倪 楷，王明筏，李 響

(中國(guó)石化 勘探分公司，成都 610041)

近年來，四川盆地及周緣海相頁巖氣勘探取得長(zhǎng)足發(fā)展，長(zhǎng)寧—昭通、涪陵、威遠(yuǎn)、永川等地實(shí)現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)并建產(chǎn)。其中，涪陵頁巖氣田截至2019年底已在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量6 008.14×108m3，新建產(chǎn)能超百億立方米。繼涪陵頁巖氣田發(fā)現(xiàn)后，中國(guó)石化在南方海相“二元富集”理論的指導(dǎo)下實(shí)施勘探，在綦江—綦江南區(qū)塊丁山斷鼻構(gòu)造的5口井均獲得了工業(yè)氣流，但5口井在頁巖氣產(chǎn)能、含氣性、地層壓力等方面存在明顯差異，反映了該區(qū)頁巖氣富集存在復(fù)雜性。本文針對(duì)丁山地區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，從天然氣在頁巖氣系統(tǒng)內(nèi)的賦存形式、運(yùn)移方式及逸散路徑分析出發(fā)，探討分析了丁山地區(qū)頁巖氣富集模式。

1 丁山地區(qū)頁巖氣層基本特征

丁山地區(qū)地跨重慶、貴州兩地，構(gòu)造上位于川東南斷褶帶，東南鄰黔北斷褶帶，為齊岳山斷裂控制下的一大型鼻狀斷背斜，地表三疊系、侏羅系均有出露(圖1)。頁巖氣產(chǎn)層五峰組—龍馬溪組一段巖性主要為黑色碳質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)頁巖和黑色含粉砂泥巖，厚度一般80～85 m，為深水陸棚和淺水陸棚沉積。五峰組—龍馬溪組一段縱向具非均質(zhì)性，根據(jù)巖礦組成、有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)、物性、含氣性等方面的差異性，將其由下向上劃分為①～⑨等9個(gè)小層(圖2)。①～⑤小層巖性以黑色碳質(zhì)頁巖為主，TOC、孔隙度、含氣量、脆性礦物含量均高于⑥～⑨小層，為含氣性、可壓裂性俱佳的優(yōu)質(zhì)頁巖氣層。優(yōu)質(zhì)頁巖氣層厚度介于28.9～35.5 m，平均TOC含量介于3.18%～3.85%，平均孔隙度介于3.03%～5.94%，平均脆性礦物含量介于60.1%～71.5%，平均含氣量介于2.12～6.79 m3/t。

圖1 四川盆地東南緣丁山地區(qū)構(gòu)造位置及井位分布

圖2 四川盆地東南緣丁山地區(qū)A井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段綜合柱狀圖

目前，丁山地區(qū)已實(shí)施5口頁巖氣探井。A井和C井位于東南部淺埋藏帶，導(dǎo)眼井頁巖氣層底界埋深分別為2 054 m和2 272 m，水平井測(cè)試分段壓裂分別獲得了日產(chǎn)3.4×104m3和3.5×104m3工業(yè)氣流；B井、D井和E井位于西北部中深埋藏帶，導(dǎo)眼井頁巖氣層底界埋深分別為4 368，3 731，3 818 m，水平井測(cè)試分段壓裂分別獲得了日產(chǎn)10.5×104，20.56×104，16.33×104m3頁巖氣流。其中，D井、E井產(chǎn)能達(dá)高產(chǎn)工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)，證實(shí)了丁山地區(qū)中深層為頁巖氣高產(chǎn)富集帶，形成了新的商業(yè)開發(fā)陣地。

