李進 ，王學軍 ，王睿 ，何巖 ，周凱

（1.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原油田分公司勘探部，河南 濮陽 457001；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司監(jiān)督中心，天津 300452；4.中國石油有限公司新疆石油分公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

近年來，四川盆地中下侏羅統(tǒng)頁巖油氣、渤海灣盆地古近系沙河街組頁巖油及松遼盆地青山口組古龍頁巖油不斷取得重要突破，極大擴展了我國陸相頁巖油勘探領(lǐng)域［1-4］。四川盆地中侏羅統(tǒng)千佛崖組頁巖氣層主要處于成熟—高成熟演化階段，油氣藏類型以揮發(fā)性油藏-凝析氣藏為主，頁巖氣層產(chǎn)物以油為主，氣次之。相比川北及川南地區(qū)千佛崖組一段 （千一段）凝析氣藏-揮發(fā)性油藏，本文提及的普光氣田新鉆井PLY1井千一段泥頁巖實測總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）為1.95%～2.09%，屬低含凝析油凝析氣藏-干氣藏。目前PLY1井試采獲日產(chǎn)氣10.4×104m3高產(chǎn)工業(yè)氣流，揭示了川東北地區(qū)侏羅系千佛崖組具備形成大規(guī)模的陸相頁巖氣藏的可能。相比千佛崖組頁巖油氣勘探進展，目前千佛崖組頁巖含氣性特征研究相對滯后，且有關(guān)高—過成熟陸相頁巖含氣性研究極少。本文以川東北普光地區(qū)一口新鉆井揭示的千佛崖組一段半深湖相泥頁巖為研究對象，開展有機地球化學、礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及現(xiàn)場解析法總含氣量測試，探討研究區(qū)高—過成熟演化階段下半深湖相泥頁巖含氣特征及其主控因素，總結(jié)研究區(qū)陸相頁巖氣藏富集模式，以期為四川盆地及類似區(qū)塊陸相頁巖氣勘探提供理論指導。

1 地質(zhì)概況

普光氣田位于四川盆地川東高陡斷褶帶東北段，為大巴山褶皺沖斷帶的雙重疊加構(gòu)造區(qū)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造整體呈北東東向延伸，北側(cè)為大巴山弧形褶皺帶，西側(cè)以華鎣山斷裂為界與川中平緩褶皺帶相接［5］。

中侏羅世早期大規(guī)模湖侵事件使四川盆地大部分地區(qū)處于半深湖—深湖環(huán)境，整體呈南西高、北東低的古地理格局，川東北地區(qū)以半深湖沉積為主，發(fā)育富有機質(zhì)泥頁巖［4］。普光地區(qū)PLY1井中侏羅統(tǒng)千佛崖組一段沉積早期［6］，以半深湖相富有機質(zhì)泥頁巖沉積為主；沉積晚期，受到重力流事件影響，見暗色泥頁巖夾濁積砂巖巖性組合。

2 巖石及層序特征

本次研究的樣品選自PLY1井千一段（3 340.0～3 482.0 m），包括介殼灰?guī)r、介殼泥巖、透鏡狀泥巖、塊狀泥巖、黑色紋層頁巖等，巖性、旋回和測井信息見圖1。縱向上，根據(jù)巖性組合以及測井曲線特征，劃分為6個小層。

圖1 PLY1井千一段測井曲線特征

①小層巖性以灰色泥質(zhì)粉砂巖夾灰黑色泥頁巖為主，頁巖厚度0.72 m，頁地比（頁巖厚度/地層厚度）僅4.0%。②小層巖性以深灰色頁巖夾薄—中層灰色泥質(zhì)粉砂巖為主，頁地比51.4%。③小層巖性以灰黑色—黑色紋層狀長英質(zhì)頁巖為主，夾薄層粉砂巖及薄介殼層，頁地比76.1%。④小層巖性以深灰色—灰黑色泥頁巖夾灰色泥質(zhì)粉砂巖為主，見滑塌變形、包卷層理及不完整的鮑馬序列，頁地比38.2%。⑤小層巖性以灰色厚層細砂巖為主，夾灰黑色—黑色泥頁巖，頁地比14.9%。⑥小層巖性為灰黑色頁巖夾薄層粉砂巖。

