非常规天然气地质特征和资源评价浅析

摘要：21纪以来，世界经济进入新的发展周期，世界各国都掀起了非常规油气勘探开发的热潮，中国非常规天然气资源丰富，但在勘探开发上急需新技术、新方法的突破。有关非常规天然气资源地质特性的一些错误的信息是抑制勘探非常规天然气资源的重要因素。非常规天然气的勘探应形成配套方法，并针对不同的问题采取相应的措施。创新地质理论，找到优质资源，转变理念，加速非常规天然气资源开发具有重大意义。 关键词：非常规天然气；资源；中国；地质特征；资源评价 中图分类号：TE012 文献标识码：A Remarks on the Geological Properties and Resource Appraisement of Unconventional Gas Resources Yao Zhigang1 Zhao Jingzhou1 Wu Fuli1 Wang Fengqin1 Ding Min1 (1.School of Oil and Gas Resources, Xi’an Shiyou University, Xi’an, 710065,China) Abstract: Since the 21st century, the world economy has entered a new development cycle, and the tide of unconventional hydrocarbon exploration and development has beent heated up aroung the world. China is rich in unconventional hydrocarbon resources, but new exploration and development technology breakthroughs are urgently needed. Some misinfromation related to the geological properties of unconventinal hydrocarbon is an important factor to hinder the exploration of unconventional gas resources. There should be a series of exploration and development manners for different situations. To innovate geological theories to explore high-quality resources and to convert the ideas to speed up the development of unconventional hydrocarbon resources are of great significance. Key words: unconventional gas; resources; China; geological property; resource appraisement. 美国早期对常规与非常规资源的区分主要是基于其经济价值，在20世纪70年代早期大多数地质勘探人员把煤层甲烷、页岩气和致密(低渗透率)气，这样的亚经济或边缘经济型天然气资源视为非常规的资源[1]。然而，随着20世纪70年代末开始的价格刺激和联邦调研基金的启动，这些原本的非常规天然气系统已成为经济上可采的资源，并且一些勘探公司不再将其定为非常规范畴。后来，人们用非常规油气资源指代不能用常规的方法和技术手段进行勘探开发的另一类资源。应该说，除了经济条件外，常规天然气资源有一最基本的重要地质特性，即它分散聚集在构造和/或地层圈闭中；而非常规天然气资源一般不是浮力驱动的聚集，它们是区域性遍布的聚集，通常不依附于构造和地层圈闭。 目前，石油地质上的非常规天然气主要包括页岩气、煤层气、致密砂岩气、天然气水化合物、水溶气、以及浅层生物气等。2008年4月在美国召开的AAPG会议上，非常规油气资源的勘探开发成为人们关注的焦点，页岩油和页岩气的开发展示了非常规油气发展的美好前景。随着非常规天然气资源转变成可利用的能源，修正和扩展长期持有的有关天然气生成、排驱、运移、捕集过程和储层品质的传统观念，对地质勘探人员来说就日益重要了。例如，把储层品质的范围扩展到包括低渗透率的砂岩及半源岩的储层(如，煤和页岩)就可有效地开拓新的地层与地理勘探领域；小盆地可能孕育大油气田。