2016, Vol. 38
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2. 辽宁工程技术大学矿业学院, 辽宁 阜新 123000;
3. 西南石油大学地球科学与技术学院, 四川 成都 610500;
4. 东北煤田地质局107勘探队, 辽宁 阜新 123000
2. College of Mining Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China;
3. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroluem University, Chengdu, Sichuan 610500, China;
4. 107 Exploration Team, Northeast China Coalfield Geology Bureau, Fuxin, Liaoning 123000, China
中国丰富的页岩气资源储量主要分布在典型的含油气盆地，包括川东南、渝东南、黔北、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、准噶尔和渤海湾等，可以开采的储量约为26.0$\times 10^{12}$m3，有丰富的资源和良好的开发潜力。然而，中国对页岩气的开发有别于其他国家：勘探程度较低、地形复杂[1-3]、不同地区的差异较大、种类也比较多。目前尚未能形成大规模的商业化生产，处于初期的勘探开发探索阶段。
19世纪30年代，美国开始对页岩气进行研究和勘探，并于1821年在阿帕拉契亚盆地成功钻探第一口页岩气井[4]。近年来，美国页岩气勘探开发技术飞速发展，可采资源量可达28.3$\times 10^{12}$m3。2005年以来，中国借鉴北美经验，开始了中国页岩气地质条件评价与勘探开发先导性试验[5-6]，至今，已取得很多成果。在资源评价方面，国外主要采用体积法、模型法、评价单元法、物质平衡法等，而中国所采用的方法有分类比法、体积法、成因法及特尔菲法等，且都处于摸索改进阶段。
本文借鉴国内外非常规天然气的勘探开发以及评价成果，对刘家页岩的特征参数进行分析，并进行资源潜力评价。
1 阜新盆地区域地质概况阜新盆地形成时期是新华夏系早白垩世，三维地震和钻井所得数据显示，阜新盆地为一北东向断陷盆地而且伴随着一系列NE、NNE向断裂活动，基底为前震旦系、震旦系，先后沉积了前震旦系，震旦系，白垩系义县组、九佛堂组、沙海组(研究层)、阜新组、孙家湾组，第四系[7]。
2 刘家区页岩分布特征及参数测试 2.1 页岩分布特征研究区地处阜新刘家沙海组中的第四段地层。主要分布有黑色页岩、泥岩。钻井取芯位置为阜新市韩家店镇西瓦房村，见图 1，研究区位置长13 km，宽约5 km。页岩厚度500~600 m，埋深1 000~1 600 m。
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| 图1 页岩气井位置图 Fig. 1 Shale gas well locations |
有机碳含量是一项重要参数，主要评价页岩的生烃潜力及吸附能力。取样品50~100 g，测试仪器为CS230HC碳硫仪。通过实验数据可以得到，该区页岩有机碳含量为2.04%~2.23%，平均值2.14%。
根据数据，结合国内外学者给出的页岩气参数评价标准[8-9]，形成页岩气的有机碳含量的下限为2.00%。因此，阜新刘家区页岩有机碳含量较好，满足大规模生气的条件。
2.2.2 热演化程度热成熟度($R_{\textrm{o}}$)用来评价烃源岩的生烃能力，可以反映有机质是否已经进入热成熟生气阶段(生气窗)，是否容易产生可开采页岩气成藏[10]。采用显微光度计(MPV-SP型)分析热成熟度。阜新盆地刘家区页岩的热成熟度分析实验显示，该区含气页岩层热成熟度为0.624%~0.638%，平均值0.634%，见表 1。
| 表1 黑色泥岩$R_{\textrm{o}}$测试结果 Table 1 $R_{\textrm{o}}$ of black mudstone test results |
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根据美国绝大部分开采成功的页岩气井数据可知，$R_{\textrm{o}}$应不低于1.100%[11]。但是页岩的热演化程度与生烃能力间的关系应结合有机质类型和生烃演化过程这两个因素来共同考虑。刘家区页岩$R_{\textrm{o}}$不是很高，但根据该区对煤层气勘探开发所得资料，说明该地区具备页岩气生气条件。
2.2.3 孔隙度页岩气是以吸附状态赋存在页岩的孔隙内表面上，孔隙内表面的大小决定着页岩吸附页岩气能力的大小。孔隙度是孔隙发育程度的衡量指标，由表 2可知，页岩孔隙度在2.835%~4.100%，平均值3.468%。