2 丁山地區(qū)頁巖氣富集模式

頁巖氣的形成一般經(jīng)歷了超深埋藏和后期抬升，超深埋藏才能使頁巖中有機(jī)質(zhì)生烴并裂解成甲烷等輕烴為主的頁巖氣，后期抬升才使頁巖氣層具備適宜壓裂改造和工業(yè)開采的埋藏深度[1]，這2個(gè)過程中頁巖氣生成、賦存環(huán)境不斷變化，必然導(dǎo)致頁巖氣的聚集或逸散，因此，頁巖氣在這2個(gè)過程中的行為是頁巖氣富集與否的關(guān)鍵。

2.1 頁巖氣的早期形成與滯留

丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)平均值介于2.03%～2.28%[2]，處于過成熟、高溫裂解生氣階段。A井、C井和D井氣體組成以烴類氣體為主，甲烷含量介于97.78%～99.02%，乙烷含量介于0.44%～0.68%，為典型的干氣；另外，甲烷碳同位素組成介于-32.1‰～-29.1‰，乙烷碳同位素組成介于-38.4‰～-34.1‰，總體反映其具有較重的碳同位素，為熱成因特征(表1)。由此可見五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖在超深埋藏過程中經(jīng)歷不同階段的熱演化，最終形成了頁巖氣。

表1 四川盆地東南緣丁山地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組天然氣烴類組成及碳同位素特征

富有機(jī)質(zhì)頁巖埋藏生烴的同時(shí)排烴也在進(jìn)行。據(jù)TISSOT等人的研究，排烴過程只會(huì)發(fā)生在靠近比頁巖物性更好的儲(chǔ)層，約14 m的范圍內(nèi)[3]，頁巖中的烴類在濃度差的驅(qū)動(dòng)下才能夠向儲(chǔ)層有效排出。丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層厚度一般介于83～90 m，上覆龍二段—龍三段含灰泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r頂板及石牛欄組泥質(zhì)灰?guī)r均為致密巖，下伏臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r底板也極為致密。這種情況下，泥頁巖的排烴效率更低，烴源巖內(nèi)油氣排運(yùn)不暢而形成封閉體系。

天然氣碳同位素的證據(jù)更加證實(shí)富有機(jī)質(zhì)頁巖深埋生烴過程中一直處于封閉體系中[4-7]。丁山地區(qū)龍馬溪組頁巖氣具有碳同位素倒轉(zhuǎn)(δ13C1>δ13C2)的特征(表1)，這與涪陵頁巖氣田、彭水、長(zhǎng)寧—昭通等[4，8]頁巖氣藏特征相同。對(duì)于頁巖氣碳同位素組倒轉(zhuǎn)的成因，一般認(rèn)為是同一套烴源巖層內(nèi)不同熱演化階段或干酪根熱解、液態(tài)烴裂解等不同機(jī)制生成烴類氣體混合的結(jié)果[9-11]。作為源儲(chǔ)一體的頁巖氣層，只有早期低演化時(shí)期生成的液態(tài)烴滯留在頁巖孔隙中，后期超深埋藏高演化階段泥頁巖中液態(tài)烴裂解成濕氣、濕氣裂解成干氣以及干酪根裂解生氣過程中一直保持封閉狀態(tài)，這種情況才會(huì)發(fā)生。

2.2 頁巖氣的晚期保存

晚期構(gòu)造抬升使得頁巖氣滯留環(huán)境發(fā)生改變，破裂作用、剝蝕作用對(duì)頁巖氣藏晚期逸散或富集影響深遠(yuǎn)，在各種因素作用下，經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，一些地方滯留富集，一些地方頁巖氣豐度降低或遭到破壞[12-16]。特定的頁巖氣層和構(gòu)造環(huán)境下，頁巖氣系統(tǒng)調(diào)整、重構(gòu)，天然氣在此過程中的運(yùn)移行為決定了頁巖氣的保存和散失。

2.2.1 構(gòu)造破裂改變頁巖氣垂向封閉性

丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層自身及頂?shù)装寰鶠轫搸r、灰?guī)r等致密巖，基質(zhì)封堵性好，又有致密、穩(wěn)定分布的直接蓋層分布，若無破裂，就能有效阻止油氣垂向逸散，但因后期構(gòu)造致裂作用使其復(fù)雜化。

