張　健, 劉樹根, 冉　波, 葉玥豪, 王自劍, 邱嘉文

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059;

2.國土資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

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異 常 高 壓 與 頁 巖 氣 保 存

張健1, 劉樹根1, 冉波2, 葉玥豪1, 王自劍1, 邱嘉文1

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059;

2.國土資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

[摘要]頁巖氣的高產(chǎn)層往往都具有較高的壓力系數(shù)。為探討頁巖異常高壓與頁巖氣保存的關(guān)系，通過研究常規(guī)與非常規(guī)儲(chǔ)層異常高壓的形成機(jī)制與破壞機(jī)制，并以四川盆地JY-1井五峰-龍馬溪組為例，從沉積、成巖、埋深、抬升不同階段解析異常高壓的形成與破壞；并與美國Barnett頁巖及中國相關(guān)井對(duì)比分析其TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)>2%的有效厚度、成熟度、脆性礦物等，結(jié)果表明：(1)沉積大量有機(jī)質(zhì)是頁巖氣形成異常高壓的前提，這些有機(jī)質(zhì)隨埋深增加生烴排氣體積增大，而頁巖又具有自封閉性，這使得頁巖異常高壓的形成具有必然性；(2)頁巖氣的自封閉性使得常規(guī)破壞異常高壓的機(jī)制并不會(huì)對(duì)其形成致命影響，但也有一些宏觀因素會(huì)導(dǎo)致其逐漸破壞，如強(qiáng)烈隆升、斷層過度發(fā)育、頂?shù)装宀畹龋?3)埋藏與抬升過程中，流體壓力變化導(dǎo)致的沿應(yīng)力面的破裂會(huì)使流體逸散并加大宏觀破壞因素的影響。高產(chǎn)頁巖氣層是由大構(gòu)造背景與沉積環(huán)境共同控制，而相控起到?jīng)Q定性的作用。

[關(guān)鍵詞]異常高壓；形成機(jī)理；保存機(jī)制；頁巖氣

關(guān)于頁巖異常高壓的主要產(chǎn)生機(jī)理在國際上存在多種觀點(diǎn)。其中一部分學(xué)者認(rèn)為成巖作用是頁巖形成異常高壓的重要因素，如：Bolas等研究英國北海地區(qū)頁巖高壓成因時(shí)認(rèn)為壓實(shí)成巖作用是主要成因[1]。有些學(xué)者認(rèn)為生烴排氣是頁巖形成異常高壓的重要因素，如：Zumberge等認(rèn)為Barnett高演化地區(qū)，異丁烷向正丁烷轉(zhuǎn)化速率的衰減顯示濕氣開始裂解使相同孔隙空間有了更多的氣體分子產(chǎn)生異常高壓[2]。Hunt等認(rèn)為油氣的生成會(huì)使孔隙流體增多，最終在小型封閉系統(tǒng)形成高壓[3]。有些學(xué)者認(rèn)為頁巖內(nèi)部孔隙與其異常高壓無關(guān)，如：Bolas等在研究英國北海和Halten Banken頁巖時(shí)認(rèn)為頁巖異常高壓與孔隙度沒有太多聯(lián)系[4]；Ian Lerche和Zhihuai Yu總結(jié)認(rèn)為頁巖異常高壓的有關(guān)原因有：沉積相類型、沉積速率、流體的熱膨脹、黏土礦物轉(zhuǎn)化、生烴，其中主要因素是沉積相和沉積速率[5]。

國內(nèi)針對(duì)頁巖氣異常高壓的形成與破壞機(jī)制的研究相對(duì)較薄弱，只針對(duì)部分區(qū)塊有較深入的研究，但不夠系統(tǒng)。四川盆地焦石壩地區(qū)頁巖氣井的異常高壓對(duì)于天然氣產(chǎn)量的重要性已經(jīng)被逐漸認(rèn)可[6-8]。針對(duì)該區(qū)塊，郭旭升認(rèn)為孔隙度和地層壓力共同決定頁巖氣富集程度和總資源量的大小[9]；胡東風(fēng)等認(rèn)為地層壓力系數(shù)對(duì)頁巖氣的保存條件具有良好的指示作用[10]。這些研究已經(jīng)比較深入，但系統(tǒng)性不足。

本文針對(duì)資料較全面的JY-1井，從沉積、成巖、埋藏、隆升幾個(gè)階段系統(tǒng)剖析頁巖氣異常高壓成因機(jī)制，并針對(duì)不同地質(zhì)背景下頁巖異常高壓的特殊性，挑選國內(nèi)外的標(biāo)志性頁巖氣井進(jìn)行對(duì)比分析論證，剖析頁巖氣異常高壓主要成因機(jī)制及破壞因素，供頁巖氣的勘探開發(fā)時(shí)參考。

1常規(guī)儲(chǔ)層異常高壓

近年來油氣藏異常高壓越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，這不僅僅是因?yàn)樗c油氣高產(chǎn)緊密聯(lián)系，它自身的復(fù)雜性與神秘性也獨(dú)具魅力。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層異常高壓的研究已經(jīng)比較深入，并對(duì)異常高壓的形成機(jī)制進(jìn)行了較全面總結(jié)(表1)，主要有：不均衡壓實(shí)、構(gòu)造作用、水熱增壓作用、礦物轉(zhuǎn)換、生烴作用、液態(tài)烴類的熱裂解作用、濃度差逸散作用、水頭和浮力[11-18]。不同地區(qū)不同地層起主導(dǎo)作用的機(jī)制不同，而且往往不是某一種機(jī)制在影響，而是多種機(jī)制共同作用。例如，在地層埋深持續(xù)增加的過程中，地溫會(huì)不斷地升高，這會(huì)導(dǎo)致巖石礦物的轉(zhuǎn)化，例如黏土礦物的脫水，同時(shí)也會(huì)伴隨有機(jī)質(zhì)的熱解，這都會(huì)一定程度上引起異常高壓的產(chǎn)生。因此，不同機(jī)制間的相互影響，以及其對(duì)油氣藏形成與保存的影響也是以后值得研究的課題。

