蒲泊伶,董大忠,管全中,蔣 珊,郭 雯,張素榮,楊金花

(1.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安 710065;2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室,陜西西安 710065;3.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;4.成都理工大學能源學院,四川成都 610059;5.中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安 710200)

川南地區(qū)是我國海相頁巖氣重點開發(fā)區(qū)之一,該區(qū)的第一口頁巖氣井威201井在龍馬溪組頁巖中獲得工業(yè)氣流,隨即區(qū)內建立了多個頁巖氣開發(fā)示范區(qū)。2009年在威遠地區(qū)鉆探的威201井發(fā)現(xiàn)了威遠古隆起斜坡型頁巖氣田,2011年在長寧地區(qū)鉆探的寧201井發(fā)現(xiàn)了長寧背斜型頁巖氣田,2012年在昭通地區(qū)鉆探的YS108井發(fā)現(xiàn)了昭通復雜向斜型頁巖氣田,2010年在富順—永川地區(qū)鉆探的陽201-H2井發(fā)現(xiàn)了瀘州高陡背斜-寬緩向斜-斷裂復合型深層頁巖氣田。至2021年底,川南地區(qū)發(fā)現(xiàn)威遠、威榮、永川、瀘州、渝西、長寧、昭通等頁巖氣田(區(qū)),探明頁巖氣地質儲量約為2.0×1012m3,頁巖氣井超1000口,年產(chǎn)頁巖氣約為150×108m3。目前頁巖氣規(guī)模生產(chǎn)主要集中在海相頁巖中,隨著勘探程度不斷深入,已形成的基礎理論與技術方法已不能滿足生產(chǎn)需求,頁巖氣富集高產(chǎn)理論有待進一步深化。

在實際勘探開發(fā)中發(fā)現(xiàn),頁巖氣井產(chǎn)量差異大,表現(xiàn)出極強的非均質性。多位學者從頁巖儲層[1-3]、巖石相及沉積相[4-5]、構造保存[6-7]、綜合地質分析[8-10]等方面對海相頁巖氣富集特征進行了研究,認識了龍馬溪組頁巖氣差異富集的特點[11]。為進一步查明不同區(qū)塊單井產(chǎn)量差異的地質原因,明確研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣有利目標靶位,降低勘探開發(fā)風險,有必要持續(xù)深入研究頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素,揭示頁巖氣富集高產(chǎn)機理,為四川盆地海相乃至我國未來頁巖氣勘探與開發(fā)提供理論基礎。因此,本文在前人研究的基礎上,以川南地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)實際資料為重點,通過典型頁巖氣井解剖,對川南地區(qū)頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素進行了深入研究,系統(tǒng)總結了龍馬溪組頁巖氣的富集規(guī)律及高產(chǎn)條件,明確界定了富集高產(chǎn)區(qū)必須具備的地質條件,研究成果豐富了海相頁巖氣富集高產(chǎn)地質認識,為下一步勘探明確靶區(qū),為進一步實現(xiàn)“地質+工程一體化”提供了理論依據(jù),具有重要的指導意義。

1 地質背景

研究區(qū)位于華鎣山褶皺帶的川南低陡褶皺區(qū)及川西南低緩構造區(qū)(圖1a),面積約為2.2×104km2。四川盆地自震旦紀以來經(jīng)歷了多期構造運動,導致志留系地層遭受不同程度的剝蝕[7]。下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積時期是中國南方擠壓最強烈的時期,強烈的構造擠壓作用影響了龍馬溪組頁巖的沉積及厚度分布[12]。威遠地區(qū)由于缺少下志留統(tǒng)石牛欄組及志留系中上統(tǒng)沉積,龍馬溪組上覆地層直接與下二疊統(tǒng)梁山組呈不整合接觸,下伏地層與上奧陶統(tǒng)五峰組呈整合接觸,龍馬溪組上部龍二段以發(fā)育大段的淺水陸棚相灰綠色-綠灰色泥巖為特征,龍一段發(fā)育半深水-深水陸棚相暗色頁巖,龍一段底部為20～40m黑色頁巖、硅質頁巖地層;而長寧地區(qū)龍馬溪組上覆地層與石牛欄組呈整合接觸,下伏地層為上奧陶統(tǒng)五峰組,與其呈整合接觸,龍二段以半深水陸棚相深灰色-灰黑色粉砂質頁巖為主,龍一段發(fā)育30～50m深水陸棚相黑色頁巖、碳質頁巖地層(圖1b)。