例如，皮申斯盆地控制的面积约为4000km2，其页岩油可采资源量是全球1859年到目前为止所有油气生产总量（1400×108t）的2倍；潜江凹陷以前被认为不会存在大量油气而被遗弃，经重新勘探研究，潜江25井不仅产出了油气，还形成了油喷。国内外开发实践证明，在油价高位运行条件下，只要技术上能取得突破，非常规油气资源的开发极具经济性。 1 非常规天然气地质特征 与常规天然气藏相比，非常规天然气藏在成藏和分布规律等方面有其特殊之处。 （1）广泛分布。非常规气藏具有区域性广泛分布的特点，即可以分布在盆地中心向斜部位，也可分布在近地表（浅层生物气），还可分布在海底（天然气水化合物），且一般不依赖于构造和地层圈闭。从分布时限看，各个时代地层均有发现。 煤层气、页岩气和致密砂岩气可以分布在克拉通盆地及前陆盆地的中心区、边缘斜坡带，以及埋藏适中的向斜带。 水溶气藏成藏的条件在于：地层水相对静止，存在储水层，无构造和物性限制，当以构造成藏时可出现含游离气的气顶，易于被发现，当以非构造成藏时则难于被发现。对于异常高温高压气藏，气水比相对较高，常温常压气藏的气水比则相对较低，仅为前者的1 /6～1 /5。而甲烷气的含量随着地层水矿化度的增加而降低，但随温度、压力的变化呈现无规则变化。 天然气水合物主要储集在气水充足、低温高压且具有一定孔隙空间的有利场所。海洋是其形成的最佳场所，即可以出现在被动大陆边缘的陆坡和陆隆或三角洲前缘的增生体中，也可以是活动大陆边缘的复合圈闭中。陆地上主要是高纬度永久冻土区。早期研究认为，其主要存在于冰点温以下的地区，最新研究显示，在冰点温度以上的永冻层也存在天然气水合物，如中国青藏高原地带[2]。 （2）储集类型以自生自储式为主。非常规天然气的聚集都发生在气源岩内部（煤层气、页岩气）或者附近（致密砂岩气、天然气水合物、浅层生物气），成藏及运移距离短，一般运移到周边地层或上覆地层中，具有相对明显的自生自储特征。 煤层气来源于煤层，页岩气来源于富含有机质或沥青质的暗色、黑色泥页岩、极致密的粉细砂岩或砂质细粒岩。他们的烃源岩既是储层，又是盖层，且运移距离很短。其赋存状态主要有两种：吸附态、微裂缝和裂缝中游离态。煤层气储层具有含气非均质性强、渗透率低、储层压力低、含气饱和度低等特点。致密砂岩气主要来源于就近的泥岩、页岩或煤层。我国的致密砂岩气多以深盆气形式出现，以气水关系倒置为特征。 页岩气和致密砂岩气的典型特征是近源、扩散聚集、气饱和低、异常压力低、缺乏底水、低渗透储层，天然气通常以游离态形式存在。 天然气水合物的来源主要是早期生物成因或热成因天然气，形成和存在取决于地层温度、地层孔隙压力、气体化学、孔隙水矿化度、气和水的有效性、运移通道以及储层和盖层，其中，以地层温度和压力最为重要。此外，盐的加入会降低天然气水合物的形成温度[3]。 （3）储层致密。非常规天然气储层多为较细粒的砂质岩类，主体为细砂岩、粉砂岩、泥质岩等。致密碳酸盐岩，还包括泥岩和煤层也能成为很好的储层。因此，其储层本身的物性条件差，多属于低孔隙度、低渗透性的裂缝型储层[4]。 页岩气主要储集在页岩孔隙和裂缝之中，在大量生、排烃期，气体可以使泥（页）岩产生微裂缝，生成的天然气以游离、裂缝表面吸附及孔隙表面吸附等方式赋存，裂缝-微裂缝发育带是气藏形成的有利区域。由于其储层致密，储层气流的阻力比常规天然气大许多，所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。另一方面，页岩气采收率比常规天然气低。常规天然气采收率在60%以上，而页岩气采收率仅在5%~60%之间。 致密砂岩气可以聚集在单个几米厚的砂体中，也可聚集在垂向叠置的较厚的砂体中。其储集空间主要为致密砂岩中的孔隙和裂缝。 （4）盖层特征。非常规天然气藏的上覆岩层不似常规油气系统那样起着重要的作用，多为自身封盖，无特定圈闭。早期形成的圈闭以及盖层并不重要，一是因为其较薄，二是因为源岩并不需要成熟[5]。 （5）气体的生成和聚集时间几乎是同时的。通常存在异常压力（超压或欠压或两者共存）。 （6）扩散运移。常规天然气藏一般是以浮力作为运移动力的，以构造和地层形式单个分布；而非常规天然气藏一般不是以浮力作为运移动力而是以扩散方式运移、聚集的，这种气藏具有区域性广泛分布的特点，且一般不依赖于构造和地层圈闭[6]。 （6）含水性。一般可动水含量较少，不过裂缝的存在可以产生大量的水。