郭彤樓，蔣 恕，張培先，曾 萍

(1中國石化 西南油氣分公司，成都 610041；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，資源學(xué)院，武漢 430074；3.中國石化 華東油氣分公司，南京 210019；4.中國石化 勘探分公司，成都 610041)

四川盆地在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組的勘探開發(fā)取得了快速發(fā)展，先后在涪陵、長寧、威遠等建成商業(yè)氣田，在盆地邊緣的南川、丁山、昭通等地區(qū)產(chǎn)建工作也在積極展開，預(yù)計到2020年底頁巖氣年產(chǎn)量有望突破200×108m3。同時在四川盆地外圍，針對五峰組—龍馬溪組的勘探工作，也一直在進行，已在彭水、武隆、道真等殘留向斜取得勘探突破，開發(fā)試驗工作正在積極展開(圖1)。

圖1 四川盆地東南緣武陵褶皺帶區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Geological setting of Wuling fold belt, southeastern margin of Sichuan Basin

我國常壓頁巖氣在勘探開發(fā)方面還處于初始階段，對常壓頁巖氣藏的地質(zhì)特點、分布與形成機制，特別是勘探開發(fā)工藝技術(shù)等方面還存在諸多不適應(yīng)[1-8]。本文以彭水、武隆、道真3個殘留向斜為主要對象，通過分析北美地區(qū)典型常壓頁巖氣產(chǎn)區(qū)的地質(zhì)與生產(chǎn)特征，探討四川盆地外圍常壓頁巖氣勘探開發(fā)進展、存在問題與攻關(guān)方向，以期為常壓頁巖氣下步勘探開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 美國典型常壓頁巖氣藏的地質(zhì)和生產(chǎn)特征

1.1 Big Sandy地區(qū)上泥盆統(tǒng)Ohio頁巖氣藏

1.1.1 地質(zhì)特征

Big Sandy頁巖氣產(chǎn)區(qū)位于Appalachian盆地的中部高原區(qū)，包括肯塔基州、田納西州、弗吉尼亞州、西弗吉尼亞州以及俄亥俄州5州的一部分，主要為上泥盆統(tǒng)頁巖層段，厚度從西南部的30 m增加到東北部的近760 m，主力產(chǎn)層黑色頁巖凈厚度也逐漸增大，最大可達約120 m[9]。Big Sandy 地區(qū)從西南到東北，總有機碳(TOC)含量逐漸減小，從Perry區(qū)的3.5%減小到Jackson區(qū)的1.56%[10]。鏡質(zhì)體反射率(Ro)西部多數(shù)介于0.6%～1.0%之間，東部地區(qū)最高達到1.5%[11](圖2)。干酪根為多類型混合[12-13]，測井孔隙度值為1.5%～11%，平均為4.3%[14]，滲透率小于0.000 1×10-3μm2 [15-16]。ROWAN[17]建立的盆地模型表明，在Big Sandy北部(俄亥俄—西弗吉尼亞邊界附近)，基底泥盆系頁巖約在325～330 Ma(中密西西比世)進入生油窗，約在230 Ma(中三疊世)進入生氣窗。

圖2 美國Appalachian盆地Big Sandy頁巖氣產(chǎn)區(qū)成熟度(Ro)與有機質(zhì)含量(TOC)分布數(shù)據(jù)來自文獻[10，17]。Fig.2 Distribution of maturity (Ro) and organic matter content (TOC) in Big Sandy shale gas-producing area of Appalachian Basin, USA

