劉若冰，魏祥峰，劉珠江，燕繼紅，袁 桃，魏富彬

（中國石化勘探分公司，四川成都610041）

JY1井是中國石化在涪陵焦石壩區(qū)塊部署的第一口探井，在五峰組—龍馬溪組鉆遇了厚層優(yōu)質(zhì)頁巖氣層。其水平井——JY1HF井經(jīng)大型水力加砂壓裂后，于2012年11月28日放噴測試，試獲日產(chǎn)20.3×104m3的高產(chǎn)工業(yè)氣流，實現(xiàn)了中國頁巖氣勘探的重大突破。2014年，該井被重慶涪陵市政府命名為“頁巖氣開發(fā)功勛井”，以彰顯其為頁巖氣大規(guī)模開發(fā)利用所作出的突出貢獻。截至2021年11月28日，JY1HF井累計產(chǎn)氣量已突破1.38×108m3，累計安全產(chǎn)出頁巖氣3 288 d，保持了國內(nèi)最長頁巖氣井生產(chǎn)時間記錄。

JY1井突破以后，受到業(yè)界廣泛關注，許多專家、學者到中國石化勘探分公司和涪陵頁巖氣田焦石壩現(xiàn)場考察，觀察和收集JY1 井的鉆井、測錄井、巖心、分析化驗等第一手寶貴資料，并利用這些資料開展了頁巖基本特征[1-2]、富集機理等多方面詳細的研究，形成了大量的創(chuàng)新性認識，為中國南方海相頁巖氣理論與技術的突破和快速建產(chǎn)奠定了良好的基礎[3-7]。從建立JY1 井五峰組—龍馬溪組基干剖面出發(fā)，系統(tǒng)地論述剖面的巖性、電性、生物地層等特征，明確JY1井不同層段的“六性”關系及差異，在此基礎上，進一步從機理上闡述JY1井優(yōu)選五峰組—龍馬溪組一段①—③號層為頁巖氣層靶窗位置的依據(jù)。通過對JY1井鉆井地質(zhì)剖面的詳細分析，為四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組的研究提供典型鉆井地質(zhì)剖面參考，同時也為其他頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)和頁巖氣富集機理等的研究提供借鑒。

1 JY1井剖面地質(zhì)概況

JY1 井位于四川盆地川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶包鸞—焦石壩背斜帶焦石壩構造高部位，行政隸屬重慶市涪陵區(qū)，距涪陵城區(qū)約35 km（圖1）[8]。該井于2012年5月18日完鉆，開口層位為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，在井深2 164 m 處鉆遇龍馬溪組，2 411 m 處鉆遇五峰組上段（觀音橋段），2 415.5 m處鉆遇臨湘組，完鉆井深2 450 m，完鉆層位中奧陶統(tǒng)十字鋪組（未穿），全井對頁巖氣目的層開展系統(tǒng)取心，共完成取心11 回次，巖心長84.77 m，取心收獲率97.3 %。研究的主要頁巖氣層段為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段，基于JY1井鉆井剖面，開展了鉆井、測井、實驗分析和測試大量的實物工作，特別是在實驗分析研究方面，開展了包含巖石學參數(shù)、地化參數(shù)、物性參數(shù)、孔隙結構、巖石力學、含氣性、開發(fā)試驗、流體分析等共計1 353 項分析測試和研究工作（圖2）。在測井方面，除開展了標準測井外，還針對頁巖氣層實施了電成像FMI、元素俘獲譜ECS、核磁共振CMR 測井服務，為后續(xù)基礎研究和勘探評價奠定了堅實的基礎。

圖1 四川盆地涪陵焦石壩區(qū)塊及鄰區(qū)構造區(qū)劃圖[4]Fig.1 Tectonic zoning map of Jiaoshiba block and its adjacent areas in Fuling,Sichuan Basin[4]

圖2 JY1井五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of shale gas in the first member of Wufeng-Longmaxi Formation in Well-JY1

