倪楷

（中國石化勘探分公司，四川　成都　610041）

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川南地區(qū)海相頁巖氣層壓力差異原因分析

倪楷

（中國石化勘探分公司，四川成都610041）

摘要在頁巖生烴史、埋藏史、現(xiàn)今構(gòu)造和古構(gòu)造分析的基礎(chǔ)上，對川南地區(qū)海相頁巖氣層壓力差異的原因進行了探討。研究認為：干酪根生烴及原油裂解形成川南地區(qū)海相頁巖氣層最初的超壓，后期構(gòu)造運動的差異造成盆內(nèi)和盆外超壓、常壓或低壓的差異，盆內(nèi)威遠地區(qū)受加里東期古隆起的影響緊鄰古隆起的區(qū)域形成常壓，其他大多保持了超壓，盆外后期構(gòu)造變形、斷裂、剝蝕較強，超壓釋放形成常壓和低壓。

關(guān)鍵詞頁巖氣超壓成因釋放高產(chǎn)生烴構(gòu)造抬升

0　引言

南方地區(qū)志留系龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖大面積連續(xù)分布，熱演化程度高，處在裂解成氣階段；脆性礦物含量高，微—納米級孔隙較發(fā)育，有利區(qū)面積較大，是中國頁巖氣勘探的熱點地區(qū)。截至2015年底，四川南部地區(qū)海相已鉆多口頁巖氣探井并獲氣，部分井日產(chǎn)量超過15×104m3。對這些探井鉆后評價認為，優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育，脆性礦物含量高，大多都具備頁巖氣形成和開采的條件。但是試氣的產(chǎn)能差異卻很大，一些探井獲高產(chǎn)，一些井產(chǎn)量卻很低，當前已知的探井，測試初始產(chǎn)量最高的達43× 104m3/d，最低的只有2 000 m3/d。綜合分析發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)井都為超壓，而低產(chǎn)井一般都為常壓的顯著特點，壓力系數(shù)與天然氣產(chǎn)量之間存在一定的正相關(guān)性，即壓力系數(shù)越高，產(chǎn)量越高。對于該區(qū)海相頁巖氣的勘探，大家?guī)缀跻恢抡J為，超壓是該區(qū)海相頁巖氣富集高產(chǎn)的一個關(guān)鍵標志。筆者對川南地區(qū)海相頁巖氣層超壓或常壓的原因進行分析，提出一點見解，為頁巖氣的進一步勘探提供參考。

1　川南海相頁巖氣層超壓成因

黏土礦物轉(zhuǎn)化脫水作用、頁巖內(nèi)干酪根的生烴作用、頁巖儲層增溫作用和構(gòu)造升降作用是導(dǎo)致頁巖內(nèi)部超壓的主要地質(zhì)因素。在埋深不變而構(gòu)造較復(fù)雜的背景下，構(gòu)造擠壓可導(dǎo)致小范圍的頁巖儲層超壓［1］。川南地區(qū)海相頁巖有機質(zhì)含量比較高，TOC一般可達2%～6%，熱演化程度也比較高，Ro一般為2%～3%，處于天然氣熱裂解干氣階段，具備生烴產(chǎn)生超壓的地質(zhì)條件，因而干酪根生烴作用是可能的超壓源；川南地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造沉降和構(gòu)造抬升過程，因而構(gòu)造升降也是影響海相超壓或低壓的可能因素之一。

1.1干酪根生烴作用產(chǎn)生超壓

四川盆地海相兩套頁巖氣層（下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)龍馬溪組），熱演化程度高，普遍經(jīng)歷了干酪根生烴及原油裂解生氣的過程，干酪根生氣及原油裂解生氣對超壓貢獻最大。干酪根在向液態(tài)、氣體、殘留物和副產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過程中，伴隨的體積膨脹達25%［2］。川南地區(qū)海相下寒武統(tǒng)和龍馬溪組都產(chǎn)氣，天然氣組分中甲烷含量一般達98%以上，為典型的干氣，說明歷史上存在干酪根大量生氣或原油裂解成氣的過程。劉德漢（2013年）研究工作中在五科1井下志留統(tǒng)黑色硅質(zhì)巖石英中發(fā)現(xiàn)了一批濃度高、密度大的甲烷包裹體和少量含輕烴包裹體，甲烷包裹體拉曼位移主要在2 910～2 911.4 cm-1，比一般CH4的2 917 cm-1漂移了6～7波數(shù)，說明這些包裹體中的壓力很高［3-4］，也反映了四川盆地海相黑色頁巖在地質(zhì)歷史中存在干酪根生烴并形成過高壓的證據(jù)。

