馮動(dòng)軍胡宗全李雙建杜偉師源

1)中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100083;

2)中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京,100083;

3)中國石油大學(xué)(北京),北京,102249

內(nèi)容提要:川東盆緣帶是南方地區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探的重點(diǎn)地區(qū),已經(jīng)在涪陵地區(qū)建成我國第一個(gè)頁巖氣大氣田。 研究區(qū)頁巖氣原始地質(zhì)條件優(yōu)越,但由于后期構(gòu)造改造強(qiáng)烈,保存條件十分復(fù)雜,直接影響到頁巖氣的富集程度,除涪陵地區(qū)外的其他地區(qū)尚未取得產(chǎn)能建設(shè)的重大突破。 筆者等利用鉆井、野外、測(cè)井、地震及分析測(cè)試資料分析了研究區(qū)構(gòu)造及演化特征、抬升剝蝕、構(gòu)造樣式、斷裂、裂縫等對(duì)頁巖氣富集的影響,結(jié)合區(qū)域間接蓋層、直接蓋層及底板條件、地層壓力、含氣量、測(cè)試產(chǎn)量等對(duì)研究區(qū)的保存條件及判別指標(biāo)進(jìn)行了分析,研究認(rèn)為具有正向構(gòu)造背景、地層寬緩t、埋深適中及抬升剝蝕時(shí)間較晚的地區(qū)有利于頁巖氣的富集;斷層不發(fā)育或斷層封堵性好、距剝蝕區(qū)或控盆斷裂越遠(yuǎn)越有利于頁巖氣的保存;區(qū)域性間接蓋層特別是膏鹽巖蓋層的發(fā)育、良好的直接蓋層和底板條件是頁巖氣能夠保存的重要因素;盆內(nèi)地層壓力系數(shù)高,平均在1.5 以上,保存條件好,頁巖氣富集程度高,向盆緣、盆外地區(qū)地層壓力系數(shù)變低,保存條件變差,不利于頁巖氣的富集。 綜合評(píng)價(jià)川東盆緣帶靠近盆內(nèi)一側(cè)為Ⅰ類保存有利區(qū),盆內(nèi)高陡背斜、盆緣斜坡及盆外殘留向斜區(qū)為Ⅱ類保存有利區(qū),盆外向斜與背斜間的區(qū)域?yàn)棰箢惐４嬗欣麉^(qū)。

中國頁巖氣資源豐富,廣泛發(fā)育海相、陸相和海陸過渡相三種類型泥頁巖(鄒才能等,2012;賈承造等,2012;董大忠等,2016),據(jù)國土資源部2015 年計(jì)算,全國頁巖氣地質(zhì)資源量121.86×1012m3,可采資源量21.81×1012m3(國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心,2017),其中海相可采資源量13.00×1012m3,主要分布在中上揚(yáng)子為主的南方地區(qū)和塔里木盆地的西部地區(qū),層系包括震旦系、寒武系、志留系等。與北美頁巖氣主要形成于上古生界及中生界海相頁巖不同,中國南方海相頁巖地質(zhì)年代老,普遍經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山及喜馬拉雅多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的相互疊加,表現(xiàn)為多期次抬升、剝蝕,構(gòu)造變形強(qiáng)度大(胡東風(fēng)等,2014)。 鉆探證實(shí),川東盆緣帶海相志留系龍馬溪組具有良好的頁巖氣形成與富集的物質(zhì)基礎(chǔ),頁巖普遍具有含氣性,但盆地內(nèi)外及盆緣帶試氣效果千差萬別,保存條件越來越受到關(guān)注,被認(rèn)為是制約頁巖氣成藏的關(guān)鍵因素(郭旭升等,2016)。 本文試圖通過分析川東盆緣帶不同構(gòu)造帶的構(gòu)造演化、抬升剝蝕、構(gòu)造樣式、蓋層條件、地層壓力、含氣量、測(cè)試產(chǎn)量等,探討構(gòu)造保存對(duì)頁巖氣富集的控制作用,評(píng)價(jià)保存有利區(qū),為頁巖氣勘探部署提供依據(jù)。

1 地質(zhì)特征

四川盆地的形成經(jīng)歷了早古生代—中三疊世克拉通盆地和晚三疊世—新生代陸相前陸盆地兩大階段,喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)是四川菱形盆地構(gòu)造格局主要形成期。 晚奧陶世—早志留世,上揚(yáng)子區(qū)因受到華夏板塊與揚(yáng)子板塊碰撞的影響,在造山帶前緣形成前陸盆地(梁狄剛等,2009)。 晚奧陶世,原是碳酸鹽臺(tái)地相沉積的上揚(yáng)子區(qū)變成了水深面廣的盆地相,沉積了一套厚度不大、巖相穩(wěn)定的暗色泥質(zhì)巖和硅質(zhì)頁巖。 早志留世龍馬溪沉積期,四川盆地為克拉通背景下的陸棚—盆地相沉積,形成川南—川東南—鄂西—渝東—川東北深水陸棚相區(qū)(圖1),巖性主要為灰黑色硅質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)頁巖(鄭和榮等,2013;金之鈞等,2016;何治亮等,2016;郭旭升等,2016),厚度在40 ～120 m,優(yōu)質(zhì)頁巖(TOC>2.0%)厚度在25 ～35 m,頁巖平均有機(jī)碳含量2.53%,主要介于1.0%～4.0%,有機(jī)質(zhì)類型以I 型(腐泥型)和II1型(腐殖腐泥型)為主,熱演化程度適中,Ro 平均值一般介于2.0%～3.0%,同時(shí),頁巖富含筆石、放射蟲化石,具有良好的生烴潛力。

圖1 四川盆地龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖段沉積相及厚度展布Fig. 1 Sedimentary facies and thickness distribution of the high-quality shale section at the bottom of the Longmaxi Formation in the Sichuan Basin

