涪陵頁巖氣田發(fā)現(xiàn)的前世與未來

　　世界上頁巖氣資源的研究與勘探開發(fā)都始于美國，目前商業(yè)性開發(fā)也主要集中在美國和加拿大。2014年美國頁巖氣年產(chǎn)量為3637億m3，大大超過了我國常規(guī)天然氣的年產(chǎn)量。

　　我國最早關(guān)注頁巖氣的文章，據(jù)筆者所查文獻資料是1982年《石油實驗地質(zhì)》第二期上，張義綱發(fā)表的《多種天然氣資源的勘探》一文。文中提到“頁巖氣賦存在有機質(zhì)十分豐富（含量達4％以上）的暗色頁巖中。

　　這種頁巖的特點是層理發(fā)育，為富含有機質(zhì)和富含礦物質(zhì)的黏土互層，形成數(shù)毫米厚的紋層。所含的氣體，一部分是生物氣，一部分是熱成氣，或由二者混合而成。它們保存在微小的粒間孔隙中或吸附在有機質(zhì)和黏土礦物上”。該文還介紹了美國三個泥盆系頁巖氣的勘探和開發(fā)情況，同時提出“在我國以往的勘探中，類似的頁巖屢見不鮮，今后應(yīng)加強研究和勘探”。

　　此后，也有少量文章提到頁巖氣，但論述較少，直到2003年，張金川等對“頁巖氣及其成藏機理”進行了簡要介紹，陳建渝等對“美國5個主要產(chǎn)氣的頁巖層密執(zhí)安盆地的中－上泥盆統(tǒng)Ａｎｔｒｉm頁巖、阿巴拉契亞盆地的Ｏｈｉｏ頁巖、依利諾依斯盆地的ＮｅｗＡｌｂａｎｙ頁巖、ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地的Ｂａｒｎｅｔｔ頁巖和圣胡安盆地的Ｌｅｗｉｓ頁巖”進行了對比介紹。

　　2007年，中國石油和美國新田公司簽署了《威遠地區(qū)頁巖氣聯(lián)合研究》協(xié)議，利用中石油西南油氣田公司蜀南氣礦在威遠構(gòu)造上鉆探的老井資料，對威遠構(gòu)造下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖、下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖能否形成頁巖氣藏進行了研究，這應(yīng)該是中國頁巖氣發(fā)展史上一個重要事件。中國南方具有寒武系筇竹寺組、志留系龍馬溪組兩套分布面積大、厚度大、有機質(zhì)豐富的海相頁巖層系，前人在烴源巖與頁巖氣評價方面做過大量研究，認(rèn)為其是頁巖氣勘探最有利的兩套地層。

　　2009年在四川盆地威遠構(gòu)造鉆探了我國第一口頁巖氣井———威201井，2010年經(jīng)加砂壓裂后測試獲得頁巖氣每日產(chǎn)出為1.08萬m3，證實中國存在頁巖氣。2012年5月，位于四川盆地之外湘鄂西隔槽式褶皺帶桑柘坪向斜的彭頁ＨＦ－1井，經(jīng)12段大型水力壓裂獲得2.5萬m3/d工業(yè)氣流，在盆地外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，實現(xiàn)頁巖氣勘探突破；同年12月位于四川盆地川東隔檔式褶皺帶焦石壩構(gòu)造的ＪＹ1－ＨＦ井在上奧陶統(tǒng)五峰組－下志留統(tǒng)龍馬溪組試獲20.3萬m3/d高產(chǎn)頁巖氣，發(fā)現(xiàn)了涪陵頁巖氣田，2015年探明含氣面積383.5km2，提交頁巖氣探明地質(zhì)儲量3806億m3。涪陵頁巖氣田2013年投入商業(yè)開發(fā)以來，至今已鉆探開發(fā)井200口，2015年完成50億m3產(chǎn)能建設(shè)，年產(chǎn)頁巖氣35億m3。

　　因此，中國的頁巖氣發(fā)展已經(jīng)歷從評價選區(qū)到商業(yè)開發(fā)的所有過程，在四川盆地涪陵、長寧、威遠等地區(qū)取得商業(yè)發(fā)現(xiàn)，并開始產(chǎn)能建設(shè)，但與美國頁巖氣革命帶來的成功相比，中國的頁巖氣勘探開發(fā)之路依然漫長，總結(jié)涪陵頁巖氣田勘探發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗及其對中國頁巖氣未來發(fā)展前景的啟示，很有必要。

　　1區(qū)域地質(zhì)背景

　　1.1構(gòu)造特征

　　涪陵頁巖氣田位于四川盆地川東褶皺帶，萬縣復(fù)向斜的南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交匯區(qū)焦石壩構(gòu)造，焦石壩構(gòu)造為一斷背斜，四周都為斷裂圍限，主體構(gòu)造平緩，埋深東北高、西南低，五峰組底部埋藏深度從2250m到5200m。

　　北東方向以大耳山斷層及伴生的侏羅系斷凹與方斗山背斜、齊岳山斷裂（盆地邊界斷層）分割；南東方向以石門等北東向斷裂、三疊系斷凹與齊岳山斷裂相分隔；西南、西北分別以斷層與盆地內(nèi)侏羅系向斜接觸。焦石壩及鄰區(qū)發(fā)育逆斷層多達69條，北東向斷層最為發(fā)育，其次為北北西－南南東和近南北向兩組。