1.1 巖石地層特征

1.1.1 五峰組

該地層深度介于2 411.0～2 415.5 m，厚度為4.5 m，與下伏臨湘組瘤狀灰?guī)r、上覆龍馬溪組頁巖整合接觸。

五峰組上下巖性組合差異大。其中，五峰組下段厚度為4.39 m，巖性主要為灰黑色含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖，局部層段夾黃鐵礦薄層、條帶或條紋以及數(shù)十層（約26 層）厚0.2～3 cm 不等的鉀質(zhì)斑脫巖薄層或條帶，水平紋層發(fā)育，巖石中富含筆石化石，另有少量腕足類及介形類等化石，局部見較多硅質(zhì)放射蟲，整體為深水陸棚相沉積（圖3a—3d）。五峰組上段（觀音橋段），厚度為0.11 m，巖性為灰黑—黑灰色含生屑含碳灰質(zhì)泥巖，所含生屑以腕足類碎片為主，次為海百合莖碎屑，該層巖性區(qū)域上分布穩(wěn)定，是中上揚子地區(qū)奧陶系與志留系劃分的區(qū)域性標志層（圖3e）。

1.1.2 龍馬溪組一段

依據(jù)沉積環(huán)境、巖性組合等差異，可將龍馬溪組一段分為3個亞段。

1）龍馬溪組一段一亞段

地層深度介于2 411～2 378 m，厚33 m，巖性以灰黑色含骨針放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖為主，頁巖顏色暗，呈灰黑色，富含筆石化石，與之共生的還見大量保存完整的硅質(zhì)放射蟲及少量硅質(zhì)海綿骨針化石（圖3f—3g）。頁巖質(zhì)地較純，水平紋層發(fā)育，見黃鐵礦薄層、條帶或條紋以及分散狀黃鐵礦晶粒，與含放射蟲筆石頁巖相似。該段屬于深水陸棚亞相，沉積水體安靜、貧氧，有利于富有機質(zhì)的形成。

2）龍馬溪組一段二亞段

地層深度介于2 353～2 378 m，厚25 m，巖性以黑灰色含碳含粉砂泥巖為主，少量層段為黑灰色含碳含粉砂泥巖與深灰色含筆石碳泥質(zhì)粉砂巖呈條紋狀頻繁韻律互層。巖石中生物化石單調(diào)，僅見少量筆石化石及其碎片（圖3h—3i），見少量硅質(zhì)放射蟲，黃鐵礦薄層、條帶或條紋，相對于含骨針放射蟲筆石頁巖明顯減少。少量層段見順層集中分布的粉砂質(zhì)條紋分布，與泥質(zhì)條紋呈頻繁韻律互層。該段主要為淺水陸棚低密度濁流環(huán)境沉積的巖石組合類型。

3）龍馬溪組一段三亞段

地層深度介于2 326～2 353 m，厚33 m，巖性以灰黑色含碳質(zhì)筆石頁巖為主，局部夾灰黑色含粉砂碳質(zhì)泥巖，見少量的黃鐵礦薄層、條帶或條紋。頁巖中見少量保存完整的硅質(zhì)放射蟲（圖3j—3k），局部筆石富集成層，與含放射蟲筆石頁巖相似。該巖石沉積水體安靜、貧氧，但相對含放射蟲筆石頁巖略淺，貧氧性略差，總體有利于富有機質(zhì)的生成。

圖3 JY 1井五峰組—龍馬溪組一段不同層段典型巖心鏡下照片F(xiàn)ig.3 Microscopic photos of typical cores in different layers of the first member of Wufeng-Longmaxi Formation in Well-JY1

1.2 生物地層與筆石帶劃分

在奧陶系和志留系的生物地層研究中，筆石是全球公認的第一門類。2014年6月，陳旭院士團隊繪制和拍攝了JY1 井五峰組和龍馬溪組黑色頁巖中重要的筆石屬種圖像，獲得了將黑色頁巖的生物地層劃分到筆石帶的基礎資料，編寫了咨詢報告，為五峰組—龍馬溪組地層劃分以及頁巖氣層精細評價提供了可靠的依據(jù)。根據(jù)陳旭院士建立的揚子區(qū)五峰組—龍馬溪組筆石帶序列[9-10]，JY1 井五峰組—龍馬溪組在國際地層中對應上奧陶統(tǒng)凱迪階到下志留統(tǒng)蘭多維列統(tǒng)埃隆階，可劃分為12 個筆石生物地層單元，其中五峰組包含WF1—WF4筆石帶、龍馬溪組包含LM1—LM8筆石帶（圖4）。