1.2構(gòu)造抬升產(chǎn)生超壓

構(gòu)造抬升也可以產(chǎn)生超壓，這種超壓成因是爭議最多的。構(gòu)造抬升產(chǎn)生超壓是由于封閉的壓力箱快速被抬升和剝蝕，壓力箱中孔隙流體的壓力保持不變，但上覆壓力卻減小了，相應(yīng)的有效壓力也減小了。Kent A Bowker（2007）［5］在對Barnett頁巖超壓源的討論中提出，Barnett頁巖目前的超壓實際上是從過去地質(zhì)時期建立的正常壓力梯度，或油氣生成形成的輕微超壓保存下來的觀點。四川盆地海相頁巖（下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)頁巖）超壓有沒有這樣的可能呢？埋藏史顯示，四川盆地經(jīng)歷了多期沉降、抬升，白堊紀埋藏達到最深后，有幾千米的上覆地層被剝蝕，再加上頁巖極低的滲透率，這些條件是允許有這種可能的。

假設(shè)頁巖孔隙組成封閉體系，孔隙含氣，在構(gòu)造抬升過程中，儲層內(nèi)不產(chǎn)生流體，也無流體損失，并且初始時刻儲層壓力為常壓。以JY1井為例，龍馬溪組頁巖氣儲層溫度為86℃，儲層埋深現(xiàn)今為2 415 m，推算地溫梯度為2.9℃/100 m，從埋藏史圖可知（圖1），下志留統(tǒng)烴源巖地史上最大埋深為5 500 m左右，推算當時的儲層溫度為178℃，假設(shè)當時為常壓（壓力系數(shù)為1.0，折算壓力為54 MPa），根據(jù)氣態(tài)方程計算其抬升到現(xiàn)今深度（2 415 m）時，氣層壓力為43 MPa，折算壓力系數(shù)為1.82，顯然形成了超壓。實際上，構(gòu)造抬升、上覆地層卸載的過程中，由于裂縫、斷裂的產(chǎn)生，存在流體的流失，壓力肯定是降低的，只要構(gòu)造不太強烈，損失的壓力小于剝蝕掉巖層重力，產(chǎn)生超壓還是可能的。

圖1　JY1井埋藏史圖

2　不同地方龍馬溪組成為常壓的原因

經(jīng)過第1部分的分析，四川盆地海相頁巖整體具備產(chǎn)生超壓的條件，但現(xiàn)實的情況是超壓和常壓，甚至低壓并存，且除威遠地區(qū)外（龍馬溪組為常壓），整體存在壓力系數(shù)從盆內(nèi)向盆緣、盆外復(fù)雜區(qū)降低的規(guī)律，從超高壓—輕微超壓—常壓，壓力系數(shù)最高可達2.15，最低為0.9。大量研究認為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要在于構(gòu)造活動的差異，造成壓力保存的不同。

2.1盆外地區(qū)頁巖氣常壓、低壓的形成

盆外地區(qū)褶皺、抬升強烈，頁巖氣容易散失，超壓釋放形成常壓、低壓，主要有3種散失模式［6-7］。

2.1.1剝蝕露頭區(qū)壓力散失

由于后期構(gòu)造運動的影響，造成地層發(fā)生形變，在較小的范圍內(nèi)出現(xiàn)頁巖氣層抬升至地表并發(fā)生剝蝕，因此區(qū)域蓋層不完整。頁巖氣層直接遭受地表的風化或大氣淡水淋濾，造成頁巖氣大量的側(cè)向擴散，尤其在距離露頭剝蝕區(qū)較近的地區(qū)，地層壓力系數(shù)明顯較低，頁巖氣井產(chǎn)能通常不高，但隨著埋深逐漸增大，地層壓力系數(shù)明顯逐漸增大，頁巖氣井產(chǎn)能也隨之增高。典型實例如PS地區(qū)（圖2）。

