四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩

《四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩:从优质烃源岩到页岩气产层》可供石油地质？储层地质？油气成藏动力学？构造地质等研究方面的技术人员及大专院校师生参考？

《四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩:从优质烃源岩到页岩气产层》是系统研究四川盆地及周缘下古生界黑色页岩的形成？页岩气的保存和富集的专著,不仅全面分析了下古生界下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统—下志留统五峰组—龙马溪组黑色页岩的沉积富集？埋藏演化？有机质保存过程,页岩储层的储集物性？岩石力学特征,以及页岩含气性特征及其控制因素,辅以中国**个页岩气田焦石坝页岩气田进行勘探实例解析？在此基础上系统探讨四川盆地及周缘下古生界页岩气分布的独特地质作用,并充分正视现在依然存在的问题？

 

目录
第1章 美国页岩气(油)勘探开发的过去？现在和未来 1
1.1 早期浅层页岩气的利用 1
1.2 乔治？米歇尔和他公司的页岩气深井 2
1.3 美国致密油开发的进展 4
1.3.1 主要的致密油区块 5
1.3.2 致密油的生产 6
1.4 页岩区块的开发阶段和环境问题 7
1.5 联邦政府的资助 8
1.5.1 能源部国家能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory，NETL) 8
1.5.2 美国能源安全保障研究合作机构 10
附录:关于米歇尔公司和巴奈特页岩气开发的简单历史 12
第2章 页岩气资源勘探与选区地质评价 25
2.1 页岩气基本特征 25
2.1.1 页岩与页岩气 25
2.1.2 页岩气特征 25
2.2 页岩气勘探基本原理 26
2.2.1 勘探依据 26
2.2.2 页岩生排烃组合模式 27
2.3 页岩气勘探开发基本程序 29
2.4 页岩气选区地质评价方法 31
2.4.1 页岩层系的区域地质特征评价 31
2.4.2 页岩含油气系统评价 31
2.4.3 页岩气资源潜力评价 33
2.4.4 页岩气有利勘探区优选 35
2.5 选区评价关键参数与标准 36
2.5.1 储层有效厚度 37
2.5.2 有机质含量 37
2.5.3 成熟度 38
2.5.4 矿物组成与岩石力学性质 39
2.5.5 储层物性 39
2.5.6 储层压力 40
2.5.7 盖层与保存条件 41
第3章 四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩发育特征 42
3.1 下寒武统牛蹄塘组 42
3.1.1 地层特征 42
3.1.2 岩相特征 42
3.1.3 页岩岩相 51
3.1.4 无机地化特征 52
3.1.5 富有机质页岩(黑色页岩)发育模式 70
3.1.6 黑色页岩的富集条件 75
3.2 上奥陶统—下志留统五峰组—龙马溪组 76
3.2.1 地层特征 76
3.2.2 岩相特征 77
3.2.3 页岩岩相 81
3.2.4 无机地化特征 82
3.2.5 富有机质页岩(黑色页岩)发育模式 86
3.2.6 黑色页岩的富集条件 89
第4章 四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩典型剖面参数特征 94
4.1 下寒武统牛蹄塘组 94
4.1.1 金页1井 94
4.1.2 丹寨南皋剖面 121
4.1.3 雷波花生地—永善肖滩剖面 138
4.2 上奥陶统—下志留统五峰组—龙马溪组 151
4.2.1 习水骑龙村剖面 151