圖4 五峰組—龍馬溪組典型筆石特征Fig.4 Feaswres of typical graptolite plate of Wufeng-Longmaxi Formation

1）凱迪階

JY1 井五峰組中下部（2 411.5～2 415.5 m）對應上奧陶統(tǒng)凱迪階，由老到新包括Dicellograptus complanatus帶（WF1 帶）、Dicellograptus complexus帶（WF2 帶）、Persculptograptus extraordinarius帶-Paraorthograptus pacificus帶（WF3—WF4 帶），對應筆石帶厚度分別為0.16 m、2.68 m、1.42 m。其中在2 411.10～2 412.52 m 出現(xiàn)了WF3 的帶化石Paraorthograptus pacificus（Ruedemann），此外Dicellograptus turgidusMu 更是P.pacificus帶中部Tangyagraptus typicus亞帶中的標準分子。

2）赫南特階

五峰組上段（觀音橋段）（2 411.00～2 411.50 m）主要對應赫南特階中下部，在巖心中見到腕足動物碎片，筆石帶厚度僅0.1 m，未能識別出王家灣剖面WF4的Normalograptus extraordinarius帶，但不排除在五峰組頂部仍存在WF4 的層位的可能。而赫南特階中上部主要為龍馬溪組底部LM1 筆石帶，在JY1井2 407.76～2 411.00 m 發(fā)現(xiàn)了Persculptusgraptus persculptus帶（LM1 帶），筆石厚度為3.24 m，與王家灣Normalograptus wangjiawanensis帶是相當層位的筆石帶。

3）魯?shù)るA

JY1 井2 367.43～2 407.76 m 發(fā)現(xiàn)LM2—LM5 筆石帶（包括4個筆石帶）的特征屬種，巖石地層主要對應龍馬溪組龍一段一亞段。其中，以2 407.76 m 的Akidograptussp.出現(xiàn)為魯?shù)るA（LM2 帶）的底界，在底部見LM2 的帶化石Akidograptus ascensusDavies，在2 504.27 m 出現(xiàn)Cystograptus vesiculosus帶（LM4 帶），限定了LM3 帶的頂界，筆石帶厚度為3.49 m，但LM2帶和LM3 帶的界線難以確認。LM4 帶主要為Cystograptus vesiculosus帶（軸囊囊筆石帶），與之伴生的Atavograptus gracilisHutt 在歐洲也從本帶開始出現(xiàn)，筆石帶厚度為13.69 m。LM5 帶主要為Coronograptus cyphus帶（曲背冠筆石帶），該帶內(nèi)近似種普遍出現(xiàn)，并開始出現(xiàn)兩形筆石和耙筆石的分子，其 中Cystograptus penna（Hopkison），Atavograptus atavus（Jones），“Monograptus”tenellus（Chen and Lin）可能是之下地層上延而來的屬種。

4）埃隆階

華南埃隆階包括3 個筆石帶，Demirastrites triangulatus帶（LM6 帶）、Lituigraptus convolutus帶（LM7帶）和Stimulograptus sedgwickii帶（LM8帶）。在JY1 井2 367.43 m 首先發(fā)現(xiàn)了三角半耙筆石Demirastrites triangulatus（Harkness）（LM6 帶），筆石帶厚度為19.21 m，該帶內(nèi)筆石多樣性很高，以半耙筆石屬、耙筆石屬的多個種出現(xiàn)為特征，上部常見Campograptus communis（Lapworth），且花瓣筆石的種也在本帶出現(xiàn)，如Petalolithus folium（Hisinger）。LM7筆石帶主要以盤旋喇叭筆石Lituigraptus convolutus（Hisinger）首次出現(xiàn)為底界（2 348.22 m），筆石帶厚度為4.03 m，Petalolithus minorElles 則常見于本帶，但多樣性開始降低，除帶化石外，其他2 種花瓣筆石Petalolithus folium（Hisinger）是由下伏地層上延而來。在JY1 井2 344.19 m 發(fā)現(xiàn)了帶化石Stimulograptus sedgwickii（Portlock），為LM8 帶的底界，筆石帶厚度大于10.56 m，Stimulograptus halli（Barrande）是本帶常見的種。

