肖繼林 魏祥峰 李海軍
1.中國石油化工股份有限公司勘探分公司 2.西南石油大學地球科學與技術學院
頁巖氣作為一種資源量非常巨大的非常規(guī)天然氣清潔能源,在北美地區(qū)已經取得了良好的勘探開發(fā)效益[1-2]。2012年中石化在四川盆地川東南涪陵地區(qū)發(fā)現了中國第一個大型商業(yè)開發(fā)的海相頁巖氣田,頁巖氣層為奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組,是中國海相頁巖氣田的典型代表[3-5]。截至2017年7月,累計提交頁巖氣探明地質儲量6 008.14×108m3;同時元壩地區(qū)多口井在大安寨段測試獲得不同程度的天然氣流,尤其YB21井常規(guī)測試獲得50.7×104m3/d的高產工業(yè)氣流,多口井大安寨段實測壓力系數高,普遍具有超壓特征,含氣性好,初步證實了四川盆地涪陵海相、元壩湖相頁巖氣均具有良好的勘探開發(fā)前景。雖然相關眾多專家學者針對海、湖相頁巖氣從不同角度進行了研究[6-10],但未對海、湖相兩大領域頁巖氣富集條件的差異性進行系統(tǒng)對比,在一定程度上制約了國內頁巖氣理論的進一步發(fā)展以及海、湖相頁巖氣快速、規(guī)?;a能建設。因此,筆者針對四川盆地典型層位五峰—龍馬溪組和自流井組大安寨段,對海、湖相頁巖氣富集條件差異性進行了精細對比研究,明確了2類頁巖氣富集條件及富集高產的主控因素。
圖1 四川盆地構造單元分區(qū)圖(據中國石油地質志,1989)
元壩區(qū)塊位于四川省東北部廣元、南充和巴中市境內,區(qū)域構造上屬于米倉山、大巴山弧形構造帶與川東弧形褶皺帶疊加區(qū)塊,北為九龍山背斜構造帶南端,南為閬中—平昌低緩構造帶,北東與通南巴背斜構造帶相鄰(圖1);興隆場區(qū)塊行政區(qū)劃隸屬于重慶市梁平縣、忠縣和萬州市管轄,區(qū)域構造位置位于川東弧形高陡構造帶上,東臨大池干井構造—寨溝灣構造帶,西以南門場構造—大天池構造帶為界,屬于萬縣復向斜焦石壩—茍家場—黃泥塘斜列背斜帶中的拔山寺向斜,構造呈北東向延伸。大安寨段二亞段中部以黑灰色、黑色頁巖為主,夾薄層、紋層狀灰色、深灰色介屑灰?guī)r、砂巖,暗色泥頁巖厚度一般30~50 m,主要為陸地湖泊沉積形成,結合區(qū)域相帶特征,根據巖性變化特征可劃分出濱湖亞相、淺湖亞相和半深湖亞相。
涪陵南部區(qū)塊(圖1)位于重慶市涪陵區(qū)、南川區(qū)和武隆縣境內,構造位于四川盆地川東隔檔式褶皺帶南段石柱復向斜、方斗山復背斜和萬縣復向斜等多個構造單元的結合部,盆地邊界斷裂齊岳山斷裂以西。涪陵地區(qū)在晚奧陶世五峰期—早志留世龍馬溪期,發(fā)育了大套的暗色碳質頁巖、碳質筆石頁巖夾薄層泥質粉砂巖,沉積厚度介于40~120 m,富有機質泥頁巖較為發(fā)育,厚度介于28~40 m,屬淺海濱外陸棚相沉積??v向上,依據巖性、巖相及生物特征的變化,可進一步將焦石壩地區(qū)濱外陸棚相細分為深水陸棚亞相和淺水陸棚亞相。
2.1.1 五峰—龍馬溪組早期古構造環(huán)境有利于大規(guī)模的富有機質泥頁巖形成