千佛崖組一段可識別出1個Ⅳ級層序（SQ1）、6個短期基準面旋回與3個主要的層序界面。

SB1——千佛崖組千一段與自流井組大安寨段之間的巖相轉(zhuǎn)換面。該界面上、下地層巖性存在明顯差別，下伏大安寨段氧化色塊狀凝灰質(zhì)泥巖夾粉—細砂巖（測井曲線呈微齒狀高幅度箱形），向上突變?yōu)榍Х鹧陆M一段底部深灰色塊狀泥巖夾塊狀細砂巖（測井曲線呈高幅鋸齒形）。地震剖面上顯示千佛崖組底界表現(xiàn)為弱波峰連續(xù)反射特征。該界面是從濱淺湖相向半深湖相轉(zhuǎn)換的層序界面。

SB2——千佛崖組一段中部頁巖氣層頂部的巖相轉(zhuǎn)換面。該界面是由于重力流沉積事件影響，沉積環(huán)境由半深湖沉積向半深湖夾重力流沉積的層序界面，下伏地層巖性主要為灰黑色—黑色泥頁巖夾薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，上覆地層主要為深灰色—灰黑色泥頁巖夾中厚層粉—細砂巖。下伏灰黑色—黑色頁巖測井曲線呈高幅微齒化箱形，向上漸變?yōu)楦叻X狀夾低幅箱形。地震剖面上顯示為強振幅、連續(xù)波峰反射特征。

SB3——千佛崖組一段與二段之間的巖相轉(zhuǎn)換面。該界面是由于水體持續(xù)變淺，沉積環(huán)境由半深湖夾重力流沉積向淺湖轉(zhuǎn)換的層序界面。下伏地層巖性主要為深灰色—灰黑色頁巖夾中厚層塊狀粉—細砂巖，上覆地層發(fā)育灰色塊狀泥巖夾塊狀粉—細砂巖。

SQ1由湖侵體系域（TST+LST）與高位體系域（HST）組成。湖侵體系域厚度小于高位體系域厚度，表現(xiàn)為上厚下薄不對稱的湖平面升降旋回特征。層序頂?shù)拙鶠閹r性、巖相轉(zhuǎn)換Ⅱ型層序界面。海侵體系域為半深湖沉積環(huán)境，巖性為灰黑色泥頁巖夾多層介殼泥巖、含介殼質(zhì)泥巖薄層及薄層粉砂巖。高位體系域同為半深湖沉積環(huán)境，但受重力流事件沉積影響，巖性為深灰色泥頁巖夾介殼泥巖、中厚層粉—細砂巖。

3 樣品采集與實驗類型

本次研究選取PLY1井千一段14塊典型巖性樣品，均為鉆孔巖心樣品，采樣深度為3 349.14～3 401.35 m，按巖性分類編號為S1-1—S1-14。將所采樣品進行線切割處理后密封運送至實驗室，同時以“平行樣、同一深度”原則按不同實驗規(guī)格處理，并進行相關(guān)測試。

14塊樣品總計配套完成TOC、鏡質(zhì)組反射率（Ro）、全巖礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)（S1-4，S1-6，S1-8，S1-14樣品實驗未成功）及現(xiàn)場解析法總含氣量測試。所有測試分析工作均依照相關(guān)行業(yè)標準完成。TOC及全巖X射線衍射分析于中國石化中原油田分公司實驗中心完成，現(xiàn)場解析法總含氣量測試、小巖樣泥頁巖物性測試、孔隙結(jié)構(gòu)及甲烷等溫吸附測試由中國石化有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究院實驗中心完成，相關(guān)實驗的儀器、實驗環(huán)境與參數(shù)可見參考文獻［7-9］。