高含量的可动水不利于油气聚集成藏 2 “连续型”油气藏 1995年美国地质调查局针对某些非常规油气藏的资源评价不能用常规油气藏的方法进行评价的问题，在油气资源评价中引入了“连续型”油气藏的概念[7]。“连续型”油气藏是指浮力对油气运聚不起主要作用的大面积含油气区域。它的两个关键地质特征是：大规模储层普遍含气，浮力不是成藏主要动力[8]。2005年美国地质调查局进上步提出：深盆气、页岩气、致密砂岩气、煤层气、浅层砂岩生物气和天然气水合物等6种天然气统称为“连续型”气[9]，这一提法几乎涵盖了非常规天然气的所在范围。“连续型”油气藏评价一般包括以下几个概念。 （1）评价时限。评价时限是指“连续型”油气藏资源评价中可做出有效预测的时间长度。美国地质调查局进行“连续型”油气藏评价采用30年评价时限。 （2）评价对象。国外把“连续型”油气藏评价对象定为潜在可增储量，指预测时限内经济技术上具有可采价值的“连续型”油气藏资源量。 （3）评价单元。要进行“连续型”油气藏评价，需要对“连续型”油气藏进行评价单元划分。单元可分为3个类型：已被钻井证实的单元，未被钻井证实的单元和未被钻井证实但有潜在可增储量的单元。 （4）评价模型。美国地质调查局在进行“连续型”油气藏的评价时提出了使用－FORSPAN评价模型[10-12]。 3 我国非常规天然气富集类型及资源特点 中国非常规油气资源丰富，煤层气、油砂、油页岩、致密砂岩气和页岩气是目前最为现实的非常规油气资源。 3.1页岩气 目前我国页岩气资源调查与勘探开发还处于探索起步阶段，至今尚未对其潜力进行全面估算，页岩气资源有利目标区有待进一步落实，勘探开发还处于“空白”状态。张金川等人总结了我国页岩气的富集特点[13]，认为中国含气页岩具有高有机质丰度、高有机质热演化程度及高后期改造程度等“三高”特点，页岩气具有海陆相共存、沉积分区控制以及分布多样复杂等特点。以间接型和直接型页岩气划分方法为基础并结合中国区域地质特点,将中国的页岩气富集模式划分为南方型、北方型及西北型等3种,分别具有以下特点:①以扬子地台为核心的南方型页岩气聚集条件有利并以改造较为严重的海相古生界海相页岩聚气为主，具有单层厚度大、发育层位多、分布面积广、热演化程度高、后期改造强等特点；②以华北地台为主体的北方型页岩气具有古—中—新生界页岩发育齐全、沉积迁移特征明显、薄互层变化频率高、沉积相带分隔明显等特点；③以塔里木地台为基础的西北型页岩气储层以中—古生界为主,沉积类型多、有机碳丰度高、有机质热演化程度相对较低。 根据地质背景，刘成林等人将我国的页岩气发育区大致划分为四大区域，即南方、中东部（华北—东北）、西北及青藏等四大地区[14]。 中国南方包括了三江造山带及其龙门山推覆带—秦岭大别造山带以南、闽粤以西北的广大地区。南方总面积有220×104km2，中—古生界海相地层分布面积达90×104km2。中—古生界海相地层有利于页岩气的发育，因此中国南方也具有页岩气的勘探开发潜力。但是，目前中国南方页岩气勘探程度还很低，井浅数量少。仅仅在四川盆地的部分地区发现有一定规模的气田，其他地区的勘探基本还是空白。同时，中国南方页岩普遍为有机质含量高的黑色页岩，具有埋深浅、面积大、层厚等特点，最大厚度超过1400m。在华北—东北地区，页岩气更可能发生在主力产油气层位的底部或下部，区域上的古生界、鄂尔多斯盆地的中—古生界、松辽盆地的中生界、渤海湾盆地埋藏较浅的古近系等。泥页岩累计厚度在50～2000m之间，平均有机碳含量为1.0%～2.0%，局部平均值可达4.0%以上，对应有机质成熟度变化较大。在西北部地区，页岩气大部分分布在中生界（侏罗系及三叠系等）和盆地边缘埋深较浅的古生界泥页岩中。西北地区页岩有机碳含量平均值普遍较高，成熟度变化范围也较大。而青藏地区的地表环境虽然较差，但中—古生界泥页岩地层厚度大，有机质含量高，有机质热演化程度适中，也是页岩气发育的有前景地区。东部地区的新生界也是一个不可忽视的重要领域。 3.2 煤层气 我国煤层气资源量为36.8×1012m3，主要分布在鄂尔多斯、沁水、准噶尔、滇东黔西、二连、吐哈、塔里木、天山、海拉尔等9个含气盆地群[4]。中国虽然拥有丰富的煤层气资源，但起步较晚，截止2007年底煤层气产量为3.3×108m3，占所有气产量的0.04 %。 自20世纪80年代以来，中国就开始了煤层气的勘探研究。1994年，在鄂尔多斯盆地东缘的河东地区7口试验井全部出气，单井平均日产量3000 m3，个别井位日产量达7050 m3；1998年，沁水盆地屯留7井钻探成功，日产气16300 m3；冀中坳陷大城地区，煤层气厚度大，分布广，最大埋深可达4000米，据预测该区煤层气资源量可达3000亿m3。