地质异常找矿理论在页岩气勘探中的应用

摘 要

摘要:为加快我国页岩气的勘探进程,应用地质异常找矿理论,依据页岩气聚集特征和形成条件,将页岩气聚集的地质异常序列区分为背景地质异常、页岩气聚集地质异常、页岩气综合异常和

摘要:为加快我国页岩气的勘探进程,应用地质异常找矿理论,依据页岩气聚集特征和形成条件,将页岩气聚集的地质异常序列区分为背景地质异常、页岩气聚集地质异常、页岩气综合异常和页岩气商业地质异常4个层次。其中,背景地质异常主要指标是沉积盆地和泥页岩发育;页岩气聚集地质异常主要指标是页岩厚度和总有机碳含量;页岩气综合异常的主要指标是含气量和储气量,以及与其密切相关的温度、压力、孔隙度、页岩的厚度、总有机碳含量、黏土成分和湿度,间接指标是与页岩气综合地质异常密切相关的地球化学异常和地球物理异常;页岩气商业地质异常的主要指标是页岩气产量、产能及页岩的裂缝发育程度和脆性。上述4个层次的异常分别是页岩气勘探远景区段预测、页岩气勘探有利聚集区段预测、页岩气勘探有利目标区段圈定和页岩气商业聚集区段圈定的依据。我国页岩气勘探的远景区已基本查明,页岩气勘探的有利聚集区段的预测也取得了大量成果,亟待开展和加快页岩气勘探有利目标区段和商业聚集区段的圈定工作。
关键词:地质异常找矿理论;页岩气;勘探;背景地质异常;页岩气聚集地质异常;页岩气综合异常;页岩气商业地质异常
    大量的研究成果表明,四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、吐哈、江汉、塔里木、准噶尔等盆地均具备页岩气聚集的地质条件[1~13]。但目前国内有关页岩气的研究主要集中在页岩气富集机理[5、14]、页岩气聚集地质条件[6~11、14]和远景区预测[1、 2~4、12~13]等方面,而对页岩气勘探理论和方法的研究则相对薄弱,这在一定程度上制约了我国页岩气工业化的进程。地质异
常找矿理论和方法基于“致矿地质异常”研究的逐步深入,进行非传统矿产资源预测[15],在非传统金属矿床的勘探中取得了显著效果[14~19]。页岩气是一种非常规的油气资源,将地质异常找矿理论与方法用于其勘探具有广阔的前景。笔者基于地质异常找矿理论的基本概念、原理和方法,着重讨论了页岩气聚集的地质异常序列特征,并对页岩气勘探中地质异常研究流程等问题进行了探讨。
1 地质异常找矿理论的概念、原理和方法
1.1 地质异常找矿理论的基本概念
    地质异常找矿理论所包含的基本概念主要有地质异常、致矿地质异常、专属致矿地质异常、附加致矿信息地质异常、成矿可能地段、找矿可行地段、找矿有利地段。以下分述之。
1.1.1地质异常
    “地质异常”是在物质组成、结构、构造或成因序次上与周围环境有显著差异的地质体或地质体组合[20]。前苏联学者布加耶茨等在1973年指出:最重要的矿床赋存于地壳中具有最大异常地质结构性质组合的地段。因此,对象的异常组合应该是最有远景的。
1.1.2致矿地质异常与成矿可能地段
    矿床的形成是地球中有用元素或有用物质在某种特殊环境和作用下发生活化、迁移、富集、沉淀、分异、稳定、保存;再变异、再富集、再沉淀、再分异、再稳定、再保存,如此众多环节所组成的一个轮回或几个轮回的基本过程而形成的。这些作用的发生,都在相关地质体上留下某种“痕迹”。同时,地球及其各层圈在演化过程中由于力的来源、性质、强度在不同的时空范围内可能不同,而且由于地球物质在四维时空中的分布是不均匀的。因此在不同的时空发生不同的地质作用和过程,从而产生不同的事件和响应,如地壳的隆升与沉降、区域的稳定与活动、结构的简单与复杂、演化的突变与渐变等均构成地质体在时空上的差异,所有这些差异就形成了地质异常。地质异常是各种地质事件的产物和结果。反过来,地质异常又是各种地质事件的策源地和诱因,成矿作用就是由地质异常所引起的。这种导致成矿作用的地质异常,被称之为“致矿地质异常”。研究致矿地质异常是地质异常找矿法的关键技术,通过各种方法和途径圈定的致矿地质异常区域都被称为“成矿可能地段”[21]
