王鵬萬, 焦鵬飛, 賀訓(xùn)云, 賈 丹, 芮 昀, 計玉冰, 董 立, 馬立橋, 羅瑀峰, 梅 玨, 劉思琪

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院,浙江杭州 310023; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 3.中國石油浙江油田分公司,浙江杭州 310023; 4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

淺層頁巖氣是指頁巖儲層埋深小于2000 m,而超淺層頁巖氣的儲層埋深則小于600 m[1-3]。2017年,中國石油浙江油田公司在昭通頁巖氣示范區(qū)太陽背斜對Y1井和Y102井老井試氣(五峰-龍馬溪組一段l亞段儲層埋深分別為775和980 m),Y102直井獲1×104m3/d的工業(yè)氣流,實(shí)現(xiàn)國內(nèi)淺層頁巖氣突破[4]。2020年9月,提交了太陽淺層氣田1.360×1011m3探明儲量。2020年太陽氣田向南擴(kuò)邊評價了海壩背斜,YZ159H(五峰-龍馬溪組一段l亞段儲層埋深315 m,水平段長530 m)獲測試產(chǎn)量1.0×104m3/d,實(shí)現(xiàn)超淺層頁巖氣突破。2021年6月,太陽氣田新增探明儲量1.220×1011m3。太陽-海壩淺層—超淺層氣田背斜主體埋深500～1500 m[1],其氣藏整體具有“四低一高一大”特征,即壓力系數(shù)低、游離氣占比低、水平應(yīng)力差低、初期產(chǎn)量低及吸附氣含量高和Ⅰ+Ⅱ類儲層厚度大的特點(diǎn)。前人對于五峰-龍馬溪組頁巖氣富集保存方面的研究主要集中在中深層頁巖氣。郭旭升等[5-6]基于涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)實(shí)踐,提出了頁巖氣“二元富集”理論,即深水陸棚優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育是頁巖氣“成烴控儲”的基礎(chǔ),良好的保存條件是頁巖氣“成藏控產(chǎn)”關(guān)鍵。郭彤樓等[7]建立了焦石壩頁巖氣田“階梯運(yùn)移、背斜匯聚、斷滑控縫、箱狀成藏”富集成藏模式;王志剛[8]提出了生烴條件、儲集條件和保存條件為核心的頁巖氣“三元富集”理論,指導(dǎo)了焦石壩頁巖氣田勘探評價;何希鵬等[9]結(jié)合渝東南常壓頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐,形成了三因素控氣地質(zhì)認(rèn)識,即深水陸棚相控?zé)N、保存條件控富、地應(yīng)力場控產(chǎn);楊平等[10]建立了四川盆地西南緣山地復(fù)雜構(gòu)造區(qū)“沉積控源、成巖控儲、構(gòu)造控?！钡捻搸r富集模式,認(rèn)為深水陸棚沉積相帶利于形成規(guī)模儲集空間和有效孔隙,不同構(gòu)造樣式和構(gòu)造部位保存條件的差異性控制了不同孔隙演化階段,山地復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣具有水平分帶、差異富集的特點(diǎn),“慢熱低熟” 和“構(gòu)造緩抬” 有利于頁巖氣的長期富集與保存;龐河清等[11]通過川南威榮頁巖氣田解剖,認(rèn)為深層頁巖氣具有“優(yōu)相控源、 適演控位、良存控富”三元控藏的特點(diǎn)。梁興等[12]提出了“多場協(xié)同多元耦合”共同作用下太陽背斜區(qū)山地淺層頁巖氣“三維封存體系”富集成藏賦存模式,對“三維封存體系”富集模式展開了定性的論述,即沉積成巖控制源儲特征、保存條件控制天然氣藏、應(yīng)力可壓性控制人造氣藏、烴儲稟賦控制單井產(chǎn)量,但缺乏相關(guān)實(shí)測分析數(shù)據(jù)的支撐。整體上,復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層頁巖氣富集保存機(jī)制研究相對薄弱。筆者旨在通過太陽-海壩不同構(gòu)造部位8口初期產(chǎn)氣井的頁巖氣氣組分和烷烴碳同位素分析,海壩背斜YQ10井、YQ11井五峰-龍馬溪組頁巖及裂縫膠結(jié)物的碳、氧同位素及流體包裹體測試,結(jié)合周緣磷灰石裂變徑跡低溫年齡特征等分析,從微觀機(jī)制方面探討太陽-海壩淺層巖氣富集保存機(jī)制,建立頁巖氣富集模式,以期有效指導(dǎo)南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層頁巖氣的選區(qū)評價。