　　焦石壩斷背斜北西、南東兩翼斷距＞50m的斷層有23條，均錯斷了寒武系—三疊系；斷距＜50m的其他斷層與上述斷層伴生，走向各異，僅斷開奧陶系頂部—志留系下部地層。焦石壩構(gòu)造主體地表出露地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，石炭系只保留黃龍組，缺失泥盆系，其他海相地層保存齊全。

　　焦石壩構(gòu)造作為四川盆地一部分經(jīng)歷了早古生代克拉通坳陷、晚古生代克拉通裂陷、中新生代前陸坳陷幾個演化階段。加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜山運動等的多期疊加改造形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局，燕山以來的構(gòu)造運動對油氣藏的形成、保存、破壞影響最大。

　　1.2沉積特征

　　1.2.1沉積環(huán)境與優(yōu)質(zhì)頁巖展布

　　在加里東晚期，受華夏板塊與揚子板塊碰撞和擠壓作用的影響，整個揚子盆地構(gòu)造性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。晚奧陶世五峰期至早中志留世龍馬溪期，康滇古陸、黔中古隆起與川中古隆起較前期擴大，四川盆地及鄰區(qū)表現(xiàn)為受上述古隆起和雪峰古隆起等圍限、向北東開口的淺海深水沉積的古地理格局。

　　奧陶紀(jì)末和志留紀(jì)初，發(fā)生了兩次全球性海侵，形成了五峰－龍馬溪組頁巖，沉積了較為豐富的生物種類，其中，尤以筆石類最為繁盛，且順層富集成層；在龍馬溪組底部深水陸棚相筆石頁巖中局部見較多硅質(zhì)放射蟲化石，隨著水體的變淺，其含量具有自下而上逐漸減少的趨勢。龍馬溪組上部主要為一套淺水陸棚相淺灰色、灰色泥巖，中部發(fā)育一套盆地邊緣上斜坡相的灰色－深灰色泥質(zhì)粉砂巖、灰色粉砂巖，下部為一套深水陸棚相深灰色－黑色碳質(zhì)泥頁巖。鉆探證實，四川盆地及其毗鄰的渝東、鄂西地區(qū)，五峰組－龍馬溪組早期為深水陸棚沉積。

　　發(fā)育大面積頁巖，尤其在四川盆地南部長寧、東部涪陵和東北部達州—鎮(zhèn)巴一帶，ＴＯＣ含量大于2％的頁巖連續(xù)厚度在30m以上。涪陵地區(qū)從焦石壩構(gòu)造主體的ＪＹ1井向南甩開ＪＹ8等八口探井和近200口開發(fā)井實鉆表明，焦石壩地區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖平面上分布穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度為38～48m。

　　縱向上五峰組－龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣層為深水陸棚相沉積，向上逐漸為淺水陸棚相沉積。底部優(yōu)質(zhì)泥頁巖具有巖性較純、粉砂巖含量低、碳質(zhì)含量高、筆石生物富集，頁理縫發(fā)育等特點。根據(jù)巖石顏色、所含筆石及放射蟲豐度、巖性等特征，龍馬溪組分為3個巖性段，自上而下為：龍馬溪組三段、龍馬溪組二段、龍馬溪組一段。

　　龍馬溪組一段是頁巖氣勘探的主要目的層，進一步細(xì)分為3個巖性亞段：三亞段，上部巖性為灰黑色含粉砂碳質(zhì)泥巖與灰黑色含筆石碳質(zhì)頁巖約3∶1互層，其間夾黃鐵礦薄層、條帶或條紋；二亞段，巖性為一套黑灰色含粉砂含碳質(zhì)筆石頁巖與同色中－薄層狀含筆石炭泥質(zhì)粉砂巖及深灰色薄層狀、條帶狀或條紋狀粉砂巖呈頻繁韻律互層，其間夾黃鐵礦薄層、條帶或條紋；一亞段，巖性為一套灰黑色含碳質(zhì)放射蟲筆石頁巖及灰黑色含粉砂碳質(zhì)筆石頁巖夾黃鐵礦薄層、條帶或條紋，巖石中含豐富的筆石，順層分布，局部富集成層，其含量一般約50％，富集處可達80％。

　　1.2.2巖石特征

　　涪陵頁巖氣田五峰組－龍馬溪組巖石在化學(xué)成分、礦物組成、古生物、結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造上有所不同，通過巖心詳細(xì)描述和薄片觀察，涪陵地區(qū)主要巖石類型包括含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳質(zhì)筆石頁巖以及含粉砂泥巖6種類型。

　　其中，含骨針放射蟲筆石頁巖和含放射蟲筆石頁巖為頁巖氣儲層最有利的巖石類型。該6套頁巖類型在區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定，特征明顯，其中含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲筆石頁巖和含碳質(zhì)筆石頁巖為深水陸棚沉積，發(fā)育在五峰組和龍馬溪組底部，常具有毫米級紋層狀或片狀頁理構(gòu)造，黃鐵礦常呈星散粒狀、小透鏡狀、條帶狀或紋層狀產(chǎn)出，水平紋層發(fā)育；生物化石豐富，門類單調(diào)，其中，以豐富的筆石占絕對優(yōu)勢，同時見大量硅質(zhì)放射蟲和少量硅質(zhì)海綿骨針等生物化石，反映安靜、貧氧、深水的還原沉積環(huán)境。