1.1.3专属致矿地质异常与找矿可行地段
    各种成矿地质因素及其组合具有一定的成矿“专属性”,而不同矿种类型、不成因类型的矿床对地质条件及其组合又具有一定的“选择性”。也就是说,特定的矿床通常存在特定的致矿地质异常。这种与特定的矿床具有密切联系的致矿地质异常,就是“专属致矿地质异常”。因此,在一个地区找矿必须根据所要寻找的矿种和矿床类型,在众多可能成矿的地质异常中确定哪些异常或异常带是有可能找到预期类型矿床的,上述异常区域被称为“找矿可行地段”[21]
1.1.4附加致矿信息地质异常与找矿有利地段
    在通过各种方法和途径圈定的专属致矿地质异常区域(找矿可能地段)的基础上,进一步结合更多的直接和间接的找矿信息,如物探、化探信息等,确定更有希望找到预期类型矿床的部位,这些地区被称为“找矿有利地段”。这些用来确定“找矿有利地段”的直接和间接的找矿信息就是“附加致矿信息地质异常”[21]“附加致矿信息地质异常”又被称为“综合致矿地质异常”[22]
1.2 地质异常找矿理论的原理
    矿床的形成既受背景控矿因素的制约又受局部控矿因素的影响,因而控矿因素具有等级之分,从大尺度到小尺度控矿因素的有序排列构成了一个完整的控矿系统(ore-controlling system)。矿产勘探过程就是对控矿系统中控矿因素有序排列的求解过程[22]。如果不考虑上级层次控矿因素对下级层次控矿因素的影响,就割断了系统内部控矿因素相互之间的联系,尤其割断了不同层次控矿因素相互之间的联系。这种不同层次控矿因素的关联还体现为一种“条件性”,即上一因素的存在是下一因素存在的前提,或某一因素的存在可能强化或降低另一因素单独存在时的意义或作用。这就是为什么在建立预测或找矿模型时,有时需要构置组合变量、综合变量或各种可能的条件概率估计;反之,如果将不同层次(或等级)的控矿因素放在同一个层次上进行简单分析,又显然忽略了控矿因素的等级差异,也有悖于客观世界的本来面目。因此,运用系统科学的思想、采用系统勘探的手段是解决上述问题的关键[22]
    基于上述概念和成矿原理,赵鹏大等提出了一种矿产资源定量评价理论和方法,即5P成矿预测与定量评价理论[21~23]。矿产资源定量评价工作由5个不同阶段构成,每个阶段都有明确的不同目标。其中,第一阶段的目标是成矿可能地段(probable ore-forming area)的确定;第二阶段的目标是找矿可行地段(permissive ore-finding area)的确定;第三阶段的目标是找矿有利地段(preferable ore-finding area)的确定;第四阶段的目标是矿产资源体潜在地段(potential mineral resources area)的确定;第五阶段的目标是远景矿体地段(perspective ore body area)的确定。
1.3 地质异常找矿理论的技术流程
    地质异常找矿理论的技术流程强调的是循序渐进,逐步深入,工作由概略到细致,开展工作范围由大到小,最终得以发现目标矿体。
    在应用地质异常找矿理论进行某种特定矿产勘探中的技术流程如下:①首先进行区域地质调查,查明区域上的“地质异常”特征,并筛选某类矿产的“致矿地质异常”;②通过圈定“致矿地质异常”的范围,确定出目标矿类的“成矿可能地段”;③在“成矿可能地段”内,进一步开展深入的地质调查,深入查明某种矿产的“专属致矿地质异常”,通过圈定“专属致矿地质异常”的范围,确定出目标矿种的“找矿可行地段”;④在“找矿可行地段”内进一步开展工作,必要时投入更大比例尺的物探、化探、遥感探测等技术手段,通过综合异常信息以及更为全面的附加地质异常信息,获取特定矿种的矿化信息、赋存状态、分布范围等“附加致矿信息地质异常”;⑤通过刻画“附加致矿信息地质异常”,确定出目标矿种的“找矿有利地段”;⑥在查明“综合致矿地质异常”,圈定“找矿有利地段”的基础上,通过大比例尺(1:5万~1:1万)勘探手段,进一步获取特定矿种的含矿丰度的地质信息,即“矿化地质异常”,圈定“矿产资源体潜在地段”;⑦在矿产资源体潜在地段,通过地质工程(槽探、坑探、浅孔钻探)、基岩化探、电磁测井等手段,查明“工业矿化地质异常”圈定“矿体远景地段”[22];⑧优选井位,实施矿体钻探,提交矿产商业储量。