斷裂及伴生高角度縫發(fā)育是頁巖氣層垂向封閉的不利因素。美國(guó) Barnett 頁巖氣藏[17]、涪陵氣田東南部與西南部、南天湖地區(qū)[1]鉆探均揭示，斷裂帶附近高角度裂縫發(fā)育區(qū)含氣量和產(chǎn)量均有不同程度的降低。丁山地區(qū)5口頁巖氣井鉆探顯示：A井、C井頂板和直接蓋層中高角度裂縫均極為發(fā)育，D井、E井頂板中高角度裂縫欠發(fā)育，直接蓋層中高角度縫發(fā)育，B井頂板和直接蓋層中高角度裂縫均欠發(fā)育。值得注意的是，無論高角度縫較發(fā)育的井還是高角度縫相對(duì)不發(fā)育的井，高角度縫在縱向上的分布都并非連續(xù)的，明顯存在隔層(圖3)，反映高角度縫對(duì)頁巖氣層垂向封閉性的影響范圍有限。

圖3 四川盆地東南緣丁山地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣層及頂?shù)装甯呓嵌攘芽p發(fā)育程度對(duì)比

2.2.2 抬升剝蝕改變頁巖氣層側(cè)向封堵性

頁巖中礦物的成層堆積，有機(jī)質(zhì)、黏土等礦物順層排列，同時(shí)有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔等孔隙也趨于順層分布，造成橫向滲透率遠(yuǎn)高于垂向滲透率。D井五峰組—龍馬溪組樣品實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果(圖4)表明，頁巖水平滲透率比垂直滲透率高29～1 804倍[12]。另外，頁巖層間為薄弱面，構(gòu)造抬升過程中容易滑動(dòng)形成順層分布的裂縫，這種層間滑脫形成的層間滑動(dòng)縫在五峰組—龍馬溪組頁巖中普遍分布，且主要集中分布在①—⑤小層優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段。因此，頁巖側(cè)向封堵性是影響頁巖氣后期保存的重要因素。

圖4 四川盆地東南緣丁山地區(qū)D井龍馬溪組頁巖縱橫向滲透率對(duì)比

抬升剝蝕使得頁巖埋深整體變淺，側(cè)向封堵性發(fā)生差異變化。涪陵頁巖氣田的焦頁2井龍一段4個(gè)頁巖樣品無覆壓的平均滲透率介于(0.001 6～65.646 3)×10-3μm2，覆壓實(shí)驗(yàn)表明，頁巖滲透率隨上覆有效壓力的增大而降低(圖5)。泥頁巖人造裂縫滲透率與圍壓關(guān)系也顯示，隨著作用于裂縫面的有效應(yīng)力的增加，裂縫的開啟度逐漸降低，當(dāng)有效應(yīng)力高于35 MPa左右時(shí)，裂縫趨于閉合，據(jù)此估算丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖水平裂縫閉合深度約為2 500m。