2頁巖氣異常高壓的形成機(jī)制

頁巖氣作為一種非常規(guī)氣，其富集機(jī)理不同于常規(guī)氣藏的生烴-排烴-運(yùn)移-成藏，頁巖氣絕大數(shù)都是自生自儲(chǔ)、連續(xù)聚集，其異常高壓的形成也具有特殊性(表2)。

頁巖氣產(chǎn)層從沉積埋藏開始就進(jìn)入了異常高壓的形成過程(圖1-A)。

沉積：頁巖氣的形成要求頁巖在沉積時(shí)有巨量的有機(jī)質(zhì)聚集，這是頁巖氣富集和后期熱演化形成高壓的前提，也是大多數(shù)頁巖氣都是原地成藏的原因之一[19]。同時(shí),沉積初期的成巖作用尤其是差異壓實(shí)作用(快速沉積為前提的)也會(huì)形成異常高壓。

成巖：隨著埋藏達(dá)到相應(yīng)的深度，頁巖中的一據(jù)Chilingar等(2002)、王江濤等(2014)、褚慶忠等(2001)補(bǔ)充。

表1　常規(guī)儲(chǔ)層油氣產(chǎn)生異常高壓的機(jī)制原理

表2　常規(guī)與非常規(guī)油氣異常高壓不同階段形成機(jī)制對(duì)比

據(jù)張金川等(2004)、涂乙等(2014)、Chilingar等(2002)補(bǔ)充。

圖1　多旋回盆地海相頁巖異常高壓形成機(jī)制簡圖Fig.1　Formation mechanism of abnormal pressure of polycyclic basin marine shale (據(jù)付廣等(2006)、郭旭升(2014)、Hao等(2013)、Charles(1986)修改[20-23])

圖2　頁巖及常規(guī)儲(chǔ)層封閉性對(duì)比圖Fig.2　Contrast of shale sealing and conventional reservoir(A)頁巖儲(chǔ)層，斷層穿過該地層只對(duì)附近儲(chǔ)層造成破壞，紅點(diǎn)代表孔隙等儲(chǔ)集空間; (B)常規(guī)儲(chǔ)層，斷層對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層的破壞是致命的，紅色條帶代表連通的孔隙等儲(chǔ)集空間; (C)頁巖的微觀放大，包括基質(zhì)、石英、黏土等，紅點(diǎn)代表孔隙等儲(chǔ)集空間，相對(duì)比較孤立; (D)頁巖破裂方式可沿應(yīng)力面①和③(主)，也可穿過應(yīng)力面②

些礦物轉(zhuǎn)化也會(huì)對(duì)異常高壓的形成起到推進(jìn)作用，比如黏土礦物中的蒙脫石脫水作用會(huì)使孔隙流體增多，促進(jìn)高壓形成[13]。而泥頁巖往往具有較高的黏土礦物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%~50%[19])，黏土礦物在脫水后的增壓是頁巖異常高壓的重要組成。成巖作用也會(huì)影響巖石在相同溫壓條件下的塑性條件及脆延轉(zhuǎn)變，而較好的巖石塑性有利于頁巖異常高壓的形成與保存。

埋藏：頁巖具有自封閉性[10,24-26]，這種自封閉類似于泥頁巖蓋層的封閉作用，這使得其內(nèi)部流體很難排出。如圖2-A，DY-1井龍馬溪組為黑色頁巖，頁巖內(nèi)部孔隙較為孤立(圖2-C)，彼此不連通、滲透率極差。當(dāng)斷層錯(cuò)斷該地層時(shí)會(huì)沿?cái)鄬訋е車纬梢幌盗辛芽p，使該區(qū)域附近的頁巖氣沿裂縫流失；但連通性差使得較遠(yuǎn)區(qū)域的頁巖氣不會(huì)通過長距離運(yùn)移到達(dá)斷層流失，因此只有斷層附近被破壞，且距斷層越遠(yuǎn)保存越好。此外，即使是靠近斷層附近的裂縫在氣體逸散到一定程度，縫內(nèi)壓力不足以支撐上覆地層時(shí)也會(huì)閉合，停止頁巖氣的逸散，這也是頁巖自封閉性的重要組成部分(其詳細(xì)機(jī)理下文將詳細(xì)論述)。而常規(guī)儲(chǔ)層(圖2-B)和頁巖不同，孔隙間連通性較好，滲透率較高。斷層切穿會(huì)使地層內(nèi)氣體大量流失，且因連通性好遠(yuǎn)處氣體可以通過長距離運(yùn)移到達(dá)斷層，使儲(chǔ)層完全破壞?；谠撎匦?，頁巖隨埋深增加生烴排氣過程(圖1-A)會(huì)生成大量流體，而頁巖內(nèi)部孔隙空間極其有限，流體難以排出而形成超壓，這是頁巖氣必然形成異常高壓的原因。即便這種高壓會(huì)使內(nèi)部沿應(yīng)力面破裂成縫，但這種裂縫往往難以持續(xù)開啟釋壓。

抬升：干酪根在經(jīng)歷分解大量生成油-濕氣-干氣過程后，孔隙內(nèi)積聚了大量的流體，地層隆升導(dǎo)致壓力降低，流體膨脹形成相對(duì)超壓。值得一提的是，構(gòu)造隆升過程若有橫向的擠壓，也會(huì)使孔隙內(nèi)流體形成高壓[23]。