    由此可见,应用地质异常找矿理论进行某种特定矿产勘探中,随着地质异常研究的逐步深入,异常成矿信息量逐步增加,找矿靶区范围逐步缩小,找矿成功概率逐步加大。所以,查明地质异常是成矿预测的基础、找矿的前提、选靶的依据[21]
2 地质异常找矿理论在页岩气勘探中的应用
    在综合分析页岩气聚集的基本特征和条件后发现,页岩气聚集的形成既受背景因素的制约又受局部因素的影响。因此,控制页岩气聚集因素具有层次等级之分。从小尺度到大尺度控制因素的有序排列构成了一个完整的页岩气聚集地质异常序列。页岩气勘探过程就是对控制因素有序排列的求解过程,这也正是地质异常找矿理论的基本思想。因此,地质异常找矿理论为页岩气勘探提供了系统的理论和科学的方法。
2.1 页岩气聚集的地质异常序列
    页岩气聚集的形成需要一系列的必备条件,这些条件也是页岩气聚集形成的主控因素,即页岩气的地质异常。按页岩气聚集地质异常的尺度由小到大和对页岩气聚集的控制程度由低到高,可以把页岩气聚集的地质异常区分为背景地质异常、页岩气聚集地质异常、页岩气综合异常和商业地质异常。
2.1.1背景地质异常
    背景地质异常是大范围、小尺度的异常,虽然其对页岩气聚集的形成控制程度低,但仍不失为页岩气形成所必须具备的地质异常,相当于“致矿地质异常”——如地层、岩性、古地理、古环境等。页岩气的背景地质异常表现为地层必须是沉积地层,与地层的时代关系不大;必须有泥页岩发育;古地理为沉积盆地[24~31];古环境为海相的半深海、大陆斜坡、台地凹陷,以及湖泊相的深湖、较深湖和浅湖[32]。背景地质异常的研究是概略性的,主要通过区域地质调查来查明其分布区段,其中页岩的发育是背景异常的关键指标。通过背景地质异常可以圈定页岩气勘探的远景区域。
2.1.2页岩气聚集地质异常
    页岩气聚集地质异常是中等尺度的、对页岩气聚集的形成密切相关的地质异常,相当于“专属致矿地质异常”。通过页岩气聚集地质异常可以圈定页岩气勘探的有利区带。
    页岩气聚集地质异常指标主要为页岩的厚度、页岩中有机碳的含量。研究表明,页岩气的形成要求页岩的有效厚度必须超过15m,已发现页岩气聚集的页岩厚度一般都在20m以上;页岩的总有机碳含量大于2%。
    与常规油气藏的成藏条件不同,页岩气来源由生物成因气和热成因气组成,吸附气和游离气并存,具有自生自储(或短距离运移)的特征。因此页岩气聚集受埋藏深度、有机质的成熟度及输导、封盖条件制约较小。埋藏较浅、有机质成熟度低的区段发育生物成因的页岩气;埋藏深、有机质成熟度高的区段发育热成因的页岩气;埋藏深度和有机质成熟度中等偏低的区段发育混合成因的页岩气(图1)。美国第一口页岩气发现井深度最浅,还不足10m,而Haynesville页岩气聚集最大深度则近4000m;Antrim页岩气的有机质成熟度(Ro)仅为0.4%~0.6%,Lewis页岩气的Ro则为1.6%~1.9%,页岩气聚集的Ro最大可达3%[24~33]
 
2.1.3页岩气综合异常
    页岩气综合异常是中大尺度的、与页岩气聚集的含气量和资源量评价密切相关的地质、地球物理、地球化学异常。页岩气聚集综合地质异常是本源,地球物理、地球化学异常是地质异常的反映。页岩气综合地质异常是受页岩气聚集地质异常控制的次一级地质异常。通过综合页岩气聚集地质异常可以圈定页岩气勘探的有利目标。
    页岩气综合地质异常指标主要为页岩气聚集地质异常区段内温度、压力、孔隙度、页岩的黏土成分和湿度、页岩气含量。