中国第一个大型煤层气田—沁水煤层气田，于1994年开始进行目标优选，1996年7月20日晋试1井开始钻探，1997年8月5日获得工业气流。发现一个中煤阶含气区—大宁含气区，位于鄂尔多斯盆地东部晋西挠摺带，煤层气最丰富区处于局部西倾的断裂鼻状构造倾末端。经过几年勘探，发现一批低煤阶有利勘探目标。东北抚顺煤田处于喜马拉雅运动发育起来的一个新生界断陷小盆地，煤层位于向斜中，为低煤阶长焰煤和气煤，初步预测煤层气远景资源量约90亿m3，年煤矿瓦斯抽放量为1.29亿m3，占全国14%。 当前煤层气的勘探重点是，深入搞好有利勘探目标评价研究，深化煤层气成藏条件和高产富集规律研究；努力降低勘探成本。 3.3 致密砂岩气。 我国致密砂岩气多以深盆气形式出现，据粗略估计[15]，中国深盆气资源量将超过100×1012m3(资源量与常规天然气有部分重合)，主要分布于鄂尔多斯上古生界、四川盆地、准噶尔盆地和吐哈盆地侏罗系以及东部含油气盆地的深层，依据当前的勘探和开发技术，我国深盆气现实可采资源量超过（11.54～13.81）×1012m3。 3.4 天然气水合物 中国在这一领域研究和起步比较晚，大约落后西方约30年。20世纪80~90年代，地质矿产部、中国科学院、教育部等有关单位的科学家较系统地翻译和收集了国外有关水合物的调查和科研成果，为我国海域开展水合物调查做了资料和技术准备。 根据国土资源部中国地质调查局的统一部署，广州海洋地质调查局于1999~2001年，率先在我国南海北部陆坡的西沙海槽区开展了高分辨率多道地震调查。尔后，于2002年正式启动了“我国海域天然气水合物资源调查与评价”国家专利。近几年分别在南海北部陆坡的西沙海槽、东沙海域、神弧暗沙附近和琼东南海域，进一步开展水合物调查，共完成7个航次。近期中德联合水合物科考，取得了重要进展。发现在东沙海域存在由于水合物气体“冷泉”喷溢形成的面积约430km2的碳酸盐结壳，以及与甲烷“冷泉”相应的双壳类生物、管状蠕虫和菌席等，根据同位素测年数据，其形成时间约在距今4.67万年前。 张洪涛等对中国海域和陆上冻土区天然气水合物的资源潜力进行了初步评价[2]，结果显示中国天然气水合物的资源量接近于中国常规石油的资源量（约127×1012m3），具有良好的资源远景。但同时也指出中国目前正处于资源调查阶段的早期，资源分布情况不甚清楚，所估算出的资源量也仅仅是理论资源量（冻土区），推测资源量（东海）或潜在资源量（南海）。与国外一些著名水合物产地相比差距甚大，离开发利用还有不少距离。相信随着中国有关部门的大力重视，中国天然气水合物的调查研究将会得到进一步加强和重视，调查研究进程将会进一步加快，并在不久的将来过渡到试生产阶段和商业性生产阶段。 4 存在的问题 非常规天然气资源勘探主要有以下几个问题： （1）是资源的勘探程度较低，需要加大资源评价力度。页岩气预测资源量较多，但可供开采的探明储量少。在开采中存在采富弃贫、大矿小开、一矿多开现象，与煤共伴生油页岩丢弃严重，低品位资源利用程度低。 （2）基础勘探理论与技术研究有待深入。非常规气藏成藏条件具有复杂性和特殊性，不同类型资源各具特点，目前还没有形成系统的认识，需要创新的地质理论。如非常规天然气成藏机理，煤吸附规律及其机理认识、高产富集规律等的研究还很薄弱。 （3）是非常规油气资源投入大，周期长，经济效益短期内难以体现，需要国家层面上的统筹规划和政策面上的大力扶持。 5 结论 非常规气资源资源量丰富，勘探潜力巨大，目前作为常规油气资源的替代品被各国开始密切关注。非常规油气藏成藏条件复杂，储层致密，非均质性强，不同类型资源各具特点。针对不同非常规油气的成藏(矿)特点及储层特征，研究不同的富集成藏(矿)主控因素，通过科学合理的储层评价技术，优选出高产富集有利区。尤其是渗透区域评价理论及技术、高产富集主控因素研究和不同地质条件下优质储层评价技术方面需要进行深入研究。综上不难看出，不管采用何种方式，都需要创新理论和技术，这是加快非常规资源开发和利用的基础，也是亟待解决的问题。随着经济和科技的发展，基础理论和工程技术研究力度的提高，非常规气资源的成功勘探和开发，对于缓解常规油气资源的不足，促进我国能源资源的发展，具有重要的意义。 参 考 文 献 [1] George W. 非常规油气系统的应用与研究[J]. 海洋地质动态，2003，19（5）：27-28. 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