| 表2 孔隙度测定 Table 2 Determination of porosity |
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加拿大以孔隙度2.000%~8.000%的页岩作为核心勘探开发区[9]，按该标准，刘家页岩气孔隙度测试结果符合页岩气勘探开发的孔隙度区间。
2.2.4 脆性矿物含量测试使用仪器：D8 Advance X射线衍射仪。取样品50~100 g进行实验，研究区页岩的矿物成分见图 2。表 3显示测试的样品矿物含量都不一样。总体而言，石英含量最高，为34.99%~41.01%，平均达37.21%；其次为黏土矿物，为14.11%~18.93%，平均为16.09%。
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| 图2 X射线衍射分析图谱 Fig. 2 X-ray diffraction fourier pattern analysis |
| 表3 矿物含量定量分析 Table 3 Quantitative analysis of mineral content |
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迄今为止，在页岩气成功开采的实例中，脆性矿物的含量都达到了25.00%。而脆性矿物的最主要成分为石英，并且直接影响着页岩的脆性及裂缝发育。因此，根据实验结果，刘家区页岩具备通过压裂进而改造储层的条件。
2.2.5 孔隙特征样品测试仪器为Quanta 250扫描电镜。根据孔隙的发育位置、成因的不同，归类进行描述。
(1) 有机质纳米孔
通过扫描电镜观测，刘家页岩有机质中发现大量的纳米孔，见图 3。在页岩有机质成藏和热演化阶段会发育众多微小孔隙或裂缝，形成缝网系统，页岩渗透性大大增加。
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| 图3 纳米级孔隙 Fig. 3 Nanoscale pore |
(2) 黏土矿物粒间孔
通过扫描电镜观测，在黏土矿物中存在很多的孔隙，称为粒间孔。以50~800 nm的孔径集中分布，并有石英充填其中，见图 4。黏土矿物粒间孔隙为线性展布，这种方式可以沟通有机质孔和矿物质孔，诱导微裂缝的形成。
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| 图4 粒间孔隙 Fig. 4 Intergranular pore |
(3) 岩石骨架矿物孔
刘家页岩的骨架孔主要包括晶体之间的间隙及晶体内形成的孔隙、纳米孔等，见图 5。
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| 图5 骨架矿物孔 Fig. 5 Framework mineral hole |
(4) 古生物化石孔
通过扫描电镜观测，此种孔隙由各种类型化石形成(图 6)。化石长度12~800 $\mu$m，保存较好。这些孔是由化石的骨架和腔体内部支撑所发育的，形状各异。其优点为导通性好，缺点为较少见。
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| 图6 古生物化石孔 Fig. 6 The fossil record |
(5) 微裂缝
通过扫描电镜观测，页岩中微裂缝的形成方式多种多样。在有机质颗粒、骨架矿物及黏土矿物中都有体现，见图 7。微裂缝可以导通微观孔隙和宏观裂缝，进而增强渗流能力和储层渗透性。
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| 图7 微裂缝 Fig. 7 Micro-seam hole |
通过对刘家区页岩成藏条件、厚度及重要特征参数的分析，结合国内外对页岩气勘探开发有利区各个评价参数范围的研究结果，初步判定阜新刘家区页岩气具有很好的生气、储存、运移、压裂开采条件。
3 刘家页岩气资源评价 3.1 页岩气资源量计算在国外，定量评价页岩气方法可分为两大类：静态法，包括体积法、模型法等；动态法，包括评价单元法、物质平衡法等。而中国所采用的方法有分类比法、体积法、成因法及特尔菲法等，且处于探索阶段[11-17]。由于刘家区页岩气勘探开发程度较低，故采用资源丰度类比法进行计算[18]。
通过选取不同的参数对区域中的资源量进行计算与评估，主要包括埋藏厚度、深度、孔隙度以及矿物的脆性等。最终可以确定出阜新刘家海组中的页岩气的资源储量大约为(72.80~89.05)$\times 10^8$m3，如表 4所示，对比东煤地质局的普查与调研，基本可以保证资源储量的一致。
| 表4 页岩气资源丰度表 Table 4 Shale gas resource abundance |
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总结刘家区页岩特征、资源量等数据，参照页岩气选区参考标准表[10]，见表 5。通过3个级别的划分与分析，{\hfill}可以得出阜新刘家区域的页岩气为可以开发的有利区。