2 構(gòu)造特征對(duì)頁巖氣富集的影響

2.1 構(gòu)造演化

頁巖氣聚集成藏的關(guān)鍵是烴源生烴與儲(chǔ)集體、蓋層等各種要素的時(shí)空配置關(guān)系,川東地區(qū)盆內(nèi)、盆緣和盆外均發(fā)現(xiàn)了工業(yè)氣流,但于三個(gè)地區(qū)構(gòu)造變形的時(shí)間不同、構(gòu)造變形的期次不同,對(duì)頁巖氣富集程度的影響也有所不同。

(1)盆外殘留向斜構(gòu)造演化特征。 四川盆地外圍志留系頁巖氣勘探目的層主要分布在寬緩背斜和緊閉殘留向斜的兩翼,局部地區(qū)構(gòu)造較為穩(wěn)定,通天斷裂不發(fā)育,能夠成為頁巖氣有利的勘探區(qū),目前已經(jīng)有桑柘坪、武隆和道真殘留向斜發(fā)現(xiàn)頁巖氣流。從構(gòu)造演化過程來看,控制該區(qū)頁巖氣保存的有利因素主要是向斜構(gòu)造部位在晚期多期變形過程中經(jīng)受的改造相對(duì)較弱,后期小型斷裂未明顯切穿志留系沉積。 以武隆向斜為例,構(gòu)造平衡剖面顯示武隆向斜在印支晚期—燕山早期開始變形,受西側(cè)白沙斷裂控制差異隆升,武隆向斜是一個(gè)整體凹陷。 燕山晚期—喜馬拉雅期構(gòu)造變形較為強(qiáng)烈,但向斜內(nèi)部改造較弱。 武隆次凹的抬升幅度較小、埋深較大,上覆侏羅系,而火爐次凹抬升幅度略大、埋深較小,上覆三疊系,顯示武隆向斜內(nèi)部的差異性明顯,自東向西具有遞進(jìn)變形特征(圖2a)。 LY1 井的埋藏史分析表明,武隆向斜龍馬溪組頁巖在志留紀(jì)末期開始生烴,泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)經(jīng)歷了持續(xù)、緩慢、較小幅度的抬升剝蝕,對(duì)氣藏破壞作用小,有機(jī)質(zhì)生烴規(guī)模小;二疊紀(jì)—侏羅紀(jì),武隆向斜經(jīng)歷了持續(xù)深埋階段,有機(jī)質(zhì)熱演化程度持續(xù)升高,白堊紀(jì)達(dá)到最大埋深。 三疊紀(jì)進(jìn)入干氣、裂解氣階段(方志雄等,2016),主生氣期在中侏世早期,地層抬升剝蝕時(shí)間為晚白堊末期,抬升之前有相當(dāng)一段時(shí)期處于生氣期,有利于頁巖氣后期的氣源供給。

圖2 四川盆地過LY1 井、DYS1、JY1 井東西向構(gòu)造演化剖面Fig. 2 East—west tectonic evolution section (crossing the Wells LY1, JY1, DYS1) of the Sichuan Basin

(2)盆緣帶構(gòu)造演化特征。 盆緣帶構(gòu)造復(fù)雜,斷裂發(fā)育,勘探目的層主要位于斷背斜、鼻狀構(gòu)造和斜坡帶,是目前頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)主陣地。 以焦石壩構(gòu)造為例,從過JY1 井東西向構(gòu)造演化剖面上看,焦石壩構(gòu)造形成較晚,在目前出露的所有地層沉積之后,晚白堊世構(gòu)造才開始形成,而且背斜兩翼的斷層是伴隨著構(gòu)造的形成而形成的,并沒有邊界通天斷裂控制和切割背斜(圖2b)。 喜馬拉雅期隨著擠壓作用的增強(qiáng),背斜內(nèi)部又出現(xiàn)了調(diào)節(jié)斷裂,但是總體上規(guī)模較小,未對(duì)構(gòu)造形態(tài)形成致命破壞。 焦石壩箱狀背斜的完整性是控制該區(qū)頁巖氣保存的關(guān)鍵因素。 雖然同樣經(jīng)歷了大規(guī)模的隆升剝蝕,但是由于箱狀背斜東西兩翼向斜的阻擋,強(qiáng)烈的水平擠壓并未造成中間背斜的肢解變形,因此背斜中間微裂縫發(fā)育但沒有出現(xiàn)大的穿層裂縫或斷裂,即表現(xiàn)為一種“裂而不破”的狀態(tài)(何治亮等,2016),頁巖氣保存條件好。 JY1 井埋藏史和生烴史表明,龍馬溪組烴源巖在志留紀(jì)末期進(jìn)入生烴門限,由于加里東期—海西早期的地層抬升剝蝕,泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)生烴演化較慢,至二疊紀(jì)中晚期達(dá)到生油高峰,晚二疊世—中侏羅世為晚成熟階段,中侏羅世—晚白堊世為生氣期及原油裂解期,早白堊世處于生氣高峰期,晚白堊世之后,地層持續(xù)抬升,生烴終止(聶海寬等,2016)。

(3)盆內(nèi)高陡背斜構(gòu)造演化特征。 盆內(nèi)向斜區(qū)目的層埋深普遍較大,在現(xiàn)有工程工藝條件下無法效益開發(fā),因此勘探有利區(qū)主要集中于高陡背斜。以東溪地區(qū)為例,本區(qū)至少受到四個(gè)方向的擠壓應(yīng)力作用,即北西—南東向、東西向、南北向和北北東—南南西向,前兩者占主導(dǎo)地位(唐永等,2018)。燕山運(yùn)動(dòng)早期,東溪地區(qū)受江南雪峰山繼續(xù)造山運(yùn)動(dòng)的影響,被來自東南部的構(gòu)造應(yīng)力側(cè)向推擠使基底由深至淺由南東向北西滑移,形成包括斷洼在內(nèi)的北東向構(gòu)造雛形,產(chǎn)生主要以北東向?yàn)橹鞯臄鄬?。燕山中晚期到喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期,隨著盆地邊緣造山運(yùn)動(dòng)的持續(xù)作用,綦江地區(qū)受到近東西向應(yīng)力聯(lián)合擠壓調(diào)整,形成東溪高陡背斜等一系列北北西向構(gòu)造,產(chǎn)生北西—南東向斷層(圖2c)。 白堊紀(jì)末期構(gòu)造抬升最大,導(dǎo)致目前志留系頁巖的成熟度仍保持在白堊紀(jì)末期時(shí)的成熟狀態(tài)。 綦江地區(qū)沉積埋藏史和生烴史表明,早三疊紀(jì)進(jìn)入大規(guī)模生油階段,晚于盆緣焦石壩地區(qū),侏羅紀(jì)進(jìn)入了大規(guī)模的干酪根生烴和原油裂解生烴階段,早于主要的抬升剝蝕期白堊紀(jì),具有足夠的生烴時(shí)間,氣源供給充足(范存輝等,2018)。