圖5 頁巖滲透率與有效上覆壓力關(guān)系

2.2.3 垂向和橫向聯(lián)合擴(kuò)散、滲流主導(dǎo)了頁巖氣運(yùn)移全過程

頁巖儲(chǔ)層垂直方向上極低的滲透率，加之裂縫分布的非均質(zhì)性，使頁巖氣在儲(chǔ)層內(nèi)單方向上的運(yùn)移容易受阻，而頁巖中垂直方向和順層方向的孔縫組合產(chǎn)生曲徑通幽的效果，主導(dǎo)了頁巖氣的運(yùn)移過程。丁山地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層中高角度縫與水平裂縫主要有2種：一種是高角度裂縫發(fā)育在兩順層滑動(dòng)縫之間，延伸受限于滑脫面，主要為先期形成的高角度縫在后期構(gòu)造擠壓作用下順層滑脫而錯(cuò)開所致；另一種是高角度縫貫穿多條順層滑動(dòng)縫，而后終止于頁巖內(nèi)部(圖6)。這種特點(diǎn)決定了頁巖儲(chǔ)層中的天然氣不大可能直接通過單條高角度縫垂直向上運(yùn)移。天然氣在頁巖儲(chǔ)層中運(yùn)移最可能的方式是：先在濃度差的驅(qū)動(dòng)下以擴(kuò)散的方式順層運(yùn)移到高角度裂縫，再以滲流的方式由高角度裂縫垂向運(yùn)移至層間滑動(dòng)縫或頁理縫，再向高部位階梯式運(yùn)移至其他高角度裂縫或斷裂，以一種接力的方式在層內(nèi)運(yùn)移或向外逸散。

圖6 四川盆地東南緣丁山地區(qū)頁巖氣層段巖心裂縫系統(tǒng)

天然氣碳同位素的證據(jù)揭示了丁山地區(qū)頁巖氣的這種運(yùn)移方式的存在。A井五峰組—龍馬溪組一段①—⑤小層測(cè)試地層壓力系數(shù)為1.06，評(píng)價(jià)認(rèn)為井區(qū)頁巖氣保存條件欠佳，說明該井區(qū)頁巖氣確實(shí)經(jīng)歷過大規(guī)模逸散。五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣藏縱向存在分隔現(xiàn)象[18-23]。將天然氣乙烷碳同位素與干酪根碳同位素(圖7)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：①小層、②—⑤小層和⑥—⑦小層中干酪根碳同位素值差異明顯，相應(yīng)層段天然氣乙烷碳同位素值卻趨于相同；⑧—⑨小層與頂板龍二—龍三段中干酪根碳同位素差異明顯，相應(yīng)層段天然氣乙烷碳同位素值也趨于相同。以上特征總體反映A井頁巖儲(chǔ)層中頁巖氣發(fā)生了①小層與②—⑦小層之間的垂向運(yùn)移，同時(shí)發(fā)生了⑧—⑨小層與頂板之間頁巖氣運(yùn)移。因此，高角度縫的存在只是使得A井①—⑦小層相互溝通，但其垂向封閉性并未破壞，⑧—⑨小層與頂板連通，可能存在垂向逸散?？傊?，①—⑦小層中天然氣在垂向封閉性良好的情況下，其逸散方式只能向構(gòu)造高部位側(cè)向運(yùn)移，再通過斷裂及伴生裂縫發(fā)育帶散失；⑧—⑨小層可能單一垂向與垂向—橫向聯(lián)合兩種逸散方式都有發(fā)生。

圖7 四川盆地東南緣A井五峰組—龍馬溪組干酪根與解吸氣乙烷碳同位素分布

2.3 丁山地區(qū)頁巖氣富集模式

2.3.1 構(gòu)造類型與演化

丁山構(gòu)造為齊岳山大斷裂帶控制下的逆沖推覆構(gòu)造，整體形態(tài)表現(xiàn)為北東—南西向鼻狀背斜，鼻狀凸起與齊岳山斷裂呈“斷凹”相隔，整體呈近齊岳山的盆緣推覆和盆內(nèi)褶皺構(gòu)造格局。丁山構(gòu)造主體為NE走向，同時(shí)還存在NW走向，NW向構(gòu)造構(gòu)成鼻狀凸起。發(fā)育兩組三級(jí)斷層：一級(jí)斷層主要為齊岳山斷裂帶派生斷層，走向?yàn)楸睎|向，切穿二疊系，斷距較大；二級(jí)斷層以北北西向?yàn)橹?，延伸較長(zhǎng)，斷距較??；三級(jí)斷層延伸短、斷距小，多為層間小斷層。構(gòu)造主體大斷層不發(fā)育。燕山晚期—喜馬拉雅期(J-N)江南隆起NW方向的強(qiáng)烈推覆擠壓，使該區(qū)地層快速隆升剝蝕，同一時(shí)期內(nèi)隨后疊加黔中隆起NE方向擠壓以及川中古隆起SE方向的反沖作用，形成丁山現(xiàn)今鼻狀構(gòu)造形態(tài)。