五峰—龍馬溪組早期陸內拗陷深水陸棚滯留閉塞頁巖發(fā)育模式,有利于大規(guī)模的富有機質泥頁巖形成(圖2)。四川盆地五峰組—龍馬溪組一段有機質顯微組分測定顯示,顯微組分中腐泥組含量最高,含量介于82.5%~95.0%(其中腐泥無定型體50.0%~72.0%,藻類體12.0%~25.0%),未見殼質組、鏡質組和惰質組。在顯微鏡下,腐泥組多以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主,見少量的動物碎屑,利用TI值對其源巖干酪根類型進行的劃分表明,龍馬溪組烴源巖有機質類型主要為Ⅰ型;同時,上揚子地區(qū)“三隆夾一拗”的古構造格局對海水的循環(huán)起到了阻隔作用[11],與海侵初期的相對海平面快速上升、水體的快速加深共同使海洋水體底部處于低能、滯留、缺氧的環(huán)境,有利于有機質的聚集和保存。另外,揚子板塊與華夏板塊的匯聚和碰撞作用,造成了在揚子板塊東南緣形成了前陸盆地,在前陸盆地發(fā)育的初期階段,前淵凹陷的沉降速率大于或遠遠大于其沉積速率(大約為6~60 m/Ma)[12-13],處于欠補償或饑餓沉積狀態(tài),有利于深水陸棚相大規(guī)模的富有機質泥頁巖沉積。川東南地區(qū)五峰—龍馬溪組含氣泥頁巖層段(TOC≥0.5%)厚度一般40~120 m,焦石壩地區(qū)JY1井為89 m,富有機質(優(yōu)質)泥頁巖(TOC≥2.0%)較為發(fā)育,厚度達到 38 m。
圖2 五峰—龍馬溪組優(yōu)質烴源巖發(fā)育的古構造環(huán)境模式圖
四川盆地自流井組大安寨段的沉積開始于印支晚幕運動后,主要是一套暗色泥巖與介殼灰?guī)r不等厚互層的淺湖、半深湖—深湖相帶沉積(圖3)。與海相沉積相比,湖相受沉積環(huán)境等方面的影響較大,縱橫向沉積變化快[14],富有機質泥頁巖在沉積規(guī)模上相對海相環(huán)境較小,雖然在盆地穩(wěn)定沉降階段同樣能形成分布廣泛的湖相頁巖氣層,但其空間展布明顯受到沉積相帶的控制。其中在離物源較近、水體能量相對較大的濱湖相帶,由于受到陸源碎屑的破壞和稀釋,不利于有機質后期的形成和保存;而在水體相對較深且安靜的淺湖、半深湖—深湖相帶,水體相對缺氧,總體有利于富有機質泥頁巖的形成,累計暗色泥頁巖厚度介于30~50 m。
2.1.2 五峰—龍馬溪組海相頁巖巖相單一、頁理發(fā)育,大安寨段湖相頁巖巖相豐富、頁理不發(fā)育
四川盆地五峰—龍馬溪組從下至上,表現為海退序列,縱向上巖性具有一定的漸變性,整體上巖相相對單一。尤其在五峰組—龍馬溪組早期沉積時期,沉積水體相對安靜、缺氧,處于深水陸棚的沉積物主要呈毫米級紋層狀或片狀頁理構造產出的暗色含碳質、含筆石泥頁巖巖相(圖4-a),其中含放射蟲碳質筆石頁巖,筆石含量達30%(圖4-b),見少量放射蟲(圖4-c)和硅質海綿骨針;局部層段受季節(jié)性海水的影響,泥頁巖中含少量的粉砂,巖性為含碳質含筆石含粉砂泥頁巖巖相(圖4-d)[15]。
四川盆地川東北地區(qū)自流井組大安寨段沉積時期,經歷了早侏羅世中期的最大一次湖侵,可劃分為水進擴展期、最大水進期,水退萎縮期3個階段,分別對應大三亞段、大二亞段、大一亞段3個沉積時期。造成了大二亞段處于淺湖、半深湖—深湖相帶中的泥頁巖與薄層或條帶狀的灰?guī)r、砂巖互層沉積,巖相類型豐富,包含了含介殼泥巖巖相(圖4-e)、水平層理泥頁巖巖相(圖4-f)、水平層理含粉砂泥巖巖相(圖4-g)、塊狀層理含泥介殼灰?guī)r巖相、塊狀層理結晶灰?guī)r巖相(圖4-h)以及平行層理粉砂巖巖相等類型[15]。