    温度主要影响着吸附气体含量,温度升高会造成吸附态天然气含量降低。压力增大,页岩气含量增大,但压力增大到一定程度以后,含气量增加缓慢。低压力条件下,吸附态气体含量相对较高,如圣胡安盆地Lewis页岩气聚集具有异常低地层压力梯度,为4.97kPa/m,吸附态天然气含量高达88%;而福特沃斯盆地Barnett页岩气具有微超高压力梯度的特征,为12.21kPa/m,其吸附态气体的含量最高达60%,最低仅40%[34]
    孔隙度大小直接控制着游离态天然气的含量。在阿巴拉契亚盆地Ohio页岩和密执安盆地Antrim页岩中,局部孔隙度可高达15%,游离气体积占孔隙总体积的50%[35]
    页岩的主要黏土矿物为伊利石、蒙脱石、高岭石和绿泥石。不同的黏土矿物对天然气的吸附能力有着明显的差别。在30℃温度条件下,干黏土CH4吸附实验结果表明:伊利石和蒙脱石吸附CH4能力明显高于高岭石(图2)[36]
 
    湿度直接影响着吸附态天然气的含量。岩石润湿后,水比气吸附性强,水占据部分活性表面,导致甲烷吸附容量降低。实验表明,湿的伊利石和蒙脱石吸附CH4能力明显降低,湿的高岭石吸附CH4能力变化不大。在6MPa的压力条件下,干的伊利石和蒙脱石吸附CH4能力分别为2.9mL/g和2.1mL/g,湿的伊利石和蒙脱石吸附CH4能力分别为0.4mL/g和0.3mL/g,干的和湿的高岭石吸附CH4能力均为0.7mL/g[36]。勘探成果揭示:美国密执安盆地Antrim页岩气聚集、伊利诺伊盆地New Albany页岩气聚集以及阿巴拉契亚盆地北部湖区Ohio页岩气聚集的湿度均较大,含气饱和度较低,而阿巴拉契亚盆地南部Ohio页岩气聚集、圣胡安盆地Lewis页岩气聚集和福特沃斯盆地Barnett页岩气聚集则含水较少,平均含水饱和度为25%[37],含气量较高。
    页岩气含量是页岩气综合地质异常的关键指标。美国主要的页岩气聚集的含气量平均值为2m3/t,Barnett页岩气聚集的含气量最高(8.49~9.91m3/t),Lewis页岩气聚集的含气量最低(0.37~1.27m3/t),Ohio、Antrim、New Albany页岩气聚集的含气量均介于1~3m3/t之间。
    页岩气综合地质异常数据主要是点上的数据,要查明地下三度空间的页岩气综合地质异常需要通过地球化学和地球物理勘探获得与页岩气综合地质异常密切相关的地球化学异常和地球物理异常。如通过地表化探异常,如CH4高异常,可以预测地下页岩气聚集的分布区域;而地球物理异常(如地震信息异常),则是地下页岩气聚集定位的主要依据。
2.1.4商业地质异常
    商业地质异常是大尺度的、与页岩气聚集的产能和产量评价密切相关的地质异常,也是受页岩气综合地质异常控制的次一级地质异常。主要指标有页岩气资源量、页岩的脆性及产能。
    页岩气储量是判别页岩气聚集是否具有商业价值的最关键指标。美国投入商业生产的页岩气单井储量最小值为400×104m3,最大达7000×104m3,平均值在3000×104m3左右。
    页岩的脆性是评价页岩气聚集是否具有开发经济价值的重要参数,它直接影响着产能。页岩的基质渗透率非常低,一般小于0.1×10-3μm2,平均吼道半径不到0.005μm[38],但伴随裂缝的发育,页岩气的产能可大幅度提高。因此页岩气的开发需要人工压裂来维持商业生产。人工压裂的前提是页岩具有脆性,而影响页岩脆性最重要的因素就是页岩中的石英含量,石英含量越高,页岩的脆性越强,越有利于人工压裂。美国投入商业开发的页岩气聚集,其页岩中的石英含量普遍在20%以上,最高达75%。据美国早期页岩气井统计结果[39],40%的井初期裸眼测试无气流,55%的井初始无阻流量无工业价值,所有井都需要实施储层压裂改造作业。早期开发的5个页岩含气盆地,直井改造后单井产量为894~28300m3/d,平均为8063m3/d。近年来,水平井、水力压裂及分段压裂技术的成功应用,使页岩气井单井产量大幅提高,水平井平均单井产量约为2×104m3/d,最大水平井单井产量达47.6×104m3/d。
2.2 页岩气勘探中地质异常研究流程