　　含碳含粉砂泥巖和含粉砂泥巖為淺水陸棚沉積，發(fā)育在龍馬溪組中部和上部，粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖常見沙紋層理、粒序?qū)永怼⒌讻_刷、泥礫或泥片等沉積現(xiàn)象，含少量生物碎屑，暗色頁巖常顯水平層理，生物化石以少量筆石為主，反映靜水低能，并有間歇性低密度流影響的沉積環(huán)境。

　　1.3勘探歷程

　　早在20世紀(jì)50年代，地質(zhì)礦產(chǎn)部就在本區(qū)開展了黔江、涪陵幅1∶20萬石油普查；20世紀(jì)80年代初，完成了1∶20萬的區(qū)域地質(zhì)、同比例水文地質(zhì)調(diào)查和重磁力勘探等；1997—1998年中國石油天然氣總公司渝鄂湘天然氣勘探項目經(jīng)理部組織完成了1∶5萬地面地質(zhì)概詳查1042km2和二維地震勘探14條地震剖面417.51km，進一步落實了焦石壩、大耳山和轎子山等背斜構(gòu)造，證實焦石壩是一個地表、地腹一的背斜構(gòu)造。

　　由于當(dāng)時評價的主要目的層石炭系、二疊系埋藏淺，儲層不在有利預(yù)測區(qū)內(nèi)，加之?dāng)嗔寻l(fā)育，保存條件可能受到影響，因此沒有進行鉆探工作。直至2011年，中國石化勘探南方分公司在前期開展的南方海相烴源巖評價研究的基礎(chǔ)上，按照頁巖氣研究思路，確定川東南地區(qū)是龍馬溪組－五峰組頁巖氣勘探的有利地區(qū)，焦石壩構(gòu)造是有利的勘探目標(biāo)，在焦石壩部署了第一口海相頁巖氣探井———ＪＹ1井，發(fā)現(xiàn)了涪陵頁巖氣田。

　　2涪陵頁巖氣田的基本特征

　　2.1有機質(zhì)類型與豐度

　　2.1.1有機質(zhì)類型

　　關(guān)于五峰組－龍馬溪組頁巖有機質(zhì)類型，前人在進行烴源巖研究時做過大量研究，上揚子地區(qū)干酪根δ13Ｃ值為－29‰～－30.5‰，有機質(zhì)類型為Ⅰ－Ⅱ1型。四川盆地南部長寧地區(qū)五峰組－龍馬溪組露頭頁巖干酪根的δ13ＣＰＤＢ值為－29.4‰～－31.2‰，平均為－30.1‰，顯示有機質(zhì)以Ｉ、ＩＩ型為主。ＪＹ1井2339.33m、2349.23m灰黑色頁巖、灰黑色碳質(zhì)頁巖干酪根的δ13ＣＰＤＢ值分別為－29.2‰、－29.3‰；上述深度樣品干酪根鏡檢類型指數(shù)分別為92.84、100，干酪根類型均為Ｉ型（樣品由中國石化無錫石油地質(zhì)研究所實驗研究中心分析完成）。

　　2.1.2有機質(zhì)豐度

　　根據(jù)ＪＹ1井等4口井344個泥頁巖樣品有機碳（ＴＯＣ）含量分析，ＴＯＣ含量分布在0.55％～6.89％，平均2.62％；底部優(yōu)質(zhì)泥頁巖段ＴＯＣ含量在1.06％～6.89％，平均為3.56％，其中ＴＯＣ含量≥1.0％的樣品達到總樣品數(shù)的95.1％?？v向上差異明顯，以ＪＹ1井為例，五峰組－龍馬溪組一段一亞段ＴＯＣ含量在1.04％～5.51％，平均為3.39％；龍馬溪組一段二亞段ＴＯＣ含量在0.91％～2.17％，平均為1.65％；龍馬溪組一段三亞段ＴＯＣ含量在0.55～3.26％，平均為69％。

　　2.2熱演化程度

　　四川盆地五峰組－龍馬溪組有機質(zhì)熱演化程度普遍偏高，長寧地區(qū)鏡質(zhì)體反射率Ｒｏ均大于2.0％，普遍分布在2.4％～2.95％，均處于過成熟階段；威遠地區(qū)志留系龍馬溪組干酪根鏡質(zhì)體反射率Ｒｏ相對較低，分布范圍一般在1.78％～2.26％；ＪＹ1井五峰組－龍馬溪組共測定了9塊樣品瀝青反射率，其中測點數(shù)超過10個樣品共4塊，經(jīng)換算鏡質(zhì)體反射率分別為2.42％～2.80％，平均為2.59％，表明五峰組－龍馬溪組進入過成熟演化階段，以生成干氣為主。

　　2.3儲集空間及物性

　　頁巖儲層的物性直接影響頁巖氣的產(chǎn)能大小和賦存狀態(tài)，其孔徑屬納米級，成因復(fù)雜，類型多樣。對ＪＹ2井（10個樣品）和ＪＹ4井（12個樣品）頁巖樣品進行了氬離子拋光掃描電鏡觀察與研究，并根據(jù)頁巖孔隙成因分為有機質(zhì)孔、黏土礦物間孔、晶間孔、次生溶蝕孔等孔隙類型，儲集空間孔徑分布在2～900nm，主要介于23～43nm，這些納米級孔隙為頁巖氣的吸附和儲集提供了絕大多數(shù)的比表面積和孔體積。焦石壩地區(qū)ＪＹ1等3口井共計226個樣品氦氣法物性分析表明，泥頁巖孔隙度分布在1.17％～8.61％，平均為4.90％；滲透率分布在0.0011～0.1mＤ，受微裂縫影響滲透率可達10～300mＤ。總體表現(xiàn)為低－中孔、特低滲及少部分中高滲透性的裂縫－孔隙型特點。