此外，頁巖氣的賦存狀態(tài)也與高壓密切相關(guān)(包括形成與賦存)。據(jù)Fang Hao等對(duì)頁巖氣吸附機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)(圖1-B)：(1)頁巖氣在地下埋藏時(shí)賦存狀態(tài)主要受壓力和溫度的影響，當(dāng)埋藏較深時(shí)壓力主導(dǎo)，溫度次之，因深處壓力大所以吸附氣多，游離氣少。(2)地層逐漸抬升，壓力減小，吸附氣減少，游離氣開始增多。(3)但當(dāng)抬升至某一深度時(shí)溫度開始起主導(dǎo)作用，壓力的減小因溫度的降低不再使游離氣增加而開始減少[22]。

因此, 頁巖埋藏較淺時(shí)，溫度對(duì)氣體吸附起主要控制作用，地溫相對(duì)低，吸附氣多游離氣少，所以壓力系數(shù)低；埋藏較深時(shí)壓力起主要控制作用，壓力大吸附氣多，游離氣少，但是地溫較高氣體分子運(yùn)動(dòng)劇烈，壓力高，故壓力系數(shù)高。整體隨埋深增加壓力增大吸附氣量增加，地層抬升頁巖吸附能力因地溫下降而增強(qiáng)，但吸附量并不高。因此，構(gòu)造抬升從頁巖氣賦存狀態(tài)角度分析，會(huì)一定程度上削弱異常高壓。此外，構(gòu)造抬升還會(huì)造成有機(jī)質(zhì)演化的減慢甚至停止，影響流體供應(yīng)。由此不難看出，構(gòu)造作用(抬升)是影響頁巖異常高壓保存的重要機(jī)制。

綜合研究表明，頁巖氣異常高壓的形成過程主要包括：(1)前提——快速沉積含大量有機(jī)質(zhì)的沉積物；(2)主要誘因——頁巖中有機(jī)質(zhì)演化并生烴排氣；(3)埋藏過程中，礦物轉(zhuǎn)化(尤其黏土礦物蒙脫石的脫水作用)具有重要貢獻(xiàn)；(4)抬升泄壓過程，氣體的膨脹會(huì)形成相對(duì)高壓；(5)抬升過程中，若有橫向的擠壓亦會(huì)形成異常高壓。此外，頁巖異常高壓與斷層、巖層的滲透率以及巖石的塑性等密切相關(guān)。

3頁巖異常高壓的破壞機(jī)制

對(duì)常規(guī)油氣藏保存起破壞作用的一些因素，如構(gòu)造作用中的刺穿，過度抬升造成的剝蝕、暴露等，大多會(huì)對(duì)常規(guī)異常高壓產(chǎn)生破壞，且破壞是毀滅性的。而常規(guī)的這些因素，例如斷層的破壞等構(gòu)造作用對(duì)頁巖異常高壓的影響不是毀滅性的，這和泥頁巖的自封閉性密切相關(guān)。但是，若頁巖產(chǎn)層被斷層穿過或一端暴露在地表，而頁巖排烴生氣或擠壓產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)又與暴露處連通，則會(huì)造成氣體的逸失, 導(dǎo)致異常高壓的破壞；同時(shí)，靠近剝蝕線時(shí)液態(tài)烴與氣都會(huì)因?yàn)闈舛炔睿笠?guī)模逸散、滲透而逃逸，導(dǎo)致頁巖氣異常高壓的破壞[9]。Lerche和 Yu就認(rèn)為若頁巖上覆有鹽席(膏巖層)對(duì)頁巖異常高壓具有保護(hù)作用[5]。此外Jack等認(rèn)為構(gòu)造樣式中的褶皺、斷層會(huì)影響頁巖氣的運(yùn)移方向及開發(fā)[27]。頁巖異常高壓的保存與泥頁巖蓋層的封閉性也有一定的相似性，羅曉容在“首屆海相層系油氣蓋層與保存條件學(xué)術(shù)研討會(huì)”上提出：泥質(zhì)巖中超壓的形成與消散取決于增壓作用與流體滲流速度間的消長關(guān)系，從超壓產(chǎn)生開始，超壓的消散就在發(fā)生，不同的增壓作用機(jī)制同時(shí)作用，其增壓效果是疊加的。斷裂-裂縫往往造成泥巖層宏觀封閉條件的失效，但不會(huì)對(duì)異常高壓造成決定性影響。泥質(zhì)巖中超壓的消散機(jī)制包括：(1)滲流消散；(2)剝蝕抬升。

圖3　頁巖異常高壓破壞模式圖Fig.3　Shale reservoir damage model of abnormal pressure(據(jù)郭旭升(2014)修改)