圖1 研究區(qū)位置(a)及地層簡表(b)

2 龍馬溪組頁巖氣富集主控因素分析

2.1 沉積控氣

2.1.1 沉積控制氣源條件

研究區(qū)龍馬溪組頁巖分布面積廣、厚度大、埋深適中(圖2)。地層埋深整體上由東南向西北增加[13]。優(yōu)質頁巖(TOC>3.0%)連續(xù)厚度大于30m,主要為龍一段深水陸棚相沉積(圖3)。勘探結果表明,優(yōu)質頁巖厚度大且分布穩(wěn)定是形成頁巖氣富集區(qū)的基本條件,高產(chǎn)井均位于優(yōu)質頁巖連續(xù)厚度為30～50m的地區(qū)。具有一定規(guī)模分布的優(yōu)質頁巖能夠保證充足的生烴物質基礎,可以為頁巖氣的富集提供充足氣源,且有利于頁巖氣的滯留及保存,同時可以造成地層內部氣體的排出不暢形成地層超壓,超壓一般形成于優(yōu)質頁巖厚度超過30m的地層中。穩(wěn)定分布的厚層頁巖也是實現(xiàn)壓裂改造的必要條件。

圖2 川南地區(qū)龍馬溪組頁巖總厚度(a)及優(yōu)質頁巖厚度(b)

圖3 川南威遠地區(qū)(a)和長寧地區(qū)(b)龍馬溪組優(yōu)質頁巖段連井對比結果

沉積條件除影響頁巖的規(guī)模外,還控制優(yōu)質頁巖的生氣能力。首先,有機質含量是影響頁巖生烴量的重要因素,同時有機物質也是頁巖氣吸附的主要載體,且有機質孔是頁巖氣儲集的重要場所,有機質含量的高低直接影響了頁巖的含氣量大小。沉積相控制了有機質的分布,深水陸棚相頁巖主要分布在龍一段,相較淺水陸棚沉積具有更高的有機質含量,TOC基本大于3.0%(圖4),且具有更高的含氣量,基本大于2m3/t(圖4),頁巖含氣量與有機質含量呈正比(圖5a)。

圖4 威201井(a)和寧203井(b)龍馬溪組綜合柱狀圖

圖5 研究區(qū)龍馬溪組頁巖含氣量與TOC(a)及脆性礦物/粘土礦物(b)的關系

川南地區(qū)在龍馬溪組沉積時期整體處于陸棚沉積環(huán)境,其沉積有機質類型主要為腐泥型(Ⅰ型)。該類有機質主要來源于陸棚沉積環(huán)境下的藻類、低等水生浮游物或其它被沉積巖中的細菌或微生物完全分解的物質,腐泥質含量為68.7%～75.8%,其含氫量高,含氧量低,易于產(chǎn)烴,且熱演化程度適中,Ro為1.8%～3.0%,處于熱成因氣大量生成的生氣窗階段,尚未達到有機質炭化(Ro>3.5%)的程度,而有機質炭化會導致頁巖的生烴潛力、儲層物性和含氣性變差[14],吸附氣能力降低[14-15]。因此,龍馬溪組優(yōu)質頁巖層段有機質含量高、有機質類型好、熱演化程度適中,有利于頁巖氣的生成和產(chǎn)出。

2.1.2 沉積控制儲集條件

頁巖中孔縫的發(fā)育程度直接影響了頁巖的儲氣性能,龍馬溪組頁巖孔隙的發(fā)育程度也受到沉積條件的影響。龍馬溪組頁巖具有成熟度較高、成巖作用較強的特點,頁巖中無機礦物形成的孔隙如粒間孔發(fā)育相對較少(圖6a)。巖心觀察及場發(fā)射掃描電鏡統(tǒng)計分析可知,優(yōu)質頁巖層段以粘土礦物層間孔、有機質孔和微裂縫豐富為特征,構成了該頁巖儲層的主要儲集空間。

由鏡下觀察及統(tǒng)計分析可知,龍馬溪組頁巖中的有機質孔(圖6b)主要集中發(fā)育在TOC>2.0%的層段,尤其在TOC>3.0%的層段最為豐富,即龍一段深水陸棚相優(yōu)質頁巖層段;在TOC<2.0%的層段,有機質孔數(shù)量明顯減少,僅有零星分布;而在TOC<0.5%的頁巖中未觀測到有機質孔。有機質孔的形成與有機質生烴過程中氣體體積膨脹作用有關[16-17]。有研究發(fā)現(xiàn),Ro為1.5%～1.6%時,有機質孔最為發(fā)育[18]。過高的成熟度導致有機質本身結構更加脆弱,抗壓實性變差[19],有機質孔隙反而減少[19-20]。研究區(qū)優(yōu)質頁巖有機質含量及熱演化程度均適中,有機質孔豐富,為頁巖氣主力儲集空間。