Big Sandy地區(qū)上泥盆統(tǒng)Ohio頁巖主要為不整合面之下的“Catskill三角洲”向上變粗的沉積序列的一部分。Catskill三角洲并未發(fā)育主干流，而是由諸多小河流組成的，延伸至淺海陸棚[18]，底部為中泥盆統(tǒng)Hamilton組Marcellus頁巖，但僅在東北地區(qū)(西弗吉尼亞州)可見，厚度較小(圖3)。 中上部為上泥盆統(tǒng)West Falls組Rhinestreet段頁巖到Cleveland頁巖之間的多段黑色富氣頁巖，與灰色/灰綠色頁巖、粉砂巖和細粒砂巖互層，主力頁巖產(chǎn)層為West Falls組Rhinestreet段頁巖、俄亥俄頁巖的上、下Huron段頁巖和Cleveland段頁巖，統(tǒng)稱為Ohio頁巖。Big Sandy地區(qū)下密西西比統(tǒng)地層缺失較多，僅可見薄層的Bedford砂巖、Berea砂巖和Sunbury頁巖。下二疊統(tǒng)到第三系之間地層缺失，反映了長期抬升和地層剝蝕造成了Big Sandy低壓的Ohio頁巖氣藏。

圖3 美國Appalachian盆地Big Sandy頁巖氣產(chǎn)區(qū)北東—南西向地層剖面據(jù)參考文獻[9]，井位見圖2。Fig.3 NE-SW stratigraphic correlation in Big Sandy shale gas-producing area of Appalachian Basin, USA

1.1.2 生產(chǎn)特征

Big Sandy地區(qū)Ohio頁巖中商業(yè)天然氣生產(chǎn)

始于1921年，鉆井超過3 800口，生產(chǎn)一直持續(xù)到現(xiàn)在。Big Sandy氣田平均完井厚度約在15～91 m[19]，其中Ohio頁巖的Cleveland和Huron段以及West Falls組Rhinestreet段頁巖的天然氣地質(zhì)儲量約為2.2×1012m3[10，20]。由于Ohio頁巖中構(gòu)造復(fù)雜和天然裂縫分布的不均，初始產(chǎn)量變化較大，自然產(chǎn)量大于8 476 m3/d的井在沒有任何增產(chǎn)方法的情況下自然完井是很平常的，但產(chǎn)量低的井需要壓裂。由于Big Sandy地區(qū)Ohio頁巖具有非常低的孔隙度和滲透率、高的水敏性和發(fā)育的天然裂縫，氮氣泡沫壓裂比水力和泡沫壓裂更適合。WOZNIAK研究結(jié)果表明氮氣泡沫壓裂的采收率提高了28%[21]。通常壓裂的時候用超輕的支撐劑取代傳統(tǒng)的2 000～2 500袋20/40目砂支撐劑，總用量(質(zhì)量)只有傳統(tǒng)的十分之一[22]。每口井儲量在(283～2 832)×104m3。典型直井30年的產(chǎn)量為850×104m3。

1.1.3 低壓的成因

Big Sandy天然氣產(chǎn)區(qū)從肯塔基州的Pine Mountain地塊向東北方向延伸至肯塔基州和西弗吉尼亞州的Rome槽地(圖4)[23]。由于該地區(qū)位于Rome槽地和Perry-Pike縣隆起及Arches Fork和Burning Springs背斜區(qū)，導(dǎo)致該地區(qū)地質(zhì)歷史期間構(gòu)造復(fù)雜，YOUNG[24]通過鉆井證實了南部Pine Mountain地塊泥盆系頁巖中存在近水平壓縮型滑脫運動，同時證明了該滑脫運動明顯促進了富有機質(zhì)黑色頁巖的孔縫發(fā)育和壓力釋放。中部地處伸展—壓縮型滑脫運動的過渡帶，CHARPENTIER等[20]認為Rome槽地晚古生代正斷層的垂直運動與Pine Mountain沖斷作用共同導(dǎo)致了泥盆系頁巖中裂縫孔隙的增加和地層壓力的釋放。SHUMAKER[25]提出在北部Rome槽地伸展型滑脫變形使得富有機質(zhì)黑色頁巖孔縫增加和壓力釋放。而且Ohio頁巖沉積后，只沉積了部分石炭系，然后就是長期的沉積間斷，所以導(dǎo)致了該地區(qū)地層壓力較低。

圖4 美國Appalachian盆地Big Sandy頁巖氣田及周邊構(gòu)造簡圖據(jù)參考文獻[20]。Fig.4 Tectonic units in and around Big Sandy shale gas-producing area of Appalachian Basin, USA