    与其他矿产勘探类似,页岩气勘探研究遵循地质异常找矿理论的一般技术流程。勘探和研究要循序渐进,逐步深入,工作由概略到细致,开展工作范围由大到小,以期最终发现具有商业价值的页岩气聚集。由于页岩气聚集的特殊性,页岩气勘探中地质异常研究流程可概括为4个阶段(图3):①通过页岩气的背景地质异常研究,确定页岩气勘探远景区段;②在背景地质异常研究基础上,通过页岩气聚集地质异常的研究,在页岩气勘探远景区段内确定页岩气勘探的有利聚集区段;③在页岩气聚集地质异常的研究基础上,研究页岩气综合异常,在页岩气勘探的有利区段内圈定页岩气勘探的有利目标区段;④在有利目标区段实施钻探,深入有利目标区段研究商业地质异常,圈定页岩气聚集的商业区段。
 
2.3 地质异常理论在页岩气勘探中的应用
2.3.1页岩气勘探远景区段预测
    页岩气勘探远景区预测主要基于页岩气的背景地质异常研究基础。页岩气的背景地质异常指标主要是沉积盆地和泥页岩发育。从20世纪50年代以来,我国开展了全国范围系统地质调查和矿产普查勘探,积累了丰富的资料,为页岩气远景区预测奠定了基础。国内学者根据沉积盆地的分布和沉积盆地内页岩的发育2项指标,预测了我国页岩气勘探的远景区段,包括我国南方、华北东北、西北及青藏等4大页岩气勘探远景区与及相关盆地,并指出了各远景区域页岩气勘探的重点层系[1~2、16]
2.3.2页岩气勘探有利聚集区段预测
    页岩气勘探的有利聚集区段的预测主要基于在页岩气勘探远景区段内聚集地质异常的研究。页岩气聚集地质异常主要指标是页岩厚度和总有机碳含量(TOC)。国内学者依据这2项指标,对南方页岩气勘探远景区段内的页岩气有利聚集区段进行预测[2、5~7、9、11、13~14]。在南方远景区的上扬子区预测了川南、黔北和湘鄂西3个筇竹寺组页岩气有利聚集地区L60;在上扬子地区东南部预测了泸州-宜宾-自贡地区,黔中麻江-瓮安,川东南的秀山、松桃,湘西吉首一带志留系页岩气有利聚集地区[7]
2.3.3页岩气勘探有利目标区段圈定
    页岩气勘探有利目标区段圈定即在页岩气勘探有利聚集区段内查明页岩气综合异常空间特征及分布。页岩气综合异常主要指标是气含量及其主控因素,气含量的主控因素主要包括温度、压力、孔隙度、页岩的黏土成分和湿度等。由于可直接获得的页岩气勘探有利目标区段地质异常指标数据是不连续的,因而在页岩气勘探有利目标区段圈定过程中,必须借助与页岩气综合地质异常密切相关的地球化学异常和地球物理异常。这是当前急需开展的工作。
2.3.4商业聚集区段圈定
    页岩气商业聚集区段圈定是在页岩气勘探有利目标区段内查明页岩气聚集商业地质异常空间特征和分布。页岩气聚集商业地质异常主要指标是页岩气储量、页岩的脆性及产能。页岩气聚集商业地质异常指标的门槛值是动态的,随着技术的进步,门槛值将有可能逐渐降低[40]
    页岩气商业聚集区段圈定是实现页岩气工业生产的前提。为实现我国能源资源的接替、确保我国能源资源安全,在我国广阔的页岩气勘探远景区段、众多页岩气有利聚集区段内尽快圈定页岩气勘探有利目标区段和商业聚集区段,是摆在能源资源勘探工作者和相关部门的迫切而重要任务。
3 结论
    1) 地质异常找矿理论是基于控矿因素(地质异常)的系统性、层次性、关联性和有序性创立的分层次查明致矿异常,分阶段进行矿产勘探的理论和方法。该理论为页岩气勘探提供了理论和方法指导。
    2) 页岩气地质异常指标序列可分为背景地质异常、页岩气聚集地质异常、页岩气综合异常和页岩气商业地质异常4级。这4级异常分别是页岩气勘探远景区预测、页岩气勘探的有利聚集区段的预测、页岩气勘探有利目标区段圈定和页岩气商业聚集区段圈定的依据。
    3) 目前,我国页岩气勘探的远景区已基本查明,页岩气勘探的有利聚集区段的预测也取得了丰硕成果,亟待加强页岩气勘探有利目标区段和商业聚集区段的圈定工作,以加快页岩气的开发利用步伐。
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(本文作者:李桂范 赵鹏大 中国地质大学 北京)