從巖心觀察和樣品實驗數據分析來看,五峰—龍馬溪組海相頁巖較大安寨段湖相頁巖頁理發(fā)育(圖4-a、圖4-e)。
圖3 四川盆地大安寨段沉積模式圖
圖4 元壩、涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組和大安寨段主要巖相類型特征
海相和湖相在巖相上的差異也造成了頁巖氣靜態(tài)評價參數上的不同。其中五峰—龍馬溪組深水陸棚相優(yōu)質泥頁巖表現為“高TOC、高物性、高孔隙度、富硅質”特征;以焦石壩地區(qū)JY1井為例,底部38 m的優(yōu)質泥頁巖層段TOC介于1.0%~5.9%,平均為 3.5%,大于2.0%的樣品所占比例達到95%;孔隙度介于2.78%~7.08%,平均為4.66%,大于3.0%的樣品所占比例達到97%;石英含量介于31.0%~70.6%,平均為44.4%,介于30.0%~60.0%的樣品所占比例達到93.0%(圖5-a~c)。相對于五峰—龍馬溪組,大安寨段湖相頁巖氣儲層表現為TOC、物性、硅質含量總體較低,且不同巖相各參數分異性高,表現為非均質性相對較強的特征(圖5-d~5-f)。
海相頁巖與湖相頁巖相比,具有TOC高、有機質孔隙發(fā)育、含氣量高的特點。
泥頁巖作為頁巖氣的儲層,其納米級孔隙的發(fā)育程度是影響其儲集能力和頁巖氣勘探開采的主要因素[16-17]。海相、湖相泥頁巖的儲集空間類型基本一致,主要為有機孔隙和無機孔隙(包含晶間孔、粒間孔和溶蝕孔等),其中有機孔隙對頁巖氣的儲集能力具有更大的貢獻;這不僅是因為泥頁巖的比表面積與TOC呈一定程度的正相關關系(圖6、圖7),反映了有機孔隙能夠為頁巖氣提供更多的儲集空間;另外有機孔隙具備親烴性,更有利于頁巖氣的吸附和儲集。
有機質孔為巖石中保存下來的有機物質(如低等藻類絮團),后期埋藏成巖時受地下溫度、壓力升高的影響,有機質在裂解生烴的轉化過程中內部逐漸變得疏松多孔,這些孔隙就成了生成氣體的保存場所。研究發(fā)現在相同演化程度情況下隨著TOC增加,有機孔隙更發(fā)育[18],且在同等情況下隨溫度增加,孔隙也更加發(fā)育[19],間接反映了有機孔隙隨熱演化程度的增高而更發(fā)育。但在相近TOC和相同成熟度情況下,元壩地區(qū)自流井組大安寨段湖相有機質類型為Ⅱ型干酪根的泥頁巖比Ⅲ型的有機孔隙發(fā)育(圖7-a~7-d)。
川東南地區(qū)五峰—龍馬溪組海相優(yōu)質頁巖氣儲層相對于湖相,多具備高TOC、高Ro和良好的有機質類型, 以JY1井為例,TOC>2.0%的優(yōu)質泥頁巖厚度為 38 m, TOC 平均為 3.5%;Ro為2.20%~3.06%,有機質類型為Ⅰ型,其有機孔隙更發(fā)育,能夠為生成的頁巖氣提供更多吸附和儲集空間;而YL4井大安寨湖相泥頁巖平均TOC為1.1%;Ro為1.44%~1.60%;有機質類型為Ⅱ2或Ⅲ型,在氬離子拋光掃描電鏡下,有機質孔隙發(fā)育程度總體比海相差,但無機孔隙相對發(fā)育,總孔隙度相對較小,平均為3.55%。因此,其比表面積較小,平均僅為 0.994 1 m2/g。
圖5 涪陵地區(qū)JY1井五峰—龍馬溪組和Xl101井大安寨段評價參數統(tǒng)計直方圖
圖6 JY1井TOC與比表面積相關關系圖