1.2 美國其他常壓頁巖氣藏的地質(zhì)和生產(chǎn)特征

目前美國成功開采的常壓和低壓頁巖氣田包括Ohio，Marcellus，Lewis，Antrim，Barnett，F(xiàn)ayetteville和Niobrara頁巖。表1列出了美國典型常壓和低壓頁巖氣藏的構(gòu)造、沉積、地化、巖石物理、壓力、含氣量和產(chǎn)量特征等信息。這些頁巖多數(shù)發(fā)育于前陸盆地陸棚沉積環(huán)境，部分像Antrim頁巖發(fā)育于克拉通構(gòu)造沉積背景。典型儲層的巖相為硅質(zhì)頁巖，有機質(zhì)含量基本都高于2%，成熟度主要分布于低成熟的生物氣和高成熟的熱成因氣2個單元。孔隙度在2%～12%之間。壓力系數(shù)均小于1.2，大部分小于0.9，其中Ohio，Lewis，Antrim和Fayetteville頁巖總體處于低壓環(huán)境。而Barnett和Marcellus頁巖處于壓力系數(shù)為1附近的常壓區(qū)。大部分低壓頁巖氣藏中吸附氣含量超過50%。大部分單井日產(chǎn)在850～14 160 m3，部分壓力系數(shù)在1.2的Marcellus頁巖日產(chǎn)可以達到85 000～100 000 m3。Barnett和Marcellus常壓頁巖氣平均直井產(chǎn)量可高達3 964×104m3。Marcellus常壓區(qū)水平井單井產(chǎn)量超過1×108m3(表1)。

表1 美國已經(jīng)開發(fā)的典型常壓頁巖特征數(shù)據(jù)來自參考文獻[27-28]。Table 1 Characteristics of typical normally-pressured shales developed in USA

從圖5美國典型常壓的Fayetteville及Barnett頁巖和超壓的Marcellus，Muskawa，Montney及Haynesville頁巖氣生產(chǎn)曲線可見，常壓頁巖氣藏的初始產(chǎn)量和月產(chǎn)量均比超壓頁巖氣藏低，但月產(chǎn)量遞減速率比超壓頁巖氣藏低。該曲線統(tǒng)計的Marcellus頁巖大部分來自于超壓區(qū)的頁巖氣藏。但由于Appalachian盆地構(gòu)造復(fù)雜，盆地西南地區(qū)為常壓，所以Marcellus頁巖是介于常壓和超壓之間。即使在Marcellus頁巖超壓區(qū)，由于壓力系數(shù)比Haynesville頁巖等低，其產(chǎn)量比典型超壓頁巖氣藏低，但其產(chǎn)量高于壓力比其低的Barnett和Fayetteville頁巖。

圖5 美國典型頁巖月產(chǎn)量遞減曲線據(jù)參考文獻[26]。Fig.5 Decline curves of monthly production for typical shale gas plays in USA

2 四川盆地外圍常壓頁巖氣開發(fā)進展

四川盆地及周緣常壓頁巖氣藏與高壓、超高壓頁巖氣藏具有相似的沉積背景，但后期經(jīng)歷的構(gòu)造改造不同，從而造成兩者具有明顯的地質(zhì)差異性。以川東南地區(qū)盆地內(nèi)緣的南川、焦石壩地區(qū)和盆地外圍的武隆、彭水等地區(qū)為例(焦石壩地區(qū)屬高壓，南川、武隆、彭水等地區(qū)為常壓)，兩者在沉積環(huán)境、靜態(tài)指標(biāo)等方面具有一定相似性。兩者同處于滯留盆地深水陸棚相沉積，富碳富硅富筆石頁巖發(fā)育[29]。四川盆地東部及盆地外圍五峰組—龍馬溪組w(TOC)>1%的頁巖段厚度一般在89～115 m，分為9個小層，Ro介于2.2%～3.0%；優(yōu)質(zhì)頁巖[w(TOC)>2%，下部5個小層]厚度為24～40 m，TOC含量為2%～6%；從硅質(zhì)含量、黏土礦物含量、孔隙度、泊松比、楊氏模量等參數(shù)來看，下部明顯優(yōu)于上部[2,6-8](表2)。常壓區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度和孔隙度略低于高壓區(qū)，但整體來看靜態(tài)評價指標(biāo)基本相當(dāng)(表2，3)，但常壓頁巖氣藏與高壓、超高壓頁巖氣藏產(chǎn)量和最終可采儲量(EUR)差異很大[30-31]。

