中上扬子海相深层页岩气赋存和富集的关键因素是什么？

Graphical abstract

我国中上扬子地区海相页岩气资源量巨大，目前已成功实现中浅层（主体埋深<3 500 m）页岩气的规模效益开发（金之钧等， 2016； 马永生等，2020）. 随着中浅层页岩气勘探开发程度的不断提高，针对这类页岩气田的勘探难度越来越大，促使页岩气的勘探和开发逐渐向深层（埋深介于3 500~4 500 m）、甚至超深层（埋深>4 500 m）的战略转移（马永生等， 2020）. 四川盆地及周缘深层富有机质页岩厚度大，其分布面积是中浅层页岩的2 倍以上，仅埋深介于3 500~6 000 m 的页岩气资源占总资源量的70% 以上，展示了深层页岩气良好的资源潜力与勘探前景（何治亮等， 2020； 张金川等， 2021； 聂海宽等， 2022）. 可喜的是，我国近几年在川南威远- 泸州、丁山- 东溪、荣昌- 永川等地部署的多口深层页岩气井已获得工业气流，实现了深层页岩气勘探开发的战略性突破，深层页岩气成为我国重要的增储上产领域（郭旭升等， 2020；马新华等，2020； 魏祥峰等， 2020； 卢志远等， 2021；郭彤楼等， 2022）. 随着勘探实践的不断深入，普遍认识到深层页岩具备页岩气富集高产的基本地质条件（郭旭升等， 2020； 卢志远等， 2021； 聂海宽等， 2022），但是深层页岩埋深更大，不同深层页岩气井的天然气产出行为和产气量常有较大差异，甚至存在部分井产量低且递减很快的问题，造成部分钻井开发效果不理想. 深层页岩气赋存、富集乃至高产规律均较中浅层更加复杂，成为制约中上扬子深层页岩气有效勘探与高效开发的瓶颈和难题之一（马永生等， 2020），是深层页岩气富集规律研究的基础性和前瞻性科学问题，具有重要的理论和实践意义.

1 核心内容

1.1　深层页岩气赋存特征与控制因素

页岩气属于典型的“自生自储”系统，其中的天然气主要以游离态储存在页岩基质孔隙- 裂缝空间中，或以吸附态形式赋存在有机质颗粒和黏土矿物表面，以及少量以溶解态存在于有机质颗粒或残留水中（Curtis， 2002）. 针对海相页岩气赋存特征及其主控因素，前人在中浅层页岩气藏已开展了诸多研究，取得了重要认识. 研究表明，页岩气的赋存特征受多种地质因素影响，如地层埋藏深度（邱楠生等， 2020）、温压条件（邱楠生等， 2020）、有机碳含量（张风昀等， 2017）、干酪根类型（Zhang et al.， 2012； Gasparik et al.， 2014）、孔隙结构（Yanget al.， 2016； Dong et al.， 2017）、含水饱和度（Gaspariket al.， 2014； 高海涛等， 2025）、顶底板条件（崔哲等， 2020）、构造运动（抬升剥蚀、断裂特征、构造样式与构造改造时间、期次、幅度）（张旭亮等，2023）等. 不同盆地或层系页岩气赋存特征因地质因素多样而呈现差异，如北美典型页岩气藏的吸附气占总含气量的变化范围跨度大（20%~85%）（Curtis， 2002； Jarvie et al.， 2007； Hao et al.，2013），我国首个商业化开发的涪陵页岩气田游离气和吸附气占比分别为57% 和43%（刘若冰，2015）. 因此，针对特定地区研究时，需厘清该地区页岩气赋存关键控制因素. 以川东南丁山-东溪地区龙马溪组深层页岩气藏为例，不同地区的主力产气层段页岩在部分地质特征（埋藏深度、地化特征、厚度等）差异不显著，该地区深层页岩气赋存差异主要与页岩气储层的赋存空间大小、含水饱和度高低、断裂发育程度以及构造样式等密切相关. 可见，影响中上扬子地区深层页岩气赋存关键在于储集性、孔隙流体性质以及保存特征.