2.2 抬升剝蝕

磷灰石、鋯石的裂變徑跡年齡和熱史模擬分析可以得知,雪峰西北緣—湘鄂西—川東盆緣帶在印支期以來至少經(jīng)歷了3 次區(qū)域性的抬升事件,即早中三疊世(250～235 Ma)、晚侏羅世—早白堊世(140～110 Ma)和始新世—漸新世(45～25 Ma)。 雪峰山在中三疊世發(fā)生抬升剝蝕,湘鄂西斷褶帶抬升時(shí)限為侏羅紀(jì)晚期的燕山早期,川東盆緣帶發(fā)生抬升剝蝕的時(shí)間為早白堊世早、中時(shí)期的燕山中期,在喜馬拉雅期20 Ma 以來發(fā)生了強(qiáng)烈的抬剝蝕(圖3),剝蝕量普遍在3000 m 以上。 從雪峰—江南古陸地區(qū)經(jīng)湘西北至川東,沖斷作用的強(qiáng)度逐漸減低,從SE到NW 方向,沿沅麻盆地、湘西北、川東和川中4 個(gè)地區(qū)中新生代的地層對(duì)比也可發(fā)現(xiàn),地層間角度不整合的數(shù)量向NW 方向逐漸減少,層位變新。 據(jù)單井樣品裂變徑跡分析彭水地區(qū)抬升時(shí)間為130 Ma,武隆地區(qū)抬升時(shí)間為95 Ma,焦石壩地區(qū)抬升時(shí)間為90 Ma,具有典型的自東向西由早至晚遞進(jìn)變形、差異抬升的特征,抬升時(shí)間早意味著頁巖氣藏受到晚期構(gòu)造改造作用的影響更大(李雙建等,2016;Li Shuangjian et al., 2020)。

川東盆緣帶下古生界志留系優(yōu)質(zhì)烴源生烴高峰期在中侏羅世(李雙建等,2016),構(gòu)造變形時(shí)間明顯晚于生烴高峰期,對(duì)頁巖氣藏的調(diào)整改造和保存作用明顯,自東向西頁巖氣逸散的時(shí)間由早到晚、由長到短。 抬升剝蝕是一把雙刃劍,一方面地層抬升導(dǎo)致上覆地層減薄或缺失,上覆地層壓力降低,頁巖氣藏殘余蓋層孔隙度和滲透率升高,已形成的斷裂和裂縫由閉合狀態(tài)向開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)變,嚴(yán)重降低蓋層的封閉性能,如盆緣丁山構(gòu)造DY1 井區(qū)。 但另一方面地層抬升可以使含氣層段產(chǎn)生微裂縫,緊閉的層理縫因?yàn)樾箟洪_啟,增加頁巖的儲(chǔ)集性和滲透性,如果區(qū)域性直接蓋層未遭破壞,仍然可以形成高效頁巖氣藏,如盆緣焦石壩JY1 井區(qū)。

2.3 構(gòu)造樣式

川東盆緣地區(qū)褶皺分為三種類型,從東向西依次為大庸斷裂與恩施斷裂之間的隔槽式褶皺帶、恩施斷裂與齊岳山斷裂之間的槽—擋過渡帶和齊岳山斷裂與華鎣山斷裂之間的隔擋式褶皺帶。 構(gòu)造改造的強(qiáng)弱會(huì)形成不同的構(gòu)造樣式或者將原有的有利構(gòu)造樣式破壞,因此構(gòu)造樣式對(duì)頁巖氣保存影響的實(shí)質(zhì)還是構(gòu)造改造強(qiáng)度的影響。 同一構(gòu)造帶中褶皺構(gòu)造形成相似,說明它們?cè)谛纬蛇^程中所處的構(gòu)造層次與作用力是基本一致的,因而褶曲程度也是大致相同的,構(gòu)造樣式相似。 研究表明,川東盆緣地區(qū)共發(fā)育6 種典型的構(gòu)造樣式(圖4),盆緣帶主要為寬緩箱狀斷背斜、斷鼻、單斜及斷背斜—斷鼻復(fù)合型,盆地內(nèi)主要發(fā)育高陡背斜型,盆外發(fā)育殘留向斜型。不同構(gòu)造樣式地層的褶皺變形、斷裂發(fā)育程度、地層傾角、剝蝕程度、橫向滲流和擴(kuò)散作用存在差異。 勘探實(shí)踐表明盆緣寬緩箱狀背斜型構(gòu)造樣式更有利于頁巖氣的富集與保存,其次為鼻狀構(gòu)造,單斜和向斜不利于頁巖氣的富集與保存。