關(guān)于頁巖氣異常高壓的破壞機(jī)制，郭旭升(2014)總結(jié)如下[21](圖3)：(1)抬升過度露出地表或一端露出地表，經(jīng)過長時(shí)間的散失也會(huì)使異常高壓破壞(圖3中①和②)。(2)不具良好的頂?shù)装寤蛞欢思鉁缛笔В瑑?nèi)部微裂縫發(fā)育或斷層發(fā)育，在漫長的地質(zhì)歷史過程中，不間斷的散失使異常高壓破壞(圖3中③和④)。(3)頂?shù)装辶己?，但斷層過于發(fā)育。盡管斷裂-裂縫的形成和活動(dòng)對(duì)泥巖層中壓力異常的影響較小，但頁巖氣長時(shí)間的持續(xù)散失使異常高壓破壞(圖3中⑤)。(4)構(gòu)造抬升會(huì)導(dǎo)致生烴和產(chǎn)氣的減弱甚至停滯，同時(shí)已富集氣體會(huì)沿抬升過程中產(chǎn)生的破裂散失，導(dǎo)致異常高壓的破壞。然而，上述這些均是較為宏觀的因素，考慮到頁巖的自封閉性，其所影響的范圍到底有多大，頁巖氣逸散的途徑具體是怎樣的呢？在了解頁巖氣運(yùn)移機(jī)制的基礎(chǔ)上[28]，對(duì)其水平方向上運(yùn)移的研究就關(guān)系到以上因素到底有多大的影響。Sales提出隨著埋深增加及油氣充注等原因，流體壓力會(huì)偏離其壓力梯度達(dá)到破裂梯度，此時(shí)頁巖內(nèi)沿應(yīng)力面會(huì)形成破裂縫，壓力通過破裂縫得到釋放后，破裂縫閉合[29]。國內(nèi)李雙建、周雁、金之鈞等對(duì)此也有研究，并認(rèn)為國內(nèi)頁巖氣田多為過成熟，可以達(dá)到破裂壓力[30,31]。如圖1-C所示，隨埋深增加，油氣中的大分子不斷裂解，會(huì)使流體壓力劇增形成異常高壓，并逐漸達(dá)到破裂壓力使頁巖層內(nèi)產(chǎn)生沿應(yīng)力面的破裂縫(圖2-D中①、③)，且也會(huì)形成一些垂向的破裂縫，溝通上下層間的氣體(圖2-D中②)。原孔隙內(nèi)的流體沿破裂縫逸散使得壓力降低后破裂縫閉合。隨著埋深繼續(xù)增大，大分子烴繼續(xù)裂解，油氣得到補(bǔ)充，破裂縫不斷開啟閉合，流體及壓力得以向更大空間逸散。上述的應(yīng)力面包含廣泛，包括巖性變化界面、紋層接觸界面等。

地層持續(xù)抬升則經(jīng)歷了一個(gè)類似的過程(圖1-D)。地層抬升導(dǎo)致流體膨脹以及圍巖壓力降低，使得圍巖不足以封閉流體，流體此時(shí)會(huì)沿應(yīng)力面破裂產(chǎn)生的破裂縫泄漏，之后流體壓力降低導(dǎo)致破裂縫閉合。與埋藏過程不同的是，抬升過程中沒有油氣的持續(xù)充注，沿應(yīng)力面的破裂是通過抬升過程中流體的不斷膨脹以及圍巖壓力的不斷卸載形成的壓力差來實(shí)現(xiàn)的。隨著地層不斷抬升，破裂不斷開啟、閉合，頁巖氣也由小區(qū)域聚集不斷向大范圍滲透，達(dá)到一種稀釋的效果。

由于有油氣的持續(xù)生成，埋藏過程的破裂實(shí)現(xiàn)了油氣的大范圍聚集；而抬升過程的破裂滲透則使得定量的油氣在更大空間展布，這對(duì)于頁巖氣的生產(chǎn)是很不利的。如果在這個(gè)頁巖氣不斷逸散的過程中破裂與宏觀因素疊加則會(huì)加速頁巖氣的逸散和壓力的釋放，例如：當(dāng)微破裂可以與斷層連接，微破裂傳遞來的頁巖氣和壓力會(huì)瞬間卸掉，不會(huì)達(dá)到壓力平衡，只要埋深增加或抬升使得破裂開啟頁巖氣便會(huì)散失(圖1-C、D)。整個(gè)過程其實(shí)是有機(jī)質(zhì)由小范圍到大范圍的一個(gè)逸散，在有機(jī)質(zhì)演化達(dá)到工業(yè)要求后逸散的進(jìn)程每深入一步，頁巖氣無論在產(chǎn)能還是開采難度上都會(huì)大幅度增加，且任何有可能加劇該進(jìn)程的因素都對(duì)頁巖氣異常高壓的破壞起促進(jìn)作用。

4國內(nèi)外頁巖異常高壓對(duì)比分析

前文討論過頁巖氣產(chǎn)生異常高壓的必然性，國內(nèi)外的很多異常高壓氣田都可以用來論證此觀點(diǎn)；且頁巖氣的壓力系數(shù)與產(chǎn)量往往具有較好的正相關(guān)性[35-38](圖4)，因此評(píng)判一口頁巖氣井的好壞，壓力系數(shù)是個(gè)重要的參考指標(biāo)。但據(jù)前人統(tǒng)計(jì)，美國部分頁巖氣壓力系數(shù)，如Fortworth、Appalachian等盆地的頁巖氣層的地層壓力系數(shù)均在低-常壓范圍[32-34]，且國內(nèi)也存在很多低壓井，這些低壓井的存在說明這些井頁巖氣的異常高壓已經(jīng)被破壞。

圖4　國內(nèi)外部分頁巖氣層壓力系數(shù)與產(chǎn)量(流水生產(chǎn))擬合關(guān)系圖Fig.4　The pressure coefficient and production (current) fitting diagram of some shale reservoirs at home and abroad據(jù)朱彤等(2014)、涂乙等(2014)、劉慧芳等(2012)、Hughes(2014)、EIA(2015)

4.1“低壓”高產(chǎn)與高壓高產(chǎn)的對(duì)比

Bowker針對(duì)Fortworth盆地的Barnett頁巖做了以下研究：首先肯定有機(jī)質(zhì)演化階段必定形成高壓——在Newark東部的Barnett地溫為82℃，剛好進(jìn)入生油窗，平均TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)高達(dá)4.5%，有機(jī)質(zhì)很豐富，有機(jī)質(zhì)演化形成高壓。然后，以Barnett核心產(chǎn)區(qū)的幾口高產(chǎn)井的水平井壓力測(cè)試結(jié)果表明Barnett頁巖具異常高壓。受構(gòu)造抬升作用影響造成部分地區(qū)的Barnett地層現(xiàn)今的異常高壓消失，導(dǎo)致產(chǎn)自Barnett地層的氣如今運(yùn)移到了盆地表層[39]。Barnett并不是低壓低產(chǎn)，其核心產(chǎn)區(qū)也是高壓高產(chǎn)的，因此可以將其視為高壓高產(chǎn)層。