| 表5 页岩气区参考优选标准 Table 5 Shale gas area reference selection criteria |
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(1) 刘家区沙海组页岩厚度为500~600 m，有机碳含量为2.14%，成熟度为0.634%，孔隙发育良好，为页岩气的储存和运移提供了良好基础；阜新刘家区的页岩气符合开采的条件，如生气、存储、运移等。
(2) 利用丰度类比法对刘家区页岩资源进行估算，得出丰度值(1.12~1.37)$\times 10^8$m3/km2，进而得出资源量为(72.80~89.05)$\times 10^8$m3，评价结果分布范围合理，区间跨度适中，与已有数据基本保持一致。
(3) 根据刘家区域页岩气特征及资源储量的相关参数，通过远景发展、是否利于开采以及目标的实现3个区别的划分，得出此区域为开采有利区。
| [1] |
梁冰, 代媛媛, 陈天宇, 等. 复杂地质条件页岩气勘探开发区块灰关联度优选[J].
煤炭学报, 2014, 39 (3) : 524 –530.
LIANG Bing, DAI Yuanyuan, CHEN Tianyu, et al. Grey correlation optimization for shale gas exploration and development areas of complicated geological parameter features[J]. Journal of China Coal Society, 2014, 39 (3) : 524 –530. |
| [2] |
张惠, 孟祥振. 鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7油页岩特征与页岩气资源潜力研究[J].
地下水, 2013, 35 (2) : 93 –96.
ZHANG Hui, MENG Xiangzhen. Distribution characteristics of the Triassic Yanchang Formation Chang 7 Member oil shale and resource potential of shale gas, Ordos Basin[J]. Ground Water, 2013, 35 (2) : 93 –96. |
| [3] |
梁冰, 代媛媛, 陈天宇, 等. 基于区间数地质参数的页岩气勘探开发区块优选[J].
天然气工业, 2013, 33 (12) : 54 –59.
LIANG Bing, DAI Yuanyuan, CHEN Tianyu, et al. Application of a grey target decision model based on interval numbers of geological parameters to optimize shale gas exploration and development target zones[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33 (12) : 54 –59. |
| [4] |
董大忠, 邹才能, 杨桦, 等. 中国页岩气勘探开发进展与发展前景[J].
石油学报, 2012, 33 (S1) : 107 –114.
DONG Dazhong, ZOU Caineng, YANG Hua, et al. Progress and prospects of shale gas exploration and development in China[J]. Acta Petrolei Sinica, 2012, 33 (S1) : 107 –114. |
| [5] |
邹才能, 董大忠, 王社教, 等. 中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].
石油勘探与开发, 2010, 37 (6) : 641 –653.
ZOU Caineng, DONG Dazhong, WANG Shejiao, et al. Geological characteristics, formation mechanism and resource potential of shale gas in China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2010, 37 (6) : 641 –653. DOI:10.1016/S1876-3804(11)60001-3 |
| [6] |
董大忠, 邹才能, 李建忠, 等. 页岩气资源潜力与勘探开发前景[J].