盆緣寬緩箱狀斷背斜型(焦石壩):焦石壩構(gòu)造處于隔槽式構(gòu)造變形帶向隔檔式構(gòu)造變形帶過渡的部位,從構(gòu)造樣式上來看為具完整正向構(gòu)造背景的箱狀背斜,東西兩翼的構(gòu)造傾角較陡,切穿了箱狀背斜的翼部。 中間背斜頂部十分平緩,過焦頁1 井(JY1 井)志留系目的層的傾角小于1°,構(gòu)造變形弱,斷裂不發(fā)育,生成的氣體難以逸散,整體含氣量高(圖4a)。 實(shí)鉆證實(shí),此類構(gòu)造樣式具有較好的油氣聚集和保存條件,JY1 井壓力系數(shù)1.55,氣測(cè)全烴含量1.23%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量5.85 m3/t,試氣獲20.3×104m3/d 高產(chǎn)工業(yè)氣流。盆緣斷鼻型(丁山):丁山構(gòu)造是川東槽檔式構(gòu)造變形的過渡構(gòu)造,屬于斷鼻構(gòu)造樣式,呈北西—南東向展布。 向西北下傾,向東南抬起并被齊岳山隱伏斷裂切割。 東側(cè)出露最老地層為寒武系,向盆地內(nèi)通過緩斜坡過渡。 靠近鼻狀構(gòu)造的核部地層傾角較緩,小于5°,斷層發(fā)育,微裂縫閉合程度差,加之上部缺失中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖及侏羅系泥巖蓋層,保存條件差(圖4b)。 本區(qū)DY1 井壓力系數(shù)1.06,氣測(cè)全烴最高1.01%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試含氣量2.23 m3/t,試氣獲日產(chǎn)3.4×104m3/d 低產(chǎn)工業(yè)氣流。 向盆地內(nèi)部隨埋深加大,側(cè)向上的擴(kuò)散系數(shù)降低,離齊岳山斷裂距離越遠(yuǎn),斷層不發(fā)育,且斷層未切穿志留系,不具有破壞性。 此外,中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖及侏羅系泥巖蓋層保留完整,保存條件變好,壓力系數(shù)、含氣量及測(cè)試產(chǎn)量增高。 本區(qū)DY2 井壓力系數(shù)1.55,氣測(cè)全烴最高5.31%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試含氣量4.25 m3/t,試氣獲10.5×104m3/d 高產(chǎn)工業(yè)氣流(魏祥峰等,2017b;Fan Cunhui et al.,2018)。

圖4 川東盆緣帶構(gòu)造樣式類型Fig.4 Types of structural styles of the marginal zone of the eastern Sichuan Basin

盆緣單斜(斜坡)型(仁懷):仁懷地區(qū)位于盆緣帶古藺向斜東斜坡,斜坡長39 km,寬17 km,地層較陡,傾角約12°,核部出露白堊系和侏羅系,志留系底界埋深500～6000 m,發(fā)育3 條主要斷裂,斷裂延伸長度3.1～6.2 km,斜坡內(nèi)平均斷距50 ～60 m,斜坡邊緣斷距一般小于800 m。 古藺斜坡形成于印支期,燕山、喜馬拉雅期構(gòu)造作用對(duì)古藺斜坡改造作用弱,但斜坡部位側(cè)向逸散作用強(qiáng),逆斷層發(fā)育,斷層封堵性差,不利于頁巖氣保存(圖4c)。 RY1 井位于古藺東斜坡逆斷層的下盤,壓力系數(shù)0.73,氣測(cè)全烴最高0.55%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量0.51 m3/t,由于含氣性差,未鉆水平井。

盆緣斷背斜—斷鼻復(fù)合型(南川):南川區(qū)塊位于武陵褶皺帶,兩期斷裂疊加形成多個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元,構(gòu)造分帶性明顯。 自盆外向盆內(nèi)可劃分石橋—白馬向斜帶、大石壩背斜構(gòu)造帶、東勝斷隆構(gòu)造帶、南川—陽春溝斷鼻帶等四個(gè)構(gòu)造帶,構(gòu)造變形程度逐漸減弱,保存條件變好。 南川鼻狀構(gòu)造帶為龍濟(jì)橋斷裂和大石壩西斷裂下盤的一個(gè)鼻狀構(gòu)造,呈北東向展布,長35 km,寬2 ～12 km,埋深3500 ～5200 m。 北西—南東方向的剖面顯示為自盆地內(nèi)向盆邊上翹的單斜,地層較陡,傾角約18°,靠近盆緣帶為龍濟(jì)橋斷裂和大石壩斷裂夾持的斷背斜(圖4d)。NY1 井位于南川鼻狀構(gòu)造帶龍濟(jì)橋斷裂下盤,壓力系數(shù)1.30,氣測(cè)全烴最高3.53%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量3.67 m3/t,試氣獲0.09×104m3/d 低產(chǎn)氣流。

盆內(nèi)高陡背斜型(東溪):東溪區(qū)塊屬盆內(nèi)高陡構(gòu)造,主體為近南北向比較完整獨(dú)立的斷背斜,長軸長30 km,短軸長3.6 km,高點(diǎn)埋深3400 m,閉合幅度500 m,褶皺系數(shù)8.3,閉合系數(shù)0.14,地層較陡,傾角5°～15°,與向斜區(qū)呈斷層接觸,控制構(gòu)造的主斷裂向上終止于嘉陵江組膏巖層,構(gòu)造內(nèi)部發(fā)育少量小斷層,斷距較小,保存條件較好。 南部構(gòu)造寬緩,傾角小于7°,變形較弱,斷裂不發(fā)育,與盆緣齊岳山斷裂帶呈斷洼接觸,往南傾覆消失(圖4e)。DYS1 井位于東溪構(gòu)造東北翼,壓力系數(shù)1.58,氣測(cè)全烴最高8.60%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量5.06 m3/t,試氣獲12.7×104m3/d 高產(chǎn)工業(yè)氣流。

盆外殘留向斜型(武隆):武隆向斜屬于湘鄂西隔槽式構(gòu)造變形中寬緩背斜之間的緊閉向斜,向斜構(gòu)造簡單,中間地層較緩,兩翼地層較陡,且向斜北翼地層較南翼陡,傾角21.7°～22.8°。 向斜兩翼上傾方向志留系出露地表,不利于天然氣的側(cè)向封閉,且在燕山期之后,該區(qū)至少經(jīng)歷了3 期不同方向的構(gòu)造改造作用,晚白堊世構(gòu)造作用形成的正斷層切穿有效封蓋層對(duì)氣藏的破壞作用極大。 向斜核部出露為侏羅系,志留系龍馬溪組最大埋深可達(dá)5500 ～6000 m(圖4f)。 LY1 井位于向斜南翼,壓力系數(shù)1.08,氣測(cè)試全烴最高12.40%,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量2.38 m3/t,試氣獲4.5×104m3/d 低產(chǎn)工業(yè)氣流。