表2 四川盆地東南緣不同區(qū)塊典型井龍一段頁巖評價參數(shù)對比Table 2 Evaluation parameters of shale from first member of Longmaxi Formation in typical wells in different blocks, southeastern margin of Sichuan Basin

2.1 勘探開發(fā)進展

自2009年以來，四川盆地之外針對龍馬溪組、牛蹄塘組的頁巖氣勘探，一直在不間斷地進行[ 33]，但除在桑柘坪、武隆等殘留向斜獲得工業(yè)氣流外，其他地區(qū)尚未取得實質(zhì)性突破。因此，本文主要介紹桑柘坪、武隆、道真等盆地外圍殘留向斜的勘探開發(fā)進展，以此為例來探索盆地外常壓頁巖氣的潛力與攻關(guān)方向。

2.1.1 桑柘坪向斜

桑柘坪向斜位于四川盆地之外的“槽—擋”轉(zhuǎn)換帶，背斜主體出露下古生界，桑柘坪向斜地表為下三疊統(tǒng)嘉陵江組所覆蓋，最大埋深4km，構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育，龍馬溪組從深凹向兩側(cè)以單斜形式出露地表(圖1，圖6)。2011年以來，先后鉆探頁巖氣探井5口，進展見表4。這5口井都是采用電潛泵排水采氣，且都屬于常壓低產(chǎn)，地層壓力系數(shù)0.96～1.03，從試采情況來看，埋深大、地層壓力系數(shù)高，產(chǎn)量也相對高。

圖6 四川盆地東南緣過PY1、ZY1井地震剖面測線位置見圖1。Fig.6 Seismic profile crossing wells PY1 and ZY1, southeastern margin of Sichuan Basin

表4 重慶市東南部桑柘坪向斜頁巖氣井生產(chǎn)參數(shù)Table 4 Production parameters of shale gas wells in Sangzheping syncline, southeastern Chongqing city

2.1.2 武隆向斜

武隆向斜位于四川盆地外圍齊岳山斷裂以東，齊岳山斷裂以西為焦石壩構(gòu)造，二者地表皆為嘉陵江組，差別是武隆地區(qū)為盆外向斜，焦石壩地區(qū)為盆內(nèi)緣背斜(圖1)。武隆地區(qū)已鉆探并測試了3口井，正在進行一個平臺4口開發(fā)井組試驗攻關(guān)。

LY1井2015年11月完成測試，測試穩(wěn)定日產(chǎn)氣為4.6×104m3，自噴生產(chǎn)。2016年1月開始試采，截至2020年7月，日產(chǎn)氣12 631 m3，累計試采1 626 d，開井天數(shù)1 382 d，累產(chǎn)氣3 582×104m3，平均日產(chǎn)氣25 919 m3。

LY2井2018年2月測試穩(wěn)定日產(chǎn)氣9.22×104m3。2018年9月開始試采，截至2020年7月，日產(chǎn)氣10 468 m3，累計試采679 d，開井天數(shù)619 d，累產(chǎn)氣1 431×104m3，平均日產(chǎn)氣23 118 m3。

武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚32 m，孔隙度4.21%，含氣量4.83 m3/t，地層壓力系數(shù)1.06，這些參數(shù)與焦石壩等盆地內(nèi)緣基本一致，高于彭水地區(qū)(表2，表3)。