1.2　深层页岩气藏富集的控制因素

与中浅层页岩气藏相比，深层页岩气藏除埋深更大外，还普遍存在页岩地层致密化程度更强、地层温度-压力更高、地层应力差异更大以及有机质石墨化更显著等特征，这决定了深层页岩气富集规律的复杂性. 前人针对中浅层页岩气藏的研究，认识到页岩气富集的复杂性和多机理递变特点，提出了包括页岩气“二元富集”理论（郭旭升， 2014）、页岩气“构造型甜点”和“连续型甜点区”富集模式（邹才能等， 2015）、“ 建造- 改造”评价思路（何治亮等， 2017）以及“源盖控藏”的页岩气富集规律（聂海宽等， 2016； 聂海宽等， 2024）. 与中浅层页岩气藏相比，深层页岩气储层的吸附载体类型多样和气体赋存空间多尺度特性更复杂，导致深层页岩气富集关键因素不清（何治亮等， 2020； 马永生等， 2020；魏祥峰等， 2020；卢志远等， 2021）. 从页岩气生成和富集全过程看，其赋存特征与富集程度受天然气生成、聚集与逸散多过程的综合影响，现今页岩的含气量是页岩气生成-滞留-散失动态平衡的结果.借鉴常规油气的评价思路，页岩气成藏富集可简化为“生、储、运和保”“. 生”是指天然气的生成过程，为页岩气富集提供了物质基础；“储”涉及优质页岩的成储机制和页岩气在微纳米孔缝中的储集和赋存机制；“ 运”指页岩气在页岩层系内部的初次运移（短距离或不运移），控制了页岩气聚集和分布；“保”指页岩气的封闭保存机理（包括宏观的区域盖层和岩性封闭以及微观的水力封闭和自封闭等）. 在有足够天然气生成的页岩层系，影响页岩含气量和富集程度的地质因素可分为外部因素（埋藏深度、温压条件、水文地质条件、保存条件（区域盖层、顶底部岩性、构造背景与断裂发育程度））和内部因素（页岩有机碳含量、成熟度、矿物组成与结构、孔隙结构、天然裂缝发育程度以及页岩含水饱和度）. 研究表明，中上扬子中浅层和深层页岩气储层均具有良好的生烃物质基础和储集性，但富集程度差异较大，主要与天然气生成后的运移、逸散、保存条件以及各要素的时空匹配关系密切相关（魏祥峰等，2020； 刘树根等， 2021； 聂海宽等， 2022； Luoet al.， 2024b）.

1.3　保存条件和气体运移与深层页岩气富集的关系

燕山期以来的差异构造隆升和剥蚀量恢复结果表明（魏祥峰等， 2017；何治亮等， 2020； 邱楠生等， 2020），中上扬子地区海相中浅层和深层页岩层系最大古埋深差别不大，均经历了页岩地层的埋藏-受热-生烃-抬升-改造过程（即埋藏阶段的生-储演化和抬升阶段的赋-保演化序列）. 以四川盆地南部、东南部典型地区龙马溪组深层页岩气藏为例（图1），现今页岩地层的埋深差异主要受控于后期构造抬升幅度，特别是中晚燕山以来的多期次差异构造隆升过程影响，形成不同埋深的富有机质页岩层系. 在燕山-喜山期差异构造隆升-剥蚀作用下，不同地区海相深层页岩的降温、降压速率和页岩气的散失过程差异明显，导致页岩气储层微裂缝开启、储集空间变化和含气量变化，最终控制了海相深层页岩气的富集甜点层段和有利区分布（解习农等， 2017； 邱楠生等， 2020； Luo et al.，2024b）