地质通报, 2011, 30 (2) : 324 –336.
DONG Dazhong, ZOU Caineng, LI Jianzhong, et al. Resource potential,exploration and development prospect of shale gas in the whole world[J]. Geological Bulletin of China, 2011, 30 (2) : 324 –336. |
| [7] |
王金龙. 辽宁省阜新市刘家区页岩气资源勘查开发浅析[J].
中国新技术新产品, 2013 (20) : 43 –44.
WANG Jinlong. The analyses of the city of Fuxin, Liaoning province Liu Section with the development of shale gas resource[J]. China New Technologies and Products, 2013 (20) : 43 –44. |
| [8] | BURNAMAN M D, XIA W W, SHELTON J. Shale gas play screening and evaluation criteria[J]. China Petroleum Exploration, 2009, 14 (3) : 51 –64. |
| [9] |
李延钧, 刘欢, 刘家霞, 等. 页岩气地质选区及资源潜力评价方法[J].
西南石油大学学报(自然科学版), 2011, 33 (2) : 28 –34.
LI Yanjun, LIU Huan, LIU Jiaxia, et al. Geological regional selection and an evaluation method of resource potential of shale gas[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 2011, 33 (2) : 28 –34. |
| [10] | 《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会. 中国页岩气地质研究进展[M]. 北京: 石油工业出版社, 2011 . |
| [11] | CURTIS J B. Fracterd shale-gas system[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86 (11) : 1921 –1938. |
| [12] |
张金川, 林腊梅, 李玉喜, 等. 页岩气资源评价方法与技术:概率体积法[J].
地学前缘, 2012, 19 (2) : 184 –191.
ZHANG Jinchuan, LIN Lamei, LI Yuxi, et al. The method of shale gas assessment:Probability volume method[J]. Earth Science Frontiers, 2012, 19 (2) : 184 –191. |
| [13] | KUUSKRAA V A. The unconventional gas resources base[J]. OGJ Unconventional Gas Article, 2007 (24) : 1 –14. |
| [14] |
董大忠, 程克明, 王世谦, 等. 页岩气资源评价方法及其在四川盆地的应用[J].
天然气工业, 2009, 29 (5) : 33 –39.
DONG Dazhong, CHENG Keming, WANG Shiqian, et al. An evaluation method of shale gas resource and its application in the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29 (5) : 33 –39. |
| [15] |
朱华, 姜文利, 边瑞康, 等. 页岩气资源评价方法体系及其应用——以川西坳陷为例[J].
天然气工业, 2009, 29 (12) : 130 –134.
ZHU Hua, JIANG Wenli, BIAN Ruikang, et al. Shale gas assessment methodology and its application:A case study of the western Sichuan Depression[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29 (12) : 130 –134. |
| [16] |
张金川, 姜生玲, 唐玄, 等. 我国页岩气富集类型及资源特点[J].
天然气工业, 2009, 29 (12) : 109 –114.
ZHANG Jinchuan, JIANG Shengling, TANG Xuan, et al. Accumulation types and resources characteristics of shale gas in China[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29 (12) : 109 –114. |
| [17] |
韩双彪, 张金川, 邢雅文, 等. 渝东南下志留统龙马溪组页岩气聚集条件与资源潜力[J].
煤炭学报, 2013, 38 (S1) : 168 –173.
HAN Shuangbiao, ZHANG Jinchuan, XING Yawen, et al. Shale gas accumulation conditions and resource potential of the Lower Silurian Longmaxi Formation in southeast Chongqing[J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38 (S1) : 168 –173. |
| [18] |
邱振, 邹才能, 李建忠, 等. 非常规油气资源评价进展与未来展望[J].
天然气地球科学, 2013, 24 (2) : 238 –246.
QIU Zhen, ZOU Caineng, LI Jianzhong, et al. Unconventional petroleum resources assessment:Progress and future prospects[J]. Natural Gas Geoscience, 2013, 24 (2) : 238 –246. |