通過JY1井巖石地層與生物地層對比分析表明，兩者具有較好的對應關系。五峰組—龍馬溪組一段一亞段高伽馬、高TOC的優(yōu)質(zhì)頁巖層段，巖性為一套黑色富有機質(zhì)頁巖，大致對應WF2 帶（Dicellograptus complexus帶）—LM5 帶的下部，筆石順層分布，含量約50%，局部富集可達80%。其中五峰組黑色頁巖主 要 對 應WF2 帶—LM1 帶（Persculptusgraptus persculptus帶），且以LM2 帶（Akidograptus ascensusDavies）的首現(xiàn)位置為頂界，而以赫南特貝為典型代表的赫南特動物群，對應五峰組上段（觀音橋段）的灰黑—黑灰色含生屑含碳灰質(zhì)泥巖。龍馬溪組一段二亞段發(fā)育的黑灰色含碳含粉砂泥巖，主要對應LM5 帶的上部及LM6 帶的中下部，筆石和硅質(zhì)放射蟲含量明顯較少，而LM6 帶上部—LM8 帶（Stimulograptus sedgwickii帶），可見少量保存較完整的硅質(zhì)放射蟲化石，主要對應龍馬溪組一段三亞段的灰黑色含筆石碳質(zhì)頁巖。由此可以看出：五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中筆石動物群的多樣性和豐富度的高低與黑色頁巖中有機質(zhì)含量的高低有著密切的關系，認為JY1 井五峰組WF2—WF3 的層位，以及龍馬溪組LM2—LM6 的層位代表了兩次筆石動物群多樣性和豐富度的高峰期，且五峰組—龍馬溪組為連續(xù)沉積，厚度大，是頁巖氣勘探開發(fā)的有利層段。

1.3 裂縫發(fā)育特征

裂縫發(fā)育程度是影響頁巖氣富集、高產(chǎn)的重要評價指標之一[11-12]。其中，微納米級裂縫主要為一些與黏土礦物相關的層間縫、收縮縫為主，是頁巖氣儲集的場所之一；宏觀天然裂縫主要是與沉積、構造成因相關的頁理縫、層間滑動縫及高角度縫，利于后期人工體積壓裂改造裂縫縱橫向的擴展延伸，形成復雜裂縫網(wǎng)絡。

基于巖心觀察、成像測井分析及微納米尺度氬離子掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)JY1 井泥巖中宏觀天然裂縫、微觀裂縫均有發(fā)育，因此，研究主要從巖心認識、宏觀天然裂縫發(fā)育特征方面進行分析。

JY1 井五峰組—龍馬溪組一段巖心中主要發(fā)育高角度縫（斜交縫和垂直縫）和水平縫（頁理縫、滑動縫）2 種類型的裂縫（圖5、圖6）。其中，高角度縫分布較局限，僅發(fā)育在五峰組—龍馬溪組一段一亞段的底部，以垂直縫為主，縫寬1.0 mm 左右，縫長20～150 mm，縫內(nèi)方解石全充填（圖6a、圖6b）；水平縫中的頁理縫縱向上分布較廣，多貫穿巖心，尤其在深水陸棚相頁巖內(nèi)發(fā)育程度相對更高（圖6c）。除頁理縫之外，還可觀察到較發(fā)育的層間滑動縫，該類裂縫在縫面可見到明顯的鏡面及擦痕現(xiàn)象，縫寬一般為0.5～1.0 mm，最寬可達6 mm，在五峰組—龍馬溪組一段底部裂縫密度較大，可達到20～30條/m，裂縫多被方解石充填，另外還可見到少量瀝青、泥質(zhì)、黃鐵礦等充填物半充填或完全充填（圖6d、圖6e）。兩類裂縫在五峰組—龍馬溪組一段底部同時發(fā)育，從而形成相對發(fā)育的裂縫網(wǎng)絡（圖6b）。