4.2.2 雷波磨石沟剖面 168
第5章 四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩参数展布特征 181
5.1 牛蹄塘组页岩参数展布特征 181
5.1.1 有机地化特征 181
5.1.2 储层特征 185
5.1.3 含气性特征 198
5.2 五峰组—龙马溪组页岩参数展布特征 199
5.2.1 有机地化特征 199
5.2.2 储层特征 203
5.2.3 含气性特征 219
第6章 四川盆地及周缘下古生界富有机质黑色页岩岩石物理参数特征 221
6.1 岩石力学研究现状 221
6.2 样品采集及实验方法 222
6.3 下寒武统牛蹄塘组岩石物理参数特征 224
6.3.1 贵州丹寨九门村牛蹄塘组泥岩 225
6.3.2 贵州麻江羊跳牛蹄塘组泥质粉砂岩 229
6.3.3 金页1井牛蹄塘组泥岩 230
6.3.4 金石1井九老洞组砂岩 232
6.3.5 三轴压缩条件下各种岩石力学参数间的关系 232
6.4 上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组岩石物理参数特征 235
6.4.1 湖北恩施金龙坝龙含宝五峰组泥岩 235
6.4.2 重庆秀山溶溪龙马溪组泥质粉砂岩 240
6.4.3 重庆綦江观音桥观音桥段泥质白云岩 242
6.4.4 重庆綦江观音桥龙马溪组泥质白云岩 243
6.4.5 贵州习水骑龙村龙马溪组泥岩 244
6.4.6 三轴压缩条件下各种岩石力学参数间的关系 245
6.5 下古生界岩石物理参数比较性研究 248
6.5.1 影响岩石物理参数的因素 248
6.5.2 不同层位岩石力学特征对比分析 250
6.5.3 不同类型岩石物理参数实验对比分析 251
6.5.4 脆性矿物组成与岩石力学性质的关系 254
6.5.5 裂缝发育体系特征 255
6.5.6 地应力与裂缝 264
6.5.7 与北美典型泥页岩岩石物理参数综合对比分析 264
第7章 涪陵五峰组—龙马溪组页岩气田勘探实践 268
7.1 勘探历程与焦页1井的钻探 269
7.1.1 勘探历程 269
7.1.2 焦页1(HF)井简况 270
7.2 涪陵五峰组—龙马溪组页岩气田基本地质特征 274
7.2.1 构造特征 274
7.2.2 沉积特征 276
7.2.3 有机地化特征 278
7.2.4 页岩气层储集特征 280
7.2.5 页岩气层含气性评价 286
7.2.6 页岩矿物组成 286
7.2.7 页岩气组分特征 291
7.3 页岩气富集高产主控因素与勘探启示 292
7.3.1 页岩气富集高产主控因素 292
7.3.2 勘探启示 294
第8章 四川盆地及周缘下古生界页岩气形成分布的独特地质作用 297
8.1 四川盆地及周缘下古生界页岩深埋藏？强隆升？强剥蚀？强变形作用 298
8.1.1 四川盆地及周缘晚中—新生代强隆升剥蚀作用 298
8.1.2 四川盆地及周缘下古生界页岩的深埋藏作用 300
8.1.3 四川盆地及周缘的强变形作用 303
8.2 四川盆地及周缘下古生界页岩深埋藏和强改造过程的典型效应 304
8.2.1 下古生界页岩深埋藏与高演化作用 304
8.2.2 强隆升？强剥蚀和强变形作用致使页岩(气)的强改造作用 306
8.3 讨论 308
8.3.1 页岩气保存条件研究探讨 308
8.3.2 四川盆地及周缘差异性埋深-隆升剥蚀-变形作用与页岩气富集特征 310
参考文献 312
索引 333
本专著研究过程中完成的硕士？博士学位论文和发表的学术论文 334

第1章 美国页岩气(油)勘探开发的过去？现在和未来