以美國Barnett頁巖氣田為例與國內(nèi)高壓高產(chǎn)的JY-1井對(duì)比分析(表3)，Barnett頁巖氣產(chǎn)層壓力系數(shù)只有0.99~1.02，屬于常壓范圍；JY-1井壓力系數(shù)高達(dá)1.55，屬于高壓范圍。

a.先天條件：Barnett頁巖具有相當(dāng)高的有機(jī)碳含量，平均wTOC高達(dá)4.5%，有效厚度大，烴源極其豐富，先天條件十分優(yōu)越。國內(nèi)的JY-1井平均wTOC達(dá)到3.14%，有效厚度38 m，先天條件不及Barnett頁巖。

b.后天條件：Barnett頁巖和JY-1井的龍馬溪組頁巖都是中等程度變形。但與JY-1井相比，Barnett頁巖埋藏較淺，且成熟度較低(Ro<2%)，很多地區(qū)有機(jī)質(zhì)并沒有完全裂解成干氣。此外，Barnett頁巖石英含量低于JY-1井的龍馬溪組頁巖。Barnett頁巖后天條件不如JY-1井。

對(duì)比分析表明，Barnett頁巖成熟度低會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)不能完全轉(zhuǎn)換為氣，總氣量受到限制。Barnett頁巖埋藏淺，首先本身會(huì)使頁巖氣更容易逸散到地表；其次根據(jù)前文討論，深埋藏抬升過程吸附能力增強(qiáng)，然而埋藏淺的Barnett頁巖抬升后吸附量只有20%，而JY-1井高達(dá)41%，說明Barnett頁巖的大部分氣體是以游離態(tài)賦存，使得頁巖氣更容易逸散。Barnett頁巖雖然和JY-1井一樣都沒被構(gòu)造活動(dòng)破壞，但本身的差異導(dǎo)致同樣程度的變形，JY-1井的高壓沒有被破壞，而Barnett頁巖的高壓被破壞。但因其先天條件相當(dāng)優(yōu)異以及頁巖的特殊性，產(chǎn)層保存了相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量。此外，Barnett頁巖的脆性礦物中石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(20%~60%)也不如JY-1井(30%~70%)，相對(duì)不利于壓裂增產(chǎn)，這也是JY-1井產(chǎn)量高出如此多的原因。

4.2高壓高產(chǎn)與高壓低產(chǎn)、低壓低產(chǎn)的對(duì)比

中國的頁巖氣具有自身的特殊性，因此分析國內(nèi)一些低壓低產(chǎn)井對(duì)于中國頁巖氣勘探開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。選取較具代表性的JY-1井(高壓高產(chǎn))、DY-1井(低壓低產(chǎn))、PY-1井(低壓低產(chǎn))以及W205井(高壓低產(chǎn))綜合對(duì)比分析國內(nèi)頁巖氣異常高壓形成與破壞的控制因素，以及與高產(chǎn)的關(guān)系。

由圖5和表3，根據(jù)現(xiàn)今盆山邊界，JY-1井在構(gòu)造位置上是盆內(nèi)靠近漸變性盆山邊界的井位，DY-1井是漸變性盆山邊界上的井位，PY-1井則是盆外靠近漸變性盆山邊界的井位[40]。構(gòu)造位置上三者都是由盆山關(guān)系控制，但是由盆內(nèi)向盆外分布，滑脫擠壓較為普遍，這對(duì)橫向擠壓形成異常高壓是有利的。JY-1井靠近盆內(nèi)，有效沉積厚度達(dá)到38 m；DY-1井和PY-1井都靠近盆緣，高TOC段(wTOC>2%)沉積的厚度只有20多米。

在以上大背景下，對(duì)比圖5和表3可以看出：(1)先天條件方面，JY-1井具有更高的wTOC均值和有效厚度，且其演化程度更高(達(dá)到3.4%)，大分子完全裂解成干氣，最大程度上實(shí)現(xiàn)烴類對(duì)高壓及產(chǎn)量的貢獻(xiàn)；DY-1井、PY-1井無論在wTOC均值和有效厚度上，還是在演化程度(<3%)上都有不及。(2)后天條件方面，JY-1井地層相對(duì)平緩、變形程度中等，雖受到了橫向擠壓但沒有形成大量斷裂，頁巖氣的散失沒有加??；DY-1井產(chǎn)層埋藏淺，只有1 926 m，且?guī)缀踉诒承钡暮瞬亢蛿鄬泳W(wǎng)內(nèi)，背斜的形成會(huì)在背斜頂部及內(nèi)部形成大量微裂縫且背斜地層的高陡產(chǎn)狀使油氣的橫向、縱向運(yùn)移得以結(jié)合，斷層的形成也會(huì)在周圍形成微裂縫，這都會(huì)加劇頁巖氣的散失及壓力的釋放；PY-1井位于向斜核部，斷層并不發(fā)育，但該向斜兩側(cè)都有斷層，橫向與縱向運(yùn)移疊加，加劇了油氣的散失及壓力的釋放。

圖5　DY-1、JY-1與PY-1、W205井地理位置、壓力系數(shù)及五峰組-龍馬溪組wTOC>2%沉積厚度與構(gòu)造剖面對(duì)比圖Fig.5　Geographical position, pressure coefficient and sedimentary thickness of TOC>2% in Wufeng-Longmaxi Formation and contrast diagram of structural section of DY-1, JY-1, PY-1, W205