優(yōu)質頁巖層段的粘土礦物孔(圖6c)也十分豐富,為頁巖儲層主要儲集空間之一。粘土礦物中孔隙形成是由于沉積時粘土礦物顆粒間產(chǎn)生靜電作用,使得粘土礦物通過靜電聚集形成多孔絮凝結構[21-22],這種“絮凝體”結構十分穩(wěn)定[23],可以在成巖過程中較好地保存下來[24]。此外,由于粘土礦物與有機質相互吸附,一部分有機質被粘土礦物吸附,在粘土礦物的多孔絮狀體內聚集,形成“粘土礦物+有機質”集合體[25-26],這種集合體有時會充填在黃鐵礦的晶體周圍,其中發(fā)育一定的孔隙空間[27](圖6d)。需要注意的是,粘土礦物具有塑性很強的力學特征,在成巖作用過程中,容易發(fā)生柔性變形(圖6e),充填到礦物顆粒間,降低儲層物性。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),龍一段深水陸棚相頁巖中的粘土礦物層間孔較其它層段更為發(fā)育,這是因為龍一段深水陸棚相優(yōu)質頁巖比其它層段具有更高的脆性礦物指數(shù)(圖4b),脆性礦物含量大于50%,脆性礦物如石英、長石等具有較強的韌性,可以起到一定的支撐作用,且脆性礦物在壓實成巖過程及構造活動影響下,易發(fā)生斷裂,形成微裂縫(圖6f),增加頁巖的儲集性能。

此外,龍馬溪組頁巖具有高成巖作用、高成熟的特點,在高成巖階段,蒙脫石在向伊/蒙混層或伊利石轉化的過程中會產(chǎn)生大量的粒內孔[28],蒙脫石相比伊利石具有更大的比表面和更多的微孔隙空間[29]。通常情況下,高嶺石相對含量的變化與孔隙演化趨勢一致,伊利石、綠泥石相對含量的變化與孔隙演化趨勢相反[30]。龍一段深水陸棚相頁巖中的伊利石和綠泥石含量較低,其粘土礦物孔隙更為發(fā)育。龍馬溪組中、上部龍二段綠泥石含量較大,盡管孔隙不如龍一段發(fā)育,但因普遍含有綠蒙混層而存在孔隙保護作用[31],粘土礦物中綠泥石和綠蒙混層組合形成的包膜或孔隙充填于綠泥石中,對孔隙起到顯著保護[32]。

裂縫系統(tǒng)也是龍馬溪組頁巖重要儲集空間之一,以構造縫和頁理縫為主。川南地區(qū)自古生界以來強烈且頻繁的構造活動使得龍馬溪組頁巖裂縫較為發(fā)育(圖6g)。巖心觀察統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),深水陸棚相頁巖中構造裂縫十分豐富,且頁理縫也十分發(fā)育(圖6h),而在深水陸棚相富有機質頁巖中裂縫最為發(fā)育,有機質含量越低的地層裂縫越不發(fā)育,這與深水陸棚相沉積中生物成因(圖6i)脆性礦物的輸入造成頁巖具有較高的脆性有關。頁巖脆性越高,在外力作用下越易形成天然裂縫和誘導裂縫,形成樹枝-網(wǎng)狀結構縫,有利于頁巖氣開采[33]。而粘土礦物含量高的頁巖塑性強,易吸收能量,以形成平面裂縫為主,不利于頁巖體積改造[33]。通常,頁巖含氣量與脆性礦物相對含量呈正比(圖5b)。

圖6 研究區(qū)龍馬溪組頁巖場發(fā)射掃描電鏡及巖心照片a 寧201井2491.38m,粒間孔極少,可見有機質孔; b 寧201井2503.14m,有機質孔; c 片狀伊利石花狀排列形成層間孔; d “粘土礦物絮凝體+有機質”集合體充填在黃鐵礦顆粒周圍; e 片狀粘土礦物壓實變形; f 石英顆粒發(fā)生斷裂產(chǎn)生微裂縫; g 高角度構造裂縫,方解石充填; h 寧201井2515.79～2515.92m,層間頁理縫; i 含生物粉砂質鈣質泥巖中腕足化石