4 實驗結(jié)果

4.1 礦物組成

根據(jù)巖心描述及薄片鑒定結(jié)果，14塊樣品包括透鏡狀泥巖（LM）、塊狀長英質(zhì)泥巖（MM）、塊狀介殼泥巖（SM）及紋層狀長英質(zhì)頁巖（LFS）4種巖性。LFS樣品黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為47.11%～59.01%，均值為55.36%（N（樣品數(shù)）為9）；石英質(zhì)量分數(shù)為 26.47%～37.47%，均值為31.44%；長石質(zhì)量分數(shù)為3.1%～11.30%，均值為7.77%）；碳酸鹽礦物質(zhì)量分數(shù)為0.32%～5.10%，均值為1.76%。LM與MM樣品礦物組成：黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為59.62%，均值為51.20%；長石質(zhì)量分數(shù)為8.57%，均值為14.82%；石英質(zhì)量分數(shù)為28.08%，均值為32.01%；碳酸鹽礦物質(zhì)量分數(shù)為1.90%，均值為0.94%）。SM樣品礦物組成：碳酸鹽礦物質(zhì)量分數(shù)為39.26%、黏土礦物質(zhì)量分數(shù)26.65%、長英質(zhì)礦物質(zhì)量分數(shù)為29.64%，三者均不超過50%，表現(xiàn)出明顯的混積巖特點（見表1）。

表1 千一段不同巖性紋層情況

4.2 有機地球化學特征

4.2.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是決定頁巖氣藏先天資源品質(zhì)的關(guān)鍵要素［10-12］。研究區(qū) PLY1井LFS樣品 TOC最高，為0.94%～1.84%，均值為1.46%，生烴能力最強；SM樣品TOC為0.76%；LM與SM樣品非均質(zhì)性較強，TOC為0.27%～1.24%。按巖性對有機質(zhì)豐度排序：LFS＞LM＞SM＞MM，表明穩(wěn)定、還原性水體對有機質(zhì)富集具正向作用。

4.2.2 有機質(zhì)類型及成熟度

泥頁巖有機質(zhì)類型與熱演化程度決定了生油氣能力。PLY1井測試結(jié)果表明，不同巖性代表了不同的沉積水體、物源供給及母質(zhì)來源條件。LFS樣品干酪根同位素δ13C主峰區(qū)間為-25.67‰～-27.23‰，殼質(zhì)組質(zhì)量分數(shù)介于44.2%～89.0%，均值為63.78%（N為5），以Ⅱ1型干酪根為主；LM樣品的δ13C主峰區(qū)間為-25.41‰～-25.65‰，殼質(zhì)組質(zhì)量分數(shù)54.03%，以Ⅱ2型干酪根為主；MM樣品以Ⅲ型干酪根為主。Ro整體介于1.95%～2.09%，均值為2.03%（N為9），位于過成熟階段，具有較強的生氣能力。

4.3 儲層微觀結(jié)構(gòu)

頁巖氣儲層孔徑分布，微、介、大孔比例及其大小是決定頁巖氣藏中吸附氣與游離氣賦存模式與賦存比例的重要參數(shù)［13-15］。研究區(qū)LFS樣品微孔體積介于0.002 8～0.004 9 mL/g，均值為 0.003 8 mL/g（N 為 8），介孔體積介于0.005 7～0.009 9 mL/g，均值0.008 0 mL/g，大孔體積介于0.000 6～0.005 3 mL/g，均值0.002 1 mL/g，比表面積介于 6.48～11.29 m2/g，均值 8.49 m2/g；其余樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖2。由圖2可以綜合判斷出，研究區(qū)陸相泥頁巖儲集能力主要由微孔與大孔提供。

圖2 PLY1井孔隙參數(shù)相關(guān)性

4.4 含氣特征

美國礦業(yè)局（USBM）最早在1970年就給出了煤層含氣量的測試方法，該方法主要采用排水法對煤層釋放的瓦斯氣進行收集和計量，常被稱為USBM直接法，又稱為現(xiàn)場含氣量解析法。隨著頁巖氣勘探開發(fā)熱潮的興起，快速、直接、有效且不破壞巖心樣品的USBM直接法逐漸被各大油公司應用于頁巖氣勘探評價中。研究區(qū)PLY1井陸相頁巖氣現(xiàn)場含氣性評價應用了該方法（但未密閉保壓取心）。