圖2　PS地區(qū)頁巖氣剝蝕露頭區(qū)壓力散失殘存型模式圖

2.1.2埋藏淺、頂板條件不佳散失

頁巖氣層段埋深淺（埋深小于1 500 m），頁巖由于大幅度的抬升剝蝕作用，地層壓力大幅度降低，造成頁巖層裂縫的開啟，自身封蓋作用缺失，加之無良好的頂板條件或頂板條件直接缺失，頁巖氣向地表基本散失殆盡［8］。典型的鉆井如QJ地區(qū)YY1井（圖3）。

2.1.3開啟性斷裂散失

圖3　QJ地區(qū)埋藏淺、頂板條件不佳散失破壞型模式圖

頁巖氣層段自身具有一定的埋深（埋深大于1 500 m）、一定的自身封蓋作用，但是處于復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，距離開啟性斷裂較近，頁巖氣沿開啟性斷裂發(fā)生向地表方向的散失。典型的鉆井如ZT地區(qū)Z101井（圖4）。

圖4　ZT地區(qū)開啟性斷裂散失破壞型模式圖

2.2盆內(nèi)威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣層常壓的形成

從四川盆地盆內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的頁巖氣鉆探來看，其他地方（包括焦石壩地區(qū)）龍馬溪組都保持了超壓、超高壓，而威遠地區(qū)卻為常壓，是什么原因造成的呢？志留紀以來，四川盆地主要經(jīng)歷了兩次大的抬升，一次是志留—泥盆紀的加里東期抬升，一次是白堊紀以來的燕山—喜山期抬升，前者造成了樂山—龍女寺古隆起的崛起，后者形成了盆緣大幅度抬升和盆外褶皺變形［9］。筆者認為威遠地區(qū)表現(xiàn)為常壓，就與前一次加里東期運動有關(guān)。

加里東期運動造成桐灣期形成的樂山—龍女寺水下隆起強烈變形隆升，最早形成了四川盆地規(guī)模最大、延續(xù)時間最長、剝蝕幅度最大、覆蓋面積最廣的巨型隆起［10］。

樂山—龍女寺古隆起志留系向下由古隆起帶邊緣向核部超覆于奧陶系之上，表現(xiàn)為典型的整合—超覆型不整合接觸；上覆二疊系與志留系假整合接觸。古隆起核部在川西邊緣，相對隆起幅度為3.2 km，東部隆起軸部與兩側(cè)坳陷平均值比較，相對隆起幅度高達1 351.6 m［11］。樂山—龍女寺加里東期古隆起區(qū)志留系泥質(zhì)巖蓋層大面積缺失，為下伏儲集層開了“天窗”，成為下古生界早期古油氣藏大量被剝蝕、氧化、逸散的破壞場所，不利于早期油氣聚集。

威遠地區(qū)基本位于樂山—龍女寺加里東期古隆起的邊緣，緊鄰遭受長期剝蝕、志留系缺失的“天窗”區(qū)，“天窗”區(qū)長期以來是油氣運移、逸散的指向區(qū)。下志留統(tǒng)龍馬溪組地層壓力的釋放與這個“天窗”區(qū)關(guān)系很大。自從三疊紀時志留系龍馬溪組頁巖成熟后［12-13］，便不斷側(cè)向向“天窗”區(qū)，或向上部不整合面排烴。威遠龍馬溪組頁巖向“天窗”區(qū)排烴的過程，類似于盆地邊緣靠近露頭的區(qū)域天然氣向露頭逸散的過程，不過，由于存在上覆巖層的壓力，其并不是完全的開放系統(tǒng)，其排烴速率比靠近露頭區(qū)頁巖氣散失速度慢。但是，并不是說排烴速率慢，壓力的損失量就少，還應(yīng)考慮時間的因素。從生烴演化史來看，古隆起造成壓力損失時間很長，威遠地區(qū)龍馬溪組烴源巖從三疊紀時210 Ma開始生烴，便開始了向古隆起排烴的過程，壓力損失時間為210 Ma；盆緣及盆外地區(qū)，壓力的損失主要發(fā)生在燕山—喜山運動抬升階段，開始抬升時間為100 Ma，壓力損失時間為100 Ma。因此，雖然加里東期壓力損失速率慢，但作用時間長，其壓力損失量并不一定比盆緣和盆外靠近露頭區(qū)少。