同時具有高TOC且有機孔隙更加發(fā)育的五峰—龍馬溪組海相泥頁巖相對于湖相泥頁巖具備更高的含氣量,JY9井五峰組—龍馬溪組頁巖層段頁巖氣層總含氣量為 1.10 ~ 6.99 m3/t,平均值 3.73 m3/t,且總含氣量與TOC呈明顯的正相關關系,相關系數0.88(圖8)。而XL101井大安寨段湖相泥頁巖含氣量介于 0.52 ~ 2.29 m3/t,平均僅為 1.48 m3/t,在TOC和有機孔隙發(fā)育程度上的差異,導致含氣量與TOC有一定的正相關關系,但相關系數低、相關性較差(圖8),這可能與湖相頁巖中夾較多的薄層砂巖、石灰?guī)r以及發(fā)育更多的無機孔隙有關。
四川盆地下古生界海相頁巖原始生烴條件雖然優(yōu)越,但在整個地質歷史過程中經歷了多期次復雜的構造演化、熱演化和頁巖氣的聚集、散失,在一系列過程中頁巖氣藏遭受了多次的改造或破壞,關鍵時期包括2個階段: ①中晚侏羅世至早燕山期的頁巖氣集中大量生成階段;②燕山晚期到喜山晚期頁巖氣生成后的長期逸散階段。前一個階段以頁巖氣的生成為主要特征,由于泥頁巖埋深較深,頁巖氣的運移逸散量相對較低;后一個階段以頁巖氣的逸散為主要特征,特別是在泥頁巖儲層埋深達到3500 m 以淺的時候,常規(guī)地質因素的影響逐漸增強,頁巖氣的運移特征趨于復雜化。目前勘探上受頁巖氣藏埋深及壓裂工程工藝的限制,海相頁巖氣的勘探取得重大突破的區(qū)域位于四川盆地盆緣及盆內高陡構造等復雜構造帶,構造活動較強。近年來勘探實踐證明,對于海相頁巖氣來說,需尋找構造活動相對較弱,保存條件優(yōu)越的地區(qū)進行頁巖氣勘探研究。
四川盆地自晚印支構造事件后,盆緣發(fā)生了多其次強烈的構造運動[20],但盆內的元壩-通江地區(qū)則是相對穩(wěn)定的拗陷內,構造活動較弱,地層平緩,“通天”斷裂不發(fā)育,頂底板為石灰?guī)r,同時湖相侏羅系自流井組泥頁巖埋深介于1 000~4 500 m,覆蓋著巨厚中新生代地層,區(qū)域蓋層封蓋條件良好;在以上條件的共同作用下自流井組湖相頁巖氣具有良好的保存條件。此外,川東北地區(qū)自流井組地壓系數介于1.4~2.0,普遍存在的超壓特征,進一步佐證了湖相頁巖氣具有良好的保存條件。
圖7 五峰—龍馬溪組和自流井組泥頁巖有機孔隙發(fā)育特征
圖8 JY9井五峰—龍馬溪組和Xl101井自流井組泥頁巖含氣量與TOC關系圖
頁巖儲層具有低孔、低滲的特征,在自然條件下很難產出油氣,要取得商業(yè)勘探開發(fā)效果,需要對水平段頁巖儲層進行大規(guī)模壓裂改造,同時要保證水平段方位與最小水平主應力有一定夾角(30°左右的扇區(qū)),從而容易產生開啟的網狀裂縫使天然氣順利排出,才能形成工業(yè)產能,因此對頁巖氣層可壓裂性評價就顯得尤為重要。
總體上,五峰—龍馬溪組海相優(yōu)質頁巖具有硅質礦物含量高、黏土礦物含量低、脆性指數高的特征,而大安寨段湖相頁巖硅質礦物含量低、黏土礦物含量高、脆性指數低。
四川盆地川東南地區(qū)JY8井五峰組—龍馬溪組一段一亞段礦物脆性指數最高,硅質礦物脆性指數為22.6%~66.8%,平均達到43.5%;硅質礦物+長石+碳酸鹽脆性指數為50.7~80.2%,平均達到65.0%。龍馬溪組一段二亞段硅質礦物脆性礦物指數為21.7%~41.1%,平均為33.4%;硅質礦物+長石+碳酸鹽脆性指數為40.2%~60.4%,平均達到53.6%。龍馬溪組一段三亞段硅質礦物脆性礦物指數為27.1%~38.9%,平均達到32.4%;硅質礦物+長石+碳酸鹽脆性指數為33.7%~62.9%,平均達到42.9%。