14塊樣品現(xiàn)場測試總含氣量介于0.32～2.77 m3/t，其中LFS樣品含氣量介于1.10～2.44 m3/t，均值為1.82 m3/t（N 為 6），LM 樣品含氣量介于 0.32～2.29 m3/t，均值為1.24 m3/t（N為5），MM樣品含氣量介于0.60～1.59 m3/t（N 為 2），SM 樣品含氣量為 2.77 m3/t。

5 討論

5.1 頁巖發(fā)育特征對含氣性的影響

5.1.1 微觀結(jié)構(gòu)

頁巖氣含氣性通常與頁巖自身生烴品質(zhì)、儲層條件與礦物組成有關(guān)［16］。對樣品總含氣量與微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性分析表明：總含氣量與儲層孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)性較差（見圖3）。其原因是現(xiàn)場總含氣量雖然由解析氣量與損失氣量組成，但本質(zhì)上是頁巖氣層中吸附態(tài)與游離態(tài)甲烷之和。測試結(jié)果受到現(xiàn)場操作規(guī)范、巖心起鉆時間等多種因素限制，頁巖樣品輕烴逸散現(xiàn)象，與室內(nèi)實測孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)缺乏相關(guān)性應屬正?，F(xiàn)象。當然，密閉保壓取心能最大程度上降低氣體逸散程度，從而得到盡可能貼近地層條件下的總含氣量［17］。因此，需要進一步在密閉保壓取心的基礎上展開陸相頁巖總含氣量與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的研究。

圖3 PLY1井孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與現(xiàn)場解析法總含氣量相關(guān)性

5.1.2 頁巖靜態(tài)品質(zhì)

總含氣量與頁巖靜態(tài)品質(zhì)呈明顯的相關(guān)性，揭示了在頁巖氣有效保存情況下，原始沉積環(huán)境是決定頁巖氣藏富集的關(guān)鍵因素（見圖4）。

如圖4所示，LFS樣品表現(xiàn)出隨著黏土礦物質(zhì)量分數(shù)、石英礦物質(zhì)量分數(shù)與TOC的增加，總含氣量均呈先上升后下降的趨勢，為典型的單邊雙曲線特征。通過對黏土礦物、TOC與總含氣量相關(guān)性分析可判斷，隨著沉積環(huán)境趨向于深水還原環(huán)境、黏土礦物輸入增加、有機質(zhì)埋藏的效率上升，含氣性先快速變好再逐漸變差［18］。但從石英礦物含氣量與總含氣量相關(guān)性看，石英礦物質(zhì)量分數(shù)的增加暗示著陸源物質(zhì)輸入增加，沉積環(huán)境趨向于淺水，含氣性變化趨勢卻依然為先快速變好再逐漸變差。令人困惑的是，上述兩方面展開的推斷存在明顯的矛盾。

進一步對LFS樣品作分類處理，可將S1-9樣品單獨分為紋層狀混合型頁巖 （黏土礦物質(zhì)量分數(shù)低于50%），同時引入裸眼下長英質(zhì)紋層發(fā)育密度參數(shù)（對現(xiàn)場解析法總含氣量測試的每塊巖心進行紋層觀察統(tǒng)計與數(shù)據(jù)處理），繼續(xù)對除S-19外的LFS樣品展開分析可知：當TOC增大、總含氣量上升的同時，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)卻在下降，石英礦物質(zhì)量分數(shù)同步增加并且紋層發(fā)育密度從2.2個/cm上升到7.0個/cm。