構(gòu)造位置Fortworth盆地盆內(nèi)盆緣盆外井號(hào)Barnett頁巖JY-1井W205井DY-1井PY-1井先天條件沉積成巖wTOC平均/%4.502.542.001.601.91wTOC>2%地層厚度/m15~6038202624w石英/%20~6030~7020~6020~5020~30后期演化埋藏保存Ro/%1.00~2.103.402.522.602.80現(xiàn)今埋深/m1981~25912415367619262520變形程度中等中等微強(qiáng)強(qiáng)壓力系數(shù)0.99~1.021.551.831.061.00最終貢獻(xiàn)含氣量/m3·t-14.81~7.084.30~5.700.80~3.301.06~4.453.90吸附氣量/%20.041.7產(chǎn)量/m3·d-17.5×10420.3×1042.6×1043.4×1043.6×104

JY-1井無論在先天條件還是后天條件上，相比DY-1井、PY-1井都是得天獨(dú)厚的，最終造就了其高壓高產(chǎn)的特征。

然而，并不是高壓就一定高產(chǎn)，高壓只是一定程度上可以作為產(chǎn)量的考量因素并對(duì)保存條件有較好的反應(yīng)。以威遠(yuǎn)區(qū)塊的W205井為例，由表3相關(guān)參數(shù)可知W205壓力系數(shù)高達(dá)1.83，但產(chǎn)量僅有2.6×104m3/d，甚至低于低壓的DY-1井、PY-1井。W205井位于緊鄰川中隆起的威遠(yuǎn)區(qū)塊，且靠近盆地中心，埋藏較深，只經(jīng)歷了微弱的變形，因此構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)其破壞較弱；但其TOC有效厚度僅有20 m，是幾口井里最低的，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值也低于JY-1井，剛剛達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)線2%：因此，W205的產(chǎn)量低是因?yàn)槠湎忍鞐l件較差。

以上對(duì)比表明，豐富的有機(jī)質(zhì)聚集是形成異常高壓的前提條件。Barnett頁巖就是一個(gè)很好的例子，其先天條件極其優(yōu)異，即使后期保存條件差、高壓被破壞，仍保留了一部分天然氣，且其石英含量和JY-1井都較高，后期壓裂增產(chǎn)效果極好，因此產(chǎn)量達(dá)到7.5×104m3/d，高于保存條件較好但先天條件較差的DY-1井(3.4×104m3/d)和PY-1井(3.6×104m3/d)?？梢姡瑢?duì)于頁巖氣來說先天條件更為重要。據(jù)圖5的產(chǎn)量數(shù)據(jù)并結(jié)合前文對(duì)比分析，四川盆地現(xiàn)今的盆山邊界對(duì)于頁巖氣的異常高壓的保存具有控制作用：整體上盆內(nèi)區(qū)塊優(yōu)于盆緣及盆外，且盆緣向盆內(nèi)在一定程度上保存條件變優(yōu)。但這并不是絕對(duì)的，先天條件(沉積相甚至沉積微相)的控制才是起決定作用的因素。此外，成熟度越高、裂解生成氣越多，越有利于形成異常高壓，抬升過程的劇烈程度會(huì)嚴(yán)重影響高壓的保存。

5結(jié) 論

a.在頁巖形成過程中，從最初的富有機(jī)質(zhì)沉積物的沉積開始，到隨后的有機(jī)質(zhì)熱演化、礦物轉(zhuǎn)化(尤其黏土礦物蒙脫石的脫水作用)、氣體膨脹，這些過程是導(dǎo)致頁巖形成異常高壓的主要階段，因此異常高壓不是單一因素影響的產(chǎn)物，而是不同機(jī)制相互疊加的結(jié)果。

b.通常構(gòu)造背景與沉積環(huán)境宏觀上控制了頁巖的沉積與分布，但在實(shí)際的勘探過程中對(duì)井位的選定需要詳細(xì)地探究。雖然在許多勘探實(shí)例中，壓力系數(shù)已作為一個(gè)重要的參考指標(biāo)，但異常高壓并不意味著高產(chǎn)。在眾多影響因素中，頁巖的先天沉積特征是后續(xù)所有因素的決定指標(biāo)。在四川盆地中的頁巖厚度較薄的PY-1井，即便具有異常高壓，也不會(huì)產(chǎn)生類似JY-1井的高產(chǎn)。同時(shí)異常高壓僅能表明該區(qū)域的頁巖保存條件較好，但常壓也并不意味著頁巖氣完全逸散失去工業(yè)開發(fā)的意義，這主要是由頁巖的自封閉性所影響，其不僅限制氣體的逸散，在遭破壞時(shí)更具一定的自愈能力，這決定頁巖氣的破壞是一個(gè)多機(jī)制影響的漫長過程。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Bolas H M N, Hermanrud C, Teige G M G. Origin of overpressures in shales: Constraints from basin modeling [J]. AAPG Bulletin, 2004, 88(2): 193-211.

[2] Zumberge J, Ferworn K, Brown S. Isotopic reversal (‘rollover’) in shale gases produced from the Mississippian Barnett and Fayetteville formations [J]. Marine and Petroleum Geology, 2012, 31: 43-52.

[3] Hunt J M. Generation and migration of petroleum from abnormally pressured fluid compartments [J]. The American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 1990, 74(1): 1-12.

[4] Teige G M G, Hermanrud C. The lack of relationship between overpressure and porosity in North Sea and Haltenbanken shales [J]. Marine and Petroleum Geology, 1999, 16: 321-335.

[5] Yu Z H, Lerche I. Modeling abnormal pressure development in sandstone/shale basins [J]. Marine and Petroleum Geology, 1996, 13(2): 179-193.

[6] 郭旭升.南方海相頁巖氣“二元富集”規(guī)律——四川盆地及周緣龍馬溪組頁巖氣勘探實(shí)踐認(rèn)識(shí)[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2014,88(7):1209-1218.