1 地質(zhì)概況

太陽-海壩淺層頁巖氣田位于昭通頁巖氣示范區(qū)東北部,構(gòu)造上屬于四川盆地川南低陡褶皺帶與滇黔北坳陷結(jié)合部位[13-14],面積約480 km2(圖1(a))。主體由太陽背斜、云山壩向斜、海壩背斜、柏楊坪向斜和敘永向斜組成,其中深度小于2000 m的面積占比達(dá)到72.7%(圖1(a))。太陽-海壩氣田為兩組近南北向壓扭性走滑斷裂和兩組近東西向擠壓性斷裂所圍限[3](圖1(a))。其位列槽檔轉(zhuǎn)換褶皺帶,表現(xiàn)為壓扭變形的等幅式褶皺,改造相對較弱[15]。

太陽-海壩淺層頁巖氣田凱迪階—魯?shù)るA(即五峰組-龍馬溪組一段l亞段(龍一1)沉積期)處于深水陸棚亞相的缺氧環(huán)境,穩(wěn)定發(fā)育富有機(jī)質(zhì)頁巖,厚度一般為20～40 m[13-14]。五峰組、龍一11小層、龍一12小層、龍一13小層主要為Ⅰ類頁巖氣儲層(總有機(jī)碳大于等于3%,孔隙度大于等于4%,總含氣量不低于3 m3/t)[3]。頁巖氣儲層天然裂縫發(fā)育,淺層背斜區(qū)水平應(yīng)力差較小、介于 4.0～16.0 MPa,壓力系數(shù)為1.1～1.6,為連續(xù)分布的常壓—微超壓頁巖氣藏[4]。

2 “三維封存箱”差異保存與富集特征

2.1 頁巖氣“三維封存箱”有效封閉性

2.1.1 頁巖裂縫充填物流體地球化學(xué)特征

海壩背斜YQ10(樣品深度為122～210 m)和YQ11井(樣品深度為298～445 m)五峰-龍馬溪組灰質(zhì)頁巖裂縫方解石脈和脈體圍巖開展了碳氧同位素測定。YQ10井灰質(zhì)頁巖裂縫方解石脈體δ13C為1.01‰～2.25‰,δ18O為-13.171‰～-8.72‰。脈體圍巖即灰質(zhì)頁巖δ13C為-13.2‰～1.81‰、δ18O為-9.14‰～-8.72‰;YQ11井灰質(zhì)頁巖裂縫方解石脈δ13C為0.96‰～1.40‰,δ18O為-16.65‰～-8.97‰。脈體灰質(zhì)頁巖圍巖δ13C為-1.12‰～1.84‰,δ18O為-9.49‰～-6.94‰。部分裂縫脈體與裂縫圍巖碳氧同位素值相當(dāng),局部方解石脈體氧同位素值小于-10‰,認(rèn)為局部受深部熱液流體影響(圖2)。

圖2 YQ10及YQ11井龍馬溪組裂縫方解石及圍巖氧-碳同位素投點(diǎn)圖Fig.2 Oxygen-carbon isotope maps of fracture calcite vein and surrounding rocks of Longmaxi Formation in well YQ10 and YQ11

早志留世海水δ13C和δ18O背景值分別為-2.5‰～7.5‰和-7‰～-0‰[16],YQ10井和YQ11井裂縫方解石脈體碳同位素整體相對偏負(fù)(圖2),揭示裂縫方解石脈成巖環(huán)境為非大氣淡水成因,局部受深部熱液影響。即YQ10井及YQ11成巖環(huán)境整體封閉。

海壩背斜YQ11井3塊裂縫方解石脈體樣品,測定了40個含烴鹽水包裹體均一溫度和鹽度。包裹體均一溫度介于80～200℃,大致經(jīng)歷了3期流體活動,其鹽度整體大于4%(圖3)。揭示頁巖裂縫充填方解石脈多為地層封存流體特征,僅少量反映淡水特征。

圖3 YQ11井龍馬溪組裂縫方解石脈包裹體鹽度投點(diǎn)Fig.3 Salinity map of calcite vein inclusions in fracture of Longmaxi Formation in well YQ11