上述情況表明：一是TOC高低是決定頁巖含氣性強弱的關(guān)鍵（SM樣品含氣量2.77 m3/t，可能與樣品本身裂縫發(fā)育有關(guān)），有機質(zhì)豐度越高，頁巖生烴能力越強，相同保存條件下滯留于頁巖層內(nèi)的氣態(tài)烴類越多。二是陸相頁巖中黏土礦物質(zhì)量分數(shù)越高并不等同于沉積水體加深、還原程度越高，因此與有機質(zhì)富集程度并不直接相關(guān)。沉積期季節(jié)性變化成因的長英質(zhì)紋層［19］與有機質(zhì)豐度密切相關(guān)（見圖4b、圖4d），因此紋層發(fā)育密度是沉積期水體深淺在巖心尺度上的直觀反映。三是表面上看，石英礦物質(zhì)量分數(shù)的上升、紋層發(fā)育密度的增加與黏土礦物質(zhì)量分數(shù)的下降是頁巖性質(zhì)發(fā)生變化，但實質(zhì)上是導致縱向上微觀巖石結(jié)構(gòu)的成層性、穩(wěn)定性與抗上覆巖層機械壓實能力的增加。

圖4 現(xiàn)場測試總含氣量與TOC、礦物組成及紋層發(fā)育程度交會圖

考慮到上述條件與總含氣量的上升是互相耦合的關(guān)系，因此可推論，縱向上巖石微觀結(jié)構(gòu)的成層性首先是有效保護了頁巖各類儲集空間，其次再為氣態(tài)烴在頁巖層中有效滯留與富集提供條件。太高的黏土礦物質(zhì)量分數(shù)與長英質(zhì)紋層的匱乏都會導致泥頁巖含氣能力的下降（如MM樣品），而當陸源碎屑物質(zhì)輸入程度上升、紋層發(fā)育程度下降時，即使有機質(zhì)豐度較高（可能母質(zhì)來源以高等植物為主），由于巖石微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與易壓實性，頁巖甲烷賦存能力也會下降（如樣品 S1-9）。

LM樣品作為MM樣品與LFS樣品之間的過渡巖性，呈現(xiàn)出不一樣的富集規(guī)律。將LM樣品按TOC大小分為2類：1）TOC≥0.8%的LM樣品表現(xiàn)出TOC、黏土礦物質(zhì)量分數(shù)與總含氣量呈正相關(guān)，石英礦物質(zhì)量分數(shù)與總含氣量呈負相關(guān)，說明在紋層結(jié)構(gòu)匱乏的條件下，頁巖生烴能力越強，含氣能力相對更好的趨勢依然成立。2）TOC＜0.8%樣品僅有2件，表現(xiàn)出隨著TOC上升、黏土礦物質(zhì)量分數(shù)上升、石英礦物質(zhì)量分數(shù)下降，總含氣量降低的現(xiàn)象。鑒于該類樣品數(shù)較少，本次研究不過多解釋其內(nèi)在聯(lián)系性，以免產(chǎn)生主觀性偏差。

5.2 構(gòu)造保存條件對頁巖氣富集程度的影響

頁巖氣藏的形成與保存與深埋藏過程、后期改造調(diào)整密切相關(guān)，而現(xiàn)今保存條件是埋藏、成烴、成儲與成藏后期改造的綜合反映［20-21］。PLY1井是一口處于穩(wěn)定向斜的頁巖氣預探井，已通過試氣證實千佛崖組半深湖相頁巖氣層屬于高壓氣藏（壓力系數(shù)1.396）。為判斷陸相頁巖含氣性宏觀影響因素，引入研究區(qū)內(nèi)典型構(gòu)造部位的鉆井P301，L1，P6作對比闡述。

通常來講，晚期構(gòu)造抬升與調(diào)整使得不同部位斷裂、傾角大小、高角度裂縫發(fā)育和順層縫封閉性存在差異，影響了頁巖氣運移方式、運移強度與富集程度［11］。普光地區(qū)陸相地層系統(tǒng)受多期應力活動控制，形成多“隆”多“凹”構(gòu)造格局［22］。負向構(gòu)造單元內(nèi)頁巖埋藏普遍大于2 000 m，地層傾角小于7°，斷裂級別低、規(guī)模小；正向構(gòu)造單元頁巖埋藏普遍小于2 000 m，斷裂類型多、規(guī)模大。