2.1.3 沉積控制保存條件

頁巖及其上、下地層的巖性和物性是確定“甜點”的關鍵因素,而這些因素往往受沉積環(huán)境的制約。封閉性良好的頂、底板或隔層的頁巖氣層段一般具有較高的含氣性和較高的產(chǎn)能,這取決于兩方面:一是具有封閉性良好頂、底板的頁巖層段將構成很好的頁巖氣封存單元,同時可以保持地層超壓,形成“超壓封存箱”,利于頁巖氣富集;二是從人工壓裂工藝的角度來說,若不具封閉性良好的頂、底板或隔層,會導致頁巖層段壓裂能量的損失,壓裂效果降低,產(chǎn)能降低[34]。

研究區(qū)內,龍馬溪組頁巖普遍整合于上奧陶統(tǒng)五峰組觀音橋段介殼灰?guī)r之上(圖7),介殼灰?guī)r的厚度為幾十厘米到幾米,下伏地層為五峰組富有機質頁巖,可以作為龍馬溪組頁巖的有效底板。也有學者認為五峰組—龍馬溪組下伏地層的臨湘組和寶塔組含泥瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r,巖性致密,基質孔隙度、滲透率低,裂縫不發(fā)育,且與頁巖氣層無沉積間斷,可以作為五峰組—龍馬溪組頁巖氣封堵性好的底板[7]。威遠地區(qū)龍馬溪組上覆地層與下二疊統(tǒng)梁山組黑灰色泥質灰?guī)r呈不整合接觸,且龍馬溪組頁巖上段發(fā)育大段的淺水陸棚相灰綠色-綠灰色泥巖(圖7a)。這套灰綠色泥巖,有機質含量極低(小于0.5%),泥質含量極高,巖性十分致密,可作為下伏優(yōu)質頁巖層段的良好頂板。長寧地區(qū)龍馬溪組上覆地層與石牛欄組整合接觸(圖7b),石牛欄組灰質泥巖是龍馬溪組頁巖的有效頂板。也有學者認為中下三疊統(tǒng)的膏巖層的發(fā)育是川南地區(qū)龍馬溪組頁巖氣得以成藏和保存的有效蓋層,如長寧地區(qū)保存了部分三疊系膏鹽巖,使得寧201井龍馬溪組頁巖氣藏壓力系數(shù)達到2.0[8]。

圖7 威遠地區(qū)(a)和長寧地區(qū)(b)龍馬溪組頁巖頂、底板模式

2.2 超壓控產(chǎn)

地層超壓是評價頁巖氣富集區(qū)的重要參數(shù),直接指導勘探方向和選區(qū)。目前認為,欠壓實作用、構造擠壓作用、斷層作用、烴類生成和烴類熱裂解、蒙脫石向伊利石轉化、水熱增壓作用等是造成泥頁巖層系異常高壓的主要因素[35]。對于研究區(qū)龍馬溪組優(yōu)質頁巖來說,超壓形成機制可以概括為以下幾個方面:①優(yōu)質頁巖連續(xù)沉積厚度大于30m的區(qū)域,流體和烴類排出不暢引起地層超壓;②頁巖具有一定的埋深并遠離剝蝕區(qū),上覆地層壓力及快速壓實形成超壓;③構造擠壓作用使得頁巖在側向上受到擠壓,孔隙體積減小,由于流體無法排出而形成異常高壓;④優(yōu)質頁巖中曾經(jīng)歷過有機質大量生烴,導致流體體積增大,流體排出不暢必然導致壓力增大;⑤與流體熱膨脹有關,一般地層中的孔隙流體以地層水為主,而龍馬溪組頁巖以生氣為主,且流體隨埋深增加溫度不斷升高而發(fā)生熱膨脹。當孔隙體積不變時,溫度提高必然導致孔隙壓力增大,形成異常高壓;⑥在成巖作用過程中,粘土礦物會發(fā)生脫水作用(如蒙脫石脫水),增加儲層孔隙流體的數(shù)量。當其被限制在封閉體系內,孔隙壓力必然升高而形成異常高壓。成巖作用過程中發(fā)生機械壓實的同時,還發(fā)生一系列化學成巖作用,包括各種礦物的溶解、沉淀、膠結作用。溶解作用往往增大孔隙體積從而會降低地層的孔隙流體壓力。沉淀和膠結作用將會使巖石物性變差,流體流動受阻,有利于超壓的形成[36]。