页岩气是指形成并储集在页岩建造中的天然气？由于页岩建造的致密性，页岩气原本被认为是不具有经济的可采价值，直到1997年米歇尔能源公司利用清砂压裂的创新工艺，并整合了多种技术和方法，使得页岩气开采成本下降了近2/3，在2000年首次实现了页岩气的商业化开采？从那时起，页岩气成为美国增速*快的初级能源，从而也激发了其他国家对页岩气开发的意愿？预计到2020年，北美天然气产量的一半将来源于页岩气(IEA，2011)？
本章我们将回顾美国页岩气开发历史，尤其是介绍作为“页岩气水力压裂之父”的乔治？米歇尔和他的米歇尔能源公司，该公司自1981年在沃斯堡盆地的巴奈特(Barnett)页岩上打**口初探井(C. W. Slay No. 1)开始，经过挫折和不断地探索，终于在近20年后取得了页岩气的商业化开采？在本章附录中，我们将较为详细地介绍**口初探井和沃斯堡盆地巴奈特页岩的开发历史，从中了解当时的米歇尔能源公司所走过的曲折道路，以及在乔治？米歇尔领导下坚持探索，基于几个关键时刻的正确决策，终于使公司在页岩气商业开采方面取得成功？
但是页岩气的增产使美国的天然气量过剩，自2007年左右开始气价持续低迷，低于页岩气开采所需要的成本价？美国油气钻探公司受几十年中**天然气价的影响，已经在2008年转移到相似页岩储层(富油区块)中的致密油开采，其致密油的生产量已经从2004年几乎为零，而增长到2012年的每天100多万桶(Hughes，2013)？因而我们也将介绍目前致密油开发研究工作的重点，这主要从美国能源部的课题支持方向上来说明？总之，本章主要目的是，简述美国(北美)页岩油气勘探开发的历程？现状和未来走势，总结其成功经验和应吸取的教训，由此期望对中国页岩气的勘探开发提供借鉴？
1.1 早期浅层页岩气的利用
关于阿巴拉契亚盆地黑色泥页岩的说法，早在1627~1669年间，就有法国开拓者和传教士的描述？在殖民时期，气体和原油在不少采盐井中被发现？1816年因为在巴尔的摩市正式成立的煤制气公司，而开始了天然气生产工业(Curtis，2002)？**口专门用于开采并商业化应用页岩气的钻井，据Harper(2008)的报道是于1821年在北美大陆的泥盆纪页岩中开始的？当时，纽约州弗雷多尼尔镇的居民注意到了从Canadaway(加拿大路)小溪河床中向上冒泡的气体，有一个叫威廉？哈特的人，有远见性地用竹筒挖了口井来采集气体，并用于镇上的照明？这比德雷克上校在宾夕法尼亚州泰特斯维尔镇的小油溪上所钻的著名油井早将近40年？弗雷多尼尔的页岩气井只有27ft 深(约9m)，但它产生了足够的气来提供相当于“两支好蜡烛”的光亮强度(Harper，2008)？到1825年，该井给两个商店？两个仓库和一个磨粉房供气，用空心的树干来作为输气管道，树干用沥青和破布相联结？在1850年，此井被加深到了70ft，并产生足够的气用于200个照明灯？到了1858年，第二口页岩井开挖到200多英尺，这个井产气持续了30~35年？
据位于纽约州立大学弗雷多尼尔分校的地质学教师，在2014年召开的美国石油地质学家协会的年会上的**报道(Lash and Lash，2014)，他们的多年研究结果表明，起始于弗雷多尼尔镇的**口页岩气商业化井，是挖在加拿大路小溪的河床边，但很可能是发生在1825年的晚春与早夏之际，而不是经常被引用的1821年，该井由枪匠威廉？亚伦？哈特所挖掘？据当时的弗雷多尼尔镇《审查报》报道，该洞在片岩中挖到27ft深？到了1825年8月，生产的天然气被接收到了一个粗糙的储气器，用于小溪边的几家商店和一个磨粉房的照明？在哈特井产量下降后，普雷斯顿？巴尔莫说服了几个商人，来投资新成立的煤气灯和水厂？巴尔莫出生于附近的雷斯特维尔镇，他在1847年8月到1851年的春季，在弗雷多尼尔学院学习过，该学院是纽约州立大学弗雷多尼尔分校的前身，他还是哈特的姻亲？在1857年晚夏，时年26岁的巴尔莫在加拿大路小溪边，距哈特井北边不到1mi 的地方，又挖了两口井？