總體反映出五峰組—龍馬溪組一段下部巖石比上部巖石具有更好的可壓裂性。而Xl101井大安寨段泥頁巖黏土礦物含量為30.0%~68.2%,平均值51.2%;脆性礦物含量為30.1%~68.4%,平均值47.4%,脆性礦物以石英和方解石為主,平均含量為22.1%和21.4%,長石含量較少,平均含量為3.4%。研究發(fā)現,五峰—龍馬溪組海相泥頁巖脆性礦物含量不僅比湖相泥頁巖高11.2%,同時,二者另一個明顯的區(qū)別為五峰—龍馬溪組底部優(yōu)質頁巖氣層段表現為硅質礦物脆性指數與TOC相關性好,相關系數(R2)為0.6342,而硅質礦物+長石+碳酸鹽脆性指數與TOC相關性較差,相關系數(R2)為0.4772,這意味著硅質脆性指數更能反映五峰組—龍馬溪組一段頁巖高TOC、高脆性耦合的特征。(圖9),而湖相泥頁巖則與之相反,表現為TOC與黏土礦物成明顯正相關關系(圖10)。另外五峰—龍馬溪組底部優(yōu)質頁巖氣層段石英含量高達44.4%,相對于世界各地頁巖平均34%石英含量還要高10%左右,分析其石英除來自陸源碎屑外,生物成因以及黏土礦物的轉化造成石英的析出也具有較大的貢獻。
圖9 JY8井五峰—龍馬溪組TOC與硅質礦物含量關系圖
圖10 Yl4、XL101井自流井組TOC與黏土礦物含量關系圖
勘探實踐表明,中石油Y201-H2井、N201-H1井以及中石化JY1井、YY、WY1井、DY4井5口商業(yè)性高產井均位于五峰組—龍馬溪組深水陸棚沉積相帶,有機碳含量高、厚度穩(wěn)定,厚度在80~120 m之間。其中焦石壩地區(qū)JY1井富有機質泥頁巖厚度在89 m,TOC含量大于1.0%,底部龍馬溪一亞段優(yōu)質頁巖段TOC含量普遍大于2.0%,平均達到3.5%,這說明泥頁巖具有能生成頁巖氣良好的烴源條件;另外深水陸棚泥頁巖有機孔隙更發(fā)育,孔隙度較高,平均達到了4.52%,這為大量生成的油氣在泥頁巖中自生自儲提供較充足的儲集空間。因此,我們認為有利相帶富有機質泥頁巖的發(fā)育為頁巖氣的生成和儲集提供了豐富的物質基礎。
與海相沉積相比,四川盆地自流井組大安寨段湖相縱橫向沉積變化復雜,沉積微相控制了優(yōu)質泥頁巖的空間展布規(guī)律。通過四川盆地元壩、涪陵地區(qū)研究發(fā)現,水體能量較弱、相對較深且缺氧的淺湖、半深湖—深湖是優(yōu)質泥頁巖分布的有利相帶,優(yōu)質泥頁巖累計厚度大,多介于30~50 m,但TOC含量相對海相略低,但大多處于0.5%以上[21]。
2012年,中國石化在川東南涪陵焦石壩地區(qū)JY1井的勘探取得重大突破以及開發(fā)水平井良好的試采效果,充分詮釋了川東南地區(qū)海相頁巖氣層總體具有良好的油氣保存條件、較高的壓力系數,證明了川東南地區(qū)是當前五峰—龍馬溪組海相頁巖氣規(guī)?;⑿б婊碧介_發(fā)最現實的地區(qū)。中石化川中YY1井、WY1井在盆內高陡構造弱變形區(qū)的突破和中石油川中Y201-H2井、川南N201-H1井兩口高產井處于盆內構造活動、變形程度相對較弱地區(qū),埋深適中(2 400 ~ 3 600 m),斷裂不發(fā)育,五峰—龍馬溪組海相頁巖氣層同樣具備良好的保存條件、較高的壓力系數;而HY1、YQ1、YY1等井雖然具有相似泥頁巖發(fā)育特征,但由于地處構造復雜區(qū),斷裂相對發(fā)育,造成保存條件相對較差、地層壓力系數較低的,產氣量不高(表1)。表現出四川盆地下古生界海相頁巖氣鉆井產量與地層壓力系數呈正相關關系。以上現象和規(guī)律啟示良好保存條件、較高壓力系數是四川盆地及周緣下古生界頁巖氣富集高產的關鍵因素。