　　2.4裂縫

　　天然裂縫對頁巖氣的產(chǎn)量具有明顯的控制作用，Ｕｒｓｕｌａ等指出天然裂縫在美國其他頁巖氣區(qū)廣泛存在而且非常重要，但在Ｈａｙｎｅｓｖｉｌｌｅ巖心上基本見不到天然裂縫，但從其初始產(chǎn)量高、遞減快等生產(chǎn)特征來看，部分反映了裂縫的存在。焦石壩構(gòu)造是一個受北東向和南北向兩組斷裂體系控制形成的菱形斷背斜，巖心上可見被方解石充填的水平和近垂直兩組裂縫，也可見到方解石充填的高角度裂縫，和被方解石充填的順層裂縫發(fā)育；巖心水洗后有些地方留下明顯痕跡，說明存在未充填或半充填的裂縫，這些裂縫甚至形成網(wǎng)絡(luò)。

　　氬離子拋光掃描電鏡能夠?qū)δ囗搸r中的微裂縫進行高分辨率的識別（圖10）。微裂縫主要有兩種類型：一種是礦物或有機質(zhì)內(nèi)部裂縫；一種是礦物或有機質(zhì)顆粒邊緣縫。片狀礦物內(nèi)部或邊緣的微裂縫一般比較平直，少量裂縫有輕微彎曲；多數(shù)未見膠結(jié)物充填，裂縫寬度主要介于0.02～1μm，裂縫長度一般與片狀礦物長度有關(guān)。脆性礦物內(nèi)部微裂縫多具有一定的弧度，部分呈近平行狀或羽列狀連續(xù)排列分布。

　　巖石脆性礦物含量越高，越易形成微裂縫。成像測井結(jié)合巖心觀察，五峰組－龍馬溪組裂縫發(fā)育具有一定規(guī)律性，五峰組裂縫最發(fā)育，龍馬溪組巖性出現(xiàn)變化處裂縫發(fā)育。焦石壩龍馬溪組下部和五峰組裂縫較發(fā)育，尤其以五峰組最為發(fā)育。橫向上五峰組－龍馬溪組底部裂縫發(fā)育特征總體相似，但高角度縫和斜交縫，焦石壩南部比焦石壩主體更發(fā)育（圖11），反映焦石壩南部地區(qū)處于斷裂發(fā)育區(qū)，受到構(gòu)造擠壓作用更為強烈，影響了頁巖的含氣性。

　　2.5含氣性

　?。剩?等8口探井都進行了現(xiàn)場含氣性測量（測試儀器為中國石化無錫石油地質(zhì)研究所研制的頁巖氣、煤層氣現(xiàn)場解吸儀），并用直線法、曲線法兩種計算方法恢復(fù)損失氣量，在ＴＯＣ含量大于2％的優(yōu)質(zhì)頁巖層段，直線法計算總含氣量平均都在2.19m3/t以上；曲線法計算總含氣量平均都在3.65m3/t以上，焦石壩主體含氣量基本在6m3/t左右。表2反映了兩個現(xiàn)象：一是ＴＯＣ含量大于2％的優(yōu)質(zhì)頁巖層段含氣量明顯大于ＴＯＣ含量小于2％的頁巖層段；二是焦石壩構(gòu)造主體含氣量明顯好于南部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)。這些表明ＴＯＣ含量和構(gòu)造復(fù)雜程度是控制含氣量的兩個關(guān)鍵因素。

　　2.6脆性礦物

　?。剩?井五峰組－龍馬溪組ＴＯＣ含量大于0.5％頁巖段（2326～2415m）的87個樣品Ｘ衍射分析及掃描電鏡觀察表明，礦物組成包括硅質(zhì)、長石、方解石、白云石、黃鐵礦和黏土等礦物，其中黏土礦物主要為伊利石、伊蒙混層和綠泥石等。脆性礦物總含量在33.9％～80.3％，平均56.5％；硅質(zhì)含量為18.8％～70.6％，平均37.3％；碳酸鹽含量為0％～30.9％，平均為9.9％；斜長石含量為2％～12％，平均為7％；黃鐵礦含量為1％～8％，平均為3.6％；黏土含量為16.6％～62.8％，平均40.9％?？v向上礦物成分非均質(zhì)性較強，從上而下具有脆性礦物含量逐漸增大、黏土含量逐漸減小的特點。

　　底部38m優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段為脆性礦物最富集層段，脆性礦物含量在50.9％～80.3％，平均62.4％。其中硅質(zhì)含量在31％～70.6％，平均含量為44.4％。黏土礦物含量在16.6％～49.1％，平均34.6％。有機質(zhì)豐度高、脆性礦物含量高是龍馬溪組頁巖氣藏富集和高產(chǎn)的重要地質(zhì)因素。焦石壩及鄰區(qū)整體處于深水陸棚有利沉積環(huán)境，頁巖氣層和優(yōu)質(zhì)頁巖氣層礦物成分含量穩(wěn)定。焦石壩構(gòu)造主體3口井頁巖層段硅質(zhì)礦物含量在18.4％～80.5％，平均值均大于37％；黏土礦物含量在10.7％～62.8％，平均值均小于41％。優(yōu)質(zhì)頁巖氣層硅質(zhì)含量在22.9％～70.6％，平均值均大于44％，黏土礦物含量均小于35％，表明該地區(qū)巖石整體脆性較好，有利于后期壓裂改造。