丁山構(gòu)造齊岳山斷層西側(cè)表現(xiàn)為正向構(gòu)造單元，即為丁山鼻狀構(gòu)造，在齊岳山斷層逆沖的同時(shí)，其前緣存在一系列的隱伏逆沖斷層，從而使得五峰組—龍馬溪組高程的變形通過分級(jí)逆沖，從盆緣向盆內(nèi)逐漸變低，構(gòu)造變形由齊岳山斷層與前緣隱伏斷層共同控制(圖8)。

圖8 四川盆地東南緣丁山地區(qū)構(gòu)造剖面

2.3.2 頁巖氣運(yùn)移方式和運(yùn)移強(qiáng)度

晚期構(gòu)造抬升使得丁山鼻狀構(gòu)造不同部位斷裂、高角度裂縫發(fā)育和順層縫封閉性及與控盆斷裂關(guān)系存在差異，從而決定了丁山鼻狀構(gòu)造不同部位頁巖氣運(yùn)移方式、運(yùn)移強(qiáng)度的不同。

東南部淺埋區(qū)緊靠齊岳山斷裂帶，受來源于齊岳山逆沖推覆近東西向的古應(yīng)力影響和川中隆起、黔中隆起以及綦江斷裂聯(lián)合作用引發(fā)的SW—NE向應(yīng)力的影響，高角度縫發(fā)育，頁巖埋深大多小于2 500 m，順層縫封閉性差(圖9)。頁巖氣運(yùn)移過程為：先由基質(zhì)孔隙擴(kuò)散進(jìn)入高角度縫，然后以滲流的方式向上運(yùn)移，由于縱向隔層的阻擋，不能直接縱向進(jìn)入上覆地層，便就近運(yùn)移到與之相通的順層縫，再以滲流的方式順層運(yùn)移，進(jìn)入下一條高角度縫，再進(jìn)入下一條順層縫。頁巖儲(chǔ)層中的天然氣以這種垂向—橫向聯(lián)合的方式向外運(yùn)移，直到逸散區(qū)。由于東南部淺埋區(qū)頁巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育，加之頁巖氣在高角度縫—順層縫中以滲流的方式運(yùn)移，又緊鄰控盆斷裂帶，所以運(yùn)移強(qiáng)度較高。

西北部中深埋藏區(qū)遠(yuǎn)離齊岳山斷裂帶，主要發(fā)育1個(gè)期次的斷層伴生縫，頁巖埋深介于2 500～5 000 m(圖9)，順層縫封閉性好。頁巖氣從基質(zhì)孔隙擴(kuò)散進(jìn)入高角度縫后，垂向、橫向滲流通道都堵死，因而幾乎不能以滲流的方式在高角度縫—順層縫中運(yùn)移，只能以擴(kuò)散的方式，在濃度差的驅(qū)動(dòng)下順層向外運(yùn)移，加上遠(yuǎn)離控盆斷裂，運(yùn)移強(qiáng)度低。

圖9 四川盆地東南緣丁山地區(qū)五峰組底界構(gòu)造等值線及燕山晚期—喜馬拉雅期應(yīng)力分布特征

2.3.3 頁巖氣富集模式

丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)封閉性好，頁巖氣難以直接在基質(zhì)孔隙中運(yùn)移，高角度縫—順層縫—控盆斷裂為頁巖氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道；高角度縫縱向延伸距離有限，順層縫橫向延伸距離遠(yuǎn)。高角度縫發(fā)育程度、順層縫封閉性好壞及頁巖氣到控盆斷裂的運(yùn)移路徑長(zhǎng)短，決定了頁巖氣的富集或逸散。齊岳山斷裂帶、頁巖儲(chǔ)層埋深和距齊岳山斷裂帶的距離直接影響了高角度縫發(fā)育程度、順層縫封閉性及頁巖氣到控盆斷裂的運(yùn)移路徑，因此是丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣富集成藏關(guān)鍵因素(圖10)。