湖相泥頁巖巖相較多,不同巖相具有不同的巖石物理特點,如表2,塊狀層理含泥介殼灰?guī)r巖相、結晶灰?guī)r巖相以及平行層理粉砂巖巖相等類型雖然具有較高脆性、較低泊松比及較高楊氏模量的特點,但其TOC、孔隙度明顯較低,油氣顯示差。而水平層理泥頁巖巖相、水平層理含介殼泥巖巖相具有相對較高TOC和高孔隙度,有利于頁巖氣的生成和儲存,總體含氣量高;但由于其黏土礦物總體較高,并具有相對略高的泊松比以及略低的楊氏模量的特點,可壓性總體相對海相較差。目前研究發(fā)現,以水平層理發(fā)育的優(yōu)質泥頁巖巖相為主、夾介殼泥巖、夾灰?guī)r或砂巖巖相條帶不僅具有頁巖氣良好的生成和聚集條件,同時該種巖相組合提高了巖石脆性指數和楊氏模量、改善了巖石力學參數值,有利于后期的壓裂改造。另外,該巖相組合不僅使層間頁理縫相對更發(fā)育,配以其他成因較發(fā)育的微裂縫,有利于頁巖氣的儲集和高產。
表1 四川盆地五峰—龍馬溪組頁巖氣探井鉆探成果表
表2 Xl101井大安寨段巖心巖石力學特性參數測試結果展示表
川東北元壩地區(qū)YB21井自流井組大安寨段黑色泥頁巖夾薄層介殼(屑)灰?guī)r互層僅做了常規(guī)的射孔測試,就獲得了50.7×104m3/d的高產工業(yè)氣流,分析這口井高產的因素:①YB21井大安寨段大二亞段巖相類型為半深湖相帶水平層理泥頁巖、含介殼泥巖夾灰?guī)r或砂巖條帶巖相類型,有利于頁巖氣的富集;②其位于構造應力高的構造轉折端地區(qū),構造縫相對發(fā)育,有利于頁巖氣的高產。而對Xl101井大二亞段兩個層段進行了測試,雖然與Yb21井具有相似的沉積背景,同處于淺湖、半深湖—深湖相帶,具有頁巖氣形成的良好的物質基礎(TOC1.54%,孔隙度4.80%,含氣量3.77 m3/t),但即使進行了大型水力加砂壓裂也僅僅獲得了79.0 m3/d氣產量。分析其原因:①測試井段黏土礦物較高(平均含量為51.2%),不利于后期的壓裂改造;②Xl101井處于構造裂縫相對不發(fā)育的背斜翼部,不利于頁巖氣的產出。
1)五峰—龍馬溪組早期陸內拗陷深水陸棚滯留閉塞頁巖發(fā)育模式,有利于大規(guī)模的富有機質泥頁巖的形成,富有機質泥頁巖具有“高TOC、高孔隙度、富硅質”的特點,同時表現出“高TOC、富有機孔、高含氣量”以及“高TOC、高硅質含量”良好的耦合關系,但由于受限于勘探條件的限制對保存條件要求嚴格;
2)自流井組大安寨段湖相頁巖氣主要分布于淺湖、半深湖—深湖相帶,但富有機質泥頁巖連續(xù)性差、巖相豐富,TOC、物性、脆性礦物含量總體較低,且不同巖相的TOC、物性以及礦物成分等參數值分異性高,非均質性強;加之有機孔隙總體不發(fā)育,含氣量較低,TOC與黏土礦物呈明顯的正相關關系,使其頁巖氣富集條件相對于海相總體不利。但湖相頁巖氣普遍具有異常高壓的特征,總體保存條件好。
3)有利相帶暗色泥頁巖的發(fā)育是海、湖相頁巖氣富集高產的基礎;良好的保存條件是海相頁巖氣富集高產的關鍵;有利的巖相耦合微裂縫發(fā)育更有利于湖相頁巖氣的富集高產。