好的重视（如圣胡安盆地等）和广泛的印证（Ta‐ dashi ，１９９５ ；Schmoker ，２００２） ， 根据地质条件对 比 ， 中国的吐哈 、四川 、鄂尔多斯等盆地均是成藏机 理及分布序列研究的重要对象 。 二 、 主要机理类型非常规天然气 １ ． 根缘气 根缘气即是致密储层中以根状气存在为特点的 天然气聚集 ， 即致密储层与气源岩大面积接触 ， 气水 关系复杂 ， 具有砂岩底部含气特点 。 由于它通常具 有储层致密 、 源储相通 、 储盖一体 、 缺乏底水 、 气水倒 置 、 压力异常以及低部聚气 、规模庞大等地质特点 ， 许多研究者分别进行过研究并从不同角度赋予了它 不同的称谓 （Shirley ，１９９９ ；Law ，２００２ ；Shanley ， ２００４ ； 张金川 ， ２００６）。 早期所发现的“隐蔽”油气藏 ， 如 １９２２ 年在石泉隆起上所发现的天然气 、 绿河盆地 最早在 １９２４ 年发现的腊巴奇气田（Cyrus ， ２００３ ， 成 都交流）、 圣胡安盆地最早在 １９２７ 年发现的布兰科 气田 、 以及丹佛盆地所发现的瓦滕伯格气田等 ， 均属 于根缘气类型 ； 上世纪中叶在美国大量发现并投入 开发的致密砂岩气藏 、Masters（１９７９）使用的深盆 气 、 ２０ 世纪 ７０ ～ ８０ 年代以来较为广泛使用的盆地中 心气藏 、 Schmoker 等（１９９６）提倡的连续气藏以及近 期内部分研究者所指的非常规气等 ， 也都属于根缘 气藏的范畴 。 根据机理讨论 ， 根缘气的成藏是在膨胀力作用 下天然气对地层水的活塞式整体排驱（金之钧等 ， ２００３） ， 其典型的成藏动力条件不服从通常的霍勃 逊 伯格方程 ， 在气源岩与致密储层大面积直接接 触条件下 ， 所生成的天然气破坏了原始地层水的连 续性介质条件 ， 导致浮力作用不再成为天然气运聚 的主要动力 ， 即形成了具有复杂气水关系（致密砂岩 气）、 符合“气水倒置”要求（深盆气）、满足“缺乏边 、 底水”条件（盆地中心气）的“致密砂岩底部含气”（根 缘气）模式 。 实际上 ， 由于完全典型的活塞运聚模式 在致密的储层孔隙中并不能完全满足 ， 总会由于储 层不同程度地非均质性影响而产生气 、水的置换式 排驱 ， 结果导致浮力作用不同程度地发生 ， 即部分存 在浮力作用并形成砂岩高部位聚气的趋势 ， 这就是 实际过程中可能发生并存在的根缘气模式 。 根缘气的埋深取决于气源岩与致密砂岩组合的 埋深 ， 因此它可以出现在埋深很浅的地方 。 如腊巴 奇气田的顶界埋深为 １６５ m ， 牛奶河气田顶界埋深 为 ３００ m ， 石泉隆起气田顶界埋深 ４５０ m 等 。 它同 时也不限制与正向构造之间的关系 ， 美国洛基山地 区存在这样的实例 ， 能够表明根缘气藏可以发育在 正向构造之中 ， 如绿河盆地南部的莫克萨窿背斜 、 大 绿河盆地中的石泉隆起等 。 美国已在其几乎所有的盆地中发现了根缘气／盆 地中心气（Law ，２００２） ， 这对于中国来说无疑是一个 很好的参照 。 我国盆地含气砂岩普遍致密 ， 砂 、 泥 、 煤 频繁互层 ， 在区域上形成了良好的根缘气成藏条件 ， 尤其是在我国中西部地区 ， 根缘气成藏条件更为优 越 ， 各种类型天然气已有大量发现 。 在认可各大中型 盆地（四川 、 鄂尔多斯 、 塔里木 、 准噶尔 、 吐哈盆地等）的 同时 ， 更应关注气源岩发育条件好 、 储层条件致密的 中小型盆地 ， 如沁水 、 焉耆 、 库木库里 、 楚雄等盆地 。 ２ ． 