地層壓力越大,頁巖表面的吸附能力就越大,吸附氣含量也就越高。同時游離氣含量也會隨著壓力的增加而增加,兩者基本呈線性關系。頁巖含氣量與地層壓力表現(xiàn)出明顯的正相關關系(圖8a)。一方面頁巖含氣量越高,氣體體積增大導致頁巖產(chǎn)生較高壓力,另一方面超壓也反映了較好的保存條件,說明頁巖氣排出不暢,能夠大量滯留在頁巖地層中,而且較高的地層壓力可以對頁巖中的孔隙起到一定的保護作用,承擔了部分上覆地層的地層壓力,減弱了地層壓實帶來的孔隙減少。

川南地區(qū)屬盆地穩(wěn)定區(qū),除構造頂部等局部區(qū)域外,地層普遍具有超壓,壓力系數(shù)為0.90～2.10。高產(chǎn)井均處于地層超壓(壓力系數(shù)大于1.20)的地區(qū),產(chǎn)氣量隨地層壓力系數(shù)增加而增高(圖8b)。研究發(fā)現(xiàn),頁巖出露區(qū)、淺埋藏區(qū)、改造程度強的地區(qū)很難形成異常高壓,距離剝蝕區(qū)越遠地層壓力越高。從威遠構造高部位向東南方向的低部位,地層壓力系數(shù)由1.00增加到2.30以上,長寧構造遠離露頭區(qū)往向斜核部、深部斜坡區(qū)方向,壓力系數(shù)由0.90增加到2.03。我們根據(jù)地層壓力及構造特征將研究區(qū)劃分為穩(wěn)定區(qū)、過渡區(qū)及改造區(qū)3種類型(圖9)。穩(wěn)定區(qū)呈相對繼承性沉降,改造弱,大斷裂不發(fā)育,遠離剝蝕區(qū),埋深適中,其地層壓力和含氣量較高,頁巖氣產(chǎn)量高;過渡區(qū)曾經(jīng)歷一定程度的抬升,但地層尚未遭到剝蝕,有一定程度的改造,斷裂相對發(fā)育,埋藏深度相對較淺,地層壓力通常為常壓,具有一定的含氣量,其含氣性比穩(wěn)定區(qū)含氣性差;改造區(qū)地層抬升剝蝕嚴重,褶皺、斷裂作用強,不易形成超壓,其含氣性大多低于高壓區(qū)含氣性。

圖8 川南地區(qū)頁巖氣井壓力系數(shù)與含氣量(a)、測試氣產(chǎn)量(b)的關系(部分產(chǎn)量數(shù)據(jù)引用自文獻[37])

圖9 川南地區(qū)頁巖氣富集區(qū)分布模式

3 結論

1) 沉積條件控制優(yōu)質頁巖沉積規(guī)模,優(yōu)質頁巖連續(xù)厚度大于30m是保證氣源的物質基礎及實現(xiàn)壓裂改造的必要條件;沉積條件控制優(yōu)質頁巖生氣能力,有機質豐度高(TOC>3.0%)、類型好(腐泥型)、熱演化程度適中(1.8%

2) 優(yōu)質頁巖段孔縫發(fā)育是保證頁巖氣有充足的儲集空間的重要條件,深水陸棚相頁巖有機質孔、粘土礦物孔及頁理縫相對豐富,是頁巖氣儲集的主要空間。深水陸棚相頁巖具有更高的脆性礦物含量(大于50%),巖石脆性高利于形成裂縫,且在人工壓裂中容易產(chǎn)生人工裂縫,增加頁巖氣滲流通道。

3) 良好的保存條件是頁巖氣能夠富集成藏的關鍵因素,在有利的沉積環(huán)境下沉積的封閉性良好的頂、底板或隔層形成良好封閉單元,利于頁巖氣的賦存。地層超壓(地層壓力系數(shù)大于1.20)是頁巖氣高產(chǎn)的重要條件。

川南地區(qū)龍馬溪組頁巖氣富集高產(chǎn)區(qū)位于構造穩(wěn)定區(qū)的深水陸棚相沉積建造中,龍一段有機質豐度高(TOC>3.0%)的頁巖層段為有利勘探開發(fā)層段,連續(xù)厚度為30～50m,頁理發(fā)育,有機質孔豐富,脆性礦物含量大于50%,地層壓力系數(shù)大于1.20,保存條件好,為頁巖氣富集高產(chǎn)區(qū)。