　　2.7壓力與產(chǎn)量

　　地層壓力是影響頁巖氣產(chǎn)量的一個關(guān)鍵因素，Ｚａｇｏｒｓｋｉ等分析了Ａｐｐａｌａｃｈｉａｎ盆地mａｒｃｅｌｌｕｓ頁巖氣低壓力、壓力過渡區(qū)、常壓到超壓3種壓力體系與單井產(chǎn)量的關(guān)系，認(rèn)為只有常壓到超壓對產(chǎn)量的影響是正面的。焦石壩構(gòu)造目前已鉆探的一百余口鉆井，地層壓力系數(shù)為1.0～1.55；構(gòu)造主體地層壓力系數(shù)為1.30~1.55，靠近周緣斷層附近一般為常壓。

　?。剩?井2012年11月對1000m水平井段分15段進行大型水力壓裂測試，獲天然氣20.3萬m3/d；2013年1月至2015年12月，經(jīng)過3年多的定產(chǎn)試采，產(chǎn)量穩(wěn)定在6.0萬m3/d，已累計產(chǎn)氣7000萬m3。ＪＹ1井平臺共鉆探了4口水平井，都按定產(chǎn)6.0萬m3/d進行生產(chǎn)，四口井至2015年3月已累計產(chǎn)頁巖氣超過1.6億m3。ＪＹ6－2井2013年9月對1500m水平段進行大型水力加砂壓裂測試，井口套壓25.50mＰａ，井底流壓29.64mＰａ，日產(chǎn)天然氣37.56萬m3；ＪＹ6－2井采取放大壓差方式生產(chǎn)，初期日配產(chǎn)39萬m3，至2015年12月，已累計產(chǎn)氣1.9億m3。上述幾口井地層壓力系數(shù)都在1.55左右，而水平段靠近斷層的一些鉆井也具有較好的初始測試產(chǎn)量，但地層壓力系數(shù)明顯變低，甚至為1.0左右的常壓，且產(chǎn)水量明顯增大。因此，頁巖氣測試產(chǎn)量與壓力系數(shù)有明顯關(guān)系，高產(chǎn)井一般位于異常高壓區(qū)，常壓區(qū)測試產(chǎn)量明顯變低。

　　2.8天然氣碳同位素

　　焦石壩龍馬溪組天然氣組分甲烷含量高（含量在97.774％～98.341％）、干燥系數(shù)大、不含Ｈ2Ｓ。ＪＹ1井五峰組－龍馬溪組天然氣多個時期烷烴碳同位素分析，分別為，δ13Ｃ1：－29.57‰～－30.64‰，δ13Ｃ2：－34.00‰～－34.59‰，δ13Ｃ3：－36.12‰～－36.60‰；存在δ13Ｃ1＞δ13Ｃ2＞δ13Ｃ3的碳同位素值完全倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。四川盆地威遠、長寧、富順等另外3個頁巖氣區(qū)，也存在烷烴碳同位素值完全倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，表明五峰組－龍馬溪組天然氣烷烴碳同位素倒轉(zhuǎn)是四川盆地的共同特征，但同位素值在不同頁巖氣區(qū)帶存在明顯差異，具有自盆內(nèi)（威遠）、川東褶皺帶到盆緣（焦石壩、長寧）同位素變重的特點。

　　關(guān)于烷烴碳同位素的倒轉(zhuǎn)原因，筆者等曾根據(jù)四川盆地頁巖氣、常規(guī)氣烷烴碳同位素的對比分析，提出封閉體系是倒轉(zhuǎn)的先決條件和主要因素，熱演化程度高、同源不同期是次要因素。

　　3啟示與思考

　　涪陵頁巖氣田對中國頁巖氣的下步勘探開發(fā)帶來了很多啟示，其他地區(qū)能否復(fù)制涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)的經(jīng)驗與模式也值得深思，歸納起來有以下幾點：

　　3.1證實中國存在高產(chǎn)頁巖氣田，但富集因素與美國不同

　　美國熱成因頁巖氣田主要分布在由阿巴拉契亞逆沖斷裂帶、馬拉松·沃希托（Ｏｕａｃｈｉｔａ）逆沖斷裂帶控制的古生代前陸盆地、科迪勒拉逆沖斷裂帶控制的中生代前陸盆地中。無論是阿巴拉契壓盆地的mａｒｃｅｌｌｕｓ頁巖，還是ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地的Ｂａｒｎｅｔｔ頁巖，其共同特點是構(gòu)造穩(wěn)定。雖然也有抬升剝蝕，但有機質(zhì)的熱演化程度分布趨勢，和現(xiàn)今盆地的埋深基本一致。

　　以mａｒｃｅｌｌｕｓ頁巖為例，從埋藏淺的斜坡區(qū)Ｏｈｉｏ氣田到深凹帶的mａｒｃｅｌｌｕｓ氣田，從mａｒｃｅｌｌｕｓ頁巖的底部埋深和熱演化程度來看，從低熟、成熟到過成熟，變化趨勢具有很好的對應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了整體抬升的態(tài)勢。