2.1.2 頂?shù)装鍡l件及斷裂封閉性

頁巖氣自生、自儲、自蓋,其低滲透隔層發(fā)育,具備形成三維封存箱的基本條件[17]。太陽-海壩淺層頁巖氣田目的層為五峰-龍馬溪組一段l亞段,其平均孔隙度為5.15%,平均滲透率為6.1×10-6μm2。直接頂板為龍馬溪組一段2亞段灰黑色頁巖厚約75 m。孔隙度平均為2.8%～3.6%,滲透率平均為7.7×10-8μm2,突破壓力介于17～31 MPa[15]。上覆龍二段及石牛欄組發(fā)育深灰色—灰色灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r的致密間接頂板,厚度為230～670 m[12]。底板為奧陶系寶塔組連續(xù)沉積的灰色瘤狀泥灰?guī)r及生屑灰?guī)r,厚度30～55 m,孔隙度平均為1.58%,滲透率平均為0.0017×10-8μm2[12,15]。封存箱縱向上頂?shù)装寰鶎儆诘涂?、特低滲的致密性封隔層[12]。

燕山期兩幕構(gòu)造運(yùn)動控制了太陽-海壩地區(qū)構(gòu)造形態(tài),其背斜圈閉形態(tài)保存相對完整,并形成了北東、近南北、北西向壓扭性斷裂[18](圖1(b))。壓扭斷層因其兩側(cè)致密巖性對接,且未斷穿頂?shù)装?斷裂縱向及側(cè)向具有良好的封閉性[2,12]。太陽-海壩主力氣層縱橫向上,由頂?shù)装?、封閉斷層的共同構(gòu)建形成三維封存箱(圖4),使得淺層頁巖氣有效保存,整體表現(xiàn)為常壓—微超壓特征。

圖4 太陽淺層頁巖氣田三維封存箱模式(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.4 Accumulation pattern of three-dimensional sealed box of Taiyang shallow shale gas field (After citation[12], modified)

2.2 “三維封存箱”差異富集特征

2.2.1 頁巖氣組分

針對太陽淺層氣田不同構(gòu)造部位,選取海壩背斜、云山壩向斜和太陽背斜8口典型井氣樣(位置見圖1(b)),表現(xiàn)為典型的干氣特征(圖5):海壩背斜3口井(埋深最淺)甲烷體積分?jǐn)?shù)最低,為95.08%～96.29%。氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)最高,為2.47%～4.06%;太陽背斜2口井(埋深略深)甲烷體積分?jǐn)?shù)為96.19%～96.96%,氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)次之,為2.08%～2.86%;云山壩向斜2口井(埋深最深)的甲烷體積分?jǐn)?shù)最高,為97.02%～98.17%。氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)最低,為0.89%～1.73%。整體上,太陽-海壩淺層背斜頁巖氣甲烷占比相對中深部云山壩向斜降低,但絕對值仍高(圖5(a)),證實(shí)其保存條件整體較好。太陽-海壩淺層背斜頁巖氣氮?dú)夂拷^對值不高,但相對中深部云山壩向斜變高(圖5(b))。從氣組分上看,淺層背斜較中深部向斜甲烷占比略低、氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)略高,揭示太陽-海壩“三維封存箱”差異富集保存,即淺層背斜保存條件較中深部向斜略差。

圖5 太陽淺層氣田不同構(gòu)造部位典型井氣組分特征圖Fig.5 Characteristic map of gas composition of typical wells in different structural positions in Taiyang shallow gas field

2.2.2 含氣量特征

海壩背斜、云山壩向斜和太陽背斜3口典型井現(xiàn)場實(shí)測總含氣量顯示(圖6):海壩背斜YQ11井五峰組-龍一14小層含氣量為0.41～1.92 m3/t,其中吸附氣為0.28～1.35 m3/t,游離氣為0.1 ～0.58 m3/t;太陽背斜Y107井含氣量1.73 ～3.24 m3/t,其中吸附氣0.71 ～1.36 m3/t,游離氣1.01 ～1.89 m3/t;云山壩向斜YZ116井含氣量為0.87 ～3.52 m3/t,其中吸附氣0.30 ～1.13 m3/t,游離氣0.57 ～2.38 m3/t。整體上,云山壩中深層向斜總含氣量最大,其游離氣占比高,最大可達(dá)67.61%;埋深最淺的海壩背斜總含氣量最小,游離氣占比最低,均值為30.58%。

圖6 太陽淺層氣田不同構(gòu)造部位典型井頁巖氣含氣量Fig.6 Shale gas content diagram of typical wells in different structural positions in Taiyang shallow gas field