2.4 斷裂與裂縫

斷裂的性質(zhì)、規(guī)模和期次是影響頁巖氣保存的關(guān)鍵因素。 如體現(xiàn)走滑性質(zhì)、規(guī)模較大的烏江斷裂(斷距1 km,延伸長度31 km),距其6 km 范圍內(nèi)的頁巖氣井,鉆井液漏失嚴(yán)重、含氣量低,測(cè)試無阻流量一般小于15×104m3/d;但無走滑性質(zhì)、規(guī)模較小的平橋西斷裂(斷距0.9 km,延伸長度25 km),距其約1.8 km 的頁巖氣井測(cè)試無阻流量高達(dá)24.4×104m3/d(魏祥峰等,2017a)。 斷穿頁巖氣上覆直接和間接蓋層的“通天”斷裂是頁巖氣散失的主要通道,對(duì)頁巖氣保存極為不利,如齊岳山斷裂。 遠(yuǎn)離地層剝蝕區(qū)、距控盆斷裂越遠(yuǎn)越有利于頁巖氣的富集,反之亦然,如靠近斷裂帶的仁頁1 井、丁頁1 井,因?yàn)榫嚯x盆地邊界斷裂或地層缺失帶較近,分別為5 km 和3 km,且到盆地邊界為一上翹斜坡,保存條件較差,頁巖氣沿上翹方向緩慢散失,導(dǎo)致資源豐度低,壓力系數(shù)低,從而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試含氣量或單井產(chǎn)量低(龍勝祥等,2018)。

裂縫往往是與斷層相伴生的,裂縫尤其是高角度縫增大了巖層的滲透性,為頁巖氣擴(kuò)散和運(yùn)移提供了通道。 分析化驗(yàn)結(jié)果表明,頁巖層的垂向滲透率受本身封蓋條件的影響,滲透率小,而頁巖層理縫發(fā)育,因此側(cè)向的物性和裂縫發(fā)育程度較高,頁巖氣順層逸散。 如川東南地區(qū)XX2 井五峰組—龍馬溪組相同井深頁巖全直徑水平與垂直滲透率系列測(cè)試表明,頁巖的水平滲透率高于垂直滲透率2 ～8 倍(圖5),含微裂縫的的頁巖水平滲透率高于垂直滲透率數(shù)百到上千倍(魏志紅,2015)。 裂縫(包括高角度縫和層理縫)的發(fā)育使得頁巖氣向斷層快速運(yùn)移,如果遇到開啟的斷裂將加速頁巖氣的散失,對(duì)頁巖氣保存極為不利。

圖5 川東盆緣帶XX2 井五峰組—龍馬溪組相同井深水平與垂直滲透率對(duì)比(據(jù)魏志紅,2015)Fig. 5 Horizontal and vertical permeability comparisons of the same well depth in the Wufeng Formation and Longmaxi Formation of the XX2 Well in the eastern Sichuan Basin marginal zone(from Wei Zhihong et al., 2015＆)

總之,不同的構(gòu)造強(qiáng)度、期次使得地層褶皺變形、破裂程度、抬升剝蝕程度具有明顯的差異,形成了不同的構(gòu)造樣式。 不同的構(gòu)造變形時(shí)間、不同的構(gòu)造樣式、距離地層剝蝕區(qū)和深大斷裂的距離不同,頁巖氣保存的有效性不同。 勘探實(shí)踐證明,抬升時(shí)間較晚,正向構(gòu)造背景發(fā)育,埋深適中,遠(yuǎn)離地層剝蝕區(qū)和深大斷裂是控制頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵因素(圖6)。

圖6 川東盆緣帶鉆井離斷裂(剝蝕區(qū))距離、抬升時(shí)間與測(cè)試產(chǎn)量關(guān)系Fig. 6 Relation between drilling distance from fracture (eroded area), uplift time, and test output in the eastern Sichuan Basin marginal zone

3 蓋層與底板對(duì)頁巖氣富集的影響

油氣藏蓋層可分間接蓋層和直接蓋層,前者是指位于含油氣層系上方對(duì)油氣起整體保護(hù)的上覆巖系,后者則為油氣層上方直接阻止油氣逸散的巖層(馬永生等,2006)。 優(yōu)越的蓋層和底板條件是頁巖氣保存的基礎(chǔ),勘探實(shí)踐表明,區(qū)域性泥頁巖間接蓋層、三疊系膏鹽層、龍馬溪組上部泥巖直接蓋層及臨湘組致密灰?guī)r底板保證了龍馬溪組頁巖氣藏具有較好的封閉性(馮動(dòng)軍等,2016)。