從區(qū)內(nèi)頁巖氣保存與富集角度看，研究區(qū)正向構(gòu)造單元受大巴山逆沖推覆近東西向等多期應力擠壓影響，斷裂及伴生裂縫發(fā)育，傾角介于7°～60°，順層縫封閉性差、地層壓力系數(shù)低、保存條件差，為頁巖氣逸散區(qū)（P6 井，見表 2）。

表2 千一段頁巖氣層富集保存條件

高地層傾角條件下，天然氣在烴濃度差驅(qū)動下更易以擴散形式沿層理縫、順層縫向高角度縫運移，再以滲流方式由高角度裂縫完成垂向短距離運移至層間縫或頁理縫，最終向高部位接力式運移至順層縫或高角度裂縫完成層間運移或向外逸散［23］。

而正向構(gòu)造單元平緩核部雖因構(gòu)造抬升等因素導致地層壓力系數(shù)偏低，但該區(qū)順層縫、高角度裂縫相對弱發(fā)育且兩者連通性不如翼部，導致垂向-橫向聯(lián)合滲流速率較低。同時基質(zhì)孔隙直接向高角度縫擴散效率低，為逸散運移至平緩核部的頁巖氣提供了較為合適的保存條件，因此至今保持了較好的含氣性，為半滯留區(qū)（L1 井，見表 2、表 3）。

表3 普光地區(qū)典型井頁巖氣層斷裂條件

研究區(qū)負向構(gòu)造單元埋深在2 000～3 500 m，順層縫往往閉合、高角度縫相對不發(fā)育，滲流過程受阻，順層擴散運移強度在頁巖自封閉能力下變得極低；同時，生排烴期間形成的烴類在晚期抬升調(diào)整階段未遭受大規(guī)模運移與破壞，得到有效保存，因此至今保持了較高的地層壓力與含氣量（PLY1井，見表3），為典型的頁巖氣滯留富集區(qū)。受大巴山逆沖擠壓推覆影響，負向構(gòu)造單元局部地區(qū)發(fā)育（頁巖氣層）逆掩微斷層，其特點表現(xiàn)為斷距?。ㄐ∮?0 m，保存條件未破壞，壓力系數(shù)高）、延伸短（小于2 km，側(cè)向連通距離短）、傾角較大（7°～30°，高角度縫相對弱發(fā)育，順層縫開啟），改善了陸相頁巖儲層空間，并促使了高演化背景下有機孔-無機孔-層理縫-多類天然裂縫全尺度縫孔配置組合的形成（P301井，見表1）。在濃度差驅(qū)動下，斷層下盤頁巖氣更易優(yōu)先聚集，為頁巖氣優(yōu)勢富集區(qū)（見圖5）。

圖5 研究區(qū)千佛崖組一段半深湖相頁巖氣富集模式

6 結(jié)論

1）頁巖靜態(tài)品質(zhì)與含氣性密切相關(guān)，總體表現(xiàn)為TOC越高、黏土質(zhì)量分數(shù)越高、沉積環(huán)境越穩(wěn)定，含氣性越好（從MM樣品過渡到LM樣品再到LFS樣品）。對優(yōu)質(zhì)頁巖巖相LFS而言，TOC、黏土礦物質(zhì)量分數(shù)等靜態(tài)指標對含氣性影響并不大，縱向巖石結(jié)構(gòu)的成層性是微觀角度下頁巖氣優(yōu)勢富集滯留的關(guān)鍵因素。

2）通過對比研究區(qū)不同構(gòu)造部位探井含氣性與保存條件的表征參數(shù)可判斷，研究區(qū)千佛崖組一段半深湖相頁巖氣表現(xiàn)出負向構(gòu)造單元大規(guī)模滯留富集、微斷層發(fā)育區(qū)優(yōu)勢富集，正向構(gòu)造單元翼部立體接力運移、核部選擇性聚集成藏的宏觀趨勢。