Guo X S. Rules of two-factor enrichment for marine shale gas in Southern China: Understanding from the Longmaxi Formation shale gas in Sichuan Basin and its surrounding area[J]. Acta Geologica Sinica, 2014, 88(7): 1209-1218. (In Chinese)

[7] 郭彤樓,劉若冰.復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高演化程度海相頁巖氣勘探突破的啟示——以四川盆地東部盆緣JY1井為例[J].天然氣地球科學(xué),2013,24(4):643-651.

Guo T L, Liu R B. Implications from marine shale gas exploration breakthrough in complicated structural area at high thermal stage: Taking Longmaxi Formation in Well JY1 as an example[J]．Natural Gas Geoscience, 2013, 24(4): 643-651. (In Chinese)

[8] 郭彤樓,張漢榮.四川盆地焦石壩頁巖氣田形成與富集高產(chǎn)模式[J].石油勘探與開發(fā),2014,44(1):28-36.

Guo T L, Zhang H R. Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field, Sichuan Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2014, 44(1): 28-36. (In Chinese)

[9] 郭旭升,李宇平,劉若冰,等.四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其控制因素[J].天然氣工業(yè),2014,34(6):9-16.

Guo X S, Li Y P, Liu R B,etal. Characteristics and controlling factors of micro-pore structures of Longmaxi shale in Jioashiba area, Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2014, 34(6): 9-16. (In Chinese)

[10] 胡東風(fēng),張漢榮,倪楷,等.四川盆地東南緣海相頁巖氣保存條件及其主控因素[J].天然氣工業(yè),2014,34(6):17-23.

Hu D F, Zhang H R, Ni K,etal. Main controlling factors for gas preservation conditions of marine shales in southeastern margins of the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2014, 34(6): 17-23. (In Chinese)

[11] 王江濤,李育.沉積盆地異常高壓形成機(jī)制綜述[J].石油化工應(yīng)用,2014,33(1):5-12.

Wang J T, Li Y. The abnormal high pressure formation mechanism in sedimentary basin [J]. Petrochemical Industry Application, 2014, 33(1): 5-12. (In Chinese)

[12] 褚慶忠,李耀華.異常壓力形成機(jī)制研究綜述[J].天然氣勘探與開發(fā),2001,24(4):38-46.

Zhu Q Z, Li Y H. The review of abnormal pressure formation mechanism research[J]. Natural Gas Exploration & Development, 2001, 24(4): 38-46. (In Chinese)

[13] Chilingar G V, Serebryakov V A, Robertson J O. Origin of Formation Fluid Pressure Distributions [M]. Amsterdam: Elsevier Science B V, 2002: 69-94.

[14] Darby D, Funnell R H. Overpressure associated with a convergent plate margin: East Coast Basin, New Zealand[J]. Petroleum Geoscience, 2001, 7: 291-299.

[15] Goulty N R, Ramdhan A M, Jones S J. Chemical compaction of mud rocks in the presence of overpressure [J]. Petroleum Geoscience, 2012, 18: 471-479.

[16] Peter van Ruth, Hillis R, Tingate P. The origin of overpressure in the Carnarvon Basin, Western Australia: implications for pore pressure prediction [J]. Petroleum Geoscience, 2004, 10: 247-257.

[17] Hansom J, Lee M K. Effects of hydrocarbon generation, basal heat flow and (sediment compaction on overpressure development: A numerical study[J]. Petroleum Geoscience, 2005, 11: 353-360.

[18] Anissimov L. Overpressure phenomena in the Precaspian Basin [J]. Petroleum Geoscience, 2001, 7: 389-394.

[19] 張金川,金之鈞,袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):15-18.

Zhang J C, Jin Z J, Yuan M S. Shale gas reservoir forming mechanism and distribution[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(7): 15-18. (In Chinese)

[20] 付廣,王有功,蘇玉平.超壓泥巖蓋層封閉性演化規(guī)律及其研究意義[J].礦物學(xué)報(bào),2006,26(4):453-459.

Fu G, Wang Y G, Su Y P. Overpressure mudstone cap rock sealing ability evolution and its research significance [J]. Acta Mineralogica Sinica, 2006, 26(4): 453-459. (In Chinese)

[21] 郭旭升.涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊富集機(jī)理與勘探技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2014.

Guo X S. Assembling Mechanism and Exploration Technology of Shale Gas in Jiaoshiba Block, Fuling [M]. Beijing: Science Press, 2014. (In Chinese)

[22] Hao F, Zou H Y, Lu Y C. Mechanisms of shale gas storage: Implications for shale gas exploration in China [J]. AAPG Bulletin, 2013, 97(8): 1325-1346.

[23] Spencer C W. Hydrocarbon generation as a mechanism for over pressuring in Rocky Mountain Region [J]. The American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 1987, 71(4): 368-388.

[24] Skurtveit E, Aker E, Soldal M,etal. Experimental investigation of CO2breakthrough and flow mechanisms in shale[J]. Petroleum Geoscience, 2012, 18: 3-15.

[25] Heath J E, Dewers T A, McPherson B J O L,etal. Pore networks in continental and marine mudstones: Characteristics and controls on sealing behavior[J]. Geosphere, 2011, 7(2): 429-454.

[26] Sutton S J, Ethridge F G, Almon W R,etal. Textural and sequence-stratigraphic controls on sealing capacity of Lower and Upper Cretaceous shales, Denver Basin, Colorado[J]. AAPG Bulletin, 2004, 88(8): 1185-1206.

[27] Pashin J C. Shale gas plays of the southern Appalachian thrust belt [J]. International Coalbed & Shale Gas Symposium, 2009, 9(7): 1-14.

[28] 姚軍,孫海,黃朝琴,等.頁巖氣藏開發(fā)中的關(guān)鍵力學(xué)問題[J].中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2013,43(12):1527-1547.