　　控制mａｒｃｅｌｌｕｓ頁巖氣產(chǎn)量的關(guān)鍵因素包括有機碳含量、成熟度、埋深、地層壓力梯度、孔隙度與滲透率、含氣量、有效頁巖連續(xù)厚度、可壓裂性、天然裂縫發(fā)育程度、基底斷裂和構(gòu)造復(fù)雜程度、水平井方位等11個，但很少有關(guān)注頁巖氣保存條件和區(qū)域構(gòu)造作用、局部構(gòu)造類型與頁巖氣富集關(guān)系的研究。與北美地區(qū)經(jīng)歷簡單的構(gòu)造抬升不同，中國南方地區(qū)五峰－龍馬溪組沉積后，經(jīng)過多期次的抬升剝蝕和褶皺、斷裂作用，盆地外地層連續(xù)分布面積小、地層分割強烈。無論盆地內(nèi)、外，現(xiàn)今有機質(zhì)的熱演化程度與現(xiàn)今頁巖層系的埋深無關(guān)。

　　因此，不能簡單照搬北美地區(qū)的勘探經(jīng)驗，在確定有利的頁巖分布后，構(gòu)造演化、構(gòu)造類型與保存條件是尋找富集高產(chǎn)頁巖氣的關(guān)鍵因素。通過對四川盆地涪陵、長寧、威遠等頁巖氣田的對比研究，筆者提出高熱演化程度、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣的富集高產(chǎn)，必須具備：

　　（1）   正向構(gòu)造（隆起和背斜），背斜是最有利于頁巖氣富集的構(gòu)造類型；

　?。?）   異常高壓，異常高壓不僅是存在區(qū)域封閉環(huán)境的重要識別標(biāo)志，也是天然氣藏富集的重要特征；

　?。?）晚期區(qū)域性的走滑作用和良好的頂?shù)装鍡l件，燕山晚期以來是否有形成和保持壓扭

　　環(huán)境的構(gòu)造條件和能夠起到封閉作用的頂?shù)装?，是?fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣富集的關(guān)鍵因素；

　?。?）避開區(qū)域性大斷裂，水平井也要盡可能避開小斷層。

　　隨著勘探的不斷深入，更多的資料進一步證實了南北向斷層的晚期走滑對焦石壩構(gòu)造的形成與控制作用，圖1、2表明，焦石壩構(gòu)造現(xiàn)今最大主應(yīng)力不是與區(qū)域北東走向的齊岳山斷裂體系或焦石壩構(gòu)造北西、南東兩翼北東走向斷層有關(guān)，而是受控于近南北向的走滑斷層。涪陵頁巖氣田是除北美之外的首個商業(yè)性頁巖氣田，證明中國不僅存在頁巖氣，而且存在高產(chǎn)富集的頁巖氣田，但高產(chǎn)富集的關(guān)鍵因素不同于美國，由此決定了中國和美國頁巖氣勘探開發(fā)研究的重點和思路也不同。

　　除涪陵頁巖氣田外，另外獲得較好勘探效果的頁巖氣區(qū)帶，分別為長寧、威遠、富順—永川，所有這些頁巖氣田都位于四川盆地內(nèi)的正向構(gòu)造，但構(gòu)造類型有差異。

　　四川盆地內(nèi)頁巖氣的成功開發(fā)，從地質(zhì)條件上證實存在可實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田，也表明工藝技術(shù)能保證實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。涪陵頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)，極大激發(fā)了國內(nèi)勘探開發(fā)頁巖氣的熱情，但沒有一樣的盆地，也沒有一樣的頁巖氣田。筆者等一直強調(diào)背斜構(gòu)造和特殊的區(qū)域構(gòu)造背景是涪陵頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵因素，正如中國不能簡單復(fù)制美國頁巖氣革命一樣，涪陵頁巖氣田的勘探思路、勘探開發(fā)經(jīng)驗可以借鑒，簡單復(fù)制也不可取。

　　3.2天然裂縫的發(fā)育是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵

　　Ｃｕｒｔｉｓ通過對Ｌｅｗｉｓ、Ｂａｒｎｅｔｔ、ＮｅｗＡｌｂａｎｙ、Ａｎｔｒｉm、Ｏｈｉｏ等20世紀(jì)90年代美國五大頁巖氣田的研究，使用了“Ｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｈａｌｅ－ｇａｓｓｙｓｔｅmｓ”，指出在基質(zhì)滲透率極低的頁巖氣藏，除要求優(yōu)質(zhì)頁巖之外，天然裂縫和基質(zhì)滲透率是頁巖氣實現(xiàn)經(jīng)濟開發(fā)的關(guān)鍵因素。Ｕｒｓｕｌａ等也認(rèn)為，裂縫在頁巖氣富集高產(chǎn)中具有重要作用；Ｂａｒｎｅｔｔ頁巖至少有兩組密集發(fā)育的裂縫，盡管多數(shù)是充填的，但有利于在水力壓裂過程中被激活，增加了壓裂的有效性，溝通了更大的含氣面積。

　　當(dāng)然，也有學(xué)者認(rèn)為，一般在頁巖中存在3種孔隙類型，基質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙和裂縫孔隙，但裂縫孔隙在熱成因頁巖氣藏中還沒有被證明是一種重要的儲存機制。因此，裂縫在頁巖氣富集及對產(chǎn)能的貢獻中的作用，還沒有一致的認(rèn)識。