表3 四川盆地東南緣不同區(qū)塊典型井優(yōu)質(zhì)頁巖段評價參數(shù)對比Table 3 Evaluation parameters of high-quality shale section in typical wells in different blocks, southeastern margin of Sichuan Basin

2.1.3 道真向斜

道真向斜位于四川盆地外圍齊岳山斷裂以東，緊鄰四川盆地，地表出露地層為嘉陵江組，與盆地內(nèi)焦石壩背斜同受一條南北向走滑斷裂控制；不同的是焦石壩背斜呈北東向展布，道真向斜呈南北向展布。道真向斜前期鉆探了2口淺井，未獲突破。2019年鉆探ZY1井，2020年1月測試獲得穩(wěn)定氣產(chǎn)量(5～6)×104m3/d。

2.2 殘留向斜頁巖氣富集關(guān)鍵因素

從盆地內(nèi)緣的焦石壩、南川到盆地外部的武隆、道真和桑柘坪等殘留向斜，從地層、沉積、礦物組成和有機地化指標(biāo)等特征方面，前人做了大量的對比研究[32-34]，表2，3表明，桑柘坪向斜優(yōu)質(zhì)頁巖厚度及TOC含量與武隆、焦石壩等地區(qū)存在一定差異，其他幾個地區(qū)各項指標(biāo)基本相當(dāng)。因此，作者認為構(gòu)造改造造成的保存條件差異，是導(dǎo)致地層壓力系數(shù)和產(chǎn)量差異的主要原因。

四川盆地從渝東到渝東南地區(qū)，構(gòu)造樣式表現(xiàn)為盆內(nèi)以寬向斜、窄背斜的隔擋式變形帶為主，構(gòu)造變形強度相對較弱；盆外為窄向斜、寬背斜的隔槽式變形帶為主，構(gòu)造變形強烈；盆緣為“槽—擋”過渡帶，構(gòu)造變形介于上述二者之間(圖1)。構(gòu)造改造強弱的差異直接體現(xiàn)在：

(1)抬升剝蝕造成的殘留地層分布面積的差異。從龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖埋深大于500 m和1 500 m來看，3個向斜面積分別為：武隆向斜1 160 km2，891 km2；道真向斜713 km2，368 km2；桑柘坪向斜550 km2，360 km2。

(2)從構(gòu)造改造的期次來看，不同構(gòu)造單元遭受構(gòu)造變形起始時間的早晚和變形期次不同。武隆、桑柘坪和焦石壩地區(qū)頁巖最大埋深基本一致，但抬升時間自東向西逐步變新，PY1井反映桑柘坪向斜在距今120 Ma時開始抬升，LY1井反映武隆向斜在距今95 Ma時開始抬升，而JY1井反映焦石壩背斜在距今85 Ma時開始抬升。改造期次上，流體包裹體測溫表明，盆地外多經(jīng)歷2～3期構(gòu)造改造，而盆地內(nèi)渝東地區(qū)一般經(jīng)歷了燕山和喜馬拉雅2期改造。

(3)從桑柘坪、武隆到南川等盆內(nèi)地區(qū)，游離氣含量明顯變大，地層壓力系數(shù)也是逐步變高(表5)。

表5 四川盆地東南緣典型井地層壓力系數(shù)與游離氣含量Table 5 Formation pressure coefficient and free gas content of typical wells, southeastern margin of Sichuan Basin

(4)斷層對頁巖氣保存條件的影響。斷距不超過有機質(zhì)頁巖的厚度(約100 m)的逆斷層，對頁巖氣整體保存條件影響很小，實踐證明，小斷距反向逆斷層有利于頁巖氣的保存(圖6)。

(5)適度的埋藏深度也是常壓頁巖氣保存的必要條件。Appalachian盆地泥盆系頁巖自西南部Big Sandy低壓頁巖氣產(chǎn)區(qū)、常壓頁巖氣產(chǎn)區(qū)，過渡到北東部高壓頁巖氣分布區(qū)，其基底都受Rome槽地和滑脫作用控制[35]，其差別似乎只是來自于埋深的差異。從研究區(qū)盆地外8口井的地層壓力系數(shù)與埋深的對比關(guān)系來看，印證了此認識(圖7)。