圖5 JY1井五峰組—龍馬溪組FMI測井解釋裂縫發(fā)育特征Fig.5 FMI logging interpretation of fracture development characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in Well-JY1

圖6 JY1井五峰組—龍馬溪組一段頁巖取心段典型裂縫照片F(xiàn)ig.6 Photograph of typical fractures in coring section of the first member of Wufeng-Longmaxi Formation in Well-JY1

2 JY1井剖面頁巖氣層基本特征

2.1 頁巖氣層特征

基于對JY1 井縱向頁巖品質(zhì)分析及測井綜合評價，認為JY1井五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層連續(xù)厚度76.5 m，且縱向上受沉積相帶影響，不同氣層地質(zhì)特征差異明顯[13]。其中，五峰組—龍馬溪組一段一亞段處于深水陸棚亞相，是優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段。氣層總體具有“高TOC、高孔隙度、高含氣量、高硅質(zhì)”四高特征。TOC含量介于2.0%～5.9%，平均3.6%；孔隙度介于2.80%～7.10%，平均4.65%；含氣量介于3.52～8.85 m3/t，平均5.86 m3/t；硅質(zhì)礦物含量介于31.0%～70.0%，平均44.8%；電測曲線具有高鈾、高伽馬、高聲波時差、相對高電阻及低密度、低中子、低無鈾伽馬的“四高三低”特征。其中，伽馬、電阻、密度變化趨勢對于優(yōu)質(zhì)氣層識別尤為關鍵，優(yōu)質(zhì)氣層段伽馬介于132～307 API，平均182 API，電阻介于6～166 Ω·m，平均35 Ω·m；密度介于2.422～2.483 g/cm3，平均2.532 g/cm3。氣層以一、二類氣層為主（表1）。

龍馬溪組一段二亞段—三亞段處于淺水陸棚亞相，頁巖氣層各類參數(shù)相比深水陸棚亞相整體偏低。氣層TOC含量介于0.55%～3.26%，平均1.67%；孔隙度介于1.17%～7.22%，平均4.43%；含氣量介于1.52～4.42 m3/t，平均3.02 m3/t；硅質(zhì)礦物含量介于18.4%～37.7%，平均30.74%；電測曲線伽馬值介于86～210 API，平均161 API，電阻值介于10～80 Ω·m，平均48 Ω·m；密度值介于2.426～2.751 g/cm3，平均2.648 g/cm3。氣層以二類氣層為主，局部含三類氣層（表1）。

表1 JY1井不同品質(zhì)頁巖氣層關鍵參數(shù)對比Table 1 Comparison table of key parameters of shale gas layers with different quality in Well-JY1

2.2 頁巖氣“甜段”層段優(yōu)選及依據(jù)

JY1 井深水陸棚相頁巖具有生氣量大、孔隙度高、易壓裂的特點，地質(zhì)和工程雙“甜點”高度耦合，且具有“高碳、高硅”的特征，并且兩者具有高度耦合關系，是頁巖氣勘探主要“甜點”層段[14]。其對于頁巖氣的富集、高產(chǎn)主要表現(xiàn)在3 個方面：①高碳頁巖有機質(zhì)類型好，以I 型干酪根為主，有機質(zhì)豐度高，TOC含量普遍大于3.0%，最高可達5.9%，生烴強度大，模擬計算強度達35×108m3/km2，總體具良好的生氣基礎，再者頁巖儲層有效儲集空間主要由有機質(zhì)孔提供，頁巖孔隙度與TOC含量相關性好，兩者具較好的密切共生性，即高碳、孔大（圖7）；②深水陸棚相頁巖硅質(zhì)以生物成因為主，生物硅早期不穩(wěn)定，隨著溫壓變化，會向更穩(wěn)定、硬度更高的石英集合體轉化，過程中會伴生大量石英粒間孔，能夠為高溫高壓下有機孔發(fā)育、油氣儲集，提供有效的空間和保護，深水陸棚相頁巖硅質(zhì)礦物格架孔和有機孔具有共生耦合的特征；③深水陸棚相硅質(zhì)頁巖脆性好，硅質(zhì)含量在45%以上，最高達70%，以生物成因為主，層內(nèi)分布均質(zhì)性強，且硅質(zhì)粒間孔與有機孔共生，壓裂易形成溝通有機孔—粒間孔—微裂縫的流通通道，利于頁巖氣高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[15-16]。