3.1 間接蓋層對(duì)頁巖氣富集的影響

對(duì)于川東盆緣帶五峰組—龍馬溪組含氣層段來說,上覆間接蓋層主要是指二疊系泥質(zhì)巖蓋層、中—下三疊統(tǒng)膏鹽巖蓋層以及上三疊統(tǒng)—侏羅系泥質(zhì)巖蓋層。 膏鹽巖是一種主要由膏巖和鹽巖類沉積巖組成的蒸發(fā)巖,因結(jié)構(gòu)致密,孔縫不發(fā)育,且具有極強(qiáng)的可塑性和流動(dòng)性,通常被視為優(yōu)質(zhì)的油氣封蓋層(Halbouty, 2003)。 中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖層是四川盆地中—下三疊統(tǒng)眾多氣田的直接蓋層,其展布特征控制了氣田的分布,同時(shí)它也是四川盆地海相地層與上覆陸相地層含氣系統(tǒng)區(qū)域封隔層,其間天然氣很少相混,說明了膏鹽巖蓋層的分布對(duì)油氣封蓋的重要意義(金之鈞等,2006)。 中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖連片分布于川東盆緣帶靠近盆內(nèi)一側(cè),累計(jì)厚度在100 m 以上,石柱復(fù)向斜厚達(dá)300 m,形成局部的壓力封閉,從而有利于頁巖氣的成藏和保存。 但在盆緣南川、綦江、仁懷以及盆外利川、武隆、彭水地區(qū)則大部分或全部暴露剝蝕殆盡,對(duì)頁巖氣的成藏和保存不利。 此外,川東地區(qū)還發(fā)育下二疊統(tǒng)梁山組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、上三疊統(tǒng)須家河組、下侏羅統(tǒng)自流井組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組及下沙溪廟組泥質(zhì)巖蓋層。其中,上三疊統(tǒng)一般在100 m 左右,下侏羅統(tǒng)厚100～180 m,中侏羅統(tǒng)厚40～100 m,在盆外彭水及盆緣南川、綦江、仁懷地區(qū)同樣大范圍暴露地表,僅在向斜內(nèi)殘留分布。 二疊系和三疊系泥質(zhì)蓋層封閉性形成時(shí)間分別在志留系和二疊系烴源巖的生烴之前,具備有效封閉能力,且最大排替壓力都大于10 MPa,可封閉高壓氣藏(袁玉松等,2010)。 上覆區(qū)域性間接蓋層對(duì)于含氣層段的“保護(hù)”作用主要體現(xiàn)在阻止了地表水的下滲以及頁巖氣的逸散,提供了有效的載荷,防止泄壓微裂隙的產(chǎn)生和壓力體系平衡的破壞。

3.2 直接蓋層與底板對(duì)頁巖氣富集的影響

與常規(guī)氣藏保存條件不同,頁巖氣藏的直接蓋層和底板條件是形成頁巖氣藏的關(guān)鍵因素。 直接蓋層和底板是直接與含氣頁巖層段接觸的上覆和下伏地層,好的直接蓋層和底板條件與含氣頁巖層段組成流體封存箱,可以有效阻止頁巖氣散失。 直接蓋層與底板條件的封蓋性的好壞取決于巖性、物質(zhì)成分、孔隙結(jié)構(gòu)等,孔隙度和滲透率是評(píng)價(jià)蓋層的常用指標(biāo)(秦建中等,2013),突破壓力是評(píng)價(jià)直接蓋層與底板最有效的參數(shù)(范明等,2011),對(duì)于脆性巖石來說,突破壓力大小與其他配套條件決定著天然氣藏是高壓還是低壓。 對(duì)龍馬溪組下部頁巖氣藏來說,直接蓋層為龍馬溪組上部、石牛欄組(小河壩組)和韓家店組發(fā)育的大套灰色—深灰色厚層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、泥灰?guī)r,其中龍馬溪組上部泥頁巖厚度170 m 左右(胡東風(fēng)等,2014),韓家店組泥頁巖厚度在400～1000 m;底板為上奧陶統(tǒng)臨湘(澗草溝)組連續(xù)沉積的灰色瘤狀灰?guī)r、泥灰?guī)r,厚度介于30～50 m。 直接蓋層和底板均為致密巖性,為典型的“上蓋下堵型”頁巖氣藏(魏祥峰等,2017b),具有較好的封閉性能。 如JY2 井作為直接蓋層的龍馬溪組二段的粉砂巖孔隙度平均值為2.4%,滲透率平均值為0.0016×10-3μm2,地層突破壓力為69.8 ～71.2 MPa(胡東風(fēng)等,2014)。DY1 井下志留統(tǒng)石牛欄組泥灰?guī)r孔隙度0.61%,滲透率0.0028×10-3μm2,突破壓力高達(dá)75.9 MPa(黃仁春等,2017),五科1 井韓家店組11 塊粉砂質(zhì)泥巖孔隙度為0.40%～1.30%,平均0.63%,滲透率為0.004×10-3μm2～0.007×10-3μm2,平均為0.005×10-3μm2(肖開華等,2008);DY1 井作為底板的下伏上奧陶統(tǒng)臨湘組泥灰?guī)r,孔隙度1.81%,滲透率0.0467×10-3μm2,地層突破壓力為48.8 MPa(黃仁春等,2017)。 前人研究認(rèn)為,要形成中效天然氣藏,直接蓋層厚度必須大于40 m,而要形成高效天然氣藏,則需要厚度超過100 m(孫明亮等,2008),龍馬溪組頁巖氣藏直接蓋層和底板的厚度、物性及突破壓力均表明其具有較好的封蓋性能。

巖石比表面積是巖石顆粒大小、孔隙發(fā)育程度、壓實(shí)與膠結(jié)程度的綜合反映,這幾個(gè)方面是評(píng)價(jià)泥巖蓋層封蓋性能的重要參數(shù)(范明等,2011)。 范明等利用比表面積和突破壓力聯(lián)合來確定泥頁巖的封蓋性能,并建立了相應(yīng)的蓋層評(píng)價(jià)模板(圖7a),依據(jù)此模板評(píng)價(jià)志留系泥頁巖直接蓋層總體較好,如川東地區(qū)52 個(gè)鉆井及野外剖面志留系泥頁巖樣品突破壓力介于0.118 ～31.167 MPa,平均13.013 MPa,比表面積介于4.66 ～28.73 m2/g,平均19.28 m2/g,總體評(píng)價(jià)以Ⅰ、Ⅱ類蓋層為主(圖7b)。

圖7 川東盆緣帶龍馬溪組泥頁巖封蓋能力評(píng)價(jià)(模板據(jù)范明等,2011)Fig. 7 Evaluation of mud shale capping capacity of the Longmaxi Formation in the eastern Sichuan Basin marginal zone (template after Fan Ming et al., 2011＆)