　　頁巖中裂縫的形成有至少6種成因，包括：（1）埋藏早期孔隙流體和差異壓實導(dǎo)致的局部應(yīng)力擾動；（2）區(qū)域埋藏加上油氣的形成和其他成巖作用，例如，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化；（3）區(qū)域構(gòu)造古應(yīng)力；（4）大斷層和褶皺周緣的調(diào)節(jié)作用；（5）局部構(gòu)造，例如，ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ盆地Ｂａｒｎｅｔｔ頁巖，與下伏喀斯特地貌相關(guān)的斷凹；（6）隆升過程中的應(yīng)力釋放。

　　在焦石壩這樣一個經(jīng)歷多期構(gòu)造改造，褶皺、斷裂發(fā)育的地區(qū)，上述6種引起裂縫形成的作用都可能發(fā)生，實際上在巖心上也見到了網(wǎng)狀縫、高角度裂縫、水平縫。五科1井位于焦石壩構(gòu)造北部的川東高陡構(gòu)造帶五百梯構(gòu)造（圖1），其五峰組－龍馬溪組裂縫充填石英流體包裹體有3組均一溫度，分別為88～122℃、137～163℃和172～205℃，反映有機質(zhì)成熟后至少經(jīng)歷了3次裂縫發(fā)育時期。

　　焦石壩構(gòu)造，焦頁1井五峰組2413.53m頁巖儲層裂縫中方解石脈，共測得原生鹽水包裹體均一溫度有效值22個，均一溫度介于190～230℃，連續(xù)正態(tài)分布，中值在210℃。另外焦石壩構(gòu)造還有兩口井測得流體包裹體資料，一口井龍馬溪組2253.89～2356.35m頁巖裂縫中石英脈，共測得與純氣相甲烷包裹體共生的氣液兩相鹽水包裹體均一溫度值25個，結(jié)果顯示鹽水包裹體均一溫度集中于216.3～221.7℃，243.1～258.9℃；另一口井在龍馬溪組2590.39m脈狀裂隙方解石膠結(jié)物和自生石英鹽水包裹體26個，均一溫度分別為94.8～114.3℃、146.8～181.5℃和194.6～212.3℃。綜合五科1井和焦石壩構(gòu)造焦頁（ＪＹ）1等三口井流體包裹體均一溫度，反映有機質(zhì)成熟后至少經(jīng)歷了三、四期裂縫發(fā)育時期。

　　筆者等曾提出，焦石壩構(gòu)造在南北向斷層走滑作用影響下，形成了現(xiàn)今四周為斷層圍限的菱形背斜，在兩組斷裂和五峰組－龍馬溪組底部滑脫共同作用下，形成大面積發(fā)育的網(wǎng)狀裂縫。圖11是對多口井巖心的觀察和統(tǒng)計，表明在五峰龍馬溪組底部及其他巖性轉(zhuǎn)換處裂縫明顯發(fā)育。

　　結(jié)合流體包裹體資料反映的多達三期以上的裂縫發(fā)育時期，因此，焦石壩構(gòu)造五峰組－龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖層段裂縫發(fā)育，是主體幾乎所有鉆井都能獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。當(dāng)然，裂縫的作用既能增加頁巖氣的產(chǎn)量，有時也會起到破壞作用，關(guān)鍵是發(fā)育的規(guī)模，這是勘探開發(fā)中必須要把握的。如，在mａｒｃｅｌｌｕｓ有前景的區(qū)帶裂縫對直井、水平井初始產(chǎn)量的作用已經(jīng)得到證實，當(dāng)然天然裂縫的發(fā)育并不是越發(fā)育越好，如果裂縫的發(fā)育影響了有效壓裂或者破壞了蓋層，裂縫就起到了破壞作用。

　　3.3 幾乎所有的商業(yè)性頁巖氣田都是地層超壓

　　據(jù)Ｊａｒｖｉｅ對北美m(xù)ａｒｃｅｌｌｕｓ、Ｈａｙｎｅｓｖｉｌｌｅ、Ｂａｒｎｅｔｔ、Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ、Ｗｏｏｄｆｏｒｄ等10個熱成因頁巖氣田的總結(jié)，Ｆａｙｅｔｔｅｖｉｌｌｅ、mｏｎｔｎｅｙ地層壓力梯度分別為0.44ｐｓｉ／ｆｔ、0.45ｐｓｉ／ｆｔ（1ｐｓｉ＝0.006895mＰａ，1ｆｔ＝0.3048m），為常壓外，其他都為超壓，目前最大的mａｒｃｅｌｌｕｓ、Ｈａｙｎｅｓｖｉｌｌｅ兩個頁巖氣田，地層壓力梯度分別為0.61ｐｓｉ／ｆｔ、0.80ｐｓｉ／ｆｔ。焦石壩構(gòu)造、長寧、威遠主體地層壓力系數(shù)分別為1.55、2.0、1.8，也都表現(xiàn)為超壓。因此，超壓也是目前經(jīng)濟、技術(shù)條件下頁巖氣田實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的基本條件。