圖10 四川盆地東南緣丁山地區(qū)志留系頁巖氣富集模式

齊岳山斷裂帶為控盆斷裂帶，斷裂及伴生裂縫發(fā)育，為頁巖氣逸散區(qū)。西北部中深埋區(qū)頁巖儲(chǔ)層埋深2 500～5 000 m，頁巖氣系統(tǒng)順層縫閉合，高角度縫相對(duì)不發(fā)育，垂向—橫向聯(lián)合滲流受阻，只能以擴(kuò)散方式順層運(yùn)移，加之遠(yuǎn)離齊岳山斷裂帶，運(yùn)移強(qiáng)度極低，至今保持了較高的含氣量(5～7 m3/t)，為頁巖氣滯留富集區(qū)。隨著地層由西北向南東方向呈階梯式抬升，到東南部淺埋區(qū)，頁巖儲(chǔ)層埋深減小到1 500～2 500 m，頁巖氣系統(tǒng)順層縫開啟，高角度縫發(fā)育，頁巖氣以滲流方式垂向—橫向聯(lián)合向外運(yùn)移，因與齊岳山斷裂帶相鄰，運(yùn)移強(qiáng)度較高，但由于頁巖氣由基質(zhì)孔隙向高角度縫擴(kuò)散運(yùn)移速率低，另外并不是所有高角度縫都與順層縫相通，因而只表現(xiàn)為頁巖儲(chǔ)層含氣量(2～3 m3/t)降低，并未完全逸散，為半滯留區(qū)(圖10)。

西北部中深埋區(qū)頁巖氣在頁巖儲(chǔ)層滯留富集，至今保持了較高的地層壓力，地層壓力系數(shù)介于1.50～1.85，加之地層溫度高，游離氣占總含氣量的比例高于60%。東南部淺埋區(qū)頁巖儲(chǔ)層中大部分游離氣逸散，地層壓力降低，壓力系數(shù)一般小于1.2，加之構(gòu)造抬升使地層溫度降低，游離氣占總含氣量的比例下降到48%～60%。

3 結(jié)論

(1)丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段厚層的富有機(jī)質(zhì)頁巖為頁巖氣的生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，超深埋藏階段形成了封閉體系，頁巖氣生成后實(shí)現(xiàn)了原地滯留聚集，后期抬升過程中封閉體系的調(diào)整、重構(gòu)直接決定了頁巖氣的富集。

(2)丁山構(gòu)造由西北向南東方向呈階梯式抬升，構(gòu)造高部位的齊岳山斷裂帶為控盆斷裂帶，斷裂及伴生裂縫發(fā)育，為頁巖氣逸散區(qū)。西北部中深埋區(qū)遠(yuǎn)離齊岳山斷裂帶，頁巖氣系統(tǒng)中水平裂縫閉合，高角度裂縫連通較差，大部分頁巖氣滯留在頁巖儲(chǔ)層中，為頁巖氣滯留富集區(qū)。東南部淺埋區(qū)與齊岳山斷裂帶相鄰，高角度縫發(fā)育，順層縫開啟，少部分頁巖氣滯留在頁巖儲(chǔ)層中，是頁巖氣半滯留區(qū)。

(3)保存條件控制了頁巖儲(chǔ)層中頁巖氣賦存形式。西北部中深埋區(qū)頁巖氣保存條件好，頁巖儲(chǔ)層為超壓壓力系統(tǒng)，游離氣占比超過60%；東南部淺埋區(qū)頁巖氣保存條件較差，部分游離氣散失，頁巖儲(chǔ)層變?yōu)槌簤毫ο到y(tǒng)，游離氣占比降低到60%以下。