4 泥頁巖自封閉性對(duì)頁巖氣富集的影響

泥頁巖是致密—超致密細(xì)粒沉積巖的一種巖石類型,是常規(guī)油氣藏普遍存在的一種蓋層類型。 依據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓋層封閉能力的評(píng)價(jià),突破壓力高于15 MPa 的蓋層都屬于優(yōu)質(zhì)蓋層,可以封閉高壓氣藏。 勘探證實(shí)龍馬溪組泥頁巖的突破壓力普遍高于15 MPa,最高可達(dá)60 MPa,垂向上具有較好的自封閉性。 當(dāng)厚度較大時(shí),頁巖氣滲漏與散失需要更多的時(shí)間,當(dāng)厚度大于泥頁巖生烴高峰期上下排烴的最大運(yùn)移距離之和時(shí),可以將頁巖氣有效地封閉在泥頁巖儲(chǔ)層之中,因此,泥頁巖自身只要有一定的厚度就具有自我封閉的能力,如JY1 井龍馬溪組下部泥頁巖厚度89 m,含氣性好,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量5.85 m3/t。 反之當(dāng)厚度小時(shí)則自身封閉能力變差,如RY1 井龍馬溪組下部泥頁巖厚度僅有31 m,含氣性差,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試總含氣量僅有0.51 m3/t。

泥頁巖側(cè)向封堵性也很重要。 4 塊來自同一巖心的泥巖模擬裂縫愈合能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,泥巖具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性,表現(xiàn)為無論原始裂縫開啟度多大,在20～25 MPa 的低圍壓狀態(tài)下,即大幅度閉合,而且閉合以后,再次開啟的能力較弱(圖8)。20～25 MPa 的圍壓相當(dāng)于1400 ～1800 m 左右的埋深,因此對(duì)于川東志留系頁巖氣勘探來講,大于這一深度,可以保證泥頁巖的自封閉能力。 已有的向斜和單斜頁巖氣發(fā)現(xiàn)區(qū),如PY1 井區(qū),隨著埋深的增加,頁巖氣含氣量和產(chǎn)量升高,與裂縫的愈合程度隨埋深的增加而增大有密切關(guān)系。

圖8 川東盆緣帶志留系泥巖覆壓滲透率測(cè)試曲線Fig. 8 Test curve of overburden permeability of the Silurian mudstone in the eastern Sichuan Basin marginal zone

5 地層壓力

地層壓力系數(shù)是頁巖氣保存條件的綜合性判識(shí)指標(biāo)。 與常規(guī)油氣藏相比,頁巖氣藏具有其特殊性,作為內(nèi)源性氣藏,氣藏內(nèi)的烴類氣體運(yùn)移始終指向外部,如果保存條件差,氣體排出過快會(huì)使得氣藏壓力大幅下降,反之則會(huì)保持較高的地層壓力(胡東風(fēng)等,2014),高壓—超高壓意味著頁巖氣保存條件好。 下古生界龍馬溪組鉆井揭示,獲得高產(chǎn)的井均位于盆內(nèi)及盆緣帶內(nèi)側(cè)的高壓—超高壓區(qū),如DYS1井、JY1、DY2 井等壓力系數(shù)均在1.5 以上,保存條件好,孔隙得以保持,頁巖含氣量普遍較高。 而RY1、PY1、LY1、Z104 等井頁巖也較為發(fā)育,但由于為單斜、向斜或者上覆蓋層缺失等不利構(gòu)造樣式,保存條件略差,壓力系數(shù)普遍在1.2 以下,為常壓頁巖氣區(qū),泄壓導(dǎo)致孔隙度降低,含氣量普遍較低。 總的來看,盆內(nèi)地層壓力系數(shù)高,保存條件好,頁巖氣富集程度高;向盆緣、盆外地區(qū)地層壓力系數(shù)變低,保存條件變差,不利于頁巖氣富集。 壓力系數(shù)與孔隙度、含氣量及測(cè)試產(chǎn)量具有較好的正相關(guān)關(guān)系(圖9),說明較高壓力系數(shù)體現(xiàn)了頁巖氣較小的逸散程度和良好的保存條件(郭彤樓等,2014;郭旭升,2014a,b)。

圖9 川東盆緣帶龍馬溪組壓力系數(shù)與孔隙度、含氣量及測(cè)試產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 9 Relationship between pressure coefficient, porosity, gas content and test yield in the Longmaxi Formation in the eastern Sichuan Basin marginal zone

6 保存有利區(qū)評(píng)價(jià)

影響頁巖氣保存的因素包括烴源物質(zhì)基礎(chǔ)及其展布特征、蓋層的垂向與側(cè)向封閉性及后期的構(gòu)造改造作用等三大主要因素,地層水地球化學(xué)性質(zhì)、天然氣組分、地層壓力、頁巖含氣量及測(cè)試產(chǎn)量等參數(shù)可以用來表征頁巖氣保存條件的好壞。 在評(píng)價(jià)過程中,應(yīng)具體問題具體分析,將頁巖氣保存條件的幾個(gè)方面綜合起來進(jìn)行判斷,不能以一個(gè)指標(biāo)的好壞,而肯定或否定一個(gè)地區(qū)或領(lǐng)域。 參考常規(guī)油氣保存條件的評(píng)價(jià)方法和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的研究成果,認(rèn)為頁巖氣保存條件的評(píng)價(jià)應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下四個(gè)方面的因素(表1):①間接蓋層的巖性和厚度是影響頁巖氣保存條件的重要因素,直接蓋層的封閉性是影響頁巖氣保存的直接因素;②烴源巖物質(zhì)基礎(chǔ)及展布特征是頁巖氣形成與自封閉的根本因素;③后期構(gòu)造改造活動(dòng)則是決定頁巖氣生成與聚集、保存與散失的重要原因;④地層壓力、頁巖氣含氣量及測(cè)試產(chǎn)量等指標(biāo)是判斷現(xiàn)今保存狀況好壞的判識(shí)性指標(biāo)。 根據(jù)保存條件綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,把川東盆緣帶評(píng)價(jià)出Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ保存有利區(qū)(圖10)。