早期研究认为，页岩气属于“ 自生、自储、自封闭”，仅认为气体发生了短距离运移或无运移. 但大量勘探实践发现，天然气在页岩层系内存在显著的差异聚集（马永生等， 2020； 邱楠生等， 2020； 卢志远等， 2021）. 页岩气运移与常规油气运移形式差异明显，是多尺度孔缝系统内多种运移形式的耦合叠加，包括吸附表面扩散、克努森扩散、菲克扩散、滑脱渗流以及达西流等（姚军等， 2013）. 目前针对页岩气运移研究主要采用天然气地球化学指标及其同位素示踪和数值模拟方法（有限元法、离散元法、格子玻尔兹曼法等）. 天然气中CH4含量随运移距离增加而增加，是有效的气体运移示踪指标（王鹏等，2015）. 另外，致密页岩储层强吸附能力导致天然气扩散和吸附/解吸过程会发生同位素分馏，通过同位素分馏模型可定量模拟页岩气运移过程（李文镖等， 2020）. 基于流体动力学方法模拟也显示，气体总是沿着物性优势通道运移，顺层面方向上压力梯度越大，气体运移能力越强，导致低部位气藏对高部位有侧向运移补给，例如长宁和焦石坝页岩气藏（王国臻等， 2024）. 缪欢等（2024）发现页岩气藏流体势场指示运移方向与气体组分指示方向一致，说明滞留页岩中的天然气在层系内部（以侧向运移为主）发生明显的运移，控制了页岩气差异富集. 可见，控制深层页岩气富集的关键在于“运和保”特征.

1.4　页岩生烃-成储-运移-散失的时空匹配关系与页岩气富集关系　

对比中上扬子地区中浅层和深层页岩气富集规律，两者既有相似又有差异性.以四川盆地东南部（图1）和涪陵焦石坝主产区为例（魏祥峰等， 2017；何治亮等， 2020； 邱楠生等， 2020），在地层埋藏生-储演化阶段，中浅层和深层页岩均在中-晚志留世快速沉降，原生孔隙（碎屑粒间孔隙和黏土矿物粒间孔隙）受上覆地层压实作用快速降低，在泥盆纪-石炭纪小幅度抬升时处于较浅的埋深状态，从早泥盆世进入生烃门限后到二叠纪末处于低成熟阶段，随着地层温度和压力缓慢增加，发生碳酸盐胶结（方解石为主）、硅质胶结和重结晶作用（生物硅经历了蛋白石A、蛋白石CT和微晶石英三大相态），形成微晶石英晶间孔隙.晚二叠世-早三叠世，地层沉降速率增大、埋深增加，页岩热演化程度增强，早三叠世达到生油高峰，有机质生烃和黏土矿物转化产生的流体与地层中不稳定矿物发生溶蚀作用，形成溶蚀孔隙改善页岩的储集空间，同时在生排烃过程有机质开始发育纳米级有机质孔隙.中-晚侏罗世，均迅速进入生干气阶段，有机孔成为页岩主要孔隙类型，大量气体生成使地层压力快速增加.中白垩世，地层埋深大、温度和压力达到峰值，页岩地层可见多期裂缝脉体，含气量达到最大（图1）.燕山期以来，受多期次差异构造隆升和剥蚀影响，龙马溪组中浅层和深层页岩均经历了“快-慢-快”三阶段差异降温和降压过程.涪陵地区中浅层页岩的抬升时间稍晚（约85 Ma）、剥蚀厚度更大（3 500~4 000 m），而丁山-东溪地区深部地层抬升时间相当或更早（约100 Ma）、剥蚀厚度相对较小（3 000~3 500 m）.抬升过程中，地层温度和压力降低使不同级别裂缝重新开启，导致页岩总含气量和游离气含量降低.平面上，不同地区由于抬升时间、期次、速率和幅度差异，以及温度、压力、应力等条件的变化，导致中浅层和深层页岩构造变形强度、物性变化以及微裂缝的形成、开启程度不同，表现出页岩气差异散失和富集特征.可见，除了“运和保”特征会控制深层页岩气富集的关键以外，页岩生烃-成储-运移-散失的时空匹配关系也对深层页岩气的差异富集产生重要影响.