因为不满意其中一口井的产气量，巴尔莫似乎懂得裂缝对页岩中气体传输的重要性，他决定用人工产生裂缝的方法来增产，在122ft深的地方点燃了8lb 火药，据当时弗雷多尼尔《审查报》的报道:“随之而来的是大量的气体”？也就是说，作为**个有史载的石油工程学家，巴尔莫首次成功地压裂增产了一口页岩井，并用铅管把气从井口输到位于镇中心的一个有八个面的储气房子？到1858年12月，镇中心安装了很多燃气灯，巴尔莫还承包了镇里安装市中心街头气灯杆的工程？随后，页岩气的使用被打表，在当时的价格高达1000ft3/4美元？但由于酗酒，巴尔莫仅活到30岁就去世了？只是直到*近，人们才认识到他应用了初期页岩气开发的先进科学和工程理念？
1.2 乔治？米歇尔和他公司的页岩气深井
乔治？米歇尔(1919~2013年)出生在得克萨斯州的加尔维斯顿市，他是一个移民到美国的希腊牧羊人的儿子？他在1940年以班级**名的成绩，毕业于得克萨斯州农工大学的石油工程专业，为了完成学业，他在学生食堂中做过服务生，卖过糖果，并打造过书柜出售？在1946年，他创办了一家从事石油钻探的咨询公司，即米歇尔能源开发公司(Mitchell Energy & Development Corp.)的前身？他与他的钻井**人埃利森？迈尔斯(Ellison Miles)是在得克萨斯州农工大学期间认识的，还有一位是从得克萨斯州大学毕业的咨询地质家约翰？杰克逊(John Jackson)？除此之外，他还与很多投资者接触，后来这些投资者帮助他们进入了沃斯堡盆地的油气田，在沃斯堡市的北面购买了3000英亩(1英亩约等于4047m2;一亩等于667m2)的租用权，当时那里被认为是“投机分子的墓地”？
到1964年底，他们的公司拥有了超过1000口生产油井？虽然公司的运营状况相当不错，但作为自己的石油公司的负责人，米歇尔看到自己的油井在一段短暂的生产期后，因为产量下降停产，而不满意？在20世纪80年代，他决定尝试一项重大的技术挑战，即试图从巴奈特页岩中开发页岩气？巴奈特页岩位于得克萨斯州沃斯堡盆地6500~9600ft的深部，位于得克萨斯州中北部的15个县境内？米歇尔和他的公司经过近20年的挫折和不断探索，终于取得了页岩气的商业化开采？他的公司在1972年上市，米歇尔占有70%的股份？在页岩气开采成功后，公司以35亿美元的价格与戴文能源公司于2002年1月合并？米歇尔和他的夫人辛西娅共有十个孩子，夫妻俩以将近二百万股的公司股票，成立了一个慈善基金会，还另外为这个基金会捐赠了二亿六千万美元？在米歇尔家族三代人的负责下，他们的慈善基金会已经提供了六千二百万美元的资助，绝大多数经费用于资助科学和环境持续性(包括清洁能源？水和天然气持久性)？对他的母校得克萨斯州农工大学，米歇尔共捐赠了将近价值一亿美元的地产和现金？在2011年，米歇尔参与了由沃伦？巴非特和比尔？盖茨夫妇倡导的“赠与誓言”，把大部分财富捐赠给慈善机构？
作为页岩气水力压裂之父，米歇尔有很强的商业头脑，更重要的是，他的成功是智慧？乐观和持之以恒的*好证明？在近20年的挫折和渐进式的水力压裂技术的改进过程中，需要重点提到下面几个重要事件和当时米歇尔公司所做的正确决策？①米歇尔公司于1953年就开始和天然气管道公司(Natural Gas Pipeline Company of America，NGPL)商谈，这个天然气管道公司是输送天然气到高需求的芝加哥市场的**公司，它也是美国**的州际管道公司之一？米歇尔公司在1955年与天然气管道公司签订了北得克萨斯州地区的20年**，在当时比当地的市场进气价要高，同时天然气管道公司同意向米歇尔公司贷款，用于勘探计划来了解该地区的储气量？**还要求米歇尔公司提供符合管道质量的气，这使得他的公司在北得克萨斯州开发之初，就能够进入气体处理市场？米歇尔公司在1957年12月17日开始正式向天然气管道公司输送燃气，一直到1995年5月？