　　3.4 關(guān)于頁巖氣的運移

　　頁巖氣不具備常規(guī)氣藏形成所必須的輸導(dǎo)體系———斷層、不整合和高孔隙性儲層，因此Ｃｕｒｔｉｓ給頁巖氣的定義是存在短距離運移。筆者等曾提出“相鄰孔縫的階梯式運移，實現(xiàn)了大范圍的頁巖氣向背斜（正向構(gòu)造）的匯聚”，近來，隨著勘探開發(fā)的深入，地層壓力、流體包裹體、物性等資料不斷豐富，筆者認(rèn)為，頁巖氣存在通過短距離運移的傳遞，實現(xiàn)大范圍聚集的可能。

　　一是焦石壩構(gòu)造頁巖全直徑分析，水平、垂直滲透率差異巨大，垂直滲透率普遍低于0.0005mＤ（7個樣品6個范圍在0.000222～0.000491mＤ，只有一個樣品為0.020400mＤ）；而水平滲透率普遍高于0.1mＤ（7個樣品6個范圍在0.103～6.463mＤ，只有一個樣品為0.0338mＤ）整理）。

　　二是焦石壩構(gòu)造主體產(chǎn)量高、地層壓力系數(shù)大，靠近東緣斷層附近產(chǎn)量低、地層壓力系數(shù)基本為常壓；甚至出現(xiàn)在斷凹單井產(chǎn)量極低的現(xiàn)象，表明頁巖氣有散失，散失的過程也是一種運移過程。

　　三是流體包裹體資料顯示，區(qū)內(nèi)在有機質(zhì)成熟后，至少經(jīng)歷了三期以上的油氣運聚，而這些活動發(fā)生在頁巖內(nèi)部。

　　四是具有類似成藏特點的煤層氣，據(jù)Ｗａｌｔｅｒ等對ＳａｎＪｕａｎ盆地Ｆｒｉｕｔｌａｎｄ煤層氣田的研究，認(rèn)為其氣源除自身來源的熱成因煤層氣外，還有運移來的熱成因煤層氣。

　　因此，頁巖氣不僅有短距離運移，而且可以通過短距離的傳遞（或接力），實現(xiàn)大范圍的運移聚集。

　　3.5生產(chǎn)方式

　　美國頁巖氣的生產(chǎn)一般采取放大壓差的生產(chǎn)方式，頁巖氣單井產(chǎn)量遞減率，第一年通常為50％～80％，有的地區(qū)可能會更高。涪陵頁巖氣田有兩種生產(chǎn)方式：一是定產(chǎn)，如焦頁（ＪＹ）1井日產(chǎn)6萬m3頁巖氣，自2012年12月以來，已穩(wěn)產(chǎn)3年以上，累計產(chǎn)頁巖氣超過7000萬m3；二是焦頁6－2井，以“初期放大壓差生產(chǎn)、后期定壓生產(chǎn)”的方式開展試采，初期日產(chǎn)頁巖氣39萬m3，目前采取井口壓力6mＰａ定壓生產(chǎn)保持日產(chǎn)20萬m3，截至2015年12月底，創(chuàng)造中國頁巖氣開發(fā)單井累計產(chǎn)量最高紀(jì)錄———1.9億m3，開發(fā)趨勢預(yù)測該井可采儲量有望突破3億m3。這是兩口開采時間最長的井，由于涪陵頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)至今只有兩年多的時間，各井試采時間長短不一，目前產(chǎn)量、壓力都處于相對穩(wěn)定階段，因此，哪種生產(chǎn)方式更合適，還很難得出結(jié)論。但從經(jīng)濟角度和資源最大利用的角度，可能會得出不同的結(jié)果。

　　從盡快收回投資的角度，如果簡單地進行數(shù)學(xué)換算，焦頁1井要保持日產(chǎn)6萬m36年，才能達到焦頁6－2井一年半的頁巖氣產(chǎn)量，第二種生產(chǎn)方式，無疑是最好的；但由于這兩種生產(chǎn)方式，從資源利用方面還沒有可對比的數(shù)字，因此，無法得出那種方式資源利用率最好。除了單井產(chǎn)量以外，還要考慮同一個平臺多口井的產(chǎn)量，以及地下地質(zhì)條件是否存在差異，才能確定最為合適的生產(chǎn)方式。

　　3.6創(chuàng)新無止境

　　頁巖中有油氣這是常識，能實現(xiàn)商業(yè)性開采產(chǎn)出大規(guī)模的頁巖油氣，不僅是認(rèn)識上的轉(zhuǎn)變，還有技術(shù)上的創(chuàng)新，這種創(chuàng)新使美國實現(xiàn)了能源革命。中國從頁巖氣熱到現(xiàn)在的謹(jǐn)慎，符合認(rèn)識上的變化，即不是有頁巖就有頁巖氣。但正如Ｓｉmｏｎ所言，對非常規(guī)天然氣發(fā)展的唯一限制就是人們的想象力。涪陵頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)的最大意義也正在于此，它的儲量豐度之高、產(chǎn)量之大，超出此前人們的預(yù)測；對國產(chǎn)技術(shù)的促進之大、之快，也超出人們的想象。為什么我們不能想象在陸相、海陸過渡相和深層海相以及盆地外常壓泥頁巖中，實現(xiàn)頁巖油氣的商業(yè)開發(fā)，這應(yīng)該是中國今后應(yīng)該加強攻關(guān)的方向所在，也許這就是中國頁巖油氣的未來。（文/郭彤樓 中國石化勘探分公司）