Yao J, Sun H, Huang Z J,etal. Key mechanical problems in shale gas development [J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica, 2013, 43(12): 1527-1547. (In Chinese)

[29] Sales J K. Seal strength vs. trap closure - A fundamental control on the distribution of oil and gas[J]. AAPG Memoir, 67: 57-83.

[30] 李雙建,沃玉進(jìn),周雁,等,影響高演化泥巖蓋層封閉性的主控因素分析[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,85(10):1691-1697.

Li S J, Wo Y J, Zhou Y,etal. Controlling factors affect sealing capability of well-developed muddy cap rock[J]. Acta Geologica Sinica, 2011, 85(10): 1691-1697. (In Chinese)

[31] 周雁,金之鈞,朱東亞,等.油氣蓋層研究現(xiàn)狀與認(rèn)識(shí)進(jìn)展[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2012,34(3):234-251.

Zhou Y, Jin Z J, Zhu Y D,etal. Current status and progress in research of hydrocarbon cap rocks[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2012, 34(3): 234-251. (In Chinese)

[32] 劉慧芳,安海忠,梅潔.美國頁巖氣開發(fā)狀況及影響分析[J].資源與產(chǎn)業(yè),2012,14(6):81-87.

Liu H F, An H Z, Mei J. Development and effect of shale gas in the United States[J]. Resource & Industries, 2012, 34(3): 234-251. (In Chinese)

[33] 李昌偉.中國陸相與北美海相頁巖氣成藏條件對(duì)比及評(píng)價(jià)體系探討[C]//中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì), 2014: 615-619.

Li C W. The shale gas accumulation conditions and evaluation system in China’s continental compared with north American Marine [C]// Annual Meeting of the Chinese Academy of Earth Sciences, 2014: 615-619. (In Chinese)

[34] 聶海寬,張金川,張培先,等.福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏特征及啟示[J].地質(zhì)科技情報(bào),2009,28(2):87-93.

Nie H K, Zhang J C, Zhang P X,etal. Shale gas reservoir characteristics of Barnett shale gas reservoir in Fort Worth Basin[J]. Geological Science and Technology Information, 2009, 28(2): 87-93. (In Chinese)

[35] 朱彤,曹艷,張快.美國典型頁巖氣藏類型及勘探開發(fā)啟示[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2014,36(6):718-724.

Zhu T, Cao Y, Zhang K. Typical shale gas reservoirs in USA and enlightenment to exploration and development[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2014, 36(6): 718-724. (In Chinese)

[36] 涂乙,鄒海燕,孟海平,等.頁巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與儲(chǔ)層分類[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(1):153-160.

Tu Y, Zhou H Y, Meng H P,etal. Evaluation criteria and classification of shale gas reservoirs [J]. Oil & Gas Geology, 2014, 35(1): 153-160. (In Chinese)

[37] Hughes J D. Drilling Deeper-A Reality Check on U.S. Government Forecasts for a Lasting Tight Oil & Shale Gas Boom[M]. Santa Rosa: Post Carbon Institute, 2014, Part 3: 161-302.

[38] U.S. energy information administration [J]. Independent Statistics & Analysis, 2015(7): 1-11.

[39] Bowker K A. Barnett shale gas production, Fort Worth Basin: Issues and discussion [J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 523-533.

[40] 劉樹根,鄧賓,李智武,等.盆山結(jié)構(gòu)與油氣分布——以四川盆地為例[J].巖石學(xué)報(bào),2011,27(3):621-635.

Liu S G, Deng B, Li Z W,etal. The texture of sedimentary basin-orogenic belt system and its influence on oil /gas distribution: A case study from Sichuan Basin[J]. Acta Petrologica Sinica, 27(3): 621-635. (In Chinese)

Abnormal overpressure and shale gas preservation

ZHANG Jian1, LIU Shu-gen1, RAN Bo2, YE Yue-hao1,WANG Zi-jian1, QIU Jia-wen1

1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.Key Laboratory of Tectonic Controls on Mineralization and Hydrocarbon Accumulation,Ministry of Land and Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China

Abstract:High production shale gas reservoir is characterized by overpressure coefficient. The abnormal high pressure formation mechanism and failure mechanism of conventional and unconventional reservoirs are studied so as to explore the relationship between shale overpressure and shale gas preservation. Focus is put on the research of different phases of sediment, buried depth and uplift, as well as on the analysis of formation and destruction of abnormal overpressure in the Wufeng-Longmaxi Formation of Well JY-1 in Sichuan Basin. Comparison is also made with the Barnett shale and domestic related drilling wells in order to analyze its fraction of TOC>2% of effective thickness, maturity, brittle minerals, etc. It is recognized that large number of deposition of organism is the premise of formation of abnormal overpressure. These organism materials exhaust volume of hydrocarbon as the buried depth increases and the self-sealing behavior of shale help bring about the formation of abnormal overpressure. Normal destructive mechanisms have little influence on the overpressure of shale because of the self-sealing behavior of shale, but some macroscopic destructive mechanisms, such as strong uplift, overgrown faults, bad bottom and top beds can influence it inch by inch. Micro-fractures along stressed surface caused by change of fluid pressure make the fluid diffusion and improve the influence of macroscopic destructive mechanisms. Tectonic setting and sedimentary environment control the capacity of shale gas and sedimentary facies play a more decisive role.

Key words:abnormal overpressure; formation mechanism; maintenance mechanism; shale gas

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼][分類號(hào)] TE122.34 A

[基金項(xiàng)目]四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(15ZC1390)；中國地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項(xiàng)目(12120115003801-04)。

[收稿日期]2015-09-18。

[文章編號(hào)]1671-9727(2016)02-0177-11

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.02.04

[第一作者] 張健(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：非常規(guī)油氣地質(zhì), E-mail:916804147@qq.com。