为此，针对我国中上扬子地区深层页岩气赋存与富集规律研究，需要重点攻关以下几个方面：（1）深层页岩生排烃机理研究，页岩的生排烃量和滞烃量与页岩自身品质（成烃生物类型、数量、热演化程度）和排烃效率密切相关，控制了深层页岩的生烃潜力，是深层页岩气能否富集的先决条件.（2）深层页岩成储机理研究，深层页岩普遍经历了深埋、复杂成岩演化和改造过程，在有机-无机相互作用下不同类型孔隙的形成、演化与有效保存是影响页岩气赋存空间和富集程度的关键因素.（3）页岩气运移机理和渗流规律研究，重点关注深层页岩气运移动力（特别是异常高压和浓度梯度）、相态（包括水溶相、游离相等）、方式（包括短距离的置换式运移和活塞式推进等）和通道（多尺度的孔缝系统），页岩气的运移行为与页岩热演化阶段以及生排烃阶段的孔隙流体类型密切相关，需要进行综合分析.此外，深层页岩的高温高压高应力背景决定了在当前实验室条件下无法实现真实地质条件下的气体吸附和渗流特征刻画，今后还需要攻关与实际地质条件更接近的页岩气吸附-解吸和多尺度渗流运移规律的研究手段与技术.（4）页岩气赋存机理，页岩气的赋存形式主要包括游离气和吸附气，其中游离气主要与孔隙度、孔径、地层压力以及天然微裂缝发育程度有关，而影响页岩吸附气含量的因素较多，包括有机质含量、热演化程度、矿物类型与组成、孔隙结构、岩石润湿性、温压条件以及含水饱和度等，需要建立多地质因素协同控制的页岩气赋存地质模型，为页岩气赋存动态演化和定量评价提供依据.（5）页岩气保存与散失机理，中上扬子海相深层页岩气藏普遍经历了多期次的抬升改造，深层页岩构造变形、物性变化以及微裂缝的形成，造成储层压力逐渐下降，对页岩气的散失和保存产生重要影响，因此需要重点关注页岩自身封堵性条件（顶底板、厚度）、构造作用（抬升剥蚀、断裂特征、构造样式与构造改造时间）以及微观自封闭能力（束缚水封闭、毛细管压力封闭等）.（6）深层页岩生烃-成储-运移-散失的时空匹配关系，页岩气富集除了需具备良好的成藏静态地质要素以外，同时也应关注深层页岩气的主生烃期、储层形成演化过程以及构造演化过程中的页岩气保存与散失过程，良好的时空匹配决定了页岩气的富集程度，特别是构造抬升-降温阶段页岩温度场-压力场-流体场演变下的页岩气赋存状态转换与含气量动态演化过程.

2 科学价值

为了尽早实现深层页岩气的革命性发展，深入开展深层页岩气赋存与富集规律研究，主要具有两个方面的科学价值：（1）有利于揭示深层页岩生烃-成岩-成储-赋存机制，特别是阐明构造抬升改造对深层页岩的储集性、赋存状态、保存条件以及含气性的控制作用，建立深层页岩气保存模式，有利于准确估算深层页岩的现今含气量，指导有利区的评价与优选.（2）有利于明确深层页岩埋藏-受热-生烃-抬升-改造全过程与时空匹配关系，为揭示我国南方复杂构造背景下海相深层页岩气差异富集规律提供理论指导，推动非常规页岩气富集机理与地质评价理论的完善和发展，具有重要的科学意义.

3 应用前景

中上扬子地区深层页岩气资源潜力大，发展前景广阔，是未来页岩气勘探开发的重点领域.查明深层页岩气的赋存与富集规律将直接指导我国南方地区海相深层页岩气甜点区和甜点层段的评价与优选，减少部井的盲目性，降低勘探风险与成本，有效指导我国深层乃至超深层页岩气的勘探开发，推动尽早实现深层页岩气规模化发展，直接服务国家能源安全与经济社会发展，因此具有极其广阔的发展空间和应用前景.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42172157)

国家自然科学基金项目(92255302)

武汉市黄鹤英才青年人才计划