圖7 四川盆地及周緣殘留向斜地層壓力系數(shù)與埋深關(guān)系Fig.7 Relationship between formation pressure coefficient and burial depth in residual syncline in Sichuan Basin and its periphery

因此，構(gòu)造改造的強弱差異決定了頁巖氣的保存條件，也就決定了地層的壓力系數(shù)、含氣量和產(chǎn)量。

3 攻關(guān)方向

從地質(zhì)條件對比來看，美國頁巖沉積后期經(jīng)歷的構(gòu)造運動期次少和改造強度低、頁巖連續(xù)分布面積大，表1表明，低壓、常壓頁巖氣的頁巖有機質(zhì)熱演化程度大多小于1.5%，頁巖吸附氣含量都大于50%，且以直井生產(chǎn)為主；而表1中演化程度相對較高的Barnett，Marcellus，F(xiàn)ayetteville頁巖吸附氣含量都小于50%，且以水平井生產(chǎn)為主。我國南方地區(qū)則恰恰相反，龍馬溪組頁巖改造強度大、殘留頁巖分布面積小，有機質(zhì)熱演化程度基本全部大于2.5%。有研究認為，節(jié)理中的甲烷抑制了水的充填和礦化，使得頁巖中的節(jié)理保存為未充填的滲透通道[36]，那么構(gòu)造改造與頁巖氣成藏的配置，就至關(guān)重要。因此，多期強構(gòu)造改造條件下的高有機質(zhì)熱演化程度的頁巖氣的保存機理，依然是盆地外圍殘留頁巖分布區(qū)攻關(guān)研究的重點，頁巖氣對保存條件的要求也必然更高；同時，美國低有機質(zhì)熱演化程度的頁巖氣開發(fā)，也啟示我們，低有機質(zhì)熱演化頁巖氣對保存條件的要求也會相應(yīng)降低；從四川盆地及周緣來講，以龍馬溪組等為代表的高有機質(zhì)熱演化程度的頁巖，其常壓頁巖氣要從盆地邊緣保存條件好的地區(qū)逐步擴展到盆地外緣保存條件好的地區(qū)；對演化程度較低的頁巖，比如四川盆地侏羅系自流井組，可以探索斷層相對發(fā)育的地區(qū)，裂縫發(fā)育可能有助于頁巖氣的穩(wěn)產(chǎn)。

從工程技術(shù)適應(yīng)性來看，目前在四川盆地針對龍馬溪組的頁巖氣的鉆完井技術(shù)，在3 800 m以淺的高壓、超壓領(lǐng)域，已形成配套技術(shù)，基本可滿足現(xiàn)有經(jīng)濟技術(shù)條件下的商業(yè)開發(fā)。但在常壓、低產(chǎn)頁巖氣領(lǐng)域，目前的技術(shù)手段還不能滿足商業(yè)開發(fā)的需要。從殘留向斜區(qū)已取得突破的9口井的分析來看，工程降本依然是關(guān)鍵：一是如何加強井身結(jié)構(gòu)、鉆井液等的適應(yīng)性研究，保證在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)打好井、打成井的前提下提高鉆速；二是美國采用超輕支撐劑的氮氣泡沫水平井壓裂在Big Sandy地區(qū)Ohio低壓頁巖氣開發(fā)中取得了成功應(yīng)用，我們應(yīng)針對盆地外圍應(yīng)力差異系數(shù)大(0.27～0.34)、壓裂難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難題開展技術(shù)攻關(guān)，形成適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)、支撐劑、壓裂液體系，既能降低成本，又能提升壓裂改造效果，實現(xiàn)常壓頁巖氣較長時間的穩(wěn)產(chǎn)，提高單井估算的EUR。

今年恰逢敬愛的朱夏先生誕辰100周年，逝世30周年，謹以此文表示深切的懷念！