煤层气 煤层气是国内外非常规天然气勘探的热点之 一 ， 上世纪末叶以来 ， 国内外已在煤层气勘探开发领 域取得了重要进展（戴金星 ， １９９９）。 作为世界第二 大煤炭资源国 ， 我国埋深在 ２０００ m 以浅的煤炭资源 总量为 ５ ． ５７ １０ １２ t ， 其中保有储量为 １ ． ０２ １０ １２ t ， 预测储量为 ４ ． ５５ １０ １２ t（钱凯等 ， １９９９）。 这一巨大 的煤炭资源量构成了我国煤层气发展的重要基础 。 根据最近的资源评价（宋岩等 ， ２００５） ， 我国煤层气总 资源量为 ３１ ． ４６ １０ １２ m ３ ， 与陆上常规天然气资源量 接近 。 但与国际上的技术发达国家相比 ， 我国的煤 层气勘探开发程度仍然存在差距 。 据枟２００６ 年中国 煤层气开发利用投资分析报告枠数据 ， 中联煤 ２００５ 年的煤层气年产量为 ２０００ １０ ４ m ３ ， 而这一数字与 美国 ２００４ 年的煤层气年产量（４８１ ． ４ １０ ８ m ３ ）相比 ， ２ 第六届编委会专辑 天 然 气 工 业 ２００６ 年 １２ 月 悬殊较大 。 因此 ， 我国的煤层气仍有广泛的勘探基 础和巨大的发展空间 。 按照分类学定义和描述 ， 煤层气通常被理解为 以吸附状态赋存于煤层中的天然气 ， 对于这部分狭 义概念上的天然气 ， 虽然数量可观但是难动用程度 高 。 实际上 ， 煤层气的高产包含了多种方面的有利 因素 。 结合美国（Ayers ， ２００２）及我国煤层气的对比 研究 ， 勘探生产中的“煤层气”具有更宽泛的理论意 义 。 ① 在岩石类型上 ， 煤层气储层／产层不仅包含了 煤岩本身 ， 而且还应包含与煤岩相邻 、 煤层之间的致 密砂岩 、 粉砂岩 、 泥质粉砂岩以及粉砂质泥岩等 。 ② 在含气特点上 ， 不仅需要考虑吸附聚集气 ， 还要考虑 游离状态气 ， 尤其是地层裂缝中聚集的天然气 。 构 造高点是裂缝易于产生并提高含气丰度的有利区域 部位 。 ③ 在煤层气聚集方面 ， 虽然对构造圈闭和盖 层没有机理上的严格要求 ， 但封盖条件好的构造高 部位仍然是天然气易于大量聚集的有利场所（图 ２） ， 即由于游离相天然气含量的增加 ， 其中的含气丰度 明显高于盖层条件较差的非构造区域 。 ④ 在深度 上 ， 通常以 ２０００ m 作为勘探开发的经济深度下限 ， 但这一标准具有相对变化性 ， 受制于经济技术水平 和市场需求 。 实际上 ， 经济深度以下的煤层气虽然 没有直接的勘探开发经济意义 ， 但却具有作为动态 气源的后备作用 。 在与煤层气相邻且以煤成气作为 气源的地层中 ， 由于砂岩中天然气（流体）的产出导 致了地层压力的降低 ， 煤层气不断脱吸附而补充到 砂岩地层及井筒中 ， 视为煤层气的间接开发 ， 这种情 况在很多盆地中已经成为事实（如圣胡安盆地等）。 图 ２ 有利的煤层气勘探开发地质条件示意图 根据国外煤层气勘探及开发生产情况（Ayers ， ２００２） ， 并不是每一个含煤盆地在目前条件下均具有 工业性大规模开发煤层气的最好地质条件 ， 尤其是 在美国 ， 虽然其含煤盆地较多 ， 但煤层气产量主要集 中在如圣胡安 、 黑勇士等盆地中 。 由此分析 ， 我国的 煤层气勘探开发还存在着巨大的潜力空间 ， 还需要 对有利的盆地进行优选分析和重点勘探 。 ３ ． 页岩气 与煤层气在国内的广泛认知相比 ， 页岩气（Cur‐ tis ， ２００２ ； Mavor ， ２００３）是一个国内研究较薄弱的领 域 ， 一般研究者将其与“泥页岩裂缝油气”等同对待 。 