这个**在地区输气和价格方面的保证对米歇尔公司在巴奈特页岩的开发和扩大生产至关重要？②在1964年，米歇尔花了625万美元购买了休斯顿北部距离市中心约30mi的一块林地，共5万英亩用于将来房地产的开发？作为这个新的规划社区的开发者，他雇佣了专门的设计师来统筹设计这个新社区，本着保护树林和环境？减少洪涝等的主旨思想，以创造一个愉快的都市生活环境？该地在1974年下半年正式开始建设，名字叫“林地”(The Woodlands)？1997年米歇尔公司以四亿六千万美金的净收入价格出售了这个不动产，其中两亿美金用于偿还页岩气债款，至此公司已经在巴奈特页岩的开发上投资了大约两亿六千万美金？这个城市目前有近十万居民，每年召开不少的油气会议，比如在每年度2月左右召开的水力压裂技术会议？③由于1986年油价的暴跌，米歇尔公司在1987~1990年开始考虑与GRI(Gas Research Institute，天然气研究所)接触，以获得资金和技术的注入？从1990年开始的双方合作，导致了以后十年一系列的合作计划，包括油藏和生产的模拟？油藏的表征？产生裂缝的分析和设计？岩石性质和含气量的分析？天然的和人为的裂缝走向？对页岩开采中水平钻井的应用和生产井的再压裂？这些都对巴奈特页岩的开发过程有很大帮助？例如，1995年由GRI资助的桑迪亚实验室研发的微地震裂隙绘图技术，就被应用在巴奈特页岩的开采中？
由于米歇尔的开拓精神，在他的生涯中共参与了约一万口井的钻探，其中有超过一千口的初探井？作为独立生产商，米歇尔公司大约有两千名雇员，他们的成功很好地说明了美国页岩油气开采的商业模式？即由小型的独立生产商开展前期的勘探开发工作，它们经营方式灵活，敢于创新？挑战旧思维并接受新方法，成功之后由大型公司购买，大公司有一个成熟的经营模式，可以开展大规模的开发和生产？
美国独立石油协会(The Independent Petroleum Association of America，IPAA)代表了超过八千多家独立生产商公司的会员(包括戴文能源？先锋自然资源？阿帕奇)？根据美国国税局中613A(d)的定义条款，独立生产商公司在一年中的油气零售额不超过五百万美元，或年提炼不高于平均每天七万五千桶的原油？信息处理服务公司(IHS)，作为一个在30多个国家和地区拥有超过5500名员工的全球性信息公司，在2010年所做的一个调查表明:独立生产商开发了美国95%的油气井，生产了美国50%的油和85%的天然气？独立生产商公司充分发挥其强项来开采或生产油气，与大型的油气公司竞争，它们可能有全球性的服务范围，雇员由几十到几千不等？
同时要说明的是，美国页岩气的开发，主要是米歇尔和其他油气私营公司的不懈努力，同时也有美国联邦政府和燃气工业界的资金投入？起始于20世纪70年代中期的能源危机，美国能源部于1977年成立，使联邦政府对能源方面的机构能够组合在一个架框下？美国联邦政府的投入，包括了美国能源部从l976年到1992年的“东部气田计划”(Eastern Gas Shales Project)？此计划起源于1973年的能源危机，由于能源的短缺和天然气价格的大幅上涨，促使美国能源部资助了覆盖多个州的合作计划，来研究美国东部泥盆纪的阿巴拉契亚盆地页岩？在长达16年的历史上，这个计划总共投资了大约920万美元，收集了东部页岩的覆盖范围？层次？岩石性质(后来被米歇尔公司开发巴奈特页岩时用到)等基本情况，并绘制了横断面地质图，也涉及了新的钻井促进和采收技术的研发和示范计划，这些投资*终产生水平井技术？微地震成像以及大型的水力压裂技术？终于在2000年，应用这些技术的集成以及清砂压裂，米歇尔公司实现了页岩气的商业化生产？另外，美国能源部在1991年，还直接补助了米歇尔公司在北得克萨斯州页岩上的**口水平井(T. P. Sims B No. 1)？
针对当时联邦政府对天然气研发方面的投资，燃气工业