圖7 JY1井五峰組—龍馬溪組一段頁巖孔隙度和TOC、石英含量關系Fig.7 Relation between shale porosity and TOC and quartz content of the first member in Wufeng-Longmaxi Formation of Well-JY1

2.3 水平井“靶窗”優(yōu)選

頁巖氣水平井穿行“靶窗”的好壞，直接影響單井產(chǎn)量及效益開發(fā)，在頁巖氣地質(zhì)評價研究中十分重要[17-18]。盡管JY1 井深水陸棚亞相優(yōu)質(zhì)頁巖氣層整體具生氣量大、孔隙度高、易壓裂的特點，但通過對比不同小層精細發(fā)現(xiàn)，在儲層品質(zhì)上還是存在一定差異。其中①—③號小層頁巖內(nèi)TOC含量大于4%，含氣量大于6 m3/t，硅質(zhì)含量大于50%，孔隙度大于4.7 %，以一類氣層為主；④—⑤號小層頁巖內(nèi)TOC含量大于3 %，孔隙度大于4.6 %，含氣量大于4.5 m3/t，硅質(zhì)含量大于40%，以二類氣層為主。由此可見，①—③號小層無論在地質(zhì)“甜點”，還是工程“甜點”等各方面的條件均優(yōu)于④—⑤號小層，是水平井“靶窗”優(yōu)選的最佳層位（圖8）。另外，考慮到在水平井實際鉆進過程中，便于軌跡的把控，保證最佳“甜點”層段的鉆遇率，因此，將伽馬值最高的②號小層作為軌跡穿行的靶心位置。

圖8 JY1井優(yōu)質(zhì)頁巖段①—③小層、④—⑤小層地質(zhì)參數(shù)對比Fig.8 Comparison of geological parameters of high-quality shale section small layer ①—③and small layer ④—⑤in Well-JY1

3 結論與意義

1）JY1井五峰組—龍馬溪組鉆井地質(zhì)剖面是第一口較為系統(tǒng)的海相頁巖氣參數(shù)井剖面，該井的突破是涪陵頁巖氣田發(fā)現(xiàn)的標志。五峰組—龍馬溪組典型鉆井剖面詳實的地質(zhì)資料，為水平井靶窗優(yōu)選、軌跡跟蹤、分段壓裂提供了重要的理論基礎，也明確了深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖縱、橫向變化特征和展布規(guī)律。四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組研究典型鉆井地質(zhì)剖面，為深入研究頁巖氣富集機理等理論認識以及涪陵頁巖氣田的發(fā)現(xiàn)和探明儲量的提交奠定了堅實的基礎，也為后續(xù)其他井的勘探開發(fā)提供了參考。

2）根據(jù)巖性及其組合、古生物特征、頁巖品質(zhì)、硅質(zhì)成因等，可將JY1 井剖面①—⑨小層劃分為4 個特征明顯的頁巖層段：①小層（五峰組）、②—⑤小層（龍馬溪組一段一亞段）、⑥—⑦小層（龍馬溪組一段二亞段）和⑧—⑨小層（龍馬溪組一段三亞段）。其中，①—⑤小層頁巖處于深水陸棚亞相，氣層總體具有生氣量大、孔隙度高、易壓裂的特點，地質(zhì)和工程雙“甜點”高度耦合，是頁巖氣勘探最優(yōu)“甜點”層段，是JY1 井五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探取得重大突破，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的基礎，為后續(xù)頁巖氣勘探選區(qū)、選層提供了依據(jù)。