另外一個造成壓力釋放的原因是蓋層因素，由于加里東期抬升剝蝕，威遠地區(qū)志留系剝蝕至下志留統(tǒng)龍馬溪組，殘留厚度0～200 m（威4井殘余厚度181.5 m，威201井殘余厚度160 m）［14］，中上志留統(tǒng)韓家店組和下志留統(tǒng)小河壩組（或石牛欄組）不復(fù)存在，頁巖氣層上部貧有機質(zhì)泥頁巖蓋層的嚴重剝蝕，使得天然氣更容易向上突破，從而造成壓力的降低。而遠離古隆起的盆內(nèi)區(qū)域志留系厚度一般為700～1 400 m，巨厚的志留系泥質(zhì)巖蓋層降低頁巖氣向上運移速率。威遠地區(qū)不同于焦石壩地區(qū)及其他地區(qū)，表現(xiàn)為低壓的原因就在于樂山—龍女寺加里東期古隆起造成油氣散失較多所致。志留系泥頁巖從古隆起向盆地中心，殘留厚度逐漸增大，也有壓力系數(shù)從古隆起向盆地中心逐漸增大的趨勢。

3　結(jié)論

1）干酪根生烴及原油裂解形成了川南地區(qū)海相頁巖氣層最初的超壓，龍馬溪組歷史上存在干酪根大量生氣或原油裂解成氣的過程，黑色頁巖石英中發(fā)現(xiàn)大量高密度甲烷，證實干酪根生烴形成高壓的事實。四川盆地多期沉降、抬升后幾

千米的上覆地層剝蝕，加之頁巖極低滲透率，構(gòu)造整體抬升成為頁巖氣層超壓形成的可能原因。

2）盆外受后期構(gòu)造運動的影響，地層發(fā)生變形、斷裂、剝蝕，超壓釋放形成常壓和低壓。盆外超壓釋放存在3種模式：一種是剝蝕露頭區(qū)壓力散失，頁巖氣層剝蝕出露，天然氣大量的側(cè)向擴散，在距離露頭剝蝕區(qū)較近的地區(qū)，地層壓力系數(shù)明顯較低；一種是埋藏淺或頂板條件不佳散失，由于大幅抬升剝蝕，造成頁巖層頂板條件直接缺失，自身封蓋作用失效，頁巖氣向地表基本散失形成低壓；一種是開啟性斷裂散失，處于復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，距離開啟性斷裂較近，頁巖氣沿開啟性斷裂發(fā)生向地表方向的散失而泄壓。

3）盆內(nèi)威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣層常壓的形成與加里東期運動造成樂山—龍女寺古隆起的形成有關(guān)，三疊紀時志留系龍馬溪組頁巖成熟后便不斷側(cè)向向“天窗”區(qū)，或向上部不整合面排烴，長時間的側(cè)向或垂向排烴造成緊鄰古隆起的區(qū)域頁巖氣散失形成常壓。

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（編輯：盧櫟羽）

修訂回稿日期：2016-05-11

文獻標識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）03-0028-03

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.007

基金項目：中國石油化工集團公司重大專項“川渝地區(qū)海相優(yōu)質(zhì)頁巖氣層形成主控因素及預(yù)測技術(shù)”（編號：P15074）。

作者簡介：倪楷（1982-），工程師，從事頁巖氣勘探工作。E-mail：187379588@qq.com。