与页岩气相比 ， “泥页岩裂缝油气”通常指的是以游 离相态存在于地层裂缝中的石油或天然气 ， 是一种 以裂缝为存在介质 、 符合浮力作用原理 、 具有常规成 藏意义的天然气聚集 ， 其中的泥页岩可能不是天然 气的源岩 ， 也不考虑天然气的吸附状态 。 页岩气则 是一种机理类型 ， 是主要以吸附和游离状态同时赋 存于暗色泥页岩 、 粉砂质泥岩 、 泥质粉砂岩 、 粉砂岩 、 甚至细砂岩地层中的天然气 。 这些岩性总体致密 、 互层或夹层发育 ， 有利于游离和吸附态天然气的同 时存在 ， 其重要特点是吸附机理的引入和就近（原 地）聚集的机理本质 。 Curtis（２００２）对页岩气进行了 界定和描述 ， 他认为 ， 页岩气在本质上就是连续生成 的生物化学成因气 、 热成因气或两者的混合 ， 它具有 普遍的地层饱含气性 、 隐蔽的聚集机理 、 多种类型的 岩性封闭以及相对很短的运移距离 ， 可以在天然裂 缝和孔隙中以游离方式存在 、在干酪根和黏土颗粒 表面上以吸附状态存在 ， 甚至在干酪根和沥青质中 以溶解状态存在 。 页岩气是美国已投入工业性勘探开发的非常规 类型天然气 ， 而我国的页岩气研究工作几乎还没有 系统展开 ， 目前虽然已经孕育了良好的发展基础 ， 但 仍值得继续重视并在适当时机予以勘探和开发生 产 。 根据目前所了解和掌握的资料分析 ， 中西部地 区盆地是我国页岩气先期研究和勘探的重点 。 在鄂 尔多斯 、 四川 、 吐哈 、 塔里木 、 准噶尔以及柴达木等盆 地中 ， 浅埋的暗色（泥）页岩大面积发育 ， 有机碳含量 高（高碳泥岩中的有机碳含量在 ３０％ 以上） ， 生气条 件有利 ， 是值得尝试的重点 。 尤其是在南方碳酸盐 岩发育地区 ， 古生界大套暗色（泥）页岩呈现区域分 布特点 ， 有机碳含量普遍与美国的页岩水平相当 ， 加 之页岩气（吸附）赋存的抗构造破坏特点 ， 目前是重 要的考虑方面和后备选择 。 同时 ， 由于我国南方页 岩具有相对较高的成熟度 ， 可能会影响页岩中的吸 附气含量 ， 是一个值得考虑的影响因素 。 三 、 非常规天然气基本地质特点 根据成藏机理研究 ， 根缘气 、煤层气 、页岩气等 非常规类型天然气普遍具有如下特点 。 （１）近源控藏 、 自生自储 ３ 第 ２６ 卷第 １２ 期 天 然 气 工 业 第六届编委会专辑 上述非常规机理类型天然气聚集都发生在气源 岩内部或者附近 ， 成藏及运移距离短 ， 具有相对明显 的自生自储特征 。 （２）岩性粒细 、 储层致密 在岩石类型上 ， 多为较细粒的砂质岩类 ， 主体为 细砂岩 、 粉砂岩 、 泥质岩等 ， 还包括泥岩和煤层本身 ， 因此 ， 储层本身的物性条件差 ， 属于低孔 、低渗致密 储层 ， 整体上的孔隙度一般小于 １２％ ， 渗透率小于 １ １０ － ３ μm ２ 。 （３）成藏动力复杂 由于天然气运聚条件特殊 ， 动力条件及影响因 素多变 ， 流体渗流的连续性介质条件不再满足 ， 天然 气成藏动力不再是通常意义上的浮力作用 。 与此对 应 ， 天然气的聚集不受常规圈闭控制 ， 天然气的聚集 也不再从圈闭高点部位开始 。 尽管如此 ， 煤系地层 、 （泥）页岩和致密砂岩中的常规圈闭顶点部位通常仍 然是游离相天然气运移的指向 ， 是有利的聚气部位 。 （４）地层封闭性好 ， 水化学条件反映明显 特殊的成藏背景和天然气保存方式都反映为良 好的地层封闭性 ， 流体运动不畅 、天然气就近聚集 、 气水关系复杂以及特有的高位势成藏等特点 ， 均体 现为地层水矿化度高 、 封闭系数好的有利保存条件 。 （５）隐蔽成藏 由于动力条件变化 ， 常规的成藏方式发生改变 ， 天然气成藏具有明显复杂的隐蔽成藏 、 分布及勘探 、 开发特点 。 作为甜点（Sweet Spot）主要类型的裂缝 发育带 ， 始终是非常规天然气地质研究和分布预测 的主要对象 。 （６）多种类型气藏往往同时发育 ， 并具有渐变过 渡关系 在以煤 、（泥）页岩为气源岩 、 以各种致密储层为 主导介质的地质条件下 ， 多种机理类型天然气同时 存在 ， 并在机理上构成了相互之间的渐变过渡 ， 典型 及非典型的吸附成藏（煤层气 、页岩气）、活塞推进 （页岩气 、 根缘气）、 置换运移（常规圈闭气）以及裂缝 富气（多种类型）等成藏过程均可发生 ， 分别形成不 同类型气藏 ， 它们在平面 、 剖面上构成复杂的类型分 布及彼此过渡关系 。 （７）资源 储量规模大 尽管资源丰度不高 、储量系数小 、采收率低 ， 但 由于分布面积大 、 储集岩体积大 、 地层含气普遍等特 点 ， 非常规天然气的资源 储量基数大 ， 总量可观 ， 是天然气勘探的基础后备 。 同时 ， 较浅的埋深及相 对低廉的工程成本又使其具有很高的工业勘探开发 价值 ， 尤其是在高油（气）价前提下 ， 非常规天然气勘 探开发已经构成了能源的重要来源 。 四 、 勘探建议 基于上述分析和认识 ， 对我国的天然气勘探提 出如下探讨性认识 。 （１）强化非常规天然气意识并加强相关研究 在美国 ， 非常规天然气在经济有效性评价和开 发技术方面已达到了较高水平 ， 构成了能源利用的 主要类型 。 我国含气盆地地质条件多样 ， 多种类型 非常规天然气是重要的后备能源补充 。 （２）加强理论研究并改进勘探方法 ， 提高工艺技 术水平 非常规机理类型天然气不服从正常的地质逻 辑 ， 它们在成藏条件 、保存方式 、主控因素 、分布规 律 、 勘探思路 、 有利方向 、 目标选择以及决策评价 、 勘 探分析等方面均具有自身特殊性 ， 针对性地理论研 究 、 系统认识及勘探开发方式改进是使其达到经济 标准或进一步提高其经济有效性的基础 。 （３）在专业研究的同时加强对外交流 ， 尤其是对 其勘探经验 、 开发历史和生产管理的了解和掌握 就基本地质条件和特点来说 ， 美国的许多天然 气产出盆地与我国的含油气盆地在很多方面具有相 似可比性 ， 包括根缘气在内的各类天然气均可找到 对应的参照对象 。 美国在非常规天然气勘探和开发 方面达到了较高水平 ， 积累了许多值得借鉴的经验 （方法 、 手段 、财税政策等） ， 可作为我国非常规天然 气评价研究和勘探分析的基本参考 。 （４）对于不同机理类型天然气 ， 分别在不同地区 优选盆地进行集中试点 针对不同的盆地特点 ， 刻画研究其中天然气成藏 及分布的个性特点 ， 建立各种机理类型天然气在其中 分布的地质模型 ， 探讨并形成我国多机理类型天然气 勘探开发的试验基地 ， 这将有利于我国常规及非常规 天然气的迅速崛起和蓬勃发展 。 实践证明 ， 美国的圣 胡安盆地已经形成了一个丰产煤层气 、 页岩气 、 根缘 气和常规圈闭气等多种类型气的“小而全”型含气盆 地 ， 而我国的吐哈盆地 、 鄂尔多斯盆地以及四川盆地 等 ， 均有望发现多种类型天然气的同时富集 。 本文所列的 ２０ 个参考文献详见本刊当期电子版对应文 章 ， 在此从略 。 （收稿日期 ２００６‐１１‐０３ 编辑 居维清） ４ 第六届编委会专辑 天 然 气 工 业 ２００６ 年 １２ 月 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载