海壩背斜、云山壩向斜和太陽背斜3口典型井五峰-龍馬溪組頁巖原始靜態(tài)品質(zhì)大致相當(dāng),但經(jīng)后期構(gòu)造改造處于不同構(gòu)造部位,其現(xiàn)場實(shí)測總含氣量差別較大(圖6)?！叭S封存箱”在抬升過程中,不同深度頁巖氣逸散存在一定差異,淺層頁巖氣的逸散量大于中深層?？傮w而言,淺層背斜富氣程度即總含氣量低于中深層向斜。

游離氣含量主要受控于孔隙度、含氣飽和度、氣體密度(與溫度和壓力強(qiáng)相關(guān)),持續(xù)抬升使含氣層段埋深度小于1000 m時,游離氣加速散失[19]。太陽氣田淺層背斜埋深約1000 m,其游離氣含量(游離氣大致相當(dāng)損失氣)及其占比均低于中深層向斜(圖6,井位見圖1)。同時,YQ11、Y7及YZ116井五峰-龍馬溪組含氣層壓力系數(shù)分別為1.1、1.3和1.6,即淺層背斜相對中深層向斜壓力系數(shù)低,印證淺層背斜頁巖氣保存條件略差于中深層,但其仍具有良好的封閉性能,具備經(jīng)濟(jì)開采價值。

3 太陽淺層頁巖氣富集模式

3.1 埋藏史與抬升史

中上揚(yáng)子不同地區(qū)初始抬升時間存在明顯差異性,總體上由東往西逐漸變晚,抬升次序由四川盆地邊緣向盆地內(nèi)傳遞。盆地北緣和東緣的抬升早于西緣,西北緣早于西南緣,而盆地南緣大規(guī)模抬升的時間最晚,發(fā)生在距今約5 Ma[20-22]。太陽氣田處于四川盆地南緣,位列揚(yáng)子板塊西緣特提斯喜馬拉雅構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的交接轉(zhuǎn)換部位[21],主要受其南部黔中隆起晚侏羅世末(137 Ma大規(guī)模抬升)向北擴(kuò)展[22],疊加中燕山期雪峰山古隆起和喜馬拉雅期青藏高原向東擠壓逃逸作用,其抬升剝蝕的時間相對較晚(圖1(a))。結(jié)合前人磷灰石裂變徑跡資料和本次測試結(jié)果揭示,太陽氣田抬升時間在35～25 Ma,遠(yuǎn)晚于盆地東南緣的95～60 Ma[20]。海壩背斜YQ11埋藏史和五峰-龍馬溪組裂縫方解石捕獲包體溫度,同樣揭示太陽氣田抬升時間較晚(圖7,其中N為所測包體均一溫度的個數(shù),Ro為成熟度),其頁巖氣逸散時間相對較短,有利于頁巖氣富集保存。

圖7 海壩背斜YQ11井埋藏史Fig.7 Burial history of well YQ11 in Haiba anticline

3.2 頁巖自封閉性

頁巖自封閉能力主要表現(xiàn)在吸附性能和毛細(xì)管壓力兩個方面,其均與頁巖有機(jī)質(zhì)的納米孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)。頁巖孔徑越小、比表面積越大,其吸附能力越強(qiáng)[23-25];有機(jī)質(zhì)分布及孔隙結(jié)構(gòu)控制毛細(xì)管封閉能力。有機(jī)納米孔隙系統(tǒng)對頁巖氣吸附、毛管壓力封閉是頁巖氣滯留富集的自封閉保存的重要控制因素[26]。太陽淺層頁巖氣田不同構(gòu)造部位五峰-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖的孔徑及孔體積存在差異(圖8)。整體上,中深層云山壩向斜五峰-龍馬溪組頁巖孔徑和孔體積最大,淺層太陽淺層背斜優(yōu)質(zhì)頁巖的孔徑和孔體積最小(圖8(a)～(c))。中深層云山壩向斜頁巖平均孔徑大于9 nm,高于淺層海壩背斜和太陽背斜頁巖的平均孔徑(圖8(d))。云山壩向斜宏孔(孔徑大于50 nm)最為發(fā)育,且平均孔徑最大,其頁巖吸附性能較淺層的太陽和海壩背斜降低。因而淺層背斜頁巖自封閉性能優(yōu)于中深部向斜,有助于淺層頁巖氣吸附滯留。同時也印證了淺層頁巖氣吸附氣含量占比相對中深層更高的原因。