表1 川東盆緣帶志留系頁巖氣保存條件綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表(據(jù)馬永生等,2006 和聶海寬等,2012 修改)Table 1 Comprehensive evaluation index system of Silurian shale gas preservation conditions in the eastern Sichuan Basin marginal zone (revised according to Ma Yongsheng et al., 2006＆ and Nie Haikuan et al., 2012＆)

圖10 川東盆緣帶頁巖氣保存有利區(qū)評(píng)價(jià)圖Fig. 10 Evaluation of favorable shale gas preservation areas in the eastern Sichuan Basin marginal zone

Ⅰ類保存區(qū):川東地區(qū)盆緣帶靠近盆內(nèi)一側(cè)為最有利的頁巖氣保存區(qū),出露地層為白堊系、侏羅系,龍馬溪組底界埋深普遍超過4000 m,頁巖之上存在白堊系、侏羅系及三疊系等多套區(qū)域性間接蓋層,特別是中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖蓋層在該區(qū)域廣泛分布,厚度普遍在100 m 以上,對(duì)頁巖氣藏起到了良好的封蓋作用。 鉆井揭示此區(qū)域地層壓力系數(shù)普遍在1.5 以上,頁巖含氣量在4 m3/t 以上,測(cè)試產(chǎn)量在20×104m3以上。

Ⅱ類保存區(qū):從平面分布來看可以分為三類,分別是盆內(nèi)高陡構(gòu)造帶、盆緣構(gòu)造斜坡帶及盆外殘留向斜帶。 盆內(nèi)高陡背斜構(gòu)造帶有利區(qū)有10 個(gè),即東溪、石龍峽、中梁山、石油溝、鐵廠溝、新場(chǎng)、桃子蕩、栗子、黃草峽高陡背構(gòu)造帶及義和東隱伏構(gòu)造;盆緣構(gòu)造斜坡帶的有利區(qū)有4 個(gè),即丁山鼻狀構(gòu)造核部、林灘場(chǎng)背斜西北緣、南川鼻狀構(gòu)造西北緣和石柱復(fù)向斜東南緣。 盆外殘留向斜帶有利區(qū)有6 個(gè),即利川復(fù)向斜、武隆向斜、桑柘坪向斜、道真—安場(chǎng)向斜、松坎復(fù)向斜、建新—始寶向斜。

Ⅲ類保存區(qū):主要分布在盆外隔槽式褶皺帶向斜與背斜之間的區(qū)域,出露地層為二疊系或志留系,龍馬溪組底界埋深介于1000 ～1500 m,通天斷裂發(fā)育,頁巖氣的保存條件較差。

7 結(jié)論

(1)雪峰西北緣湘鄂西—川東地區(qū)在印支期以來至少經(jīng)歷了3 次區(qū)域性的地層抬升事件,晚侏羅世—早白堊世是該地區(qū)大面積褶皺變形時(shí)期,具有典型的自東向西由早至晚遞進(jìn)變形、差異抬升的特征。 不同的構(gòu)造強(qiáng)度、期次形成了不同的構(gòu)造樣式,抬升時(shí)間晚,正向構(gòu)造背景發(fā)育,地層寬緩,埋深適中,遠(yuǎn)離地層剝蝕區(qū)和深大斷裂是控制頁巖氣富集高產(chǎn)的主要因素。

(2)中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖層連片分布于川東盆緣帶靠近盆內(nèi)一側(cè),是川東地區(qū)盆緣帶龍馬溪組最有效的區(qū)域性間接蓋層,龍馬溪組上部、石牛欄組(小河壩組)和韓家店組發(fā)育的大套灰色—深灰色厚層細(xì)粒沉積巖為直接蓋層,底板為上奧陶統(tǒng)臨湘(澗草溝)組連續(xù)沉積的灰色瘤狀灰?guī)r、泥灰?guī)r。 利用比表面積和突破壓力聯(lián)合評(píng)價(jià)龍馬溪組下部頁巖氣藏泥巖直接蓋層總體以Ⅰ、Ⅱ類蓋層為主。

(3)龍馬溪組泥頁巖垂向上具有較好的自封閉性,側(cè)向封堵性受地層傾角的影響較大,地層傾角小于5 度有利于頁巖氣的側(cè)向封堵,泥巖具有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性,在低圍壓狀態(tài)下即大幅度閉合。 向斜和單斜地區(qū)隨著埋深的增加,頁巖氣含氣量和產(chǎn)量升高,與裂縫的愈合程度隨埋深的增加而增大有密切關(guān)系。

(4)地層壓力系數(shù)是頁巖氣保存條件的綜合性判識(shí)指標(biāo)。 總的來看,盆內(nèi)地層壓力系數(shù)高,保存條件好,頁巖氣富集程度高;向盆緣、盆外地區(qū)地層壓力系數(shù)變低,保存條件變差,不利于頁巖氣富集。 壓力系數(shù)與孔隙度、含氣量及測(cè)試產(chǎn)量具有較好的正相關(guān)關(guān)系。

(5)頁巖氣保存條件的評(píng)價(jià)應(yīng)重點(diǎn)考慮三個(gè)方面的因素,一是蓋層尤其是直接蓋層的封閉性,二是后期構(gòu)造改造的強(qiáng)度、期次及時(shí)間,三是壓力、含氣量、測(cè)試產(chǎn)量等判識(shí)性指標(biāo)。 根據(jù)保存條件綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,評(píng)價(jià)Ⅰ類保存有利區(qū)為川東地區(qū)盆緣帶靠近盆內(nèi)一側(cè)白堊系、侏羅系地層覆蓋區(qū),Ⅱ類保存有利區(qū)為盆內(nèi)高陡構(gòu)造帶、盆緣構(gòu)造斜坡帶及盆外殘留向斜帶,Ⅲ類保存區(qū)分布在盆外隔槽式褶皺帶向斜與背斜之間的區(qū)域。

致謝:本文引用了中國石化勘探分公司、西南油氣分公司、江漢油田分公司和華東分公司的大量資料,在此一并致謝。