圖8 太陽淺層氣田五峰-龍馬溪組頁巖孔徑和孔體積變化Fig.8 Variations of pore size and volume of shale in Wufeng-Longmaxi formation of Taiyang shallow gas field

3.3 頁巖氣碳同位素特征

天然氣運(yùn)移過程中碳同位素的分餾主要受“質(zhì)量分餾效應(yīng)”控制,即天然氣運(yùn)移方向上隨運(yùn)移距離增加,逐漸富集12C輕同位素[27]。太陽氣田龍馬溪組頁巖氣甲烷的碳同位素分布在-32.8‰～-28.8‰,平均值為-31.0‰;乙烷碳同位素分布在-36.6‰～-33.9‰,平均值為-35.6‰;丙烷碳同位素分布在-37.2‰～-35.0‰,平均值為-36.4‰(圖9)。其中海壩、太陽淺層背斜頁巖氣烷烴碳同位素較云山壩向斜偏輕(圖9),揭示頁巖層段在抬升過程中隨溫壓條件變化,深部位向斜游離氣具有由向淺層背斜短距離運(yùn)移補(bǔ)充的特征。

圖9 太陽淺層氣田五峰組-龍馬溪組頁巖氣碳同位素組成序列Fig.9 Carbon isotopic composition sequences of shale gas from Wufeng-Longmaxi Formation in Taiyang shallow gas field

根據(jù)烷烴碳同位素分餾定量模型圖版[28],估算了太陽背斜、海壩背斜和云山壩向斜頁巖氣的滯留烴裂解氣和干酪根裂解氣的貢獻(xiàn)比例,揭示龍馬溪組頁巖氣主要來源于滯留烴裂解氣(圖10)。其中云山壩向斜滯留烴裂解氣貢獻(xiàn)比為80%～90%,而太陽背斜和海壩背斜滯留烴裂解氣占比為50%～70%(圖10)。

圖10 太陽淺層氣田龍馬溪組頁巖氣中滯留烴裂解氣貢獻(xiàn)比例Fig.10 Contribution ratio of residual hydrocarbon cracked gas in shale gas of Longmaxi Formation in Taiyang shallow gas field

表明淺層背斜相對中深部向斜區(qū)具更少的滯留烴裂解氣比例,同樣印證深部游離氣具有短距離運(yùn)移補(bǔ)充到淺層背斜聚集的過程。

綜上所述,認(rèn)為太陽淺層頁巖氣三維封存箱有效富集保存,除了底頂板及壓扭斷層立體封閉外,主要受控于三點(diǎn),即晚抬升,逸散時間相對較短;頁巖孔隙以中孔為主,自封閉能力強(qiáng);同時中深層向斜游離氣不斷向淺層短距離運(yùn)移補(bǔ)充聚集?；诖苏J(rèn)識,打破了頁巖氣淺層保存條件不佳的固有認(rèn)識,建立了太陽-海壩淺層氣田頁巖氣富集新模式(圖11),有效指導(dǎo)了太陽-海壩淺層頁巖氣田的滾動勘探開發(fā),拓展了南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層頁巖氣勘探新領(lǐng)域。目前,在川南筠連南、貴州習(xí)水、重慶黔江、湖北宜昌東等地,已鉆揭深度小于2000 m的頁巖氣流[2],揭示南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層頁巖氣具良好的勘探潛力。太陽-海壩淺層頁巖氣富集保存模式對于南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層頁巖氣勘探,具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

圖11 太陽淺層氣田五峰組-龍馬溪組頁巖氣富集模式Fig.11 Shale gas enrichment model of Wufeng-Longmaxi Formation in Taiyang shallow gas field

4 結(jié) 論

(1)太陽-海壩五峰-龍馬溪組淺層頁巖氣保存條件良好,但存在差異。其中深部云山壩向斜富氣程度優(yōu)于淺層太陽背斜和海壩背斜。

(2)太陽淺層頁巖氣“三維封存箱差異有效保存”,除了底頂板及壓扭斷層封閉外,主要受控于晚抬升,逸散時間相對較短;淺層背斜頁巖以中孔為主,自封閉能力強(qiáng);同時中深層向斜游離氣不斷向淺部位短距離運(yùn)移補(bǔ)充、富集。

(3)太陽-海壩淺層頁巖氣富集新模式,對于南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)淺層頁巖氣勘探具有重要的借鑒意義。